基于數(shù)字控制技術(shù)的LED調(diào)光

在科技高度發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，LED燈的技術(shù)也在不斷發(fā)展，為我們的城市裝飾得五顏六色。雖然LED燈現(xiàn)在大量銷售，但是這種固態(tài)照明(SSL)產(chǎn)品的性能，特別是在調(diào)光等領(lǐng)域，仍然會(huì)低于傳統(tǒng)燈泡。

確實(shí)，設(shè)計(jì)用于LED替換燈的常規(guī)驅(qū)動(dòng)器難以以合適的價(jià)格提供真正令人滿意的調(diào)光性能、能量效率和可靠性。但是，驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備中的數(shù)字控制現(xiàn)在可以去除不必要的泄流電阻器(常用于增強(qiáng)可控硅調(diào)光器的操作)，同時(shí)讓無閃爍的調(diào)光降至低照明級(jí)別。在家用照明設(shè)備中使用調(diào)光器已經(jīng)很廣泛，不僅節(jié)省了能源、減少了電費(fèi)，還提供了舒適和方便。采用節(jié)能LED照明，從效率的角度來看，調(diào)光不是很重要。但是，在家里以及餐館、娛樂場(chǎng)所或會(huì)議廳等場(chǎng)所，照明很容易影響情緒。這就需要平滑、無閃爍的調(diào)光，涵蓋廣泛的光線級(jí)別。

在許多應(yīng)用中，部署固態(tài)照明的理想場(chǎng)景是簡單地通過用相同外形尺寸的LED燈代替白熾燈進(jìn)行升級(jí)。這是由于用戶期望新燈具能與其現(xiàn)有調(diào)光器完美運(yùn)行，但現(xiàn)實(shí)的結(jié)果可能會(huì)因調(diào)光器的類型和質(zhì)量而有所不同。

調(diào)光器操作

標(biāo)準(zhǔn)的基于triac的相切調(diào)光器設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)由白熾燈泡提供的電阻負(fù)載?？煽毓枵{(diào)光器另外也被稱為前沿調(diào)光器，因?yàn)橥ㄟ^使用triac調(diào)節(jié)交流電每個(gè)半波的導(dǎo)通角來改變正弦波形來實(shí)現(xiàn)調(diào)光(圖1)。延遲三端雙向可控硅開關(guān)的導(dǎo)通角讓燈調(diào)光。

圖1. 通過可控硅調(diào)光器的前沿調(diào)光延遲啟動(dòng)，直到周期的晚期。

當(dāng)施加觸發(fā)脈沖時(shí)，如果電流保持在器件指定的保持電流之上，則三端雙向可控硅開關(guān)導(dǎo)通，并在剩余周期內(nèi)保持導(dǎo)通。如果負(fù)載是白熾燈泡，則電流容易維持在保持電流閾值以上，因此三端雙向可控硅開關(guān)會(huì)保持導(dǎo)通，直到電流在循環(huán)結(jié)束時(shí)減小。然而，兩個(gè)因素可以限制調(diào)光范圍，甚至白熾燈泡也會(huì)有一些影響。調(diào)光電路通常包含電磁干擾(EMI)濾波器，其包含可以將脈動(dòng)噪聲引入電流波形的電感器和電容器組件。

如果電感器是低質(zhì)量元件，則這種脈動(dòng)噪聲能足以使電流從接通到激增立即低于三端雙向可控硅的保持電流，從而讓器件關(guān)閉，從而導(dǎo)致燈出現(xiàn)可見閃爍。同樣地，如果使用具有相對(duì)較高的保持電流的低成本三端雙向可控硅開關(guān)元件，則調(diào)光器將無法維持調(diào)光電平。圖2比較了目前市場(chǎng)上5種基于triac的調(diào)光器所需的最小負(fù)載電流。峰值表示LED驅(qū)動(dòng)器需要從三端雙向可控硅開關(guān)吸收的最小電流，以確保正確的操作。

圖2. 五個(gè)不同調(diào)光器的保持電流。

LED負(fù)載電流

在低負(fù)載電流下運(yùn)行調(diào)光器挑戰(zhàn)重重，當(dāng)負(fù)載是LED替換燈泡時(shí)，挑戰(zhàn)會(huì)加劇。與白熾燈不同，LED不是純電阻。其阻抗是無功的，這樣可以防止電流升高，超過三端雙向可控硅的保持電流閾值，以使器件在觸發(fā)脈沖被去除后保持導(dǎo)通。低水平的調(diào)光也可能難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)長ED通常比白熾燈泡消耗更少的功率。因此，通過三端雙向可控硅開發(fā)的電流在最大調(diào)光所需的相位角處可能非常低。其電流可以降低到三端雙向可控硅開關(guān)的最小保持電流以下，導(dǎo)致燈閃爍或突然停止工作。

在實(shí)踐中，調(diào)光器需要取得的調(diào)光水平要比人們感知的還要多。由于人眼通過擴(kuò)大虹膜來補(bǔ)償?shù)凸庹账剑噪娮诱{(diào)光器設(shè)置與感知的調(diào)光效果之間的關(guān)系不是線性的。如果調(diào)整調(diào)光器將光線減少到其最大測(cè)量水平的10%，則人眼只能看到約30%的降低。為了實(shí)現(xiàn)10%的感知調(diào)光水平，調(diào)光器必須能夠?qū)y(cè)量的光水平降低到只有1%。照明工程學(xué)會(huì)(IES)出版的第十版《照明手冊(cè)》記錄了感知的光和測(cè)量光之間的關(guān)系：

感知的光 = 100 × √(測(cè)量光 ÷ 100)

LED替換燈的制造商需要能夠保證不同質(zhì)量和成本的三端雙向可控硅調(diào)光器能互操作，并確保無閃爍的照明降至低調(diào)光水平，以最大限度地提高客戶滿意度。

泄放電路讓電流流動(dòng)

一個(gè)常見的解決方案是添加泄放電路，在較低的調(diào)光級(jí)別保持三端雙向可控硅開關(guān)中有足夠的電流。這可能是使用電阻的無源電路，或使用功率晶體管的動(dòng)式泄流，用于不需要時(shí)阻止分泄電阻器中的電流。

使用被動(dòng)泄放器有兩個(gè)缺點(diǎn)。由于電流連續(xù)通過電阻，因此通過使用LED技術(shù)獲得的效率優(yōu)勢(shì)會(huì)大打折扣。更重要的是散熱對(duì)燈的工作壽命的影響。熱管理對(duì)于LED燈來說至關(guān)重要。LED發(fā)射器本身能夠在高溫下工作25，000到50，000小時(shí)。但是，相關(guān)組件，比如大容量電解電容器，對(duì)工作溫度更敏感。工作溫度每升高10°C，電解電容器的使用壽命將降低50%，這會(huì)顯著降低LED燈的使用壽命。為了達(dá)到可接受的使用壽命，制造商可能需要采取措施來保護(hù)易受攻擊的部件，例如通過應(yīng)用灌封，這會(huì)提高最終產(chǎn)品的成本。

數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)

一個(gè)更令人滿意的方法是將泄放電流再循環(huán)，而不是以熱量的形式消散能量。這在模擬域中不容易實(shí)現(xiàn)。但是，數(shù)字技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)控制方案，可以更智能地使用所需的能量，以保持傳統(tǒng)調(diào)光器能正常工作。

除了與常規(guī)三端雙向可控硅調(diào)光器一起使用用于消除閃爍或突然中斷之外，合適的LED驅(qū)動(dòng)器電路還必須能控制交流循環(huán)浪涌電流，以避免瞬間過載，將電網(wǎng)周期和內(nèi)部磁性部件之間相互作用引起的可聽見的噪聲最小化，以及滿足功率因數(shù)和電噪聲(EMI)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。它們還必須兼容最廣泛的調(diào)光器類型。

圖3顯示了使用Dialog Semiconductor iW3688控制器、用于非隔離LED驅(qū)動(dòng)器電路的一個(gè)代表性的應(yīng)用電路。該器件具有數(shù)字巖心，能與各種三端雙向可控硅調(diào)光器兼容，是一種低成本解決方案。

圖3. 使用iW3688控制器的整流器、電流控制和LED驅(qū)動(dòng)電路。

如圖所示，該電路僅使用一個(gè)外部的MOSFET。這是可能的，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器IC使用相同的開關(guān)來保持三端雙向可控硅開關(guān)電路工作正常并且為控制電路本身提供電力。該設(shè)計(jì)不需要主磁芯上的次級(jí)繞組。這種方法使設(shè)計(jì)人員可以為非隔離應(yīng)用使用低成本、現(xiàn)成的電感器，或者如果應(yīng)用需要隔離，則使用標(biāo)準(zhǔn)的反激變壓器。這樣的架構(gòu)有助于減少元件數(shù)量、節(jié)省能源，并最大限度地減少散熱，從而簡化熱管理。

驅(qū)動(dòng)器操作

IC數(shù)字電路監(jiān)控相關(guān)電壓和電流，并讓控制器動(dòng)態(tài)調(diào)制主功率MOSFET，以實(shí)現(xiàn)所需的調(diào)光級(jí)別，即使LED負(fù)載的需求非常低，也可以讓三端雙向可控硅開關(guān)開著。用于保持三端雙向可控硅開關(guān)運(yùn)作的額外電流會(huì)在內(nèi)部使用，而不是轉(zhuǎn)換為熱量。IC還集成了智能功能，能夠根據(jù)調(diào)光器的特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)阻抗調(diào)節(jié)。該設(shè)計(jì)可讓設(shè)備與幾乎任何標(biāo)準(zhǔn)的三端雙向可控硅調(diào)光器一起使用，將LED亮度降至最大值的1%。與早期驅(qū)動(dòng)器電路相比，低調(diào)光級(jí)別能讓人感受到更強(qiáng)的調(diào)光水平。

當(dāng)不施加調(diào)光時(shí)，將電流傳遞給LED負(fù)載的主電源轉(zhuǎn)換器以準(zhǔn)諧振模式工作，以提供高功率效率和低EMI。功率因數(shù)也被優(yōu)化，以提高效率，并最大限度地減少交流線路上的電流諧波失真，并滿足世界各地的法規(guī)要求。節(jié)能照明的終端用戶期望從現(xiàn)有的照明技術(shù)無縫過渡到LED。這需要更換燈泡能滿足當(dāng)前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且與現(xiàn)有的基于triac的調(diào)光器無差錯(cuò)操作，達(dá)到低調(diào)光范圍，符合最小閃爍的相關(guān)法規(guī)。

同時(shí)，新技術(shù)必須以非常有競(jìng)爭力的價(jià)格提供，同時(shí)最大限度地提高能源效率和可靠性。與傳統(tǒng)的模擬電路和電阻分壓器相比，數(shù)字驅(qū)動(dòng)器控制技術(shù)提供了一種更好的解決方案，使制造商能夠滿足消費(fèi)者的高期望。以上就是LED技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會(huì)由很大的提升，為我們帶來更大便利。