高效可調(diào)光LED照明解決方案的快速開發(fā)策略

照明系統(tǒng)設(shè)計師幾乎要對各種光源(除鎢絲燈外)的燈具進(jìn)行調(diào)光，一直以來，調(diào)光是都是極具挑戰(zhàn)性的工作。在許多應(yīng)用中，調(diào)光都十分重要，因為調(diào)光技術(shù)可使客戶根據(jù)實際需要設(shè)置所需的亮度，而且還能大幅節(jié)省電費。目前最常見的調(diào)光控制器是舍相(phase-cut)調(diào)光器，無論所提及的設(shè)備中實際是否包含三端雙向可控硅(TRIAC)器件,這類調(diào)光器通常都是指TRIAC調(diào)光器。將舍相調(diào)光器與小型熒光燈以及現(xiàn)今的LED燈相連是一個高難度的設(shè)計挑戰(zhàn)。目前市面上的相關(guān)解決方案都不是很理想：一些方案的調(diào)光范圍非常有限；有些方案甚至出現(xiàn)閃爍。針對上述挑戰(zhàn)，美國國家半導(dǎo)體、科銳(Cree)和艾睿電子聯(lián)合發(fā)布了全新的解決方案，該方案可以使用傳統(tǒng)的舍相調(diào)光器更有效地實現(xiàn)可調(diào)光固態(tài)照明。

LED驅(qū)動電路

該解決方案通過使用美國國家半導(dǎo)體PowerWise?LM3445LED驅(qū)動器將90~135VRMS交流主電源輸入（入墻式電源插座）轉(zhuǎn)換為350mA直流恒定電流源，從而驅(qū)動高功率Cree白光LED。在住宅、商用和工業(yè)建筑中，交流主電源通常經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)入墻式調(diào)光器進(jìn)行舍相或斬波，以削減LED的燈光輸出。如圖1所示的電路設(shè)計可確保用戶不會無意中接觸電路中的高電壓。

在圖1中，該電路未經(jīng)隔離處理，這意味著從輸入（交流主電源）至輸出（LED燈具）是一條直流路徑。隔離的解決方案也就是電流隔離通常需要使用變壓器。兩類方案各有利弊。隔離的解決方案通常擁有較大的體積和較小效率，因為需要使用變壓器，并且可能使用輸出反饋的光電耦合器。不過，通過在交流主電源和用戶之間提供內(nèi)置保護可以更容易地通過諸如UL60950這樣的安全法規(guī)。相反，無隔離的解決方案體積較小，因此更適合燈泡翻新應(yīng)用所需的小尺寸，但需要利用燈泡材料和結(jié)構(gòu)的機械隔離以通過安全法規(guī)。與其它方案相比，美國國家半導(dǎo)體LM3445LED驅(qū)動器適用于多種外形、尺寸和功率級別的應(yīng)用，同時支持隔離和無隔離解決方案。

功率因數(shù)校正

當(dāng)經(jīng)由入墻式交流主電源供電時，可能在輸入電流和電壓，甚至輸入電壓波形的尖峰和低谷之間產(chǎn)生相移。有功功率和視在功率的比稱為功率因數(shù)，以0和1之間的數(shù)字表示。商業(yè)固態(tài)照明應(yīng)用的能源之星規(guī)范要求功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。當(dāng)輸入電壓的諧波成分很低或為0時，功率因數(shù)計算如下：

第一項考慮電流中不連續(xù)（尖峰和低谷）引起的諧波成分，第二項余弦項考慮電壓和電流之間的相移。

這種應(yīng)用中，采用了許多不同的技術(shù)來提高含有高諧波成分或相移電路中的功率因數(shù)。這個過程被稱為功率因數(shù)校正（PFC）。PFC技術(shù)分為主動式和被動式。本文所介紹的解決方案使用被動式PFC技術(shù)無隔離設(shè)計，稱為“填谷(Valley-Fill)”電路。該“填谷”電路工作原理如圖2所示。

輸入電壓大于先前峰值電壓除以“填谷”級數(shù)（電容器數(shù)量）時，負(fù)載直接從線路傳輸。另外，作為二極管配置的結(jié)果，電容器以串聯(lián)方式充電，因而以串聯(lián)的電容器數(shù)目均分電壓。當(dāng)輸入電壓低于其峰值除以級數(shù)時，電容器被迫在該放電階段以并聯(lián)方式為負(fù)載供電。該“保持”電壓是初始輸入峰值電壓除以“填谷”級數(shù)。在此演示平臺上實現(xiàn)的電路使用雙級“填谷”電路，該電路非常重要。首先，它提供PFC，因為回路中負(fù)載的功率來自輸入。其次，電容器在并行放電中提供能量儲存，所以LED電流中無120Hz紋波。最后，因為它迫使大部分電流從輸入線路中吸取，調(diào)光器開關(guān)僅接受所需電流）用于無閃爍操作。

采用LM3445LED驅(qū)動器進(jìn)行相位調(diào)光

舍相調(diào)光器的調(diào)光已經(jīng)成為各種非鎢絲照明技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。舍相調(diào)光器分為兩類：正相和反相，如圖3所示。相位調(diào)光器需要“泄放”電流以允許內(nèi)部定時電路正常工作，許多調(diào)光器需要額外的“保持”電流以維持整個回路的正常工作。LM3445LED驅(qū)動器的BLDR引腳提供泄放電流，外部電阻器R5在必要時可提供保持電流。美國國家半導(dǎo)體還可提供其他演示板，包括調(diào)光范圍和增加效率的交流120Hz回路中調(diào)制保持電流的另外電路。

對于寬泛的調(diào)光范圍，LM3445LED驅(qū)動器充當(dāng)了相位調(diào)光器的導(dǎo)通角或發(fā)射角，并將其轉(zhuǎn)換至合適的LED電流量，從而可以實現(xiàn)100:1的調(diào)光比。一些質(zhì)量更高的調(diào)光器可提供更寬的范圍，但是大多數(shù)應(yīng)用不需要使用這類調(diào)光器。LM3445驅(qū)動器使用低側(cè)驅(qū)動的降壓穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)LED電流。

峰值電流在ISNS引腳處測量，紋波保持恒定以保持平均電壓恒定。通過執(zhí)行一個與輸出電壓VLED成反比的假恒定關(guān)斷時間,紋波得以保持恒定。這種方法通過保持紋波電流恒定以保持LED堆疊的平均電流恒定，而無需考慮輸入和輸出電壓變化，這基于電感器固有的基本工作原理。下列等式體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)電感器中電壓、電流、電感和時間之間的關(guān)系。簡言之，可以不考慮續(xù)流二極管的正向電壓與LED堆疊電壓之間的關(guān)系。

若可避免磁芯飽和，則可假設(shè)電感值(L)是恒量，如果tOFF與VLED成反比，那么電感中的紋波電流也是恒量。恒定的峰值電流配合恒定的紋波則能得到所需的恒定平均電流。

WEBENCHLED設(shè)計工具

設(shè)計LED驅(qū)動器，特別是相位調(diào)光應(yīng)用具有一定的難度。為了幫助設(shè)計師應(yīng)對設(shè)計挑戰(zhàn)，美國國家半導(dǎo)體開發(fā)出功能強大的在線設(shè)計環(huán)境，稱為WEBENCHLEDDesigner，其中包含多種CreeLED器件，可以直接使用LED的電子模式在特定的電路上進(jìn)行設(shè)計。圖4是CreeLED選擇圖表的界面圖。

WEBENCHLEDDesigner可快速提供可靠的基礎(chǔ)設(shè)計工作，但是其他一些因素會使相位調(diào)光設(shè)計變得復(fù)雜，例如電磁兼容。通常用在離線式電路輸入端的共模和差模濾波器可與正相和反相調(diào)光器中的多種電路配置相互干擾。本演示單元中的濾波器經(jīng)過多種正相和反相調(diào)光器的測試，但是仍有可能與未經(jīng)測試的調(diào)光器相互干擾。

綜上所述，利用LM3445LED驅(qū)動器、大功率CreeLED和WEBENCHLEDDesigner設(shè)計工具，設(shè)計人員可以快速地開發(fā)高效、可靠、美觀的相位控制可調(diào)光固態(tài)照明系統(tǒng)。