LED调光设计与应用.doc

1、LED调光设计与应用照明工程师社区i0_f ,r v #o(K N0调光是照明系统非常常见的功能。对于白炽灯来说，它可以以低成本轻易实现。LED灯的调光却存在一定难度，但对于建筑师和住宅用户来说，在转换到LED照明时可不愿失去调光控制应有的优势。照明工程师社区3S2mJR1EYI+B nL,N%HLy)Iq;H0功率因数是非常重要的因素，因为高功率因数可降低配电网络的损耗。降低电力使用对环境所造成影响的最有效方式是减少浪费，因此世界各地的监管机构都在进一步严格他们的功率因数规范。其中一个例子就是能源之星固态照明能效规范(09/12/07)，它规定住宅照明产品的功率因数(PF)应大于0.7，商用

2、照明产品的功率因数(PF)应大于0.9。照明工程师社区+$aA*BN 照明工程师社区I UF3PICn.q9x8aTNl!ZGJ0LED灯泡和灯具制造商正在对这些要求做出响应，自然希望他们的产品具有尽可能高的通用性。因此，他们非常需要能兼容各种调光器的LED驱动电路，实现高效率工作并使功率因数达到0.9以上。照明工程师社区Z!k&h$ump#z 6D:ZN v-E4R0调光控制器照明工程师社区f-nFX2e |wZSm0照明控制器以线路调光或次级侧调光的方式进行工作。最简单的线路调光方式是前沿可控硅控制器。这是目前最常用的照明控制方式，但不幸的事,使用可控硅控制器对LED灯进行调光时会产生大量

3、问题。更先进的线路调光器是电子前沿或后沿调光器。次级侧电子控制调光器则用于专业照明系统。 J/M+?&Y0照明工程师社区Y4nA DKO_ 可控硅控制器在白炽灯中的表现无可挑剔，但在LED灯中会产生各种负面效应，其中包括闪烁、发光不均匀、音频噪声以及闪动。要想弄清原因，首先必须了解可控硅调光器的工作原理。 aKHGid6n)x2c1w0照明工程师社区C q(h1%B+Ed7h0IB照明工程师社区(n7+Va1;U图2 前沿可控硅调光器8 w0V:i8_0照明工程师社区 N_3Qj Nj qm 调光控制是通过改变可控硅导通每个半周期的相位角来实现的。灯泡灯丝中的电流与调光信号的相位角密切相关，相

4、位角的变化范围介于0（接近0）到180之间。可控硅的重要参数之一是维持电流(IH)。这是可控硅在不使用栅极驱动的情况下保持导通所必须维持的最小负载。为维持可控硅的稳定工作，该电流不能为零，IH的典型值介于8 mA到40mA。驱动白炽灯时，维持电流不是问题。然而，由于LED灯效率较高，在无法保持维持电流和灯熄灭时，就会出现问题。如有任何振荡发生，就很容易出现此类情况。5UQ sN0HPO0 J |7k(Nu v_0 对可控硅控制器来说，白炽灯的阻抗非常低，因此不会出现振荡。相反，LED驱动器具有高阻抗，而且其输入EMI滤波电路由电容和电感组成。在每个半周期，当可控硅导通时就会出现浪涌电流，最糟糕

5、的情况是，在90导通角下输入电压达到最大值。由于线路/滤波器阻抗的存在，总线电压会发生过冲，从而发生振荡。如果振荡导致电流降到IH以下，可控硅将关断（图3）。V D%P%j5k0 照明工程师社区I8mnhO!R图3 输入EM滤波器引起的电流振荡照明工程师社区oD.s F+RlB.照明工程师社区D$iUAk3;U 当可控硅关断时，R1和R2对DIAC（图2）重新充电至击穿阈值。DIAC然后导通TRIAC，重新开始下一开关周期。结果是在同一输入线路周期内多次重启动可控硅（图4）。#sq/_t11pzW0 +g |*g%aB0 图4 可控硅因振荡多次重启动;zK.z)z:y$XO-zq0照明工程师社

6、区9VI pqI32_4l+y 为避免出现与可控硅调光相关的问题，LED驱动器必须满足LED负载非常不同的要求，同时还得与专为白炽灯设计的调光电路实现兼容。用于替换标准白炽灯的LED灯通常包含多个LED，确保提供均匀的光照。这些LED以串联方式连接在一起。每个LED的亮度由其电流大小决定。LED的正向电压降约为3.4 V，但通常介于2.8 V到4.2 V之间(20%)。尽管负载变化较大，但LED灯串仍须由恒流电源提供驱动，因此必须对电流进行严格控制，以确保相邻LED灯之间具有高匹配度。P O)O!oD!P5t0照明工程师社区4|6SH1G8d LED灯要想实现可调光，其电源必须检测可控硅控制器

7、的可变相位角输出，并利用该信息来改变LED的恒流驱动。电路自身所产生的传导EMI必须达到最低水平，使输入滤波器尽可能地小。此外，驱动电路必须控制功率因数。#Iu ?4Dt,)Q%Cs0 -u.E:g0C)|0U*p0LED驱动器控制照明工程师社区+ujs2rSM/YkI)Pva2M3O;SY%0 很显然，LED驱动器采用标准反激式拓扑结构是绝对不行的，必须使用专用的LED驱动器。图5和图6可以说明这一点。照明工程师社区:xgN-aT照明工程师社区3MGX%R图5 使用TOPSwitch-HX的标准反激式电路照明工程师社区;S_v:rf#CP(j1D w%x#BI/b q0 图5所示为使用 Po

8、wer Integrations (PI)的TOPSwitch?-HX控制器设计的恒流输出反激式电源。输出电压由输出端的齐纳二极管决定。这样可通过光耦器向控制器提供反馈信号。TOPSwitch-HX控制器在输入C处收到电压反馈信号后，会调整集成高压功率MOSFET开关的占空比，以维持要求的输出。对于给定的负载和输入电压，电路将以固定频率和占空比进行工作。3V:Kf6E.p:H2L0照明工程师社区%rv)rp!RT 可以对电路进行配置，使其提供恒流输出，以便成功驱动LED灯。但是，无法实现可控硅相位角检测和功率控制。)b;l0L7;H%CQf0 .|ba!GQQa x0 图6 专用于恒流LED负

9、载的反激式电源照明工程师社区4j+k+k?,oR照明工程师社区;H%h,eSyB 图6所示为使用PI的最新器件LinkSwitch?-PH设计的反激式电源。LinkSwitch-PH控制器集成了多项专用于驱动LED的新功能。该电路与图5中的电路不同，它采用了初级侧调整。这样可省去光耦器和次级侧控制电路。变压器上的次级侧绕组（偏置绕组）具有两种功能：通过BP引脚为LinkSwitch-PH供电，通过FB引脚提供电流反馈。这两个次级侧绕组紧密耦合，从而使偏置绕组上的电压与流经LED负载的电流成比例。控制器在FB引脚收到电流反馈后，会调整集成高压功率MOSFET的占空比，以维持电流调整率。z7N&v

10、 A Qg%d0 :jE-ug(kv0 该电路设计可在经整流非平滑的AC市电输入下工作。控制器随着市电输入在每个半周期内的升降持续调整高压功率MOSFET的占空比，并对每个半周期内的平均电荷进行控制，使其维持输出电流调整率，如图7所示。照明工程师社区 ?:iM#q&Z e8qM照明工程师社区tF)_nyNj*O5u图7 LinkSwitch-PH占空比在AC半周期内的变化Q!D#o Ky3WC.q0照明工程师社区,:U:IXKG&l6.F! 在接近过零点时，瞬态输入电压较低，占空比较大。在整流AC输入峰值点时，电压达到最大值，占空比最小。对于每个开关周期，MOSFET电流在每个周期内被积分，以

11、得到一个电荷量。将每个周期的电荷量与参考值进行比较，当两个数值相等时就停止开关。V引脚输入设置输入电压增益参数，用于提供线电压补偿。照明工程师社区+AW+hqJ照明工程师社区&l_(y!i 调光控制l2QqD0 Z Nv+FCa0 LinkSwitch-PH可通过链接输入R和0 V的编程电阻设置为调光模式，也可设置为非调光模式。在非调光模式下，电路可以接近1的功率因数在全AC输入范围内提供恒流输出。在调光模式下，整流输入的过零点和相位角用于设置输出电流水平，从而提供调光功能。LinkSwitch-PH可用来设计这样的高性能LED驱动器：可在全输入电压范围内工作，并使低成本可控硅调光器的调光范围

12、达到1000:1，同时无任何闪烁现象。图8中的电路图说明了这是如何实现的。M#v#bOp8m0 照明工程师社区 Vzn|*C2Q$b1F图8 7 W可调光LED驱动器电路图3jCy2|G u0 图8所示为使用LinkSwitch-PH LNK403EG (U1)(Ref 1)设计的7 W可调光的可控硅LED驱动器的电路图。该电路使用低成本的前沿可控硅调光器即可实现1000:1的调光范围，同时无任何闪烁现象发生，具有快速启动(0.9)。图9显示了超宽范围内的调光控制的线性特性。照明工程师社区.r Jo.m照明工程师社区-I8R9oNOw.r6;图9 输入相位对应于输出电流的变化照明工程师社区8(

13、Jt8|A OJ4gwP Fj-z0 实现一致调光性能的关键之一就是在输入端使用一个小型EMI滤波器。LinkSwitch-PH所具有的其中两个特性有助于简化输入滤波，它们是连续导通模式和频率抖动。连续导通模式具有两大优势：降低导通损耗（从而提高效率）和降低EMI特征。这有助于以低成本的小型输入EMI滤波器来满足EMI标准的要求。可省去一个X电容，并省去共模扼流圈或减小其尺寸。LinkSwitch-PH中的控制器还可将抖动应用到高压功率MOSFET的开关。这样可扩展开关频率的范围，进一步降低滤波要求。照明工程师社区YDw*&g照明工程师社区$x5ct d 输入EMI滤波器尺寸减小意味着驱动电路

14、的阻抗随之减小，其重要好处就是能大幅降低输入电流振荡。由于LinkSwitch-PH由其内部参考电源供电，因此可进一步增强稳定性。为确保与所有类型的调光器控制实现兼容，本设计添加了两个简单的可选元件 - 衰减电路和泄放电路。衰减电路由元件R12、R13、R20、R17、D7、Q1、C13、VR2、Q3以及R16 共同组成。该电路的作用是减小可控硅调光器导通时所产生的浪涌电流。在115 VAC下，当可控硅导通时，电路中的浪涌电流在头2.4 ms（230 VAC下则为1.2 ms）先流经R16。在大约2.4 ms后，Q3导通并将R16短路。这样可消除在半周期的剩余部分因电流流经R16 而造成的功耗

15、。泄放电路由C9和R14组成。泄放电路的作用是确保在深度调光情况下，当对LED负载施加极低电流时，使可控硅电流始终大于维持电流阈值，从而防止可控硅过早关断。e-m/_,Y- a&D0 Bs%m9iRUS0 图10 衰减电路和泄放电路有助于确保实现1000:1 的调光范围照明工程师社区 Xn e 4y$y(ET X 增加有源衰减电路和泄放电路可确保LED灯在极宽的调光范围内稳定工作，且无任何闪烁。照明工程师社区 kD P Rb W1|i照明工程师社区 bnx;g#w)j | 非隔离式LED驱动器照明工程师社区Lq%_pA-C C7e_+t8b8Wc0 图8中的电路采用了隔离式设计。该设计能为驱动

16、器与LED灯相隔离的照明系统提供全面的安全保护。这是高功率商业和工业照明系统常用的设计。对于驱动器与LED灯同时集成在同一外壳中的应用来说，就像替换灯一样，通常采用隔离式设计和非隔离式设计。采用非隔离式设计可以大幅减少元件数并降低系统成本。PI的LinkSwitch?-PL系列器件可提供单级功率因数校正和恒流控制，同时集成了一个725 V MOSFET，非常适合非隔离应用。图11所示为使用LinkSwitch-PL LNK457DG (Ref2)设计的5 W可调光的功率因数校正LED驱动器的电路图。E|G#?)d7J#qh0 p|hyO,u2H0 图11 去除突出显示的结构框即可用于非调光应用

17、电路LI;I5pg5Z$v1I3i0 ggi0D*f!?0 本设计是低成本、低元件数和PCB占用面积小的解决方案，可用于白炽灯替换灯。使用包括前沿可控硅调光器在内的所有调光器类型，都可以实现无闪烁及100:1的调光范围。由于元件间具有一致的调光性能，因此启动时间小于300 ms。在可调光模式下，115/230VAC输入的效率 73%；在非调光模式下，115/230 VAC输入的效率 78%，且功率因数0.9。照明工程师社区j3c-_TM k照明工程师社区BStZ W/r图12 驱动器集成在A19 LED替换灯中（电路板从壳体中去除）N2(M,R!q0照明工程师社区2o yhg7r 在设计中，变压器不需要添加偏置绕组，恒流模式设定点由R18 上的电压降决定。然后将电压反馈到U1的FB引脚。输出过压保护由VR2和R14提供。tbFtFW:XmE1I0 V B,XOd0x y:k0这种设计可实现无闪烁调光，并对所有相位角调光器进行了测试，包括欧洲、中国和韩国生产的调光器，同时包括了前沿和后沿类型不同调光器。本文来自网络，版权归原作者所有，请下载后，尽快删除。