全球氣候暖化危機和能源緊缺在進一步推動LED照明的普及，LED照明具有環(huán)保、光效高和壽命長的特點，但在完全取代具有墻上型調光器的白熾燈方面，LED照明還存在兼容性差的先天不足。其主要原因在于：1)現有的調光器都是針對白熾燈設計的，而白熾燈呈現的是純阻性；LED作為固態(tài)半導體照明器件，需要恒定的直流電流驅動，所以LED照明一般都需要驅動器從交流110V/220V轉換到所需要的直流電流；2)調光器種類繁多，而且工作原理各不相同，包括前切型、后切型和智能型等；3)LED照明器的種類也很多。這樣一來，對于不同的LED照明匹配不同類型的調光器；LED的驅動器面臨巨大挑戰(zhàn)；其中，可靠性和安全性尤為重要。照明屬于消費電子產品，直接接觸千家萬戶的消費者，不僅價格要適當，更重要的是要安全可靠；即便是任一元器件失效或調光器與LED不匹配，也不能造成漏電、過熱、過流等任何安全故障。
針對LED照明市場的發(fā)展，多家IC制造商推出了應用于調光LED燈具的驅動方案。本文介紹的iW3610是兼容傳統前后切相式調光器的數字控制器，可自動識別切相調光器，配合不同的工作模式，使整個系統始終工作在優(yōu)化狀態(tài)。
LED照明驅動器的設計要點
LED是一種單向電流型固態(tài)半導體發(fā)光器件，它是傳統二極管的一個分支；因此LED也具有二極管的特性：1)工作結溫必須在規(guī)定的范圍內，以保證其正常工作壽命；2)只有當其承受的電壓超過正向電壓時，LED才開始有電流通過，并發(fā)光；作為發(fā)光器件，LED照明還具有其它特性：
1)照明要求：a.電流的調節(jié)精度要高；b.沒有閃爍和眩光；c.電流的紋波要穩(wěn)定。
2)散熱設計要點：a.非隔離驅動器便于散熱器的設計和成本控制；b.高效率的驅動器，減少功率耗散；c.過熱調節(jié)，調節(jié)輸出光通量當溫度超過安全結溫時。
3)安全可靠性要點：a.任一器件發(fā)生故障(短路、開路、浮動)均應導致LED照明的關斷保護；b.可靠的過熱過流保護；c.LED開路和短路保護。
當然，要普及LED照明到千家萬戶，成本是最重要的考慮因素，LED產品既要可靠還要體積小巧，并且高效、低成本。
LED調光照明應用中的難點
相比于傳統的白熾燈，LED照明具有環(huán)保、光效高和壽命長的優(yōu)點。但在完全取代帶有入墻式調光器的白熾燈方面，LED照明尚存在兼容性差的缺點。傳統的調光器用于驅動純電阻負載，調光器種類繁多，包括前沿切相調光器、后沿切相調光器、智能調光等等，而且功率都比較大(200W~600W)，需要提供阻性或類阻性的負載才能使調光器穩(wěn)定工作；當連接容性負載時，調光器可能無法正常工作。
針對可控硅切相調光器，憑借簡單的泄放電路(BLEEDER)去配合規(guī)格各異的可控硅調光器工作，很難讓人滿意。傳統調光器功率都比較大(200W~600W)，可控硅需要一定的保持電流維持其導通，而在小功率的LED驅動應用上，一般不能保證有足夠大的輸入電流去維持可控硅穩(wěn)定工作。這樣就有可能出現多次導通，因而供給LED驅動的電壓及切相信號就不穩(wěn)定，如果調光信號處理不好則會造成LED閃爍。
另外，在歐美市場上，后沿切相型的調光器和鹵素燈也有廣泛應用。鹵素燈需要電子變壓器進行恒壓控制及軟啟動以提高可靠性，但是鹵素燈發(fā)光效率也遠不如LED燈，因此很多使用者也很想選用可調光的LED去替換鹵素燈及電子變壓器。
由于后沿切相的調光器需要和電容性的電子變壓器匹配，它的設計和工藝較普通的可控硅調光器更為復雜，內部有精準的時間常數電路去控制場效應管的關斷而達到后沿切相的效果，還需要穩(wěn)定的電壓供這些電路工作；因為這種調光器中使用的開關器件是場效應管，一般都會并聯上較大值的X電容以保護場效應管，這樣就加大了在正弦波下降沿切相時的檢測難度。因此，針對后沿切相調光器設計的LED驅動，既要能夠在任何切相位置保證調光器內部電路工作，又要能夠提供很低的阻抗去準確檢測切相位置，而且不能影響LED驅動的轉換效率。
智能數字調光控制器iW3610
iWatt公司推出的數字調光控制芯片采用高精度的初級恒流控制方式，無需光藕合器和元件繁多的次級反饋控制元件；功率轉化操作頻率高達200kHz，利于小體積高功率密度設計；特有的斬波式調光器的檢測技術，也改善了功率因數和諧波電流；輸出紋波電流小，優(yōu)化了LED的發(fā)光效率；內置多重保護，外置NTC的程序化過溫保護。
iW3610的斬波電路就是針對可控硅和場效應管調光器的特性而設計。如圖4所示，RcLcQcD1D2組成的電路既可以使調光器穩(wěn)定工作，又可以通過Boost電路改善功率因數，IC內部的數字電路通過檢測電壓的變化率判斷切相信號的類別，從而智能化判斷其所配合的調光器。
當iW3610檢測到可控硅切相的調光信號后，將工作在前沿切相模式。如圖5所示，當可控硅關斷時，IC的Output_TR是高電位，使MOSFET導通，相當于把BLEEDER電阻連接在調光器的輸出端，因為BLEEDER的阻抗大小與常規(guī)的鎢絲燈相當；當可控硅導通時，Ouput_TR會輸出一組高頻的控制信號，斬波電路工作在高頻開關狀態(tài)，斬波電路從輸入端吸取較多的電流，以維持可控硅工作；吸取的能量大部分通過Boost電路傳遞給初級電容。IC針對不同的輸入切相信號調整斬波電路的工作時間，避免了可控硅的多次導通。
當iW3610檢測到場效應三極管調光器時會工作在后沿切相模式。如圖6所示，當調光器內部的場效應三極管導通時，IC的Output_TR給出的是一組高頻控制脈沖信號，斬波電路工作在Boost狀態(tài)，當IC檢測到調光器內的場效應三極管截止時，Output_TR會跳變成高電平信號，斬波電路中的Qc導通，LED驅動呈低輸入阻抗以還原交流輸入的切相波形。[!--empirenews.page--]
當IC檢測到輸入的電壓是完整的交流信號，沒有接調光器時，它會選擇高功率因數模式。iWatt特有的固定VinTon控制方式[u1]既可以確保Boost電路輸出電壓不會失控，又能盡量拓展輸入電流的導通角度，提高功率因數。
因此，針對不同輸入電壓不同輸出功率的驅動設計要求，只需合理地設置斬波電路中Rc阻值和Qc的電感量，就可以得到優(yōu)化的驅動設計，既能滿足切相檢測，又能改善驅動的功率因數，減少輸入電流的諧波。因為BLEEDER電阻是動態(tài)導通，而且，Boost電路的加入把大部分的能量傳遞給初級電容，減少了損耗，因此整個驅動能保持很高的轉化效率。
iW3610將相位檢測和調光控制通過數字控制的方式整合在IC內部，檢測到的切相信號在IC內部就轉化成調光控制信號，去控制輸出部分的反激變換器，與iWatt的精準的初級恒流控制技術完美結合，LED的電流就受控于輸入電壓的切相信號了。
當然，為了迎合LED照明產品的需求，iW3610也具備了更多新的控制性能。它支持高達200KHz的工作頻率，可使設計人員更容易研發(fā)高功率密度的LED驅動，滿足燈具小型化的趨勢；波谷導通的準諧振(Quasi-resonant)模式也可以盡可能提高效率，簡化EMI對策，其特有的自適應過溫保護控制方式更受LED應用工程師青睞。
由于LED自身的特點，在高溫下，系統的可靠性和使用壽命都很難得到保障，因而合適的過溫保護方式在LED應用中尤其重要。很多客戶都希望在內部溫度達到一定的高溫時，驅動能自動限制輸出功率，使燈的溫度不會繼續(xù)上升，而能繼續(xù)工作，并且保持在安全使用的狀態(tài)下。用戶一般不會覺察到亮度的緩慢變化，但在有異常情況發(fā)生時，如果燈內部的溫度持續(xù)上升到一個較高的溫度，影響安全時，還是希望能明確提示使用者，該燈出現故障了。
iW3610就是通過簡單的NTC保護電路實現了復雜的可程序化保護。NTC接在IC的第四引腳上，具體設計應用時可以將NTC放置在溫度較高的元件旁，例如變壓器或MOSFET。假設設計者選用47K的NTC做過溫保護。當NTC檢測到溫度達到105℃時，其阻值會變化為4K左右，這時候，IC第四引腳上的電壓會變成0.4V，因為IC內部有個100UA的恒流源，IC檢測到這個變化后，輸出電流會進入線性降壓模式，不同的溫度對應不同的VT引腳控制電壓，不同的控制電壓對應不同的輸出電流。如果溫度繼續(xù)上升到一個較高的溫度時，當VT引腳上的電壓低于0.3V時，控制器會將輸出鎖定為10%，這樣輸出功率就很小，因而不會再有過溫的問題了。當內部溫度下降到一定值，回到安全的溫度范圍內時，LED燈的輸出功率就會緩慢恢復，這種恢復也有一定的遲滯。
典型應用案例分析
圖7是一個7W調光方案線路圖。iWatt方案實現初級恒流控制，其恒流控制精度達5%。反激式變換器中的電流信號是三角波，三角波電流有效值是峰值電流的1/2再乘以占空比。初級側電流與次級側峰值的比值就是變壓器圈比。
iWatt的恒流控制方式就是通過檢測初級側電流的峰值、工作頻率，檢測變壓器的磁復位時間來獲取輸出電流的大小，從而控制Isense基準電壓。
設計步驟
1)設定Vin的電阻。(圖7中R7/R8的阻值)
Vin電阻有多重作用，用于起機，用于檢測輸入電壓的高低以判斷相位。iW3610內部默認一個系數KVin，高壓輸入時為0.0043，低壓時為0.0086。根據這個比值，在一個120V輸入的設計中，RVin推薦為290~300K??；高壓230V輸入時，RVin電阻應該是560~600K??。
2)確定BLEEDER電阻。
BLEEDER電阻的大小與調光的性能、效率、功率因數有關。經過確認，我們推薦選用以下的設置：Vin100~120Vac：270~390··Vin220~240Vac：470~560··該電阻需要2W的額定功率。
3)選擇斬波電路的電感Qc-L3。
L3的大小與效率、功率因數和EMI有關。電感越小，功率因數越高；功率因數過高，對效率和EMI也有影響。一般情況下，對于5~6W的設計，功率因數可達到0.8~0.9。
變壓器設計
變壓器的選擇與功率大小、驅動的體積大小有關；與期望的效率和成本也有關。一般情況下，功率越大，體積越大；同樣的功率，體積越大，磁芯的結構越復雜，效率越高，當然成本也越高。合適的磁芯可以使變壓器漏感小，線圈結構優(yōu)化。
確定變壓器大小之后，再考慮變壓器的圈數和圈比。圈比與輸出功率輸出電流大小有關。還要綜合考慮輸出整流管的大小、其反向耐電壓的高低，并且要預留一定的余量。一般情況下，圈比越小，次級側二極管里流過的電流峰值越小，但是它所承受的反向電壓越高。
在確定變壓器初級繞組的圈數和電感時，要考慮變壓器工作的最大磁通量，一般在250mT到320mT之間。如果太高，可能會飽和；如果太低，則磁芯利用率太低。工作頻率與效率EMI的關系比較緊密，一般情況下，如果頻率低一些，EMI對策會相對容易；高壓輸入時，若頻率較低，則效率會高一些，因為高電壓輸入時開關損耗較大。
確定了變壓器之后接就是確定電流取樣電阻，根據iWatt初級恒流控制原理，可以得出以下計算公式：
接下來我們就確定VCC繞組的圈數和電壓反饋電阻的大小。推薦將VCC設定在12~15V之間，根據輸出電壓的高低和VCC的范圍，就可以計算確定VCC繞組的圈數。
然后確定反饋電阻，在正常工作的條件下，把Vsense電壓設定在1.3~1.4V，不要高于1.538V，這時還要考慮過壓保護(OVP)的大小。當Vsense電壓達到1.7V左右時，會產生過壓保護，IC將鎖定不工作。關斷輸入電壓，IC復位之后，則又可以重新啟動。
圖7：7W調光方案線路圖。
本文小結
在隔離驅動應用愈來愈成為LED主流設計的趨勢下，iW3610的應用優(yōu)勢尤為突出，適合燈內置驅動的要求。驅動隔離的設計可以節(jié)約燈具系統的隔離成本，優(yōu)化LED的散熱性能。整個設計的元件數量不多；體積可以小至內置于E27/E26燈頭的球炮或PAR燈內；效率高，5W設計中效率大于80%，10W設計中效率大于85%；功率因數滿足能源之星的要求；調光范圍100%~1%，可支持歐美市場上的主流調光器。
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