基于EZDimming的節(jié)能LED照明系統(tǒng)

假如我們有一個(gè)10W的LED臺燈，發(fā)出來的總光通量是600lm,若這600lm全部集中在1m2的桌面，那桌面的照度就是600lx。

1 調(diào)光的作用和意義

燈光是人工照明，為夜晚或自然光不足的場合提供足夠的照度。但燈光消耗電力，在不需要時(shí)關(guān)掉燈光可節(jié)約能源。不過在有些時(shí)段和情況下，如果可把燈光調(diào)到較暗的程度(25%~50%)，也是可以顯著降低能源消耗的(-50%~-75%)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國的照明負(fù)載約占總用電量的20%,亦即照明將消耗發(fā)電系統(tǒng)約20%的功率。帶可調(diào)光的照明產(chǎn)品比不帶調(diào)光功能的照明產(chǎn)品更節(jié)能，實(shí)現(xiàn)照度和光通量的調(diào)節(jié)就是調(diào)光器的作用。因此，在照明設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮調(diào)光的作用，就完全可以達(dá)到大幅度節(jié)能的目的。

2 現(xiàn)有的調(diào)光方式

2.1 電阻式調(diào)光

過去，曾采用最原始的電阻式調(diào)光，如圖1所示，在照明電路中由一個(gè)可變電阻進(jìn)行調(diào)光。應(yīng)用非常簡單，也不會產(chǎn)生干擾，但其分壓原理是讓電能不完全用在燈具(電器)上，沒有效率可言。調(diào)暗燈光時(shí)，調(diào)光電阻因分壓過多而產(chǎn)生大量的熱能，造成能源的浪費(fèi)和環(huán)境的劣化。故取而代之的是可控硅調(diào)光方式。

圖1 電阻式調(diào)光

2.2 可控硅調(diào)光

如圖2所示，可控硅調(diào)控技術(shù)的基本原理是：利用RC移相來延遲觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)斬波，改變電壓的均方根值(有效值為Vrms)。同時(shí)，利用雙向可控硅(DIAC)導(dǎo)通電壓的對稱性，達(dá)到可控硅(TRIAC)的對稱觸發(fā)。故改變電阻值就可得到不同的導(dǎo)通角，應(yīng)用切相原理，減少Vrms,以降低普通負(fù)載(電阻負(fù)載)的功率。

圖2 改變電阻值可得到不同的導(dǎo)通角

因此效率較高，性能也穩(wěn)定。圖3為可控硅調(diào)光器的工作原理圖。

圖3 可控硅調(diào)光的工作原理圖

可控硅技術(shù)在工作中的特性(I-V特性)如圖4所示。根據(jù)I-V特性可知：TRIAC在導(dǎo)通后，需要維持最小電流(維系電流Ihold)來保持導(dǎo)通，否則會恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài);不同的TRIAC會有不同的Ihold值，通常在幾毫安到幾十毫安之間，有的甚至到50mA才能穩(wěn)定導(dǎo)通。現(xiàn)在市場上能買到的不同牌號、不同種類的調(diào)光器，100W,200W,600W~1000W,功率越大就越需要大的維系電流。如果沒有足夠的Ihold來保證TRIAC穩(wěn)定的導(dǎo)通角，那么輸出的波形就會不均勻，產(chǎn)生額外的顫動和尖峰，影響輸出的Vrms。

2.3 LED照明常見的調(diào)光方法

　　LED照明調(diào)光通常有三種方法：

　　(1)線性調(diào)光;

　　(2)脈沖寬度(PWM)調(diào)光;

　　(3)可控硅調(diào)光。

其中，線性調(diào)光如圖5所示。調(diào)節(jié)電流感應(yīng)電壓閾值，就可調(diào)節(jié)流過LED電流的大小。圖5中SSD1075的電流感應(yīng)電壓閾值是1.2V,我們在其LD腳上輸入0~1.2V的直流電壓，以實(shí)現(xiàn)LED電流的線性調(diào)節(jié)。實(shí)測SSD1075的調(diào)光曲線，可以看出從0~1.2V輸入到LD時(shí)，LED電流呈線性調(diào)節(jié)。線性調(diào)光的缺點(diǎn)是需要額外的直流電壓源。而且由于電流感應(yīng)電壓閾值一般會設(shè)置得較低，其抗干擾能力較差，會產(chǎn)生閃爍。

脈寬PWM調(diào)光如圖6所示。通過改變PWM輸入脈沖信號的占空比來調(diào)制LED驅(qū)動芯片對功率場效應(yīng)管的柵極控制信號，就可調(diào)節(jié)通過LED電流的大小。實(shí)測SSD1075的調(diào)光曲線可知，占空比從0~100%變化時(shí)，LED電流呈線性調(diào)節(jié)。此法的缺點(diǎn)是需要額外的PWM信號源，且脈寬調(diào)制信號頻率與LED驅(qū)動芯片對功率FET的柵極控制信號頻率越接近，其線性就越差。

圖6 脈沖寬度PWM調(diào)光

線性調(diào)光和PWM調(diào)光在家用及商業(yè)應(yīng)用上的最大問題，不是增加負(fù)載分壓電路或產(chǎn)生控制脈沖信號的麻煩，而是因?yàn)檫@兩種方法都需要控制線路。而在傳統(tǒng)的燈具上，只具備兩個(gè)電觸點(diǎn)。如需加控制線，就無法做到替換性改造了，所以LED燈具一定需要兼容現(xiàn)有的SCR調(diào)光控制技術(shù)。

可控硅調(diào)控就是在芯片里或者應(yīng)用電路上，在切相電源中提取導(dǎo)通角信息，并根據(jù)該信號控制來調(diào)控LED的驅(qū)動電流，以達(dá)到調(diào)光的效果。

根據(jù)SSD1075的可控硅調(diào)光曲線，可看出LED電流與可控硅調(diào)光呈線性調(diào)節(jié)，如圖7所示。　
 

圖7 可控硅調(diào)光原理圖及調(diào)光曲線

3 可控硅調(diào)光在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及其解決方法

3.1 可控硅調(diào)光會出現(xiàn)100Hz的頻閃

如圖8所示，電網(wǎng)的工頻為50Hz,切相波形整流后就可得到100Hz的脈沖信號，因而可直接用來產(chǎn)生調(diào)光的PWM信號。但在實(shí)際應(yīng)用中，只要有任何輕微的電壓波動或電流的變動，都會影響脈沖的占空比，這樣就相當(dāng)于一個(gè)100Hz的閃爍。因此，不能直接把切相波形用來調(diào)光，需要把調(diào)制信號頻移至更高的頻段，使人眼察覺不出閃爍現(xiàn)象。具體實(shí)施是通過SSD1075把調(diào)光信號調(diào)至更高的頻段，如圖8所示。
 

3.2 可控硅調(diào)光的負(fù)載問題

可控硅調(diào)光器要穩(wěn)定工作，就需要有穩(wěn)定的Ihold來保障調(diào)光器工作。而大部分的LED電源都是非線性開關(guān)電源，加上現(xiàn)在的LED很節(jié)能，整燈功率不高，故TRIAC的工作狀態(tài)不穩(wěn)定。由于可控硅的導(dǎo)通需要一定的電流，而LED負(fù)載不是線性的，其所需的輸入電流是變化的，故可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)和觸發(fā)電壓也會像圖9那樣，隨之發(fā)生變化。解決方法是在SCR信號輸入端之前，加入虛擬負(fù)載，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的10~30mA負(fù)載給TRAIC。從圖10可見，SCR的波形有了明顯的改善。

圖9 可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)和觸發(fā)電壓的變化

3.3 可控硅調(diào)光的負(fù)載過熱問題

如上所述，加入虛擬負(fù)載以后，按10~30mA計(jì)算，其功耗則為P=2500.01~2500.03=2.5W~7.5W,可以設(shè)想一個(gè)7.5W的虛擬負(fù)載如放在一個(gè)E27球泡燈內(nèi)是斷不可行的，況且效率也很低，因此，一定要讓虛擬負(fù)載電流達(dá)到盡可能的小(I10mA)。此外，還要能夠準(zhǔn)確地解析出導(dǎo)通角信號，因而需要應(yīng)用信號濾波技術(shù)，把截取進(jìn)來的信號進(jìn)行整形濾波，以便提高調(diào)光信號的可用性。

3.4 可控硅調(diào)光器的缺點(diǎn)

硅控調(diào)光器會成為未來LED照明的主流調(diào)光方式嗎?答案是相當(dāng)不樂觀的。硅控調(diào)光器的主要缺點(diǎn)如下。

(1)功率因數(shù)劣化

這一調(diào)光方式的原理是：通過其主要構(gòu)成組件的硅控管，用來截取交流電壓部分導(dǎo)通角度，以改變燈具的輸入功率。但導(dǎo)通角愈短，功率因數(shù)就愈差。調(diào)到1/4亮度時(shí)，功率因數(shù)將低于0.25。

(2)效率下降

因?yàn)樵谡{(diào)暗時(shí)，負(fù)載不足，會造成硅控管提早關(guān)閉，使其用來改變硅控管導(dǎo)通角度的可調(diào)電阻與導(dǎo)通角度的錯亂，進(jìn)一步導(dǎo)致LED燈操作無法穩(wěn)定和閃爍不定的問題。為此，通常藉加裝泄流電阻(bleederordummyload)來解決。這樣，用bleeder來消耗功率以保持硅控管的正常操作，就違背了原先調(diào)光節(jié)能的初衷。

(3)難于匹配

要開發(fā)一種與市面上數(shù)十廠牌硅控調(diào)光器都保證兼容的可調(diào)光LED燈具是相當(dāng)困難的。有關(guān)匹配問題可參閱NxpApplicationNoteAn10754。

(4)高安裝成本和有限的應(yīng)用市場

鑒于上述原因，LED照明業(yè)者若能開創(chuàng)出一種接近零成本、不需要改變接線、不需要昂貴的遙控調(diào)光器，又能維持高效率與高功率因數(shù)，能便于推廣普及的調(diào)光方式，這對LED照明實(shí)現(xiàn)節(jié)能和開拓廣闊的應(yīng)用市場都是非常重要的。

4 LED照明調(diào)光用的理想驅(qū)動IC

對照明這種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，最可行的標(biāo)準(zhǔn)就是原來的標(biāo)準(zhǔn);最容易的方案就是不需改變現(xiàn)狀。迄今為止，比較成功的LED照明產(chǎn)品，都是造型和使用方式與傳統(tǒng)的燈泡和燈管很相似。因而可以推測，最可行的調(diào)光方式，就是不制定新標(biāo)準(zhǔn)，不改變現(xiàn)狀，不需要改變接線，不增加任何調(diào)光裝置就能達(dá)到調(diào)光功能的一種方案。

EZDimming就是按照四段調(diào)光的基本概念，把調(diào)光功能內(nèi)建(BuiltIn)在LED驅(qū)動集成電路之內(nèi)的理想調(diào)光方式。沒有任何其他外接零件的需要，同時(shí)在各段調(diào)光準(zhǔn)位時(shí)，都能維持高效率和高功率因數(shù)。圖11為LED照明調(diào)光用的驅(qū)動IC。

圖11 高功因、高效率， 具有調(diào)光功能的驅(qū)動集成電路

EZDimming偵測wallswitch切換次數(shù)，來改變調(diào)光準(zhǔn)位。自全亮開始循序降到六分亮、四分亮、二分亮。并且在任何調(diào)光階段，都能維持高于0.90的功率因數(shù)，高于80%的效率。切換柔和平穩(wěn)，完全沒有浪涌電流或噪音的不良現(xiàn)象。線路精簡，幾乎是零增加硬件成本。與其他現(xiàn)有的各式調(diào)光方案對比，EZDimming不只是賦有超越性的功能優(yōu)勢，而且不需要改變接線或任何硬件，裝置成本最低。只要將傳統(tǒng)的燈泡、日光燈管或者節(jié)能燈泡拆卸下來，再裝上配有EZDimming的LED燈，立即可以將一個(gè)原先毫無調(diào)光功能的照明器具或系統(tǒng)，改成一個(gè)具有調(diào)光功能、既節(jié)能又環(huán)保的照明系統(tǒng)。