中心議題：

• 探討LED照明應用的無(wú)閃爍調光實(shí)現

解決方案：

• 采用隔離式設計和非隔離式設計
• 采用的控制器既能執行功率因數校正

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個(gè)半導體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)"P-N結".當電流通過(guò)導線(xiàn)作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì )被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會(huì )以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(cháng)決定光的顏色，是由形成P-N結材料決定的。 該項技術(shù)正日臻成熟，標志之一就是大量LED照明標準和規范的陸續出臺。嚴格的效率要求已存在相當一段時(shí)間了，今后仍將不斷提高。

LED的亮度是跟LED的發(fā)光角度有必然關(guān)系的，LED的角度越小它的亮度越高，沒(méi)有什么超亮不超亮的，那是騙小孩的，如果是質(zhì)量好的LED不管是哪家LED廠(chǎng)家生產(chǎn)的大家的亮度都差不多的，只是生產(chǎn)工藝不一樣，使用壽命略有不同，因為大家用的都是那幾家國外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一萬(wàn)多兩萬(wàn)MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了，如果是用于照明用的，在戶(hù)外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個(gè)功率有1W,3W,5W,還有的是用多個(gè)大功率組合成一個(gè)大功率的LED,功率去到幾百都有。

功率因數是非常重要的因素，因為高功率因數可降低配電網(wǎng)絡(luò )的損耗。降低電力使用對環(huán)境所造成影響的最有效方式是減少浪費，因此世界各地的監管機構都在進(jìn)一步嚴格他們的功率因數規范。其中一個(gè)例子就是能源之星固態(tài)照明能效規范（09/12/07），它規定住宅照明產(chǎn)品的功率因數（PF）應大于0.7,商用照明產(chǎn)品的功率因數（PF）應大于0.9.

LED燈泡和燈具制造商正在對這些要求做出響應，自然希望他們的產(chǎn)品具有盡可能高的通用性。因此，他們非常需要能兼容各種調光器的LED驅動(dòng)電路，實(shí)現高效率工作并使功率因數達到0.9以上。LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進(jìn)入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發(fā)光。有人稱(chēng)LED光源為長(cháng)壽燈。它為固體冷光源，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，燈體內也沒(méi)有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，在恰當的電流和電壓下，使用壽命可達6萬(wàn)到10萬(wàn)小時(shí)，比傳統光源壽命長(cháng)10倍以上。

調光控制器

照明控制器以線(xiàn)路調光或次級側調光的方式進(jìn)行工作。最簡(jiǎn)單的線(xiàn)路調光方式是前沿可控硅控制器。這是目前最常用的照明控制方式，但不幸的事，使用可控硅控制器對LED燈進(jìn)行調光時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量問(wèn)題。靈活的可編程控制功能可以控制降壓限壓幅度，開(kāi)關(guān)燈時(shí)間任意設定?？刂颇Ｊ接袝r(shí)控，光控，手動(dòng)控制，上位機遠程控制及根據使用地點(diǎn)的經(jīng)緯度自動(dòng)控制。軟啟動(dòng)，軟過(guò)渡，軟關(guān)閉功能，防止過(guò)電壓及冷啟動(dòng)大電流對燈具的沖擊，大幅度減少燈具的損毀率。對鈉燈，汞燈等燈具設有可調的全壓預熱啟動(dòng)時(shí)間，燈具能更充分的預熱，平穩過(guò)渡到正常工作狀態(tài)。能實(shí)現全夜燈及半夜燈控制，且有后半夜再降壓調流功能，節能效果更加理想。完善的再起動(dòng)功能，當負載故障，外部供電故障結束后，能自動(dòng)重新點(diǎn)燃燈具?？刂品绞接袝r(shí)控，光控，手動(dòng)控制，上位機遠程控制及根據使用地點(diǎn)的經(jīng)緯度自動(dòng)控制（選件）。三相開(kāi)關(guān)燈時(shí)間及輸出電壓可獨立調節，可接不平衡及不同類(lèi)型的負載?？删幊痰臋z修模式，便于照明系統檢修，維護和燈具更換。預留一組受時(shí)鐘控制的常開(kāi)接點(diǎn)以實(shí)現特殊控制。接點(diǎn)容量為7A/250VAC.

可控硅控制器在白熾燈中的表現無(wú)可挑剔，但在LED燈中會(huì )產(chǎn)生各種負面效應，其中包括閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)。要想弄清原因，首先必須了解可控硅調光器的工作原理。

調光控制是通過(guò)改變可控硅導通每個(gè)半周期的相位角來(lái)實(shí)現的。燈泡燈絲中的電流與調光信號的相位角密切相關(guān)，相位角的變化范圍介于0°（接近0°）到180°之間。這是可控硅在不使用柵極驅動(dòng)的情況下保持導通所必須維持的最小負載。為維持可控硅的穩定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8 mA到40 mA.驅動(dòng)白熾燈時(shí)，維持電流不是問(wèn)題。
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對可控硅控制器來(lái)說(shuō)，白熾燈的阻抗非常低，因此不會(huì )出現振蕩。相反，LED驅動(dòng)器具有高阻抗，而且其輸入EMI濾波電路由電容和電感組成。在每個(gè)半周期，當可控硅導通時(shí)就會(huì )出現浪涌電流，最糟糕的情況是，在90°導通角下輸入電壓達到最大值。如果振蕩導致電流降到IH以下，可控硅將關(guān)斷（圖3）。

圖3:輸入EM濾波器引起的電流振蕩。

當可控硅關(guān)斷時(shí)，R1和R2對DIAC（圖2）重新充電至擊穿閾值。DIAC然后導通TRIAC,重新開(kāi)始下一開(kāi)關(guān)周期。結果是在同一輸入線(xiàn)路周期內多次重啟動(dòng)可控硅（圖4）。

圖4:可控硅因振蕩多次重啟動(dòng)。

為避免出現與可控硅調光相關(guān)的問(wèn)題，LED驅動(dòng)器必須滿(mǎn)足LED負載非常不同的要求，同時(shí)還得與專(zhuān)為白熾燈設計的調光電路實(shí)現兼容。用于替換標準白熾燈的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。

LED燈要想實(shí)現可調光，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(lái)改變LED的恒流驅動(dòng)。電路自身所產(chǎn)生的傳導EMI必須達到最低水平，使輸入濾波器盡可能地小。此外，驅動(dòng)電路必須控制功率因數。 LED（Light-Emitting-Diode中文意思為發(fā)光二極管）是一種能夠將電能轉化為可見(jiàn)光的半導體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場(chǎng)發(fā)光。據分析，LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(cháng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，其發(fā)光效率可超過(guò)150lm/W（2010年）。將LED與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈進(jìn)行對比，結果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W,壽命小于2000小時(shí)，螺旋節能燈的光效為60lm/W,壽命小于8000小時(shí)，T5熒光燈則為96lm/W,壽命大約為10000小時(shí)，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過(guò)150lm/W,壽命可大于100000小時(shí)。有人還預測，未來(lái)的LED壽命上限將無(wú)窮大。

LED驅動(dòng)器控制

很顯然，LED驅動(dòng)器采用標準反激式拓撲結構是絕對不行的，必須使用專(zhuān)用的LED驅動(dòng)器。圖5和圖6可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

圖5所示為使用 Power Integrations （PI）的TOPSwitch?-HX控制器設計的恒流輸出反激式電源。輸出電壓由輸出端的齊納二極管決定。這樣可通過(guò)光耦器向控制器提供反饋信號。TOPSwitch-HX控制器在輸入C處收到電壓反饋信號后，會(huì )調整集成高壓功率MOSFET開(kāi)關(guān)的占空比，以維持要求的輸出。

可以對電路進(jìn)行配置，使其提供恒流輸出，以便成功驅動(dòng)LED燈。但是，無(wú)法實(shí)現可控硅相位角檢測和功率控制。

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圖6所示為使用PI的最新器件LinkSwitch?-PH設計的反激式電源。LinkSwitch-PH控制器集成了多項專(zhuān)用于驅動(dòng)LED的新功能。該電路與圖5中的電路不同，它采用了初級側調整。這樣可省去光耦器和次級側控制電路。變壓器上的次級側繞組（偏置繞組）具有兩種功能：通過(guò)BP引腳為L(cháng)inkSwitch-PH供電，通過(guò)FB引腳提供電流反饋。這兩個(gè)次級側繞組緊密耦合，從而使偏置繞組上的電壓與流經(jīng)LED負載的電流成比例。

該電路設計可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作?？刂破麟S著(zhù)市電輸入在每個(gè)半周期內的升降持續調整高壓功率MOSFET的占空比，并對每個(gè)半周期內的平均電荷進(jìn)行控制，使其維持輸出電流調整率，如圖7所示。

在接近過(guò)零點(diǎn)時(shí)，瞬態(tài)輸入電壓較低，占空比較大。在整流AC輸入峰值點(diǎn)時(shí)，電壓達到最大值，占空比最小。對于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，MOSFET電流在每個(gè)周期內被積分，以得到一個(gè)電荷量。將每個(gè)周期的電荷量與參考值進(jìn)行比較，當兩個(gè)數值相等時(shí)就停止開(kāi)關(guān)。

調光控制

LinkSwitch-PH可通過(guò)鏈接輸入R和0 V的編程電阻設置為調光模式，也可設置為非調光模式。在非調光模式下，電路可以接近1的功率因數在全AC輸入范圍內提供恒流輸出。在調光模式下，整流輸入的過(guò)零點(diǎn)和相位角用于設置輸出電流水平，從而提供調光功能。LinkSwitch-PH可用來(lái)設計這樣的高性能LED驅動(dòng)器：可在全輸入電壓范圍內工作，并使低成本可控硅調光器的調光范圍達到1000:1,同時(shí)無(wú)任何閃爍現象。圖8中的電路圖說(shuō)明了這是如何實(shí)現的。

圖8:7 W可調光LED驅動(dòng)器電路圖。

圖8所示為使用LinkSwitch-PH LNK403EG （U1）（Ref 1）設計的7 W可調光的可控硅LED驅動(dòng)器的電路圖。該電路使用低成本的前沿可控硅調光器即可實(shí)現1000:1的調光范圍，同時(shí)無(wú)任何閃爍現象發(fā)生，具有快速啟動(dòng)（《100 ms）和一致的元件間調光性能。該設計具有極高能效（≥81%）和高功率因數（》0.9）。圖9顯示了超寬范圍內的調光控制的線(xiàn)性特性。

實(shí)現一致調光性能的關(guān)鍵之一就是在輸入端使用一個(gè)小型EMI濾波器。LinkSwitch-PH所具有的其中兩個(gè)特性有助于簡(jiǎn)化輸入濾波，它們是連續導通模式和頻率抖動(dòng)。連續導通模式具有兩大優(yōu)勢：降低導通損耗（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(lái)滿(mǎn)足EMI標準的要求?？墒∪ヒ粋€(gè)X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)應用到高壓功率MOSFET的開(kāi)關(guān)。

輸入EMI濾波器尺寸減小意味著(zhù)驅動(dòng)電路的阻抗隨之減小，其重要好處就是能大幅降低輸入電流振蕩。由于LinkSwitch-PH由其內部參考電源供電，因此可進(jìn)一步增強穩定性。為確保與所有類(lèi)型的調光器控制實(shí)現兼容，本設計添加了兩個(gè)簡(jiǎn)單的可選元件 - 衰減電路和泄放電路。衰減電路由元件R12、R13、R20、R17、D7、Q1、C13、VR2、Q3以及R16共同組成。該電路的作用是減小可控硅調光器導通時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電流。在115 VAC下，當可控硅導通時(shí)，電路中的浪涌電流在頭2.4 ms（230 VAC下則為1.2 ms）先流經(jīng)R16.在大約2.4 ms后，Q3導通并將R16短路。這樣可消除在半周期的剩余部分因電流流經(jīng)R16而造成的功耗。

增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的調光范圍內穩定工作，且無(wú)任何閃爍。
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非隔離式LED驅動(dòng)器

圖8中的電路采用了隔離式設計。該設計能為驅動(dòng)器與LED燈相隔離的照明系統提供全面的安全保護。這是高功率商業(yè)和工業(yè)照明系統常用的設計。對于驅動(dòng)器與LED燈同時(shí)集成在同一外殼中的應用來(lái)說(shuō)，就像替換燈一樣，通常采用隔離式設計和非隔離式設計。采用非隔離式設計可以大幅減少元件數并降低系統成本。PI的LinkSwitch?-PL系列器件可提供單級功率因數校正和恒流控制，同時(shí)集成了一個(gè)725 V MOSFET,非常適合非隔離應用。圖11所示為使用LinkSwitch-PL LNK457DG （Ref2）設計的5 W可調光的功率因數校正LED驅動(dòng)器的電路圖。

圖11:電路圖–去除突出顯示的結構框即可用于非調光應用。

本設計是低成本、低元件數和PCB占用面積小的解決方案，可用于白熾燈替換燈。使用包括前沿可控硅調光器在內的所有調光器類(lèi)型，都可以實(shí)現無(wú)閃爍及100:1的調光范圍。由于元件間具有一致的調光性能，因此啟動(dòng)時(shí)間小于300 ms.在可調光模式下，115/230 VAC輸入的效率 》73%;在非調光模式下，115/230 VAC輸入的效率 》78%,且功率因數 》0.9.

在設計中，變壓器不需要添加偏置繞組，恒流模式設定點(diǎn)由R18上的電壓降決定。然后將電壓反饋到U1的FB引腳。輸出過(guò)壓保護由VR2和R14提供。

圖13顯示了反饋電壓如何用于讓前沿調光器進(jìn)行調光。

LED輸出電流由FB引腳電壓控制，FB引腳電壓隨可控硅調光器的導通角按比例進(jìn)行變化。當導通角減小時(shí)，FB引腳參考電壓隨之降低，從而減小LED平均電流。在接近主半周期持續時(shí)間的25%時(shí)（？OS），開(kāi)始調整FB引腳電壓。在？OS和？OL之間，相位角與反饋電壓VFB之間存在線(xiàn)性關(guān)系。在？OL之后，可控硅導通角變得非常小，IC以恒定的頻率和占空比進(jìn)行開(kāi)環(huán)，其內部集成的高壓功率MOSFET能夠處理嚴重切角的輸入電壓所帶來(lái)的最大功率，從而產(chǎn)生深度調光的光輸出。

從上面介紹的兩種應用情況可以看出，如果所采用的控制器既能執行功率因數校正，又能執行恒流驅動(dòng)和相位角檢測，那么設計出的隔離式及非隔離式LED驅動(dòng)器就能與所有類(lèi)型的調光控制器實(shí)現穩定工作。此外，還能使電路滿(mǎn)足所有國際標準的效率、功率因數、諧波和EMI要求。過(guò)去，白熾燈泡必須針對特定的電源電壓進(jìn)行制造?，F在，卻不必再受此限制，制造出的可調光LED燈可以不經(jīng)任何改裝而通用于世界各地。