智能數(shù)字功率控制器優(yōu)化LED調(diào)光系統(tǒng)

全球氣候暖化危機(jī)和能源緊缺在進(jìn)一步推動(dòng)LED照明的普及，LED照明具有環(huán)保、光效高和壽命長的特點(diǎn)，但在完全取代具有墻上型調(diào)光器的白熾燈方面，LED照明還存在兼容性差的先天不足。其主要原因在于：1)現(xiàn)有的調(diào)光器都是針對(duì)白熾燈設(shè)計(jì)的，而白熾燈呈現(xiàn)的是純阻性；LED作為固態(tài)半導(dǎo)體照明器件，需要恒定的直流電流驅(qū)動(dòng)，所以LED照明一般都需要驅(qū)動(dòng)器從交流110V/220V轉(zhuǎn)換到所需要的直流電流；2)調(diào)光器種類繁多，而且工作原理各不相同，包括前切型、后切型和智能型等；3)LED照明器的種類也很多。這樣一來，對(duì)于不同的LED照明匹配不同類型的調(diào)光器；LED的驅(qū)動(dòng)器面臨巨大挑戰(zhàn)；其中，可靠性和安全性尤為重要。照明屬于消費(fèi)電子產(chǎn)品，直接接觸千家萬戶的消費(fèi)者，不僅價(jià)格要適當(dāng)，更重要的是要安全可靠；即便是任一元器件失效或調(diào)光器與LED不匹配，也不能造成漏電、過熱、過流等任何安全故障。

針對(duì)LED照明市場(chǎng)的發(fā)展，多家IC制造商推出了應(yīng)用于調(diào)光LED燈具的驅(qū)動(dòng)方案。本文介紹的iW3610是兼容傳統(tǒng)前后切相式調(diào)光器的數(shù)字控制器，可自動(dòng)識(shí)別切相調(diào)光器，配合不同的工作模式，使整個(gè)系統(tǒng)始終工作在優(yōu)化狀態(tài)。

LED照明驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

LED是一種單向電流型固態(tài)半導(dǎo)體發(fā)光器件，它是傳統(tǒng)二極管的一個(gè)分支；因此LED也具有二極管的特性：1)工作結(jié)溫必須在規(guī)定的范圍內(nèi)，以保證其正常工作壽命；2)只有當(dāng)其承受的電壓超過正向電壓時(shí)，LED才開始有電流通過，并發(fā)光；作為發(fā)光器件，LED照明還具有其它特性：

1)照明要求：a.電流的調(diào)節(jié)精度要高；b.沒有閃爍和眩光；c.電流的紋波要穩(wěn)定。

2)散熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)：a.非隔離驅(qū)動(dòng)器便于散熱器的設(shè)計(jì)和成本控制；b.高效率的驅(qū)動(dòng)器，減少功率耗散；c.過熱調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出光通量當(dāng)溫度超過安全結(jié)溫時(shí)。

3)安全可靠性要點(diǎn)：a.任一器件發(fā)生故障(短路、開路、浮動(dòng))均應(yīng)導(dǎo)致LED照明的關(guān)斷保護(hù)；b.可靠的過熱過流保護(hù)；c.LED開路和短路保護(hù)。

當(dāng)然，要普及LED照明到千家萬戶，成本是最重要的考慮因素，LED產(chǎn)品既要可靠還要體積小巧，并且高效、低成本。

LED調(diào)光照明應(yīng)用中的難點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)的白熾燈，LED照明具有環(huán)保、光效高和壽命長的優(yōu)點(diǎn)。但在完全取代帶有入墻式調(diào)光器的白熾燈方面，LED照明尚存在兼容性差的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的調(diào)光器用于驅(qū)動(dòng)純電阻負(fù)載，調(diào)光器種類繁多，包括前沿切相調(diào)光器、后沿切相調(diào)光器、智能調(diào)光等等，而且功率都比較大(200W~600W)，需要提供阻性或類阻性的負(fù)載才能使調(diào)光器穩(wěn)定工作；當(dāng)連接容性負(fù)載時(shí)，調(diào)光器可能無法正常工作。

針對(duì)可控硅切相調(diào)光器，憑借簡單的泄放電路(BLEEDER)去配合規(guī)格各異的可控硅調(diào)光器工作，很難讓人滿意。傳統(tǒng)調(diào)光器功率都比較大(200W~600W)，可控硅需要一定的保持電流維持其導(dǎo)通，而在小功率的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用上，一般不能保證有足夠大的輸入電流去維持可控硅穩(wěn)定工作。這樣就有可能出現(xiàn)多次導(dǎo)通，因而供給LED驅(qū)動(dòng)的電壓及切相信號(hào)就不穩(wěn)定，如果調(diào)光信號(hào)處理不好則會(huì)造成LED閃爍。

另外，在歐美市場(chǎng)上，后沿切相型的調(diào)光器和鹵素?zé)粢灿袕V泛應(yīng)用。鹵素?zé)粜枰娮幼儔浩鬟M(jìn)行恒壓控制及軟啟動(dòng)以提高可靠性，但是鹵素?zé)舭l(fā)光效率也遠(yuǎn)不如LED燈，因此很多使用者也很想選用可調(diào)光的LED去替換鹵素?zé)艏半娮幼儔浩鳌?/p>

由于后沿切相的調(diào)光器需要和電容性的電子變壓器匹配，它的設(shè)計(jì)和工藝較普通的可控硅調(diào)光器更為復(fù)雜，內(nèi)部有精準(zhǔn)的時(shí)間常數(shù)電路去控制場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷而達(dá)到后沿切相的效果，還需要穩(wěn)定的電壓供這些電路工作；因?yàn)檫@種調(diào)光器中使用的開關(guān)器件是場(chǎng)效應(yīng)管，一般都會(huì)并聯(lián)上較大值的X電容以保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管，這樣就加大了在正弦波下降沿切相時(shí)的檢測(cè)難度。因此，針對(duì)后沿切相調(diào)光器設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)，既要能夠在任何切相位置保證調(diào)光器內(nèi)部電路工作，又要能夠提供很低的阻抗去準(zhǔn)確檢測(cè)切相位置，而且不能影響LED驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換效率。

智能數(shù)字調(diào)光控制器iW3610

iWatt公司推出的數(shù)字調(diào)光控制芯片采用高精度的初級(jí)恒流控制方式，無需光藕合器和元件繁多的次級(jí)反饋控制元件；功率轉(zhuǎn)化操作頻率高達(dá)200kHz，利于小體積高功率密度設(shè)計(jì)；特有的斬波式調(diào)光器的檢測(cè)技術(shù)，也改善了功率因數(shù)和諧波電流；輸出紋波電流小，優(yōu)化了LED的發(fā)光效率；內(nèi)置多重保護(hù)，外置NTC的程序化過溫保護(hù)。

iW3610的斬波電路就是針對(duì)可控硅和場(chǎng)效應(yīng)管調(diào)光器的特性而設(shè)計(jì)。如圖4所示，RcLcQcD1D2組成的電路既可以使調(diào)光器穩(wěn)定工作，又可以通過Boost電路改善功率因數(shù)，IC內(nèi)部的數(shù)字電路通過檢測(cè)電壓的變化率判斷切相信號(hào)的類別，從而智能化判斷其所配合的調(diào)光器。

當(dāng)iW3610檢測(cè)到可控硅切相的調(diào)光信號(hào)后，將工作在前沿切相模式。如圖5所示，當(dāng)可控硅關(guān)斷時(shí)，IC的Output_TR是高電位，使MOSFET導(dǎo)通，相當(dāng)于把BLEEDER電阻連接在調(diào)光器的輸出端，因?yàn)锽LEEDER的阻抗大小與常規(guī)的鎢絲燈相當(dāng)；當(dāng)可控硅導(dǎo)通時(shí)，Ouput_TR會(huì)輸出一組高頻的控制信號(hào)，斬波電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，斬波電路從輸入端吸取較多的電流，以維持可控硅工作；吸取的能量大部分通過Boost電路傳遞給初級(jí)電容。IC針對(duì)不同的輸入切相信號(hào)調(diào)整斬波電路的工作時(shí)間，避免了可控硅的多次導(dǎo)通。

當(dāng)iW3610檢測(cè)到場(chǎng)效應(yīng)三極管調(diào)光器時(shí)會(huì)工作在后沿切相模式。如圖6所示，當(dāng)調(diào)光器內(nèi)部的場(chǎng)效應(yīng)三極管導(dǎo)通時(shí)，IC的Output_TR給出的是一組高頻控制脈沖信號(hào)，斬波電路工作在Boost狀態(tài)，當(dāng)IC檢測(cè)到調(diào)光器內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)三極管截止時(shí)，Output_TR會(huì)跳變成高電平信號(hào)，斬波電路中的Qc導(dǎo)通，LED驅(qū)動(dòng)呈低輸入阻抗以還原交流輸入的切相波形。

當(dāng)IC檢測(cè)到輸入的電壓是完整的交流信號(hào)，沒有接調(diào)光器時(shí)，它會(huì)選擇高功率因數(shù)模式。iWatt特有的固定VinTon控制方式[u1]既可以確保Boost電路輸出電壓不會(huì)失控，又能盡量拓展輸入電流的導(dǎo)通角度，提高功率因數(shù)。

因此，針對(duì)不同輸入電壓不同輸出功率的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要求，只需合理地設(shè)置斬波電路中Rc阻值和Qc的電感量，就可以得到優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，既能滿足切相檢測(cè)，又能改善驅(qū)動(dòng)的功率因數(shù)，減少輸入電流的諧波。因?yàn)锽LEEDER電阻是動(dòng)態(tài)導(dǎo)通，而且，Boost電路的加入把大部分的能量傳遞給初級(jí)電容，減少了損耗，因此整個(gè)驅(qū)動(dòng)能保持很高的轉(zhuǎn)化效率。

iW3610將相位檢測(cè)和調(diào)光控制通過數(shù)字控制的方式整合在IC內(nèi)部，檢測(cè)到的切相信號(hào)在IC內(nèi)部就轉(zhuǎn)化成調(diào)光控制信號(hào)，去控制輸出部分的反激變換器，與iWatt的精準(zhǔn)的初級(jí)恒流控制技術(shù)完美結(jié)合，LED的電流就受控于輸入電壓的切相信號(hào)了。

當(dāng)然，為了迎合LED照明產(chǎn)品的需求，iW3610也具備了更多新的控制性能。它支持高達(dá)200KHz的工作頻率，可使設(shè)計(jì)人員更容易研發(fā)高功率密度的LED驅(qū)動(dòng)，滿足燈具小型化的趨勢(shì)；波谷導(dǎo)通的準(zhǔn)諧振(Quasi-resonant)模式也可以盡可能提高效率，簡化EMI對(duì)策，其特有的自適應(yīng)過溫保護(hù)控制方式更受LED應(yīng)用工程師青睞。

由于LED自身的特點(diǎn)，在高溫下，系統(tǒng)的可靠性和使用壽命都很難得到保障，因而合適的過溫保護(hù)方式在LED應(yīng)用中尤其重要。很多客戶都希望在內(nèi)部溫度達(dá)到一定的高溫時(shí)，驅(qū)動(dòng)能自動(dòng)限制輸出功率，使燈的溫度不會(huì)繼續(xù)上升，而能繼續(xù)工作，并且保持在安全使用的狀態(tài)下。用戶一般不會(huì)覺察到亮度的緩慢變化，但在有異常情況發(fā)生時(shí)，如果燈內(nèi)部的溫度持續(xù)上升到一個(gè)較高的溫度，影響安全時(shí)，還是希望能明確提示使用者，該燈出現(xiàn)故障了。

iW3610就是通過簡單的NTC保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的可程序化保護(hù)。NTC接在IC的第四引腳上，具體設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)可以將NTC放置在溫度較高的元件旁，例如變壓器或MOSFET。假設(shè)設(shè)計(jì)者選用47K的NTC做過溫保護(hù)。當(dāng)NTC檢測(cè)到溫度達(dá)到105℃時(shí)，其阻值會(huì)變化為4K左右，這時(shí)候，IC第四引腳上的電壓會(huì)變成0.4V，因?yàn)镮C內(nèi)部有個(gè)100UA的恒流源，IC檢測(cè)到這個(gè)變化后，輸出電流會(huì)進(jìn)入線性降壓模式，不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的VT引腳控制電壓，不同的控制電壓對(duì)應(yīng)不同的輸出電流。如果溫度繼續(xù)上升到一個(gè)較高的溫度時(shí)，當(dāng)VT引腳上的電壓低于0.3V時(shí)，控制器會(huì)將輸出鎖定為10%，這樣輸出功率就很小，因而不會(huì)再有過溫的問題了。當(dāng)內(nèi)部溫度下降到一定值，回到安全的溫度范圍內(nèi)時(shí)，LED燈的輸出功率就會(huì)緩慢恢復(fù)，這種恢復(fù)也有一定的遲滯。

典型應(yīng)用案例分析

圖7是一個(gè)7W調(diào)光方案線路圖。iWatt方案實(shí)現(xiàn)初級(jí)恒流控制，其恒流控制精度達(dá)5%。反激式變換器中的電流信號(hào)是三角波，三角波電流有效值是峰值電流的1/2再乘以占空比。初級(jí)側(cè)電流與次級(jí)側(cè)峰值的比值就是變壓器圈比。

iWatt的恒流控制方式就是通過檢測(cè)初級(jí)側(cè)電流的峰值、工作頻率，檢測(cè)變壓器的磁復(fù)位時(shí)間來獲取輸出電流的大小，從而控制Isense基準(zhǔn)電壓。

設(shè)計(jì)步驟

1)設(shè)定Vin的電阻。(圖7中R7/R8的阻值)

Vin電阻有多重作用，用于起機(jī)，用于檢測(cè)輸入電壓的高低以判斷相位。iW3610內(nèi)部默認(rèn)一個(gè)系數(shù)KVin，高壓輸入時(shí)為0.0043，低壓時(shí)為0.0086。根據(jù)這個(gè)比值，在一個(gè)120V輸入的設(shè)計(jì)中，RVin推薦為290~300K??；高壓230V輸入時(shí)，RVin電阻應(yīng)該是560~600K??。

2)確定BLEEDER電阻。

BLEEDER電阻的大小與調(diào)光的性能、效率、功率因數(shù)有關(guān)。經(jīng)過確認(rèn)，我們推薦選用以下的設(shè)置：Vin100~120Vac：270~390··Vin220~240Vac：470~560··該電阻需要2W的額定功率。

3)選擇斬波電路的電感Qc-L3。

L3的大小與效率、功率因數(shù)和EMI有關(guān)。電感越小，功率因數(shù)越高；功率因數(shù)過高，對(duì)效率和EMI也有影響。一般情況下，對(duì)于5~6W的設(shè)計(jì)，功率因數(shù)可達(dá)到0.8~0.9。

變壓器設(shè)計(jì)

變壓器的選擇與功率大小、驅(qū)動(dòng)的體積大小有關(guān)；與期望的效率和成本也有關(guān)。一般情況下，功率越大，體積越大；同樣的功率，體積越大，磁芯的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，效率越高，當(dāng)然成本也越高。合適的磁芯可以使變壓器漏感小，線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

確定變壓器大小之后，再考慮變壓器的圈數(shù)和圈比。圈比與輸出功率輸出電流大小有關(guān)。還要綜合考慮輸出整流管的大小、其反向耐電壓的高低，并且要預(yù)留一定的余量。一般情況下，圈比越小，次級(jí)側(cè)二極管里流過的電流峰值越小，但是它所承受的反向電壓越高。

在確定變壓器初級(jí)繞組的圈數(shù)和電感時(shí)，要考慮變壓器工作的最大磁通量，一般在250mT到320mT之間。如果太高，可能會(huì)飽和；如果太低，則磁芯利用率太低。工作頻率與效率EMI的關(guān)系比較緊密，一般情況下，如果頻率低一些，EMI對(duì)策會(huì)相對(duì)容易；高壓輸入時(shí)，若頻率較低，則效率會(huì)高一些，因?yàn)楦唠妷狠斎霑r(shí)開關(guān)損耗較大。

確定了變壓器之后接就是確定電流取樣電阻，根據(jù)iWatt初級(jí)恒流控制原理，可以得出以下計(jì)算公式：

接下來我們就確定VCC繞組的圈數(shù)和電壓反饋電阻的大小。推薦將VCC設(shè)定在12~15V之間，根據(jù)輸出電壓的高低和VCC的范圍，就可以計(jì)算確定VCC繞組的圈數(shù)。

然后確定反饋電阻，在正常工作的條件下，把Vsense電壓設(shè)定在1.3~1.4V，不要高于1.538V，這時(shí)還要考慮過壓保護(hù)(OVP)的大小。當(dāng)Vsense電壓達(dá)到1.7V左右時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過壓保護(hù)，IC將鎖定不工作。關(guān)斷輸入電壓，IC復(fù)位之后，則又可以重新啟動(dòng)。

圖7：7W調(diào)光方案線路圖。

本文小結(jié)

在隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用愈來愈成為LED主流設(shè)計(jì)的趨勢(shì)下，iW3610的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尤為突出，適合燈內(nèi)置驅(qū)動(dòng)的要求。驅(qū)動(dòng)隔離的設(shè)計(jì)可以節(jié)約燈具系統(tǒng)的隔離成本，優(yōu)化LED的散熱性能。整個(gè)設(shè)計(jì)的元件數(shù)量不多；體積可以小至內(nèi)置于E27/E26燈頭的球炮或PAR燈內(nèi)；效率高，5W設(shè)計(jì)中效率大于80%，10W設(shè)計(jì)中效率大于85%；功率因數(shù)滿足能源之星的要求；調(diào)光范圍100%~1%，可支持歐美市場(chǎng)上的主流調(diào)光器。