如何使LED燈泡可調光

 多年來，制造商不斷向市場推出LED燈，其最終目標是要用來取代白熾燈和緊湊型熒光燈(CFL)。這些燈泡設計的演變經(jīng)歷了從非常簡單的不可調光方案，到高級但昂貴的可調光方案，再到性價比更高的可調光方案。

許多LED燈都宣稱可調光，但實際上，很多LED燈的性能并不十分理想，且由于所使用的調光器和電路負載不同而性能各異。有時，將LED燈安裝在設有調光器的室內后，LED燈會出現(xiàn)閃爍且無法均衡調整光亮度的情況。

這些缺陷是由于現(xiàn)階段美國使用的大部分調光器都是基于雙向晶閘管(TRIAC)二線前沿切相電路的，這些電路開發(fā)于20世紀60年代，適用于電阻式白熾燈。TRIAC是一種雙向半導體電源開關，由可變定時電路生成的脈沖觸發(fā)，并在傳導電流高于保持電流時維持導通。調光器電路的種類有很多，使用了不同特性的器件以及不同的控制電路和濾波元件。

LED燈的驅動器電路將交流輸入電源轉換為低壓直流電源，并維持一個穩(wěn)定電流，驅動高亮度LED負載獲得恒定光輸出。要想通過基于雙向晶閘管的調光器來調節(jié)基本的LED驅動器電路，就必須額外添加一些元器件來實現(xiàn)穩(wěn)定的調光器運行，并根據(jù)調光器相位角來調節(jié)輸出電流。

由于調光器差異較大，所連接的LED調光電路性能也有所不同。由于現(xiàn)在還未出臺明確標準來劃分帶有調光器的LED燈泡的性能，使這一問題變得更加復雜。至多會有一些燈泡制造商提供調光器列表，列明他們認為可與其產品兼容的調光器。

在美國能源部(DoE)的支持下，美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)正著手制定適用于由切相調光器驅動的LED燈的調光標準，包括決定是否達到可接受性能的測試程序及指標。希望這一標準最終能夠幫助清理掉市場上那些聲明可調光，但性能遠未達到終端用戶所期待的柔和、穩(wěn)定如白熾調光預期的產品。

大部分LED燈泡使用的驅動電路都包含降壓、升降壓或反激式轉換器。在各種情況下，都可通過修改基本電路來實現(xiàn)可接受的調光性能，同時不會增加器件的成本和復雜性。這樣就可以提升可調光驅動器的性能，進而滿足消費照明市場的成本節(jié)約要求。

兼容性的問題在于TRIAC調光器電路如何與LED驅動器輸入電路進行交互。

單級LED驅動器示例電路(圖2)取代了圖1中代表白熾燈的電阻性負載。盡管這一電路由于在穩(wěn)定運行時的高功率因數(shù)模擬了電阻性負載，但其前端也包括了EMI濾波所必需的電容器。此外，LED燈泡所消耗的功率比同等白熾燈的25%還要少。結果就是，在TRIAC觸發(fā)前，調光器在交流線路半周期中主要承受電容性負載。

圖1：典型的調光器原理圖

圖2：基本的LED驅動器電路框圖

圖1所示的雙向觸發(fā)電路若想要按照設計目標運行，還需要一條電阻性路徑至中性點。如果改為電容性負載，這一電路將無法正常運行，并導致周期轉換時出現(xiàn)不穩(wěn)定觸發(fā)的情況，具體表現(xiàn)為輸出的光不停閃爍。調光器和LED驅動器中的EMI濾波器，還會由TRIAC啟動時的高dv/dt引起振鈴振蕩。

振蕩幅度達到一定程度時，會導致電流降至“保持電流”以下，從而使TRIAC關閉，而無法在下一次線路過零之前維持TRIAC導通。這一情況通常會由于觸發(fā)電路重觸發(fā)TRIAC，導致其在單個線路半周期中多次開和關。除了給元器件造成應力并很可能破壞調光器或LED驅動器之外，這將導致出現(xiàn)嚴重的閃爍以及令人不悅的噪聲情況。

假設使用LED燈所適用的調光器來替代該調光器并不是理想的解決方案，那么可以通過修改LED驅動來解決上述問題，從而實現(xiàn)LED驅動與標準調光器的搭配使用。

圖3：可調光LED驅動示意圖。

示例電路(圖3)為單級LED反激式轉換器，同樣的技術也可用于升降壓或適應性降壓轉換器。首先，必須在設計輸入濾波器時將輸入電容保持在最小值，這樣也有助于實現(xiàn)最佳的功率因數(shù)。

下一步介紹的是有源衰減器及無源泄放器電路。衰減電路在TRIAC觸發(fā)時會限制沖擊電流，從而極大地抑制振鈴，以至TRIAC保持導通狀態(tài)。短暫延時后，衰減電阻被一個小的MOSFET所旁路，以防止在余下的導通期間產生功率損耗。為將低功率驅動器成本降至最低，可忽略旁路MOSFET及其相關的驅動電路，但這會導致電阻器的散熱及相關的效率損失。

可使用無源泄放器電路代替一些調光解決方案中使用的有源泄放器。該串聯(lián)RC網(wǎng)絡從觸發(fā)點開始傳導電流，時間足夠開關轉換器開始抽取電流，這有助于確保電流在這一期間不會降至保持電流以下。以恒定導通時間運行的反激式或升降壓轉換器作為接至直流總線的主要電阻性負載，可在下次線路過零前保持調光器TRIAC的導通狀態(tài)。轉換器需要抽取足夠多的電流，以保持在TRIAC保持電流之上。單級PFC反激式或升降壓轉換器通?？梢詫崿F(xiàn)這一目標。

此處所述電路采用了IRS2983控制器IC，其運行在電壓模式下。COMP輸入端上的直流電壓電平?jīng)Q定了開關周期的導通時間。因為控制器IC常與初級側調節(jié)一起使用以保持恒定的輸出功率，所以必須在這一輸入端上增加齊納二極管來鉗位COMP電壓。這就對最大導通時間設置了限制，以致在調光期間，當直流總線電壓下降時，導通時間就無法增加來進行補償。

結果就是，隨著調光器設置的降低及直流總線電壓的下降，輸出電流也會降低。這樣就可以在無需采用更復雜的電路來檢測調光器相位角或調節(jié)輸出的情況下，通過調節(jié)調光器控制將燈光亮度調節(jié)至低于20%。同時，必須在調光關閉期間釋放控制器VCC電源，以確保IC僅在所需時段運行。為此使用了一個高壓二極管連接VCC與直流總線。

有源衰減器及無源泄放器電路也可與降壓轉換器一起使用，但結果取決于LED電壓。由于在線路電壓低于輸出電壓時轉換器無法抽取電流，相位調光運行范圍將受到限制。出于這一原因，LED電壓最好保持較低，但也不能太低，否則電路將變得無效，需要使用過大的電感器。對于保持合理調節(jié)范圍的120V_AC系統(tǒng)，LED電壓最好是20V～40V。CCM降壓LED控制器IC(如IRS2980)可在不平滑的總線電壓始終高于LED總輸出電壓的同時，維持LED燈的平均電流調節(jié)。

本文介紹的這些簡單技巧在與所述的LED轉換器一起使用時，可使大多數(shù)基于TRIAC的調光器實現(xiàn)無閃爍的平滑調光效果。