可調光節(jié)能燈技術及其應用

摘要：以其典型智慧型可調光節(jié)能燈技術為例對其主要功能特征與應用作分析說明，探討如何讓可調光節(jié)能燈自動適應不同的可控硅調光器，以及適應各地電網(wǎng)頻率差異，從而最大程度的接近白熾燈的調光性能。

當今在市面上銷售的普通節(jié)能燈是不可以進行調光的，在不需要太亮的時候，能源就白白流失了;是否有可以和白熾燈一樣可以方便的進行調光的方案呢?答案是肯定的。為此探討如何讓可調光節(jié)能燈自動適應不同的可控硅調光器，以及適應各地電網(wǎng)頻率差異，從而最大程度的接近白熾燈的調光性能，成為照明系統(tǒng)的熱點。而目前智慧型可調光節(jié)能燈解決方案己有：可支持 TRIAC 調光LED驅動器和針對固態(tài)照明(SSL)應用、支持TRIAC 調光的單級功率因數(shù)校正LED 驅動器以及可控硅調光器無級調光等多種新型技術面世。值此以其典型為例對其主要功能特征與應用作分析說明。首先從智慧型可控硅調光器無級調光基本架構述起。

1 可控硅調光器無級調光基本架構(見圖1所示)

1.1 基本架構

該基本架構由(三端雙向可控硅)TRIAC(三端雙向可控硅)、功率因素校正器(PFC)、微處理器(MCU)及電子鎮(zhèn)流器控制集成電路]成。它是最接近傳統(tǒng)的白熾光調光的效果，控制電路通過 PFC 電路確保直流母線電壓的穩(wěn)定，通過MCU 來檢測可控硅輸出電壓來判斷調光器的設定位置，MCU 通過給電子鎮(zhèn)流器控制集成電路來輸出對應的輸出功率，實現(xiàn)無級調光。

若對于成本敏感和體積要求很小的節(jié)能燈方案，可以將PFC 電路去掉，使用MCU 來識別可控硅的導通角來判斷用戶設定的亮度，以及通過MCU 來動態(tài)補償電網(wǎng)的電壓的變動，從而使到CFL 的亮度可以最大程度的接近白熾燈的調光性能。

1.2 關于新型電子鎮(zhèn)流器控制IC的應用

圖1中MCU與鎮(zhèn)流器控制器芯片及PFC芯片有多種選擇?？梢杂没诟呒啥取⒌统杀镜逆?zhèn)流器控制器芯片(如UBA2014芯片- NXP 公司產)與一款內置PWM模塊、低成本、小體積智能芯片作為MCU(如PIC12F615型-美國微芯公司產)，以構建出實用智慧型可控硅調光器無級調光器。其特點是能在高溫、強干擾環(huán)境下穩(wěn)定工作。

而智慧型可控硅調光器無級調光器中新型電子鎮(zhèn)流器控制IC選擇很重要。值此以UBA2014芯片為例作說明。為什么應用UBA2014芯片吶?這是因其UBA2014芯片是用來驅動熒光燈的電子鎮(zhèn)流器控制集成電路。它能驅動兩個功率MOS管，并包含有電平移位元電路、自激振蕩器、燈電壓檢測路、燈電流控制功能、定時功能以及保護功能等。在燈預熱期間，UBA2014 控制流過燈絲的電流及預熱時間，以保證燈絲得到充分而最佳的預熱，降低燈啟輝時所需的啟輝電壓，延長燈絲壽命。集成電路通過控制預熱時間和預熱電流，可以很方便的定制出各種需要的啟動時間。無論在啟輝階段還是燈管出現(xiàn)異常情況，容性模式保護功能都可以確保功率MOS 管處于安全工作。

其工作方式為：在燈點亮階段，燈的平均電流受到控制。集成電路通過改變輸出頻率來改變燈的平均電流，從而實現(xiàn)燈的調光功能。當燈管老化、燈失效或燈管被取下時，UBA2014 均有多種保護功能。在電壓低時，有掉電保護功能，以保護功率不至損壞。而UBA2028T 是UBA2014 集成功率MOSFET 的版本，可以驅動23W 及以下節(jié)能燈，并實現(xiàn)調光功能。

2 新型支持TRIAC調光LED驅動器應用

以支持TRIAC 調光LED驅動器LM3445(美國國家半導體公司產)應用為例作分析說明。

2.1主要功能特征

優(yōu)勢。其應用電壓范圍可從 80 VAC 到 270 VAC，其導通角檢測器/譯碼器可以實現(xiàn)全范圍的(100:1)調光，內置300Ω泄流電阻可確保 TRIAC 信號譯碼無誤，獨特的調控架構可確保恒定的紋波電流以延長LED的工作壽命，并保證可調節(jié)輸出電流高至或大于1A，又可通過主/從操作方式控制多條燈串的亮度。具體優(yōu)點有四：其一、離線式解決方案優(yōu)點是為容易使用與降低設計的復雜度;其二、角度偵測器/譯碼器優(yōu)點是為可實現(xiàn)無閃爍的 100:1 全范圍調光;其三、獨特的調控結構優(yōu)點是為設計簡單及方案尺寸小巧并可維持穩(wěn)定的紋波電流以延長LED的壽命;其四、主/從控制優(yōu)點是為允許一個 TRIAC 為多條LED燈串提供穩(wěn)定的調光控制并可輕易地應用到現(xiàn)行的照明系統(tǒng)中而不需更改設計。

上述這四大優(yōu)點實際上也就是能全范圍調光能力與無閃爍的穩(wěn)定調光功能。因為最新的TRIAC調光LED驅動器能夠提供100:1的調光比，故從最亮調到最暗的全程都能保持穩(wěn)定的亮度變化。同時，在標準市電電壓下驅動多個串聯(lián)LED，又都能保持恒定的電流;而TRIAC調光LED驅動器可適用于具備主/從控制功能的多芯片解決方案，采用一個TRIAC調光器便能控制多串LED，并確保調控時的亮度變化平滑穩(wěn)定，沒有頻閃現(xiàn)象。

使用方便。LM3445 LED調光驅動器可以讓LED燈直接取代那些配有TRIAC調光控制器的白熾燈或鹵素燈，且無需作任何更改，保持原有的調光性能。此外，LM3445支持美國國家半導體的 WEBENCH? LED Designer 網(wǎng)上設計工具，讓工程師可以更快、更輕松完成照明系統(tǒng)。

2.2 應用

可更新使用TRIAC調光器的照明系統(tǒng)(見圖2為新型LM3445TRIAC調光器典型應用示意)。即包括了住宅照明與 建筑物照明及 工業(yè)及商用照明等照明系統(tǒng)。

3 針對固態(tài)照明(SSL)應用、支持TRIAC 調光的單級功率因數(shù)校正LED 驅動器的應用

為此先對其中的離線式LED驅動器解決方案理念作說明。離線式LED驅動器解決方案是適用于任何使TRIAC壁掛式調光器的LED照明應用，而且能夠提供寬范圍的，穩(wěn)定的亮度調整，并不會產生閃爍的產品。此類產品還可以實現(xiàn)很高的轉換效率，它的典型應用完全符合能源之星 ENERGY STAR? 對功率因素的規(guī)范要求。傳統(tǒng)的TRIAC 調光控制器是用來調節(jié)電阻性的負載(例如是白熾燈或鹵素燈)，而目前市場上的LED驅動器解決方案，在作TRIAC調光控制的時候，會產生120 Hz 的閃爍及/或不能實現(xiàn) 100:1 的對比度。而離線式LED驅動器解可將TRIAC的斬波信息解a，并轉換成一個LED調光信號，能夠在整個寬闊的調光范圍內實現(xiàn)完全無閃爍的亮度調控。

目前LED 驅動器IC 可在固態(tài)照明應用中實現(xiàn)無閃爍的可控硅調光也有二種款型，即是LinkSwitch-PH(適合設計隔離式電源)和LinkSwitch-PL(適合設計非隔離式電源)，兩者都可實現(xiàn)無閃爍的單片TRIAC 調光，達到與白熾燈類似的照明效果。

3.1 新型架構

LinkSwitch-PH 和LinkSwitch-PL 產品系列都集成了單級功率因數(shù)校正器(PFC)，可使固態(tài)照明(SSL) 燈的功率因數(shù)達到0.9 以上。LinkSwitch-PH 器件采用了初級側控制技術，因此可省去傳統(tǒng)反激式設計中常用的光耦器和眾多輔助元件。非隔離式LinkSwitch-PL 設計可進一步減少元件數(shù)量，不僅能提升系統(tǒng)可靠性，還可降低物料清單成本(BOM)。這兩種器件系列都采用單片設計, 即將控制器和MOSFET 集成到單晶片上，這樣可以減少元件數(shù)量和省去控制器與功率MOSFET 之間的寄生元件，因此可大大簡化PCB 布局。這些新的LinkSwitch 產品不僅能簡化反激式電源設計，還可提高其效率，并且還能在高達305 VAC 的輸入電壓下工作，因此它們可以用來開發(fā)適合于全球各類種住宅及商業(yè)照明應用的單電壓產品和通用輸入產品。在制造商規(guī)定的溫度和驅動電流范圍內工作時，LED 的使用壽命有望達到50,000 小時以上。

眾所周知,LED 照明系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)是驅動電路，因為它往往受累于不可靠的光耦器和寄生電容。LinkSwitch 產品中所采用的Power Integrations 獨有的精確初級側控制技術可省去光耦器。而且，新的LinkSwitch LED 驅動器IC 產品系列不需要使用大容量寄生電容。工H師在使用LinkSwitch-PL 和LinkSwitch-PH 設計SSL 產品時，可以預見驅動器的工作壽命與其精確控制LED 陣列相當。這兩種新的產品系列都非常適合設計替換燈中空間受限的LED 驅動器。LinkSwitch-PH 產品系列用于設計隔離式電源，其額定輸出功率可達50 瓦，因此還非常適合設計筒燈、建筑照明、標牌和室外照明中常用的外部LED 鎮(zhèn)流器。這兩款器件都可縮減電源系統(tǒng)的BOM器件數(shù)量和尺寸，從而提升系統(tǒng)可靠性。這些IC可使工H師提高系統(tǒng)效率，滿足甚至超越包括能源之星和EN61000-3-2 在內的所有法規(guī)標準。

圖3為例舉了用LinkSwitch-PL構建的支持TRIAC 調光的單級功率因數(shù)校正LED 驅動器方案示意圖.