1 LED照明設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)
目前，全球照明行業(yè)的數(shù)字革命正在到來，高效節(jié)能的LED燈將取代白熾、M16鹵素?zé)艉虲FL燈泡。但近段時(shí)間LED照明設(shè)計(jì)人員的工作面又臨新的挑戰(zhàn)，那就是同時(shí)滿足既可用針對(duì)白熾燈與M16鹵素?zé)舻腖ED驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制功能，又要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)無任何閃爍的調(diào)光控制的的新要求，尤其是要兼容現(xiàn)有的基礎(chǔ)架構(gòu)，其中包括切角調(diào)光和電子變壓器調(diào)光支持無閃爍調(diào)光的設(shè)計(jì)。
應(yīng)該說，調(diào)光是照明系統(tǒng)非常常見的功能，相對(duì)于對(duì)于白熾燈或M16鹵素?zé)魜碚f，它可以以低成本輕易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于LED燈的調(diào)光而言卻存在一定難度，尤其是要實(shí)現(xiàn)無任何閃爍的調(diào)光控制。通常對(duì)建筑與用戶來說要將白熾燈或M16轉(zhuǎn)換到用LED照明其最有余悸的是惟恐失去調(diào)光控制應(yīng)用上的優(yōu)勢，即應(yīng)無任何閃爍。當(dāng)然，其中功率因數(shù)也是非常重要的因素，因?yàn)楦吖β室驍?shù)可降低配電綱絡(luò)的損耗與減少浪費(fèi)。因而國內(nèi)外各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)都在進(jìn)一步嚴(yán)格它們的功率因數(shù)規(guī)范，例如，能源之星固態(tài)照明能效規(guī)范規(guī)定，住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)應(yīng)大于0.7，商用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)應(yīng)大于0.9.由此 LED燈泡和燈具制造商正在對(duì)這些要求做出響應(yīng)，要求LED驅(qū)動(dòng)電路能適合各種調(diào)光單元，具有高效率并且功率因數(shù)（PF）》0.9，使其產(chǎn)品具有高的通用性。
由此如何應(yīng)對(duì)LED照明設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)，以滿足新要求就成為制造廠商與設(shè)計(jì)人員及消費(fèi)者迫切關(guān)注的問題。據(jù)此，本文將對(duì)LED照明應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)性能的無任何閃爍的調(diào)光控制技術(shù)與構(gòu)建等問題作研討，并以應(yīng)用多項(xiàng)控制器構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器與高集成MOSFET LED驅(qū)動(dòng)器2種高功率因數(shù)無任何閃爍的調(diào)光控制為例作重點(diǎn)分析。
2 應(yīng)用多項(xiàng)控制器構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器是一種專用恒流LED負(fù)載的反激式電源
為此先從調(diào)光控制器的基本理念述起。
2.1可控硅調(diào)光器在LED照明應(yīng)用中存在問題
*可控硅調(diào)光器（見圖1（a）所示）。它是應(yīng)用切相原理，減少VRMS來降低普通負(fù)載（電阻負(fù)載）的功率，工作效率較高性能穩(wěn)定。
所以它是LED照明常用方法，見圖1（b）所示可控硅調(diào)光器與LED驅(qū)動(dòng)器配合架構(gòu)示意。
圖1（b）中可控硅調(diào)光就是在芯片中或者應(yīng)用電路中當(dāng)切相電源時(shí)，以提取導(dǎo)通角信息，并根據(jù)該信號(hào)控制來控制LED的驅(qū)動(dòng)電流，來得到調(diào)光的效果。然而可控硅調(diào)光器在LED照明應(yīng)用中卻有閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)現(xiàn)象。其因有二：笫一是可控硅調(diào)光的100Hz頻閃存在。因?yàn)殡娋W(wǎng)的工頻是50/60Hz，切相波形整流后，就是可以得到一個(gè)100/120Hz的脈沖信號(hào)。這樣就可以直接用來產(chǎn)生調(diào)光的PWM信號(hào)。而實(shí)際應(yīng)用中，只要有任何輕微的電壓波動(dòng)，電流變化，都會(huì)影響脈沖的占空比，這樣就相當(dāng)于一個(gè)100/120Hz的閃爍，而對(duì)白熾燈沒有這個(gè)問題？是因?yàn)闊襞萱u絲的物理惰性使得人不易感覺到；笫二是可控硅調(diào)光器的調(diào)光控制是通過改變可控硅導(dǎo)通每個(gè)半周期的相位角來實(shí)現(xiàn)的，為維持可控硅的穩(wěn)定工作，它的重要參數(shù)之一維持電流（IH）是不能為零（其典型值在8mA到40mA之間）。它在驅(qū)動(dòng)白熾燈時(shí)，該IH維持電流不是問題，然而，在驅(qū)動(dòng)高效LED時(shí)，在燈熄滅時(shí)無法保持維持電流不出現(xiàn)同題。尤其在有振蕩情況下，就更容易出現(xiàn)閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)現(xiàn)象。如果振蕩導(dǎo)致電流降到IH（8mA~40mA）以下，可控硅將關(guān)斷，其結(jié)果是在同一輸入線路周期內(nèi)多次重啟可控硅，則LED燈頻頻發(fā)生閃爍。
*從提高LED驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力入手是抑制閃爍的關(guān)鍵
可控硅調(diào)光的100Hz頻閃-解決方法：不能直接把切相波形直接來調(diào)光，需要把凋制信號(hào)頻移至更高的頻段，使人看不出來閃爍。驅(qū)動(dòng)控制器芯片把調(diào)光的信號(hào)調(diào)至幾KHz更高的頻段。
關(guān)于可控硅調(diào)光的負(fù)載問題可控硅調(diào)光器要穩(wěn)定工作，就需要有穩(wěn)定的IH來保障調(diào)光器工作。為解決可控硅調(diào)光負(fù)載過熱，就需要應(yīng)用信號(hào)濾波技術(shù)，把截取進(jìn)來的導(dǎo)通角信號(hào)進(jìn)行整形濾波，讓提高調(diào)光信號(hào)的可用性；為解決負(fù)載不足時(shí)的顫動(dòng)，需要加入信號(hào)平滑及鎖相技術(shù)，把相鄰兩個(gè)導(dǎo)通角信號(hào)平滑鎖定。就可以大大的減少閃爍情況的發(fā)生。
為避免出現(xiàn)可控硅調(diào)光相關(guān)的問題，LED驅(qū)動(dòng)器必須滿足LED負(fù)載各種不同的要求，同時(shí)還得與白熾燈設(shè)計(jì)的調(diào)光電路實(shí)現(xiàn)兼容。用于替換標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的LED燈通常包含多個(gè)LED，確保提供均勻的光照。這些LED以串聯(lián)方式連接在一起。每個(gè)LED的亮度由其電流大小決定。LED的正向電壓降約為3.4V，但通常介于2.8V到4.2V之間（±20%）。盡管負(fù)載變化較大，但LED燈串仍須由恒流電源提供驅(qū)動(dòng)，因此必須對(duì)電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保相鄰LED燈之間具有高匹配度。LED燈要想實(shí)現(xiàn)可調(diào)光，其電源必須檢測可控硅控制器的可變相位角輸出，并利用該信息來改變LED的恒流驅(qū)動(dòng)。
2.2恒流LED負(fù)載的反激式電源的構(gòu)建
應(yīng)該說如今有多種類型控制器可以構(gòu)建恒流LED驅(qū)動(dòng)電源-LED負(fù)載的反激式電源。在此僅以集成多項(xiàng)控制器LinkSwitch.-PH構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器為例作分析。
2.2.1 應(yīng)用多項(xiàng)控制器構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器是一種專用恒流LED負(fù)載的反激式電源
圖2所示為使用最新器件LinkSwitch.-PH控制器設(shè)計(jì)的反激式電源架構(gòu)，它是專用于恒流LED負(fù)載的反激式電源。LED驅(qū)動(dòng)用恒流源有助于保證LED在發(fā)光的工作時(shí)間段光線亮度一致、不閃爍。
圖2中LinkSwitch-PH控制器集成了多項(xiàng)專用于驅(qū)動(dòng)LED的新功能。該路與LED驅(qū)動(dòng)器采用標(biāo)準(zhǔn)反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，它采用了初級(jí)側(cè)調(diào)整。這樣可省去光耦器和次級(jí)側(cè)控制電路。變壓器上的次級(jí)側(cè)繞組（偏置繞組）具有兩種功能：通通BP引腳為LinkSwitch-PH供電，通過FB引腳提供電流反饋。這兩個(gè)次級(jí)側(cè)繞組緊密耦合，從而使偏置繞組上的電壓與流經(jīng)LED負(fù)載的電流成比例�？刂破髟贔B引腳收到電流反饋後，會(huì)調(diào)整集成高壓功率MOSFET的占空比，以維持電流調(diào)整率。該電路可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作，其控制器隨著市電輸入在每個(gè)半周期內(nèi)的升降持續(xù)調(diào)整高壓功率MOSFET的占空比，并對(duì)每個(gè)半周期內(nèi)的平均電荷造行控制，使其維持輸出電流調(diào)整率。由此可見由LinkSwitch-PH控制器構(gòu)建的用于恒流LED負(fù)載的反激式電源既可以進(jìn)行配置，使其提供恒流輸出，又能實(shí)現(xiàn)可控硅相位角檢測和功率（功率因素）的控制。
2.2.2無任何閃爍調(diào)光控制的實(shí)現(xiàn)
*LinkSwitch-PH控制器所具的特性是實(shí)現(xiàn)無任何閃爍調(diào)光控制的保證。LinkSwitch-PH控制器所具有的其中兩個(gè)特性是連續(xù)導(dǎo)通模式和頻率抖動(dòng)。這兩個(gè)特性除了有助于簡化輸入濾波外，因：連續(xù)導(dǎo)通模式具有兩大優(yōu)勢，即降低導(dǎo)通損耗（從而提高效率）和降低EMI特征，這有助于以低成本的小型輸入EMI濾波器來滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求，可省去一個(gè)大電容，并省去共模扼流圈或減小其尺寸；LinkSwitch-PH中的控制器還可將抖動(dòng)應(yīng)用到高壓功率MOSFET的開關(guān)，這樣可擴(kuò)展開關(guān)頻率的范圍，進(jìn)一步降低濾波要求。增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的1000:1調(diào)光范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并且無任何閃爍現(xiàn)象。
特別需指出的是，LinkSwitch-PH可通過連接的編程電阻設(shè)置為調(diào)光光模式，也可放置非調(diào)光模式。在非調(diào)光模式下，電路可以接近1的功率因數(shù)在全AC輸入范圍內(nèi)提供恒流輸出。在調(diào)光模式下，整流輸入的過零點(diǎn)和相位角用于設(shè)置輸出電流水平，從而提供調(diào)光功能。LinkSwitch-PH可用來設(shè)計(jì)這樣的高性能LED驅(qū)動(dòng)器：可在全輸入電壓范圍內(nèi)工作，并使低成本可控硅調(diào)光器的調(diào)光范圍達(dá)到1000:1，同時(shí)無任何閃爍現(xiàn)象。
*應(yīng)用LinkSwitch-PH控制器是由其獨(dú)特的特征所決定。那末究竟有什么應(yīng)用特征吶？應(yīng)該說它是單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）、初級(jí)側(cè)恒流輸出及可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器IC.
LinkSwitch-PH（如PH LNK403EG）可大幅簡化要求功率因數(shù)大于0.9、具備可控硅調(diào)光的高效率LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。這款高度集成控制器的器件采用了全新的控制技術(shù)，不僅能提供非常高的功率因數(shù)和精確的恒流輸出控制，同時(shí)還可省去功率因數(shù)校正所需的無源電路以及光耦器和次級(jí)電流控制電路。每個(gè)器件都在一個(gè)單片IC上集成了一個(gè)725 V功率MOSFET、一個(gè)連續(xù)模式PWM控制器、一個(gè)自偏置的高壓開關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、逐周期電流限制及遲滯熱關(guān)斷電路。而LinkSwitch-PH應(yīng)用特征具體如下：其一，它是一種大幅簡化離線式LED驅(qū)動(dòng)器。具有單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）及精確恒流（CC）輸出與無閃爍的相位控制可控硅調(diào)光，可省去光耦器、所有次級(jí)電流控制電路、省去所有控制環(huán)路補(bǔ)償電路及簡化初級(jí)側(cè)PWM調(diào)光接口；其二、精確穩(wěn)定的性能。能快速啟動(dòng)時(shí)間，并補(bǔ)償變壓器電感容差與補(bǔ)償輸入電壓變化及頻率調(diào)制技術(shù)，從而極大縮減EMI濾波器的尺寸和成本；其三、先進(jìn)的保護(hù)及安全特性。它是一種開路故障檢測模式，可通過自動(dòng)重啟動(dòng)提供短路保護(hù)能，自動(dòng)熱關(guān)斷或遲滯自動(dòng)重啟動(dòng)，無論在PCB板上還是在封裝上，都保證高壓漏極引腳與其他所有參考引腳之間滿足高壓爬電要求；其四、EcoSmart？ - 高效節(jié)能技術(shù)。低待機(jī)功率遠(yuǎn)程ON/OFF控制功能（230 VAC輸入時(shí)《 50 mW），無需電流檢測電阻，可提高效率。LinkSwitch-PH為綠色封裝，即無鹵素和符合RoHS要求的封裝。需要說明的應(yīng)用PI的PH LNK403EG控制器構(gòu)建出7W可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器是一種典例。
3 新型可直接替換MR16鹵素?zé)舻腖ED構(gòu)建方案
概述 應(yīng)用高集成MOSFET LED驅(qū)動(dòng)器可構(gòu)建出新型的離線式和MRl6 LED照明方案，它采用獨(dú)特技術(shù)，能夠配合調(diào)光器和電子變壓器實(shí)現(xiàn)無閃爍調(diào)光，其方案示意見圖3所示。
該直接替換MR16鹵素?zé)舻?LED解決方案，能確保兼容于現(xiàn)有照明方案的電子基礎(chǔ)架構(gòu)，并幫助制造商從容應(yīng)對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的屏障，故又稱為離線式/MRl6燈的引腳兼容替代方案。它能有效延長使用壽命，利用所安裝的切相調(diào)光器平穩(wěn)調(diào)節(jié)亮度，并可低至0%;可配合絕大多數(shù)電子變壓器工作，實(shí)現(xiàn)無閃爍調(diào)光（MRl6）；可在90-265VAC通用輸入下使得同一設(shè)計(jì)能夠支持全球范圍的照明架構(gòu)（離線式）；無需電解電容，故又有效延長燈管壽命。值此從應(yīng)用角度對(duì)其方案實(shí)現(xiàn)作分析。
3.1獨(dú)特的構(gòu)建方案
*問題的提出
鹵素?zé)羰且粋�(gè)純阻負(fù)載，不管加上交流電還是直流電都可以工作。通常驅(qū)動(dòng)鹵素?zé)舻臅r(shí)候降低電壓，鹵素?zé)袅炼冉档�，沒其他變化。而驅(qū)動(dòng)LED時(shí)會(huì)降低電壓，LED在一定程度上會(huì)發(fā)生閃爍。為什么呢？鹵素?zé)羰羌冸娮柝?fù)載，一般的鹵素?zé)舳际遣捎秒娮幼儔浩鱽戆?20V交流高壓降低到12V的高頻（50kHz）低壓的，因此鹵素?zé)綦娮幼儔浩髋c其配合能很好的工作。而LED驅(qū)動(dòng)器則是非線性的，不是純阻性負(fù)載，屬容性阻抗+感性阻抗的負(fù)載，鹵素?zé)綦娮幼儔浩鹘邮躄ED燈負(fù)載時(shí)它輸出的能力會(huì)大大下降，表現(xiàn)為輸出電壓由12V驟降至7V，如是8V啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)IC即進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)，此時(shí)鹵素?zé)綦娮幼儔浩鬏敵鲭妷河稚?2V，因此，采用現(xiàn)有電路架構(gòu)時(shí)，會(huì)如此周而復(fù)始，使你見到LED燈在閃爍，不能調(diào)光，有些情況下甚至不能開啟。為便于使用，LED換代燈必須與電子變壓器和切角調(diào)光器兼容。而應(yīng)用MAX16840型LED驅(qū)動(dòng)器是有效的選擇。
*構(gòu)建方案
它應(yīng)用了新型MAX16840型LED驅(qū)動(dòng)器，該芯片的架構(gòu)，使用了電子變壓器和切角調(diào)光器以實(shí)現(xiàn)無閃爍調(diào)光，形成了獨(dú)特的LED驅(qū)動(dòng)器方案，從而可實(shí)現(xiàn)兼容大多數(shù)電子變壓器和切角調(diào)光器MR16的LED燈設(shè)計(jì)。它在技術(shù)上確保無需對(duì)現(xiàn)有電路架構(gòu)做任何修改就可用LED換代燈直接替換MR16鹵素?zé)�。該方案為市場�?yīng)用掃除了一大障礙，使終端用戶能夠以極低的配置成本獲得LED照明的全部優(yōu)勢，即：是一種確保無閃爍并可調(diào)光操作，又能兼容于絕大多數(shù)電子變壓器和切角調(diào)光器，可直接替代MR16的LED換代方案；更無需更改現(xiàn)有的電氣架構(gòu)，又縮小板尺寸并降低BOM成本。那末LED換代燈構(gòu)建設(shè)計(jì)是如何實(shí)現(xiàn)吶？
3.2 LED換代燈構(gòu)建技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
MAX16840具有的應(yīng)用特征是LED換代燈構(gòu)建技術(shù)的保證。MAX16840 集成MOSFET LED驅(qū)動(dòng)器，可用于MR16及其它12V交流輸入燈。它采用獨(dú)特的技術(shù)控制燈管的輸入電流，對(duì)輸入電流進(jìn)行整形，可使用大多數(shù)電子變壓器和調(diào)光器支持無閃爍工作，很好地解決了上述“問題的提出”之困擾。
該類MAX16840集成MOSFET LED驅(qū)動(dòng)器IC，包含了12V AC和24V AC輸入（例如MR16） LED燈驅(qū)動(dòng)器所需的全部功能，只需極少的外部元件。它采用的專有的輸入電流控制機(jī)制使所構(gòu)建的LED燈可兼容于電子變壓器設(shè)計(jì)，并支持后沿調(diào)光（帶有電子變壓器）；它可用于構(gòu)建buck、boost和buck-boost拓?fù)洌瑑?nèi)置0.2Ω （最大值）、48V開關(guān)MOSFET;并采用固定頻率與平均電流控制模式。內(nèi)置開關(guān)MOSFET能夠進(jìn)一步節(jié)省空間、減少元件數(shù)量、降低方案成本。
而MAX16840芯片有3個(gè)重要引腳功能：FB引腳電壓可檢測輸入電流，并調(diào)節(jié)其平均值；而輸入引腳（REFI）用于設(shè)置輸入電流值，引腳電壓低于特定門限時(shí)，輸入電流與該電壓成正比，電壓超過特定門限時(shí)，輸入電流將置于固定的預(yù)置水平。據(jù)此利用REFI的非線性特性，連接一個(gè)NTC電阻，即可得到熱折返保護(hù)；IN引腳具有內(nèi)部過壓保護(hù)，避免內(nèi)部開關(guān)MOSFET在LED串開路或LED串電壓過高時(shí)損壞；它帶有一個(gè)獨(dú)立的EXT引腳，確保低輸入電壓開啟時(shí)提供一個(gè)觸發(fā)啟動(dòng)電流，以配合電子變壓器正常工作。EXT驅(qū)動(dòng)外部npn晶體管，一旦IN跌落到5.5V UVLO門限以下，將EXT拉至地電平，外部npn晶體管關(guān)斷。其IC采用3mm x 3mm、10引腳、TDFN封裝，-40°C至+125°C工作溫度范圍。圖4為MAX16840典型應(yīng)用示意圖。它被廣泛應(yīng)用于MR16及其它12V交流或直流輸入LED照明之中。
由于MAX16840的應(yīng)用，從而延長燈管使用壽命，滿足MR16燈的尺寸要求。此外，MAX16840可以采用無電解電容設(shè)計(jì)，從而也有效的延長了LED燈的使用壽命，這是由于電解電容通常是驅(qū)動(dòng)電路中最先失效的元件。無電解電容設(shè)計(jì)還可降低驅(qū)動(dòng)器的成本和尺寸，亦滿足MR16燈的小尺寸要求。值得指出的是，它的使用使LED燈設(shè)計(jì)人員可以直接替換MR16鹵素?zé)簦∪チ送惛偁幏桨杆璧陌嘿F的電路升級(jí)成本。由此更明確獨(dú)特的MR16 LED照明方案優(yōu)勢的所在，即LED換代燈（或稱改造燈）構(gòu)建與白熾燈、鹵素?zé)艉蜔晒鉄粝啾龋瑩Q代燈配合LED燈源能夠提供超高效率和更長的使用壽命，特別是能兼容眾多電子變壓器調(diào)光，支持無閃爍調(diào)光設(shè)計(jì)。但是，需要提醒的是為了獲得更有價(jià)值的替代方案，LED換代燈必須兼容于現(xiàn)有的基礎(chǔ)架構(gòu)，其中包括切角調(diào)光和電子變壓器調(diào)光。在應(yīng)用上，對(duì)于室內(nèi)照明換代方案，高能效和較長的工作壽命使得LED成為替代傳統(tǒng)照明的經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的解決方案。值此例舉1種應(yīng)用實(shí)例，見圖5為低壓LED球泡燈示意圖。
該LED驅(qū)動(dòng)方案用于12VAC輸入的MR16及類似的換代燈，可配合電子變壓器工作，支持電子變壓器的后沿調(diào)光。電路中無需使用電解電容，從而有效延長了LED燈的工作壽命。除了電子變壓器，系統(tǒng)中采用后沿切角調(diào)光器，后沿調(diào)光器通過在交流電的每半個(gè)周期切斷最后部分來降低燈的亮度。
4 后話
從上面介紹的種應(yīng)用情況可以看出，如果所采用由集成多項(xiàng)控制器構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器或高集成MOSFET LED驅(qū)動(dòng)器，它們既能執(zhí)行功率因數(shù)校正，又能執(zhí)行恒流驅(qū)動(dòng)和相位角檢測，就能實(shí)現(xiàn)無閃爍調(diào)光的穩(wěn)定工作。此外，還能使電路滿足所有國際標(biāo)準(zhǔn)的效率、功率因數(shù)、諧波和EMI要求。過去，白熾燈泡或MR16必須針對(duì)特定的電源電壓進(jìn)行制造�，F(xiàn)在卻不必再受此限制，制造出的可調(diào)光LED燈可以不經(jīng)任何改裝而通用于國內(nèi)外。 |
