LED照明系統(tǒng)設(shè)計技巧

  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)換還需要多年時間。在此期間，LED燈設(shè)計師所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保新設(shè)計與原本為白熾照明開發(fā)的現(xiàn)有控制器和布線架構(gòu)實現(xiàn)兼容和可靠工作。本文所介紹的是可同時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，非常成熟

LED燈泡的構(gòu)造

    一個LED燈包含一個到十幾個甚至更多的LED芯片，它們通常串聯(lián)在一起。每個芯片的發(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LED芯片會自動通過相同的電流，但每個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?？梢詫ED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)整光亮度時出現(xiàn)閃爍。此外，還存在各個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，調(diào)光控制是通過改變可控硅導(dǎo)通每個半周期的相位角來實現(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問題。

   另一個潛在問題是浪涌電流?？煽毓鑼?dǎo)通時，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，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。[!--empirenews.page--]

  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。

   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開路時提供過壓保護(hù)。

 本設(shè)計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，LinkSwitch-PL器件會同時檢測輸入電壓過零點和可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通角。輸入電壓過零點的檢測是通過漏極節(jié)點內(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。在每個半周期，都會產(chǎn)生浪涌電流，從而造成振蕩(如上所述)。[!--empirenews.page--]

 要想實現(xiàn)無故障的調(diào)光工作，驅(qū)動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)，并且不會造成LED負(fù)載不穩(wěn)定或閃爍。該驅(qū)動器可同時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)動器的功能增加了輸入EMI濾波和三個可控硅調(diào)光所特有的元件：一個無源衰減電路、一個有源衰減電路和一個泄放電路。

   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)鍵點在于LinkSwitch-PL控制器集成了內(nèi)置的頻率抖動特性。該特性可分散開關(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可控硅帶來的電感性負(fù)載，從而降低發(fā)生振蕩的可能性。

   電阻R20構(gòu)成無源衰減電路。有源衰減電路在每個交流半周期通過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并聯(lián)可控硅整流器 (Q3)繞過該電阻。電阻R3、R4和C3決定Q3導(dǎo)通前的延遲時間，然后將衰減電阻R7和R8短路。無源衰減電路和有源衰減電路可在每個半周期可控硅導(dǎo)通時，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。對于非調(diào)光應(yīng)用，則可以省去無源衰減電路、有源衰減電路以及泄放電路。[!--empirenews.page--]

 隔離式LED驅(qū)動器

   圖2中的驅(qū)動器針對低功率、電氣非隔離式集成LED替換燈專門優(yōu)化過。PI針對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(詳見本刊網(wǎng)站)為使用LinkSwitch-PH的隔離式LED驅(qū)動器的電路圖。

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

  該電路能夠在90VAC至265VAC的輸入電壓范圍內(nèi)對28V的額定LED串電壓提供0.5A驅(qū)動電流，其特性包括超寬調(diào)光范圍、無閃爍工作(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)完全從初級側(cè)檢測，因此無需使用次級反饋元件。單級內(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，沒有使用與負(fù)載串聯(lián)的檢測電阻。反饋控制通過變壓器上的偏置繞組提供。反饋控制具有兩項功能：經(jīng)由旁路(BP)輸入對LinkSwitch-PH供電，經(jīng)由反饋(FB)輸入提供電流反饋。LinkSwitch-PH提供的另一個重要輸入是電壓監(jiān)測(V)。該引腳與外部輸入電壓峰值檢測器接口相連，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)和過壓(OV)的停止邏輯，并提供前饋信號以控制輸出電流和遠(yuǎn)程開/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?。

  在任何LED照明裝置中，驅(qū)動器的性能都決定著最終用戶的照明體驗，包括啟動時間、調(diào)光、無閃爍工作和各單元之間的一致性。14 W驅(qū)動器可同時在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起到相對積極的作用，但這會讓效率下降。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照明市場潛力的不斷擴(kuò)大，上述設(shè)計折衷凸顯出了一系列哲學(xué)問題。既然新技術(shù)的功耗只是舊技術(shù)的十分之一，在會降低效率(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現(xiàn)兼容？當(dāng)使用一個最低負(fù)載規(guī)格為40W的1000W可控硅控制器提供驅(qū)動時，我們能否讓一個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)是實現(xiàn)最大效率和最低生命周期成本。