數(shù)字電源技術(shù)在LED照明方面的應(yīng)用

引言

led照明以其發(fā)光效率高，使用壽命長，亮度控制簡單和環(huán)保的優(yōu)勢，迅速受到廣大用戶的歡迎。作為新型的節(jié)能光源，LED燈具會逐步地取代傳統(tǒng)的白熾燈泡。LED照明的不斷普及對調(diào)光和控制技術(shù)提出了越來越高的要求。當前用戶主要關(guān)心的是，LED燈具必須要使用安全、重量輕、壽命長、不影響用戶健康，并可適用于現(xiàn)有的調(diào)光設(shè)備以及可以承受的價格。

數(shù)字電源技術(shù)突破傳統(tǒng)方案的局限性，可以對用戶的要求進行整合和優(yōu)化，為LED 驅(qū)動和調(diào)光控制提供一個完整的解決方案。本文針對LED燈的具體設(shè)計問題來討論數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢和解決問題的方法。

1 LED驅(qū)動技術(shù)

高效率無光耦轉(zhuǎn)換 LED的驅(qū)動電路把能量從交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為本身發(fā)光所需的直流形式。能量在轉(zhuǎn)換的過程中會有損耗。轉(zhuǎn)換效率越高，損耗越小，對驅(qū)動部分散熱的要求也越低。絕大多數(shù)LED燈采用灌膠和鋁散熱器來解決散熱問題。對用戶而言，高效率的驅(qū)動方案可以降低驅(qū)動電路的散熱成本，減輕LED燈的重量。降低電路溫升還有利于提高LED燈的使用壽命。傳統(tǒng)的隔離驅(qū)動方案利用光耦傳遞二次側(cè)的電流信號給一次側(cè)控制器來維持穩(wěn)定的輸出電流。二次側(cè)檢測電路增加了驅(qū)動電路的復雜性、成本和損耗。光耦的使用還降低了可靠性。因此，主流的LED燈生產(chǎn)廠家都開始采用無光耦的原邊反饋技術(shù)。當前，數(shù)字原邊反饋技術(shù)已經(jīng)成熟并且得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字控制可以實現(xiàn)無光耦反饋的輸出電流的精確控制。利用變壓器反饋波形，數(shù)字技術(shù)還可以實現(xiàn)波谷開通來提高轉(zhuǎn)換效率。

1.1 無光耦精確電流控制

圖1(a)顯示一個原邊反饋的反激變換器。一次側(cè)和二次側(cè)的電流波形顯示在圖1(b)中。平均輸出電流Iout=1/2XXXX,這里Isp是變壓器副邊繞組的峰值輸出電流;Trst是變壓器磁恢復時間;Tprd是開關(guān)周期。在理想情況下，原邊峰值電流Ipp=XXXX，其中Np和Ns是原邊和副邊繞組匝數(shù)。因此，輸出電流Iout=XXXXXX?，F(xiàn)在假定Iset是設(shè)計輸出電流，數(shù)字控制器可以通過控制原邊峰值電流Ipp=XXXXX來獲得所需的輸出電流。

1.2 波谷開通控制

波谷開通的主要目的是獲得高效率。圖2是MOSFET 關(guān)斷以后耦合到變壓器輔助繞組上的電壓波形。如圖2 所示，變壓器在T1時間點完成磁恢復。然后磁化電感和MOSFET漏級雜散電容開始諧振。如果MOSFET 的開通正好處在漏源電壓諧振的谷底T3，就可以達到最低開關(guān)損耗。同時電磁干擾的減小有利于提高輸入濾波器的效率。利用數(shù)字技術(shù)對輔助繞組上的電壓波形作分析，可以非常簡單的實現(xiàn)波谷開通的功能。

1.3 低電流紋波設(shè)計

LED照明不僅需要精確和穩(wěn)定的電流，還要求電流的紋波非常低?？茖W家研究表明，低于165Hz的閃爍，不管來自可見光還是不可見光，都有可能引起偏頭痛或者視覺不適。低于70Hz的閃爍甚至會對少部分人引發(fā)癲癇。因此， 美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)正在制定相關(guān)標準來引導對人體健康無危害的LED 照明驅(qū)動的設(shè)計。

一個輸入呈阻性的電源系統(tǒng)內(nèi)部一定要存在儲能元件，當輸入電壓低的時候可以提供能量給負載。如果能量進行單次轉(zhuǎn)換又要求輸入呈阻性，其需要非常大的輸出電容來降低負載的電流紋波。如果能量進行二次轉(zhuǎn)換可以解決這個問題。通常的二次轉(zhuǎn)換形式是結(jié)合Boost 輸入級和反激式輸出級。輸入級主要控制驅(qū)動電源的輸入阻抗。反激式電源提供低紋波輸出電流。二次轉(zhuǎn)換控制的復雜性很高。特別是當接入調(diào)關(guān)器的時候還需要協(xié)調(diào)輸入級和輸出級的能量平衡。圖3是常用的二次轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的二次轉(zhuǎn)換控制方案需要同時得到輸入電壓Vin、Boost 電流IL、中間電容上的電壓Vbulk、反激式原邊電流Ip以及電壓的反饋Vout，控制成本很高，因此很難得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字控制技術(shù)提供了簡單的一次側(cè)反饋方法，還可以預測中間電容電壓，因此只需要檢測輸入電壓Vin 并解析變壓器反饋信號就能實現(xiàn)完整的二次轉(zhuǎn)換控制。大大簡化了系統(tǒng)的控制成本。

全面的驅(qū)動保護 在LED 燈具的設(shè)計，生產(chǎn)和使用的過程中，驅(qū)動電源有可能面對LED 負載的短路、開路，驅(qū)動電源板的短路、虛焊，接插件的錯接、反接等等問題。全面的驅(qū)動保護可以簡化LED 燈具的設(shè)計和生產(chǎn)，延長使用壽命，降低生產(chǎn)成本。對系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)測并做出精確判斷是數(shù)字控制的一個長處。數(shù)字控制可以快速地實現(xiàn)

* LED 負載的開路保護

* LED 負載的短路保護

* LED 負載的過熱保護

* LED 燈的限功率控制

* 控制器的各管腳的開路和短路保護

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2 調(diào)光技術(shù)

2.1 動態(tài)的調(diào)光器阻抗配合

傳統(tǒng)的調(diào)光器主要用于驅(qū)動純電阻負載，包括前沿切相調(diào)光器，后沿切相調(diào)光器和智能調(diào)光器等等。由于負載是白熾燈，傳統(tǒng)的調(diào)光器功率都在200W- 600W。LED 驅(qū)動電源的特性正好相反--小功率，容性負載。為了能夠兼容這些調(diào)光器，LED驅(qū)動電源必須提供阻性或者是類阻性的負載才能使調(diào)光器穩(wěn)定工作。利用功率電阻直接提供阻性負載是一種傳統(tǒng)的解決方案。這種方式的調(diào)光效果好，但是其主要問題是效率低。這與LED燈高效率的優(yōu)勢背道而馳。另外一種常見的方案是利用功率因數(shù)整流技術(shù)，使輸入電流跟隨輸入電壓變化，因而提供類阻性負載。這種方案往往適用于高功率LED驅(qū)動應(yīng)用上。對于普及的小功率家用和商用LED驅(qū)動，其問題是輸入阻抗往往過高，特別是調(diào)光器和驅(qū)動部分EMI 抑制元件的相互作用往往使得其無法保證有足夠大的輸入電流去維持可控硅的穩(wěn)定工作。如果調(diào)光信號處理不好就會造成LED 閃爍。

數(shù)字控制技術(shù)可以靈活地結(jié)合功率因數(shù)整流技術(shù)和動態(tài)阻抗匹配方法。當控制器檢測到調(diào)光器存在的情況下，根據(jù)調(diào)光器輸出的相位角，控制器提供匹配的阻抗來維持可控硅的導通。在控制相位角判斷完成以后，控制器可以利用高阻抗來關(guān)斷可控硅，同時通過功率因數(shù)整流技術(shù)來維持輸入的波形。圖4 所示后切和前切調(diào)光器波形。OUTPUT(TR)是Boost 驅(qū)動控制。例如當檢測到后切波形時，Boost 驅(qū)動完全打開，快速地泄放輸入端電荷;相反，當前切調(diào)關(guān)器可控硅關(guān)斷后，Boost 驅(qū)動則緩慢地泄放輸入端電荷。在這兩種情況下，輸入的相位都可以得到完整地恢復。目前市場上很多控制器都要求可控硅導通一個完整的交流周期，對提高調(diào)光的效率非常不利。利用數(shù)字技術(shù)可以大大降低調(diào)光的損耗，符合綠色照明的宗旨。

2.2 完美的用戶調(diào)光體驗

用戶已經(jīng)習慣于白熾燈的調(diào)光，因此往往期待LED的調(diào)光性能接近甚至超過以往的體驗。因此調(diào)光性能對于廣大用戶接受LED燈非常重要。調(diào)光性能的好壞完全取決于驅(qū)動電源的控制。目前市場上的一些可調(diào)光的LED燈在很多方面無法滿足用戶的需要。比如說，如果多個LED燈連接在同一個調(diào)關(guān)器上，各個燈的亮度會有明顯的差別，這是調(diào)光的一致性。還有，用戶調(diào)光時，希望馬上看到調(diào)光的效果，但是又不希望看到突然的亮度跳躍甚至熄滅，這是調(diào)光的動態(tài)響應(yīng)。一些LED 燈的光照度隨著輸入電壓而變化，在一些電網(wǎng)電壓波動比較大的地區(qū)就會影響用戶的使用。更重要的是，如果LED燈不能穩(wěn)定照明而是不停的閃爍，用戶是無法接受的。

很多LED燈利用平均輸入電壓或者近似均方根輸入電壓來控制輸出電流。如果每個LED燈對輸入電壓的檢測和判斷有差別，就會造成輸出光照的不一致。如果輸入電壓降低，檢測的平均電壓會降低，LED燈輸出光照就會減小。而利用數(shù)字技術(shù)則可以實現(xiàn)對輸入信號相位的的檢測。由于相位是一個時間量，輸入電壓的變化對相位的影響有限。因此，如果結(jié)合輸入電壓和相位的檢測，可以實現(xiàn)穩(wěn)定并且一致的輸出光照。數(shù)字算法還可以檢測用戶調(diào)光的速度來預測可能的調(diào)光的位置，使得輸出電流快速的跟隨用戶的指令來變化。這樣平衡了調(diào)光的動態(tài)響應(yīng)和準確性，防止了調(diào)光過慢或者光照的過調(diào)。使得用戶調(diào)光的體驗接近傳統(tǒng)的白熾燈。

2.3 調(diào)光安全性

當用戶購買LED燈以后，生產(chǎn)廠商無法完全了解其使用環(huán)境。交流輸入的頻率可以是50Hz或者60Hz;調(diào)關(guān)器可以是支持的或者是不支持的;電網(wǎng)電壓會產(chǎn)生波動，也會產(chǎn)生畸變;等等。諸多因素會影響LED燈的亮度變化甚至安全性。驅(qū)動電路的設(shè)計必須考慮這些可能發(fā)生的環(huán)境變化，具備相應(yīng)的對策。當前的數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)了

* 自動調(diào)光模式識別?？刂破骺梢宰詣幼R別前切相式調(diào)光器和后切相式調(diào)關(guān)器，甚至在運行過程中允許前后切調(diào)光器的轉(zhuǎn)換。

* 自動檢測不支持的調(diào)光器。如果某一種調(diào)光器是所生產(chǎn)的LED 燈不能支持的，數(shù)字技術(shù)可以根據(jù)其輸出波形，迫使LED 燈進入保護模式，保障了用戶的使用安全。

* 自動防止多次快速啟動。由于LED 燈要求啟動快，當LED 燈發(fā)生故障，或者輸入電壓畸變嚴重時，驅(qū)動電源有可能反復地重啟動，造成驅(qū)動電路的過熱。數(shù)字控制可以很方便的判斷路障的存在，防止頻繁的重復啟動。

3 典型的數(shù)字LED控制系統(tǒng)

數(shù)字控制LED系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5是iWatt的iW3610系列數(shù)字調(diào)光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。iW3610控制器采用8個管腳的封裝，實現(xiàn)了如下功能：

* 調(diào)光器阻抗匹配

* 輸入功率因數(shù)控制

* Boost電壓的預測和控制

* 反激式變換器的一次側(cè)恒流控制

* 調(diào)光器的類型檢測和調(diào)光控制

* 完整的輸入，輸出和內(nèi)部保護

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4 調(diào)光器識別和控制流程

圖6是iWatt的iW3610系列數(shù)字控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。VIN 采樣調(diào)光器的輸出電壓波形。調(diào)光器信號通過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換進入調(diào)光控制和相位檢測數(shù)字模塊。根據(jù)前切或者后切相位的百分比，恒流控制模塊計算出所需的輸出電流控制量。控制量通過數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換提供給原邊電流控制比較器(Ipeak)。Isense檢測原邊電流信號，通過圖1所示的恒流控制原理，得到穩(wěn)定的 LED輸出電流。Vsense提供變壓器反激的電壓信號。通過對反激信號的解析，控制器可以獲得輸出電壓，電流以及波谷的時間點來實現(xiàn)各種保護功能。

圖7給出了調(diào)光器的啟動檢測。調(diào)光器打開后，驅(qū)動電路開始充電。當VCC供電電壓達到啟動電平，控制器開始工作。Boost控制信號OUTPUT(TR)導通3-4個交流半周期，提供調(diào)光器一個低阻抗的回路來完成初始化。在這期間，控制器根據(jù)調(diào)光器輸出的特征波形，確定輸入的電壓范圍、頻率，和調(diào)光器的類型、相位角。如果判斷是所支持的調(diào)光器，就啟動驅(qū)動電路，輸出所對應(yīng)的LED電流。

iW3610系列產(chǎn)品應(yīng)用方案 圖8(a)給出了iW3610系列控制器的一個具體應(yīng)用方案。圖8(b)和(c)分別顯示了后切調(diào)光器和前切調(diào)光器的實測波形。

5 結(jié)語

數(shù)字控制技術(shù)在LED照明領(lǐng)域具有控制靈活，調(diào)光性能好和保護全面的優(yōu)勢。針對越來越多的控制和保護要求，iWatt的iW3610系列數(shù)字控制器正逐步成為LED通用照明的主流驅(qū)動控制器。iW3610系列數(shù)字控制器適合燈具內(nèi)置化驅(qū)動的要求，采用數(shù)量不多的元件實現(xiàn)了高性能調(diào)光、較高功率因數(shù)、隔離驅(qū)動以及無光耦的精確恒流輸出設(shè)計，優(yōu)化了整體LED燈的散熱性能。