數(shù)字電源技術(shù)推動(dòng)LED照明發(fā)展

引言

LED照明以其發(fā)光效率高，使用壽命長(zhǎng)，亮度控制簡(jiǎn)單和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，迅速受到廣大用戶的歡迎。作為新型的節(jié)能光源，LED燈具會(huì)逐步地取代傳統(tǒng)的白熾燈泡。LED照明的不斷普及對(duì)調(diào)光和控制技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。當(dāng)前用戶主要關(guān)心的是，LED燈具必須要使用安全、重量輕、壽命長(zhǎng)、不影響用戶健康，并可適用于現(xiàn)有的調(diào)光設(shè)備以及可以承受的價(jià)格。

數(shù)字電源技術(shù)突破傳統(tǒng)方案的局限性，可以對(duì)用戶的要求進(jìn)行整合和優(yōu)化，為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)和調(diào)光控制提供一個(gè)完整的解決方案。本文針對(duì)LED燈的具體設(shè)計(jì)問題來(lái)討論數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和解決問題的方法。

1 LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

高效率無(wú)光耦轉(zhuǎn)換 LED的驅(qū)動(dòng)電路把能量從交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為本身發(fā)光所需的直流形式。能量在轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)有損耗。轉(zhuǎn)換效率越高，損耗越小，對(duì)驅(qū)動(dòng)部分散熱的要求也越低。絕大多數(shù)LED燈采用灌膠和鋁散熱器來(lái)解決散熱問題。對(duì)用戶而言，高效率的驅(qū)動(dòng)方案可以降低驅(qū)動(dòng)電路的散熱成本，減輕LED燈的重量。降低電路溫升還有利于提高LED燈的使用壽命。傳統(tǒng)的隔離驅(qū)動(dòng)方案利用光耦傳遞二次側(cè)的電流信號(hào)給一次側(cè)控制器來(lái)維持穩(wěn)定的輸出電流。二次側(cè)檢測(cè)電路增加了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性、成本和損耗。光耦的使用還降低了可靠性。因此，主流的LED燈生產(chǎn)廠家都開始采用無(wú)光耦的原邊反饋技術(shù)。當(dāng)前，數(shù)字原邊反饋技術(shù)已經(jīng)成熟并且得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)光耦反饋的輸出電流的精確控制。利用變壓器反饋波形，數(shù)字技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)波谷開通來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率。

1.1 無(wú)光耦精確電流控制

圖1（a）顯示一個(gè)原邊反饋的反激變換器。一次側(cè)和二次側(cè)的電流波形顯示在圖1（b）中。平均輸出電流Iout=1/2XXXX,這里Isp是變壓器副邊繞組的峰值輸出電流；Trst是變壓器磁恢復(fù)時(shí)間；Tprd是開關(guān)周期。在理想情況下，原邊峰值電流Ipp=XXXX，其中Np和Ns是原邊和副邊繞組匝數(shù)。因此，輸出電流Iout=XXXXXX。現(xiàn)在假定Iset是設(shè)計(jì)輸出電流，數(shù)字控制器可以通過控制原邊峰值電流Ipp=XXXXX來(lái)獲得所需的輸出電流。

1.2 波谷開通控制

波谷開通的主要目的是獲得高效率。圖2是MOSFET 關(guān)斷以后耦合到變壓器輔助繞組上的電壓波形。如圖2 所示，變壓器在T1時(shí)間點(diǎn)完成磁恢復(fù)。然后磁化電感和MOSFET漏級(jí)雜散電容開始諧振。如果MOSFET 的開通正好處在漏源電壓諧振的谷底T3，就可以達(dá)到最低開關(guān)損耗。同時(shí)電磁干擾的減小有利于提高輸入濾波器的效率。利用數(shù)字技術(shù)對(duì)輔助繞組上的電壓波形作分析，可以非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)波谷開通的功能。

1.3 低電流紋波設(shè)計(jì)

LED照明不僅需要精確和穩(wěn)定的電流，還要求電流的紋波非常低?？茖W(xué)家研究表明，低于165Hz的閃爍，不管來(lái)自可見光還是不可見光，都有可能引起偏頭痛或者視覺不適。低于70Hz的閃爍甚至?xí)?duì)少部分人引發(fā)癲癇。因此， 美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）正在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)引導(dǎo)對(duì)人體健康無(wú)危害的LED 照明驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。

一個(gè)輸入呈阻性的電源系統(tǒng)內(nèi)部一定要存在儲(chǔ)能元件，當(dāng)輸入電壓低的時(shí)候可以提供能量給負(fù)載。如果能量進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換又要求輸入呈阻性，其需要非常大的輸出電容來(lái)降低負(fù)載的電流紋波。如果能量進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換可以解決這個(gè)問題。通常的二次轉(zhuǎn)換形式是結(jié)合Boost 輸入級(jí)和反激式輸出級(jí)。輸入級(jí)主要控制驅(qū)動(dòng)電源的輸入阻抗。反激式電源提供低紋波輸出電流。二次轉(zhuǎn)換控制的復(fù)雜性很高。特別是當(dāng)接入調(diào)關(guān)器的時(shí)候還需要協(xié)調(diào)輸入級(jí)和輸出級(jí)的能量平衡。圖3是常用的二次轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的二次轉(zhuǎn)換控制方案需要同時(shí)得到輸入電壓Vin、Boost 電流IL、中間電容上的電壓Vbulk、反激式原邊電流Ip以及電壓的反饋Vout，控制成本很高，因此很難得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字控制技術(shù)提供了簡(jiǎn)單的一次側(cè)反饋方法，還可以預(yù)測(cè)中間電容電壓，因此只需要檢測(cè)輸入電壓Vin 并解析變壓器反饋信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)完整的二次轉(zhuǎn)換控制。大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制成本。

全面的驅(qū)動(dòng)保護(hù) 在LED 燈具的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)和使用的過程中，驅(qū)動(dòng)電源有可能面對(duì)LED 負(fù)載的短路、開路，驅(qū)動(dòng)電源板的短路、虛焊，接插件的錯(cuò)接、反接等等問題。全面的驅(qū)動(dòng)保護(hù)可以簡(jiǎn)化LED 燈具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，延長(zhǎng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本。對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并做出精確判斷是數(shù)字控制的一個(gè)長(zhǎng)處。數(shù)字控制可以快速地實(shí)現(xiàn)

　　* LED 負(fù)載的開路保護(hù)

　　* LED 負(fù)載的短路保護(hù)

　　* LED 負(fù)載的過熱保護(hù)

　　* LED 燈的限功率控制

　　* 控制器的各管腳的開路和短路保護(hù)

　　2 調(diào)光技術(shù)

　　2.1 動(dòng)態(tài)的調(diào)光器阻抗配合

傳統(tǒng)的調(diào)光器主要用于驅(qū)動(dòng)純電阻負(fù)載，包括前沿切相調(diào)光器，后沿切相調(diào)光器和智能調(diào)光器等等。由于負(fù)載是白熾燈，傳統(tǒng)的調(diào)光器功率都在200W- 600W。LED 驅(qū)動(dòng)電源的特性正好相反--小功率，容性負(fù)載。為了能夠兼容這些調(diào)光器，LED驅(qū)動(dòng)電源必須提供阻性或者是類阻性的負(fù)載才能使調(diào)光器穩(wěn)定工作。利用功率電阻直接提供阻性負(fù)載是一種傳統(tǒng)的解決方案。這種方式的調(diào)光效果好，但是其主要問題是效率低。這與LED燈高效率的優(yōu)勢(shì)背道而馳。另外一種常見的方案是利用功率因數(shù)整流技術(shù)，使輸入電流跟隨輸入電壓變化，因而提供類阻性負(fù)載。這種方案往往適用于高功率LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用上。對(duì)于普及的小功率家用和商用LED驅(qū)動(dòng)，其問題是輸入阻抗往往過高，特別是調(diào)光器和驅(qū)動(dòng)部分EMI 抑制元件的相互作用往往使得其無(wú)法保證有足夠大的輸入電流去維持可控硅的穩(wěn)定工作。如果調(diào)光信號(hào)處理不好就會(huì)造成LED 閃爍。

數(shù)字控制技術(shù)可以靈活地結(jié)合功率因數(shù)整流技術(shù)和動(dòng)態(tài)阻抗匹配方法。當(dāng)控制器檢測(cè)到調(diào)光器存在的情況下，根據(jù)調(diào)光器輸出的相位角，控制器提供匹配的阻抗來(lái)維持可控硅的導(dǎo)通。在控制相位角判斷完成以后，控制器可以利用高阻抗來(lái)關(guān)斷可控硅，同時(shí)通過功率因數(shù)整流技術(shù)來(lái)維持輸入的波形。圖4 所示后切和前切調(diào)光器波形。OUTPUT（TR）是Boost 驅(qū)動(dòng)控制。例如當(dāng)檢測(cè)到后切波形時(shí)，Boost 驅(qū)動(dòng)完全打開，快速地泄放輸入端電荷；相反，當(dāng)前切調(diào)關(guān)器可控硅關(guān)斷后，Boost 驅(qū)動(dòng)則緩慢地泄放輸入端電荷。在這兩種情況下，輸入的相位都可以得到完整地恢復(fù)。目前市場(chǎng)上很多控制器都要求可控硅導(dǎo)通一個(gè)完整的交流周期，對(duì)提高調(diào)光的效率非常不利。利用數(shù)字技術(shù)可以大大降低調(diào)光的損耗，符合綠色照明的宗旨。

2.2 完美的用戶調(diào)光體驗(yàn)

用戶已經(jīng)習(xí)慣于白熾燈的調(diào)光，因此往往期待LED的調(diào)光性能接近甚至超過以往的體驗(yàn)。因此調(diào)光性能對(duì)于廣大用戶接受LED燈非常重要。調(diào)光性能的好壞完全取決于驅(qū)動(dòng)電源的控制。目前市場(chǎng)上的一些可調(diào)光的LED燈在很多方面無(wú)法滿足用戶的需要。比如說(shuō)，如果多個(gè)LED燈連接在同一個(gè)調(diào)關(guān)器上，各個(gè)燈的亮度會(huì)有明顯的差別，這是調(diào)光的一致性。還有，用戶調(diào)光時(shí)，希望馬上看到調(diào)光的效果，但是又不希望看到突然的亮度跳躍甚至熄滅，這是調(diào)光的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。一些LED 燈的光照度隨著輸入電壓而變化，在一些電網(wǎng)電壓波動(dòng)比較大的地區(qū)就會(huì)影響用戶的使用。更重要的是，如果LED燈不能穩(wěn)定照明而是不停的閃爍，用戶是無(wú)法接受的。

很多LED燈利用平均輸入電壓或者近似均方根輸入電壓來(lái)控制輸出電流。如果每個(gè)LED燈對(duì)輸入電壓的檢測(cè)和判斷有差別，就會(huì)造成輸出光照的不一致。如果輸入電壓降低，檢測(cè)的平均電壓會(huì)降低，LED燈輸出光照就會(huì)減小。而利用數(shù)字技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)相位的的檢測(cè)。由于相位是一個(gè)時(shí)間量，輸入電壓的變化對(duì)相位的影響有限。因此，如果結(jié)合輸入電壓和相位的檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并且一致的輸出光照。數(shù)字算法還可以檢測(cè)用戶調(diào)光的速度來(lái)預(yù)測(cè)可能的調(diào)光的位置，使得輸出電流快速的跟隨用戶的指令來(lái)變化。這樣平衡了調(diào)光的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和準(zhǔn)確性，防止了調(diào)光過慢或者光照的過調(diào)。使得用戶調(diào)光的體驗(yàn)接近傳統(tǒng)的白熾燈。

2.3 調(diào)光安全性

當(dāng)用戶購(gòu)買LED燈以后，生產(chǎn)廠商無(wú)法完全了解其使用環(huán)境。交流輸入的頻率可以是50Hz或者60Hz；調(diào)關(guān)器可以是支持的或者是不支持的；電網(wǎng)電壓會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生畸變；等等。諸多因素會(huì)影響LED燈的亮度變化甚至安全性。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)必須考慮這些可能發(fā)生的環(huán)境變化，具備相應(yīng)的對(duì)策。當(dāng)前的數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了

* 自動(dòng)調(diào)光模式識(shí)別?？刂破骺梢宰詣?dòng)識(shí)別前切相式調(diào)光器和后切相式調(diào)關(guān)器，甚至在運(yùn)行過程中允許前后切調(diào)光器的轉(zhuǎn)換。

* 自動(dòng)檢測(cè)不支持的調(diào)光器。如果某一種調(diào)光器是所生產(chǎn)的LED 燈不能支持的，數(shù)字技術(shù)可以根據(jù)其輸出波形，迫使LED 燈進(jìn)入保護(hù)模式，保障了用戶的使用安全。

* 自動(dòng)防止多次快速啟動(dòng)。由于LED 燈要求啟動(dòng)快，當(dāng)LED 燈發(fā)生故障，或者輸入電壓畸變嚴(yán)重時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源有可能反復(fù)地重啟動(dòng)，造成驅(qū)動(dòng)電路的過熱。數(shù)字控制可以很方便的判斷路障的存在，防止頻繁的重復(fù)啟動(dòng)。

3 典型的數(shù)字LED控制系統(tǒng)

數(shù)字控制LED系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5是iWatt的iW3610系列數(shù)字調(diào)光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。iW3610控制器采用8個(gè)管腳的封裝，實(shí)現(xiàn)了如下功能：

* 調(diào)光器阻抗匹配

* 輸入功率因數(shù)控制

* Boost電壓的預(yù)測(cè)和控制

* 反激式變換器的一次側(cè)恒流控制

* 調(diào)光器的類型檢測(cè)和調(diào)光控制

* 完整的輸入，輸出和內(nèi)部保護(hù)

4 調(diào)光器識(shí)別和控制流程

圖6是iWatt的iW3610系列數(shù)字控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。VIN 采樣調(diào)光器的輸出電壓波形。調(diào)光器信號(hào)通過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換進(jìn)入調(diào)光控制和相位檢測(cè)數(shù)字模塊。根據(jù)前切或者后切相位的百分比，恒流控制模塊計(jì)算出所需的輸出電流控制量?？刂屏客ㄟ^數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換提供給原邊電流控制比較器（Ipeak）。Isense檢測(cè)原邊電流信號(hào)，通過圖1所示的恒流控制原理，得到穩(wěn)定的 LED輸出電流。Vsense提供變壓器反激的電壓信號(hào)。通過對(duì)反激信號(hào)的解析，控制器可以獲得輸出電壓，電流以及波谷的時(shí)間點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。

圖7給出了調(diào)光器的啟動(dòng)檢測(cè)。調(diào)光器打開后，驅(qū)動(dòng)電路開始充電。當(dāng)VCC供電電壓達(dá)到啟動(dòng)電平，控制器開始工作。Boost控制信號(hào)OUTPUT（TR）導(dǎo)通3-4個(gè)交流半周期，提供調(diào)光器一個(gè)低阻抗的回路來(lái)完成初始化。在這期間，控制器根據(jù)調(diào)光器輸出的特征波形，確定輸入的電壓范圍、頻率，和調(diào)光器的類型、相位角。如果判斷是所支持的調(diào)光器，就啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，輸出所對(duì)應(yīng)的LED電流。

iW3610系列產(chǎn)品應(yīng)用方案 圖8（a）給出了iW3610系列控制器的一個(gè)具體應(yīng)用方案。圖8（b）和（c）分別顯示了后切調(diào)光器和前切調(diào)光器的實(shí)測(cè)波形。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字控制技術(shù)在LED照明領(lǐng)域具有控制靈活，調(diào)光性能好和保護(hù)全面的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)越來(lái)越多的控制和保護(hù)要求，iWatt的iW3610系列數(shù)字控制器正逐步成為L(zhǎng)ED通用照明的主流驅(qū)動(dòng)控制器。iW3610系列數(shù)字控制器適合燈具內(nèi)置化驅(qū)動(dòng)的要求，采用數(shù)量不多的元件實(shí)現(xiàn)了高性能調(diào)光、較高功率因數(shù)、隔離驅(qū)動(dòng)以及無(wú)光耦的精確恒流輸出設(shè)計(jì)，優(yōu)化了整體LED燈的散熱性能。