可調(diào)光節(jié)能燈技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：以其典型智慧型可調(diào)光節(jié)能燈技術(shù)為例對其主要功能特征與應(yīng)用作分析說明，探討如何讓可調(diào)光節(jié)能燈自動適應(yīng)不同的可控硅調(diào)光器，以及適應(yīng)各地電網(wǎng)頻率差異，從而最大程度的接近白熾燈的調(diào)光性能。

當(dāng)今在市面上銷售的普通節(jié)能燈是不可以進(jìn)行調(diào)光的，在不需要太亮的時候，能源就白白流失了;是否有可以和白熾燈一樣可以方便的進(jìn)行調(diào)光的方案呢?答案是肯定的。為此探討如何讓可調(diào)光節(jié)能燈自動適應(yīng)不同的可控硅調(diào)光器，以及適應(yīng)各地電網(wǎng)頻率差異，從而最大程度的接近白熾燈的調(diào)光性能，成為照明系統(tǒng)的熱點。而目前智慧型可調(diào)光節(jié)能燈解決方案己有：可支持 TRIAC 調(diào)光LED驅(qū)動器和針對固態(tài)照明(SSL)應(yīng)用、支持TRIAC 調(diào)光的單級功率因數(shù)校正LED 驅(qū)動器以及可控硅調(diào)光器無級調(diào)光等多種新型技術(shù)面世。值此以其典型為例對其主要功能特征與應(yīng)用作分析說明。首先從智慧型可控硅調(diào)光器無級調(diào)光基本架構(gòu)述起。

1 可控硅調(diào)光器無級調(diào)光基本架構(gòu)(見圖1所示)

1.1 基本架構(gòu)

該基本架構(gòu)由(三端雙向可控硅)TRIAC(三端雙向可控硅)、功率因素校正器(PFC)、微處理器(MCU)及電子鎮(zhèn)流器控制集成電路抅成。它是最接近傳統(tǒng)的白熾光調(diào)光的效果，控制電路通過 PFC 電路確保直流母線電壓的穩(wěn)定，通過MCU 來檢測可控硅輸出電壓來判斷調(diào)光器的設(shè)定位置，MCU 通過給電子鎮(zhèn)流器控制集成電路來輸出對應(yīng)的輸出功率，實現(xiàn)無級調(diào)光。

若對于成本敏感和體積要求很小的節(jié)能燈方案，可以將PFC 電路去掉，使用MCU 來識別可控硅的導(dǎo)通角來判斷用戶設(shè)定的亮度，以及通過MCU 來動態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)的電壓的變動，從而使到CFL 的亮度可以最大程度的接近白熾燈的調(diào)光性能。

1.2 關(guān)于新型電子鎮(zhèn)流器控制IC的應(yīng)用

圖1中MCU與鎮(zhèn)流器控制器芯片及PFC芯片有多種選擇。可以用基于高集成度、低成本的鎮(zhèn)流器控制器芯片(如UBA2014芯片- NXP 公司產(chǎn))與一款內(nèi)置PWM模塊、低成本、小體積智能芯片作為MCU(如PIC12F615型-美國微芯公司產(chǎn))，以構(gòu)建出實用智慧型可控硅調(diào)光器無級調(diào)光器。其特點是能在高溫、強(qiáng)干擾環(huán)境下穩(wěn)定工作。

而智慧型可控硅調(diào)光器無級調(diào)光器中新型電子鎮(zhèn)流器控制IC選擇很重要。值此以UBA2014芯片為例作說明。為什么應(yīng)用UBA2014芯片吶?這是因其UBA2014芯片是用來驅(qū)動熒光燈的電子鎮(zhèn)流器控制集成電路。它能驅(qū)動兩個功率MOS管，并包含有電平移位元電路、自激振蕩器、燈電壓檢測路、燈電流控制功能、定時功能以及保護(hù)功能等。在燈預(yù)熱期間，UBA2014 控制流過燈絲的電流及預(yù)熱時間，以保證燈絲得到充分而最佳的預(yù)熱，降低燈啟輝時所需的啟輝電壓，延長燈絲壽命。集成電路通過控制預(yù)熱時間和預(yù)熱電流，可以很方便的定制出各種需要的啟動時間。無論在啟輝階段還是燈管出現(xiàn)異常情況，容性模式保護(hù)功能都可以確保功率MOS 管處于安全工作。

其工作方式為：在燈點亮階段，燈的平均電流受到控制。集成電路通過改變輸出頻率來改變燈的平均電流，從而實現(xiàn)燈的調(diào)光功能。當(dāng)燈管老化、燈失效或燈管被取下時，UBA2014 均有多種保護(hù)功能。在電壓低時，有掉電保護(hù)功能，以保護(hù)功率不至損壞。而UBA2028T 是UBA2014 集成功率MOSFET 的版本，可以驅(qū)動23W 及以下節(jié)能燈，并實現(xiàn)調(diào)光功能。

2 新型支持TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動器應(yīng)用

以支持TRIAC 調(diào)光LED驅(qū)動器LM3445(美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn))應(yīng)用為例作分析說明。

2.1主要功能特征

優(yōu)勢。其應(yīng)用電壓范圍可從 80 VAC 到 270 VAC，其導(dǎo)通角檢測器/譯碼器可以實現(xiàn)全范圍的(100:1)調(diào)光，內(nèi)置300Ω泄流電阻可確保 TRIAC 信號譯碼無誤，獨特的調(diào)控架構(gòu)可確保恒定的紋波電流以延長LED的工作壽命，并保證可調(diào)節(jié)輸出電流高至或大于1A，又可通過主/從操作方式控制多條燈串的亮度。具體優(yōu)點有四：其一、離線式解決方案優(yōu)點是為容易使用與降低設(shè)計的復(fù)雜度;其二、角度偵測器/譯碼器優(yōu)點是為可實現(xiàn)無閃爍的 100:1 全范圍調(diào)光;其三、獨特的調(diào)控結(jié)構(gòu)優(yōu)點是為設(shè)計簡單及方案尺寸小巧并可維持穩(wěn)定的紋波電流以延長LED的壽命;其四、主/從控制優(yōu)點是為允許一個 TRIAC 為多條LED燈串提供穩(wěn)定的調(diào)光控制并可輕易地應(yīng)用到現(xiàn)行的照明系統(tǒng)中而不需更改設(shè)計。

上述這四大優(yōu)點實際上也就是能全范圍調(diào)光能力與無閃爍的穩(wěn)定調(diào)光功能。因為最新的TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動器能夠提供100:1的調(diào)光比，故從最亮調(diào)到最暗的全程都能保持穩(wěn)定的亮度變化。同時，在標(biāo)準(zhǔn)市電電壓下驅(qū)動多個串聯(lián)LED，又都能保持恒定的電流;而TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動器可適用于具備主/從控制功能的多芯片解決方案，采用一個TRIAC調(diào)光器便能控制多串LED，并確保調(diào)控時的亮度變化平滑穩(wěn)定，沒有頻閃現(xiàn)象。

使用方便。LM3445 LED調(diào)光驅(qū)動器可以讓LED燈直接取代那些配有TRIAC調(diào)光控制器的白熾燈或鹵素?zé)?，且無需作任何更改，保持原有的調(diào)光性能。此外，LM3445支持美國國家半導(dǎo)體的 WEBENCH? LED Designer 網(wǎng)上設(shè)計工具，讓工程師可以更快、更輕松完成照明系統(tǒng)。

2.2 應(yīng)用

可更新使用TRIAC調(diào)光器的照明系統(tǒng)(見圖2為新型LM3445TRIAC調(diào)光器典型應(yīng)用示意)。即包括了住宅照明與 建筑物照明及 工業(yè)及商用照明等照明系統(tǒng)。

3 針對固態(tài)照明(SSL)應(yīng)用、支持TRIAC 調(diào)光的單級功率因數(shù)校正LED 驅(qū)動器的應(yīng)用

為此先對其中的離線式LED驅(qū)動器解決方案理念作說明。離線式LED驅(qū)動器解決方案是適用于任何使TRIAC壁掛式調(diào)光器的LED照明應(yīng)用，而且能夠提供寬范圍的，穩(wěn)定的亮度調(diào)整，并不會產(chǎn)生閃爍的產(chǎn)品。此類產(chǎn)品還可以實現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率，它的典型應(yīng)用完全符合能源之星 ENERGY STAR? 對功率因素的規(guī)范要求。傳統(tǒng)的TRIAC 調(diào)光控制器是用來調(diào)節(jié)電阻性的負(fù)載(例如是白熾燈或鹵素?zé)?，而目前市場上的LED驅(qū)動器解決方案，在作TRIAC調(diào)光控制的時候，會產(chǎn)生120 Hz 的閃爍及/或不能實現(xiàn) 100:1 的對比度。而離線式LED驅(qū)動器解可將TRIAC的斬波信息解碼，并轉(zhuǎn)換成一個LED調(diào)光信號，能夠在整個寬闊的調(diào)光范圍內(nèi)實現(xiàn)完全無閃爍的亮度調(diào)控。

目前LED 驅(qū)動器IC 可在固態(tài)照明應(yīng)用中實現(xiàn)無閃爍的可控硅調(diào)光也有二種款型，即是LinkSwitch-PH(適合設(shè)計隔離式電源)和LinkSwitch-PL(適合設(shè)計非隔離式電源)，兩者都可實現(xiàn)無閃爍的單片TRIAC 調(diào)光，達(dá)到與白熾燈類似的照明效果。

3.1 新型架構(gòu)

LinkSwitch-PH 和LinkSwitch-PL 產(chǎn)品系列都集成了單級功率因數(shù)校正器(PFC)，可使固態(tài)照明(SSL) 燈的功率因數(shù)達(dá)到0.9 以上。LinkSwitch-PH 器件采用了初級側(cè)控制技術(shù)，因此可省去傳統(tǒng)反激式設(shè)計中常用的光耦器和眾多輔助元件。非隔離式LinkSwitch-PL 設(shè)計可進(jìn)一步減少元件數(shù)量，不僅能提升系統(tǒng)可靠性，還可降低物料清單成本(BOM)。這兩種器件系列都采用單片設(shè)計, 即將控制器和MOSFET 集成到單晶片上，這樣可以減少元件數(shù)量和省去控制器與功率MOSFET 之間的寄生元件，因此可大大簡化PCB 布局。這些新的LinkSwitch 產(chǎn)品不僅能簡化反激式電源設(shè)計，還可提高其效率，并且還能在高達(dá)305 VAC 的輸入電壓下工作，因此它們可以用來開發(fā)適合于全球各類種住宅及商業(yè)照明應(yīng)用的單電壓產(chǎn)品和通用輸入產(chǎn)品。在制造商規(guī)定的溫度和驅(qū)動電流范圍內(nèi)工作時，LED 的使用壽命有望達(dá)到50,000 小時以上。

眾所周知,LED 照明系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)是驅(qū)動電路，因為它往往受累于不可靠的光耦器和寄生電容。LinkSwitch 產(chǎn)品中所采用的Power Integrations 獨有的精確初級側(cè)控制技術(shù)可省去光耦器。而且，新的LinkSwitch LED 驅(qū)動器IC 產(chǎn)品系列不需要使用大容量寄生電容。工桯師在使用LinkSwitch-PL 和LinkSwitch-PH 設(shè)計SSL 產(chǎn)品時，可以預(yù)見驅(qū)動器的工作壽命與其精確控制LED 陣列相當(dāng)。這兩種新的產(chǎn)品系列都非常適合設(shè)計替換燈中空間受限的LED 驅(qū)動器。LinkSwitch-PH 產(chǎn)品系列用于設(shè)計隔離式電源，其額定輸出功率可達(dá)50 瓦，因此還非常適合設(shè)計筒燈、建筑照明、標(biāo)牌和室外照明中常用的外部LED 鎮(zhèn)流器。這兩款器件都可縮減電源系統(tǒng)的BOM器件數(shù)量和尺寸，從而提升系統(tǒng)可靠性。這些IC可使工桯師提高系統(tǒng)效率，滿足甚至超越包括能源之星和EN61000-3-2 在內(nèi)的所有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3為例舉了用LinkSwitch-PL構(gòu)建的支持TRIAC 調(diào)光的單級功率因數(shù)校正LED 驅(qū)動器方案示意圖.[!--empirenews.page--]

3.2　新型的LinkSwitch-PH 和LinkSwitch-PL LED驅(qū)動器系列功能與應(yīng)用

*產(chǎn)品特色:無閃爍的可控硅調(diào)光，單級PFC及精確恒流驅(qū)動，集成了控制器和高壓MOSFET，可省去大容量電解電容， 緊湊、可靠、精確。

*EcoSmart 高效節(jié)能：輕松滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)(如能源之星、EN61000-3-2)，無鹵素和符合RoHS要求的封裝。

*LED驅(qū)動器應(yīng)用：固態(tài)照明用離線式內(nèi)部及外部電源，替換燈、筒燈、建筑照明及 標(biāo)牌和室外照明。

其LinkSwitch-PL 系列：適合設(shè)計非隔離式電源， 可實現(xiàn)元件數(shù)量極少的緊湊型設(shè)計， 額定輸出功率高達(dá) 16 W。而 LinkSwitch-PH：適合設(shè)計隔離式電源， 初級側(cè)控制– 可省去光耦器和眾多輔助元件，低待機(jī)功率(230 VAC輸入時< 50 mW)遠(yuǎn)程ON/OFF控制功能， 額定輸出功率高達(dá)50 W。

3.3 典型應(yīng)用例舉

*12 W、高功率因數(shù)(>0.9)、低元件數(shù)、緊湊型、高效率(≥ 80%)的LED降壓轉(zhuǎn)換器使用LinkSwitch - PH LNK405EG型抅建的12W非隔離降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率因素校正LED驅(qū)動器, 輸入為90伏交流 - 265 VAC, 典型36 V、0.33 A輸出LED驅(qū)動器。圖4為用使用LinkSwitch - PH LNK405EG型抅建的12W非隔離降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案圖。

關(guān)于LNK405EG引腳功能：引腳D為漏極，是高壓功率MOSFET的漏極連接。內(nèi)部啟動偏置電流是從這個引腳通過一個開關(guān)得出高壓電流源,漏電流檢測和相關(guān)的控制器功能也使用此針;引腳S為源極,是功率MOSFET源連接,是地參考點;引腳BP為通過外部旁路電容接地;引腳FB為信息反饋功能,是 LED電流檢測引腳。在正常運行的290mV伏閾值下通過檢測電阻確定的平均負(fù)載。并具有是用來保護(hù)輸出短路和過壓功能。

*14 W、可控硅調(diào)光、高功率因數(shù)(> 0.9)、高效率(≥ 85%)的 LED驅(qū)動器使用LinkSwitch - PH值LNK406EG構(gòu)建的一個14 W效率為≥85%，功率因數(shù)> 0.9的雙向晶閘管調(diào)光LED驅(qū)動器。輸入為90 - 265 VAC，輸出為28 V，0.5 A。

3.4 關(guān)于隔離型與非隔離型驅(qū)動方案比較說明

目前在以市電為輸入電源的LED驅(qū)動方案中，隔離型與非隔離型兩種驅(qū)動方案相比較各自有何優(yōu)缺點?總的來說，隔離型驅(qū)動安全但效率較低，非隔離型驅(qū)動效率較高，應(yīng)按實際使用的要求來選隔離型還是非隔離型驅(qū)動。就電路結(jié)構(gòu)而言：目前的隔離型方案多是AC/DC的反激式(Flyback)電路方案，因此相對電路較復(fù)雜、成本較高。非隔離型基本是采用DC/DC的升壓(Boost)或降壓(Buck)電路，則相對電路較簡單，因而成本也相對較低。恒流精度：隔離型可以做到±5%以內(nèi)，而非隔離型則很難做到。

在應(yīng)用領(lǐng)域：目前在以市電為輸入電源的LED燈具中(特別是驅(qū)動與光源一體的燈具)，本著安全第一的原則，基本已不再采用非隔離型方案。但也有例外，LED日光燈管由于受到結(jié)構(gòu)和空間的制約，仍還用非隔離型方案。在低壓供電的LED燈具中，以效率和成本優(yōu)先的原則，非隔離型方案是最佳的選擇。

4 結(jié)語

4.1 新選擇

除上述智慧型可調(diào)光節(jié)能燈技術(shù)方案及應(yīng)用外，而大功率LED驅(qū)動器，集成高邊LED電流檢測和PWM調(diào)光MOSFET驅(qū)動器MAX16834型不失為一種良好新選擇. 它是靈活的HB LED驅(qū)動器能支持綠色技術(shù)的LED照明、顯示器背光和背投顯示?？梢栽诮ㄖc裝飾燈照明(MR16、MR111)，汽車前燈與尾燈，DC-DC boost/boost-buck轉(zhuǎn)換器，投影儀RGB LED燈源，單串LED LCD背光與場所和環(huán)境照明等領(lǐng)域幾個方面應(yīng)用。

之所以成為一種調(diào)光新選擇，就在于它具有如下功能特性: 它是電流模式高亮度LED (HB LED)驅(qū)動器，可實現(xiàn)升壓、升/降壓、SEPIC及高邊降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除了驅(qū)動由開關(guān)控制器控制的n溝道功率MOSFET開關(guān)，該器件還可驅(qū)動n溝道PWM調(diào)光開關(guān)，以實現(xiàn)LED PWM調(diào)光。另外又集成了實現(xiàn)寬范圍調(diào)光、固定頻率HB LED驅(qū)動所需的全部電路。調(diào)光驅(qū)動器設(shè)計用于驅(qū)動與LED串聯(lián)的外部n溝道MOSFET，可實現(xiàn)高達(dá)20kHz的寬范圍調(diào)光控制。圖5為MAX16834典型的工作應(yīng)用電路。

4.2 LED照明亮度進(jìn)行智能無級控制前景看好

智能控制系統(tǒng)足是傳統(tǒng)路燈無法比的另一優(yōu)勢。又如當(dāng)今的LED路燈的光源與傳統(tǒng)的光源不同，從某些性能上看LED是電子組件，它可以通過IC進(jìn)行智能控制。目前已經(jīng)有LED路燈智能系統(tǒng)，對LED照明亮度進(jìn)行智能無級控制。當(dāng)前的智能系統(tǒng)主要是能夠根據(jù)路面情況，控制LED路燈的開關(guān)調(diào)節(jié)亮度，從而增加LED路燈的使用壽命并且節(jié)約能量。其智能控制裝置包括：運動圖像傳感器組件，用于檢測路面上是否有運動物體，將檢測到的檢測信息傳給微處理器;微處理器，用于根據(jù)所述檢測信息生成指示點亮LED路燈預(yù)設(shè)時間長度的控制指令，將控制指令傳給路燈開關(guān)控制接口;路燈開關(guān)控制接口，用于根據(jù)所述控制指令將所述LED路燈點亮預(yù)設(shè)時間長度。智能控制裝置還包括用于發(fā)送和接收信息的通信組件，運動圖像傳感器組件還用于檢測運動物體的運動方向，微處理器還用于根據(jù)所述運動方向生成狀態(tài)消息，以將運動方向上LED路燈提前點亮。今后發(fā)展到極致或許能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)不同的環(huán)境自動智能調(diào)節(jié)亮度、顏色、角度燈，還可以對燈具的使用狀況進(jìn)實時監(jiān)控，實現(xiàn)智能化控制以達(dá)到最優(yōu)的效果。