LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技巧分析

led照明將會(huì)取代主流的白熾照明和其他照明技術(shù)，占據(jù)市場(chǎng)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照明燈設(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(kāi)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照明燈泡包含一個(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(guò)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(huì)自動(dòng)通過(guò)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(huì)在2.8V到4.2V之間變化。可以對(duì)LED進(jìn)行分類以限制電壓變動(dòng)幅度，但這會(huì)增加成本，并且正向電壓降仍會(huì)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照明燈泡必須由嚴(yán)格規(guī)定的高效恒流電源驅(qū)動(dòng)。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(dòng)電路、LED集束以及可同時(shí)為驅(qū)動(dòng)器和LED芯片提供機(jī)械保護(hù)和散熱的外殼。

LED驅(qū)動(dòng)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(wèn)題可能表現(xiàn)為啟動(dòng)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(wèn)題。這些負(fù)面情況通常是由誤觸發(fā)或過(guò)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(jiǎn)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(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量問(wèn)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(guò)改變可控硅導(dǎo)通每個(gè)半周期的相位角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。燈泡的輸入功率與調(diào)光信號(hào)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(dòng)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(wèn)題。

另一個(gè)潛在問(wèn)題是浪涌電流。可控硅導(dǎo)通時(shí)，高浪涌電流會(huì)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(duì)白熾燈來(lái)說(shuō)，浪涌電流不會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。但在LED燈中，驅(qū)動(dòng)器的輸入級(jí)阻抗和線路電容會(huì)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(wèn)題，就必須修改LED驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格和設(shè)計(jì)。

非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的基本應(yīng)用電路圖。下面將介紹驅(qū)動(dòng)器的功能，以便闡明該驅(qū)動(dòng)器在成為可控硅調(diào)光器的負(fù)載時(shí)將會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)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(kāi)關(guān)和電源控制器。該器件提供單級(jí)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(guò)高頻變壓器進(jìn)行開(kāi)關(guān)。次級(jí)繞組上產(chǎn)生的電壓在變成LED負(fù)載之前會(huì)被整流和平滑。LED負(fù)載電流還流經(jīng)檢測(cè)電阻RSENSE。RSENSE上產(chǎn)生的電壓(典型值為290mV)會(huì)通過(guò)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L(zhǎng)inkSwitch-PL供電，DZOV和ROV在LED開(kāi)路時(shí)提供過(guò)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(wú)關(guān)。電感變化對(duì)恒流特性無(wú)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(jí)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(huì)同時(shí)檢測(cè)輸入電壓過(guò)零點(diǎn)和可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通角。輸入電壓過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)是通過(guò)漏極節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成的?？刂齐娐窌?huì)處理此數(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(dòng)器對(duì)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(huì)產(chǎn)生浪涌電流，從而造成振蕩(如上所述)。

要想實(shí)現(xiàn)無(wú)故障的調(diào)光工作，驅(qū)動(dòng)器必須能夠限制振蕩并防止可控硅電流降到維持電流值以下。圖2所示為具備此功能的驅(qū)動(dòng)器的完整電路圖。

圖 2：用于A19白熾燈替換燈的5W、15V可控硅調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖

圖2中的電路提供350mA的單路恒流輸出和15V的LED串電壓。使用標(biāo)準(zhǔn)交流電源可控硅調(diào)光器可將輸出電流減小1%(3mA)，并且不會(huì)造成LED負(fù)載不穩(wěn)定或閃爍。該驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)兼容低成本的可控硅調(diào)光器和更復(fù)雜的電子前沿及后沿調(diào)光器。

該驅(qū)動(dòng)器的功能增加了輸入EMI濾波和三個(gè)可控硅調(diào)光所特有的元件：一個(gè)無(wú)源衰減電路、一個(gè)有源衰減電路和一個(gè)泄放電路。

輸入EMI濾波可確保符合IEC環(huán)形波和EN55015傳導(dǎo)EMI規(guī)定。然而，關(guān)鍵點(diǎn)在于LinkSwitch-PL控制器集成了內(nèi)置的頻率抖動(dòng)特性。該特性可分散開(kāi)關(guān)頻率和降低EMI峰值，使EMI濾波電路的尺寸遠(yuǎn)低于正常要求。這有助于大幅減小對(duì)可控硅帶來(lái)的電感性負(fù)載，從而降低發(fā)生振蕩的可能性。

電阻R20構(gòu)成無(wú)源衰減電路。有源衰減電路在每個(gè)交流半周期通過(guò)輸入整流管連接串聯(lián)電阻(R7和R8)，在剩下的交流周期則通過(guò)并聯(lián)可控硅整流器 (Q3)繞過(guò)該電阻。電阻R3、R4和C3決定Q3導(dǎo)通前的延遲時(shí)間，然后將衰減電阻R7和R8短路。無(wú)源衰減電路和有源衰減電路可在每個(gè)半周期可控硅導(dǎo)通時(shí)，共同限制峰值浪涌電流。

電阻R10、R11和C6形成泄放電路，確保初始輸入電流量可以滿足可控硅的維持電流要求，特別是在導(dǎo)通角較小的情況下。對(duì)于非調(diào)光應(yīng)用，則可以省去無(wú)源衰減電路、有源衰減電路以及泄放電路。

隔離式LED驅(qū)動(dòng)器

圖2中的驅(qū)動(dòng)器針對(duì)低功率、電氣非隔離式集成LED替換燈專門優(yōu)化過(guò)。PI針對(duì)要求電氣隔離的更高功率LED照明系統(tǒng)，推出了LinkSwitch-PH控制器。圖3所示(詳見(jiàn)本刊網(wǎng)站)為使用LinkSwitch-PH的隔離式LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖。

圖 3：14W可控硅調(diào)光的高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖。

該電路能夠在90VAC至265VAC的輸入電壓范圍內(nèi)對(duì)28V的額定LED串電壓提供0.5A驅(qū)動(dòng)電流，其特性包括超寬調(diào)光范圍、無(wú)閃爍工作(即使使用低成本的交流輸入可控硅調(diào)光器)以及快速平滑的導(dǎo)通。

它所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)通模式下的隔離反激式結(jié)構(gòu)。輸出電流調(diào)節(jié)完全從初級(jí)側(cè)檢測(cè)，因此無(wú)需使用次級(jí)反饋元件。單級(jí)內(nèi)部控制器調(diào)整高壓功率MOSFET的占空比，以保持輸入電流為正弦交流電，從而確保高功率因數(shù)和低諧波電流。

該電路的功能與圖2中的電路大體相似，最明顯的差異是該電路采用了電氣隔離，沒(méi)有使用與負(fù)載串聯(lián)的檢測(cè)電阻。反饋控制通過(guò)變壓器上的偏置繞組提供。反饋控制具有兩項(xiàng)功能：經(jīng)由旁路(BP)輸入對(duì)LinkSwitch-PH供電，經(jīng)由反饋(FB)輸入提供電流反饋。LinkSwitch-PH提供的另一個(gè)重要輸入是電壓監(jiān)測(cè)(V)。該引腳與外部輸入電壓峰值檢測(cè)器接口相連，后者由D1、C3、R1、R2和R3構(gòu)成。外加電流用于控制輸入欠壓(UV)和過(guò)壓(OV)的停止邏輯，并提供前饋信號(hào)以控制輸出電流和遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)功能。該電路集成了衰減電路和泄放電路，以確?？煽毓韫ぷ?見(jiàn)圖6)。

在任何LED照明裝置中，驅(qū)動(dòng)器的性能都決定著最終用戶的照明體驗(yàn)，包括啟動(dòng)時(shí)間、調(diào)光、無(wú)閃爍工作和各單元之間的一致性。14 W驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)在115 VAC和230 VAC下兼容各種調(diào)光器并兼容盡可能寬的調(diào)光范圍。因此，衰減電路和泄放電路會(huì)起到相對(duì)積極的作用，但這會(huì)讓效率下降。即使如此，該電路的效率仍能在115 VAC下≥85%，在230 VAC下≥87%。如果不需要調(diào)光功能，可省去衰減電路和泄放電路，可取得更高的效率。

隨著LED照明市場(chǎng)潛力的不斷擴(kuò)大，上述設(shè)計(jì)折衷凸顯出了一系列哲學(xué)問(wèn)題。既然新技術(shù)的功耗只是舊技術(shù)的十分之一，在會(huì)降低效率(即增加功耗)的情況下，是否真的有必要與所有舊的可控硅控制器實(shí)現(xiàn)兼容？當(dāng)使用一個(gè)最低負(fù)載規(guī)格為40W的1000W可控硅控制器提供驅(qū)動(dòng)時(shí)，我們能否讓一個(gè)5W LED燈正確工作呢？是的，這是可以做到的，也許應(yīng)該盡快做到。但我們必須謹(jǐn)記，完整照明解決方案的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大效率和最低生命周期成本。