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變光LED驅(qū)動器的光輸出穩(wěn)定性問題解決方案

作者: 時間:2016-12-04 來源:網(wǎng)絡 收藏

本文不討論雙向晶閘管的變光技術,因為低光量不穩(wěn)定性是因為不同的機制造成的,使用通信技術設定LED電流的變光方法包括DALI、0-10V、Zigbee和電力線載波控制。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/325854.htm

LED驅(qū)動器端收到一個信號,并用其設置參考電流,同時控制環(huán)路調(diào)整LED電流,使其符合參考電流。只有控制精度很高,才能確保相鄰燈具的亮度相同。低光量時出現(xiàn)的閃爍和弱光現(xiàn)象令設計人員困惑不解。

單級功率因數(shù)校正

如果使用兩級功率轉(zhuǎn)換器,就再出現(xiàn)低光量不穩(wěn)定現(xiàn)象。第一級(升壓或PFC-反激式)建立較穩(wěn)定的電壓,第二級(通常是降壓逆變)精密調(diào)節(jié)LED內(nèi)的電流。因為需要使用更多的元器件,雙級解決方案的能效不如單級轉(zhuǎn)換器好。出成本考慮,LED廠商通常選用單級PFC-反激式轉(zhuǎn)換器。

問題

變光應至少在20區(qū)間內(nèi),提供這個光量范圍,白熾燈沒有任何問題,在低光功率時,白熾燈的能效大幅降低,20光量區(qū)間所需的功率范圍比較窄。如果提供40%的電壓或電流,光輸出將會降到大約1%.市場期望LED解決這個難題。

LED的線性響應比白熾燈好很多,在低電流時,能效反而更高。人眼可辨別相鄰光源之間5%的差異度,只對以百分比表示的差異度反應,而絕對光量不會引起人眼反應。這需要嚴密控制電流,在低光量時,控制精度要求更高。如果需要調(diào)節(jié)到全輸出的1%,則不能使用一次側控制。

與白熾燈不同,LED沒有自過濾機制。白熾燈燈絲的熱容量是一個很好的交流濾波器,而LED則需要外置濾波電路。常用解決方案是直接在LED上連接一個大型電解電容,而且濾波效果良好。

電解電容的容量根據(jù)光紋波的要求來確定。如果紋波電流小于10%rms(大約28%p-p),人眼感覺光線質(zhì)量與純直流一樣。(此外,如果紋波電流高于10%,能源之星標志要求在燈上做出聲明。)

LED有一個動態(tài)電阻(斜率電阻),其大小為視在V/I電阻的1/10左右。圖2所示是典型LED的V-I曲線。

因此,如果紋波電流小于10%RMS,電容必須將LED上的電壓控制在1%以內(nèi)。所需的數(shù)值是:

不幸的是,電容還是控制環(huán)路的一部分。電容和LED動態(tài)電阻將控制環(huán)路極點設為大約30Hz.因此,在這個頻率上,電容增加45度相位滯后,使環(huán)路增益降低6dB.我們稍后討論這個問題。下圖詳細描述了僅因為LED控制環(huán)極性點而起的增益和相移。

注意,LED的動態(tài)阻抗隨著電流降低而升高。不幸地是,這使得控制環(huán)極點移至左側。在10%電流時,轉(zhuǎn)折頻率大約3Hz.在1%電流時,轉(zhuǎn)折頻率約為0.3Hz.注意,對于PFC級,典型控制環(huán)路有一個3Hz到20Hz的交叉頻率。

設計一個極點在這個范圍內(nèi)可移動的控制環(huán)路是不合理的。唯一可行的解決方案是交叉頻率在0.03~0.1Hz的設計,但是控制環(huán)路將會變得非常遲緩。

解決方案

我們還有另外一個解決方案。該解決方案需要更多元器件,但是效率只略受影響,成本還是低于雙級驅(qū)動器。進入電容器和LED燈串的電流,即轉(zhuǎn)換器輸出電流,是可以測量的。

不過,因為PFC反激式轉(zhuǎn)換器的輸出電流是三角形脈沖,我們要使用有直流偏移的120Hz正波弦調(diào)制脈沖。我們要測量的是直流偏移。高頻和120Hz頻率必須過濾掉。脈沖電流還將大幅提高電流采樣電阻器的功耗。


高頻電流的波形和包絡線如圖5所示。

鋸齒成份中的RMS電流很大。在低壓線路上,對于寬壓轉(zhuǎn)換器(90Vac到305Vac),最大峰值電流是平均輸出直流的8倍多,而RMS則是平均輸出直流的2倍多。感應電阻器的功耗將是其置于電解電容后面時的4倍。

為解決這個問題,可以在轉(zhuǎn)換器輸出端放置一個小型薄膜電容或陶瓷電容。不需要太大的電容,但是電容的ESR必須低,RMS電流能力必須適當??赡苄枰⒙?lián)多個電容。給電流采樣電阻串聯(lián)一個小電感也可能派上用場。薄膜電容對雙線頻率成份的影響非常小,因此,雙線頻率成份也必須濾除。

在電流采樣電阻器內(nèi),正弦成份的加熱效應較小,因為它在總電流的占比很小。直流與120Hz成份之間的關系是不會變化的,峰對峰交流是直流的2倍,因此,其RMS值是直流(LED電流)的0.707.RMS電流以正常的平方和的平方根方式增加:

電流采樣電阻的功耗還是遠遠高于LED直流測量方法的功耗,電流增加到I2倍。

不過,這比開關頻率成份的功耗好很多。

對于控制環(huán)路,用小SMT組件構成的簡單的阻容濾波器可以濾除120Hz成份。這個解決方案將擁有穩(wěn)定的增益和相移特性,這些特性只隨頻率變化,不受負載電流的影響。6db斷點設置與全LED直流測量相同,或者頻率可以略低一點。

圖7是最終的輸出電路示意圖。



關鍵詞: LED驅(qū)動

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