行業(yè)技術(shù)分享：工程師解析LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)技巧

LED照明將會取代主流的白熾照明和其他照明技術(shù)，占據(jù)市場主導(dǎo)位置。但從舊技術(shù)到新技術(shù)的轉(zhuǎn)換還需要多年時(shí)間。在此期間，LED燈設(shè)計(jì)師所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保新設(shè)計(jì)與原本為白熾照明開發(fā)的現(xiàn)有控制器和布線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)兼容和可靠工作。本文所介紹的是可同時(shí)適用于低功率和高功率LED照明系統(tǒng)的解決方案，它久經(jīng)考驗(yàn)，非常成熟。

LED燈泡的構(gòu)造

一個(gè)LED燈包含一個(gè)到十幾個(gè)甚至更多的LED芯片，它們通常串聯(lián)在一起。每個(gè)芯片的發(fā)光亮度由通過其中的電流大小決定。由于采用串聯(lián)連接方式，燈泡內(nèi)每個(gè)LED芯片會自動通過相同的電流，但每個(gè)芯片上的電壓各不相同。LED的正向電壓降通常為3.4V，但會在2.8V到4.2V之間變化。可以對LED進(jìn)行分類以限制電壓變動幅度，但這會增加成本，并且正向電壓降仍會隨溫度和使用時(shí)間發(fā)生變化。要想提供一致的光輸出，LED燈必須由嚴(yán)格規(guī)定的高效恒流電源驅(qū)動。作為白熾燈的替代品LED燈，該電源必須集成在燈殼內(nèi)。

典型集成LED燈包括驅(qū)動電路、LED集束以及可同時(shí)為驅(qū)動器和LED芯片提供機(jī)械保護(hù)和散熱的外殼。

LED驅(qū)動器的要求非常嚴(yán)格。它必須是高效節(jié)能的，必須滿足嚴(yán)格的EMI和功率因數(shù)規(guī)格，并能安全地耐受各種故障條件。其中最為困難的要求之一是要有調(diào)光功能。由于LED燈的特性與專為白熾燈所設(shè)計(jì)的調(diào)光控制器之間存在不匹配，因此容易造成性能不佳。問題可能表現(xiàn)為啟動速度慢、閃爍、光照不均勻、或在調(diào)整光亮度時(shí)出現(xiàn)閃爍。此外，還存在各個(gè)單元性能不一致以及LED燈發(fā)出可聞噪聲等問題。這些負(fù)面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關(guān)斷控制器以及 LED電流控制不當(dāng)?shù)纫蛩毓餐斐傻摹?/p>

調(diào)光控制器

照明控制器以線路調(diào)光或PWM調(diào)光的方式進(jìn)行工作。最簡單的線路調(diào)光方式是前沿可控硅控制器。這是目前最常用的照明控制方式，但不幸的是，使用可控硅控制器對LED燈進(jìn)行調(diào)光時(shí)會產(chǎn)生大量問題。更先進(jìn)的線路調(diào)光器是電子前沿或后沿調(diào)光器。PWM調(diào)光器則用于專業(yè)照明系統(tǒng)。

使用前沿可控硅調(diào)光器時(shí)，調(diào)光控制是通過改變可控硅導(dǎo)通每個(gè)半周期的相位角來實(shí)現(xiàn)的。燈泡的輸入功率與調(diào)光信號的相位角成一定的函數(shù)關(guān)系，相位角的變化范圍介于接近0°到180°之間。

可控硅的重要參數(shù)之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)動的情況下保持導(dǎo)通所必須維持的最小負(fù)載。為維持可控硅的穩(wěn)定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8mA到40mA。因此，白熾燈的相位角調(diào)光器通常有一個(gè)規(guī)定的最小負(fù)載，230V額定交流電壓下通常為40W。這是為了確保流經(jīng)內(nèi)部可控硅的電流始終高于所規(guī)定的維持電流閾值。由于LED照明的功耗非常低，維持電流將成為一個(gè)問題。

另一個(gè)潛在問題是浪涌電流?？煽毓鑼?dǎo)通時(shí)，高浪涌電流會流入LED燈。最差情況就是相位角達(dá)到90°，而此時(shí)AC輸入電壓達(dá)到峰值。對白熾燈來說，浪涌電流不會構(gòu)成問題。但在LED燈中，驅(qū)動器的輸入級阻抗和線路電容會造成振蕩。發(fā)生振蕩時(shí)，可控硅電流將立即降到維持電流以下，使可控硅停止導(dǎo)通。

要想解決這些問題，就必須修改LED驅(qū)動器的規(guī)格和設(shè)計(jì)。

非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動器

圖1所示為可用于替換白熾燈的LED燈的非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動器的基本應(yīng)用電路圖。下面將介紹驅(qū)動器的功能，以便闡明該驅(qū)動器在成為可控硅調(diào)光器的負(fù)載時(shí)將會出現(xiàn)的問題。

該控制器是Power Integrations(PI)推出的LinkSwitch-PL器件。它在一個(gè)單片IC上集成了高壓功率MOSFET開關(guān)和電源控制器。該器件提供單級功率因數(shù)校正(PFC)和LED電流控制。該電路可用作非連續(xù)模式、可變頻率、可變導(dǎo)通時(shí)間反激式轉(zhuǎn)換器。整流后的交流電源輸入由集成的725V功率 MOSFET通過高頻變壓器進(jìn)行開關(guān)。次級繞組上產(chǎn)生的電壓在變成LED負(fù)載之前會被整流和平滑。LED負(fù)載電流還流經(jīng)檢測電阻RSENSE。 RSENSE上產(chǎn)生的電壓(典型值為290mV)會通過RF出現(xiàn)在反饋(FB)引腳，從而提供精確的恒流反饋控制。DES和RES為 LinkSwitch-PL供電，DZOV和ROV在LED開路時(shí)提供過壓保護(hù)。

本設(shè)計(jì)中的輸出電流與電源變壓器的特性無關(guān)。電感變化對恒流特性無任何影響。因此，這能使恒流特性具有非常嚴(yán)格的容差，這在單級轉(zhuǎn)換器中非常突出。

在執(zhí)行調(diào)光控制時(shí)，LinkSwitch-PL器件會同時(shí)檢測輸入電壓過零點(diǎn)和可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通角。輸入電壓過零點(diǎn)的檢測是通過漏極節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成的?？刂齐娐窌幚泶藬?shù)據(jù)并設(shè)定需要的反饋電壓，從而設(shè)定LED負(fù)載電流。浪涌電流

如圖1所示，驅(qū)動器對可控硅控制器構(gòu)成高阻抗、大電容負(fù)載。此外，還將有電容和電感所構(gòu)成的輸入EMI濾波電路。在每個(gè)半周期，都會產(chǎn)生浪涌電流，從而造成振蕩(如上所述)。