LED照明應(yīng)用的無(wú)閃爍調(diào)光實(shí)現(xiàn)方案

　如今，LED照明已確然成為一項(xiàng)主流技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)正日臻成熟，標(biāo)志之一就是大量LED照明標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的陸續(xù)出臺(tái)。嚴(yán)格的效率要求已存在相當(dāng)一段時(shí)間了，今后仍將不斷提高。但近段時(shí)間，LED照明設(shè)計(jì)師的工作卻更為棘手了，因?yàn)橐瑫r(shí)滿足以下兩項(xiàng)要求：既要用針對(duì)白熾燈的調(diào)光器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制功能，又要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)性能。

　　調(diào)光是照明系統(tǒng)非常常見(jiàn)的功能。對(duì)于白熾燈來(lái)說(shuō)，它可以以低成本輕易實(shí)現(xiàn)。LED燈的調(diào)光卻存在一定難度，但對(duì)于建筑師和住宅用戶來(lái)說(shuō)，在轉(zhuǎn)換到LED照明時(shí)可不愿失去調(diào)光控制應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。

　　功率因數(shù)是非常重要的因素，因?yàn)楦吖β室驍?shù)可降低配電網(wǎng)絡(luò)的損耗。降低電力使用對(duì)環(huán)境所造成影響的最有效方式是減少浪費(fèi)，因此世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)都在進(jìn)一步嚴(yán)格他們的功率因數(shù)規(guī)范。其中一個(gè)例子就是能源之星固態(tài)照明能效規(guī)范(09/12/07)，它規(guī)定住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)(PF)應(yīng)大于0.7，商用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)(PF)應(yīng)大于0.9。

　　圖1:LED燈泡構(gòu)造圖。

　　LED燈泡和燈具制造商正在對(duì)這些要求做出響應(yīng)，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(diào)光器的LED驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)高效率工作并使功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。

　　調(diào)光控制器

　　照明控制器以線路調(diào)光或次級(jí)側(cè)調(diào)光的方式進(jìn)行工作。最簡(jiǎn)單的線路調(diào)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(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量問(wèn)題。更先進(jìn)的線路調(diào)光器是電子前沿或后沿調(diào)光器。次級(jí)側(cè)電子控制調(diào)光器則用于專業(yè)照明系統(tǒng)。

　　可控硅控制器在白熾燈中的表現(xiàn)無(wú)可挑剔，但在LED燈中會(huì)產(chǎn)生各種負(fù)面效應(yīng)，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(diào)光器的工作原理。

　　圖2:前沿可控硅調(diào)光器。

　　調(diào)光控制是通過(guò)改變可控硅導(dǎo)通每個(gè)半周期的相位角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。燈泡燈絲中的電流與調(diào)光信號(hào)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?？煽毓璧闹匾獏?shù)之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)動(dòng)的情況下保持導(dǎo)通所必須維持的最小負(fù)載。為維持可控硅的穩(wěn)定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8 mA到40 mA。驅(qū)動(dòng)白熾燈時(shí)，維持電流不是問(wèn)題。然而，由于LED燈效率較高，在無(wú)法保持維持電流和燈熄滅時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。如有任何振蕩發(fā)生，就很容易出現(xiàn)此類情況。

　　對(duì)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(xiàn)振蕩。相反，LED驅(qū)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(dāng)可控硅導(dǎo)通時(shí)就會(huì)出現(xiàn)浪涌電流，最糟糕的情況是，在90°導(dǎo)通角下輸入電壓達(dá)到最大值。由于線路/濾波器阻抗的存在，總線電壓會(huì)發(fā)生過(guò)沖，從而發(fā)生振蕩。如果振蕩導(dǎo)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(dāng)可控硅關(guān)斷時(shí)，R1和R2對(duì)DIAC(圖2)重新充電至擊穿閾值。DIAC然后導(dǎo)通TRIAC，重新開始下一開關(guān)周期。結(jié)果是在同一輸入線路周期內(nèi)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(xiàn)與可控硅調(diào)光相關(guān)的問(wèn)題，LED驅(qū)動(dòng)器必須滿足LED負(fù)載非常不同的要求，同時(shí)還得與專為白熾燈設(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3.4 V，但通常介于2.8 V到4.2 V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(cè)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(qū)動(dòng)。電路自身所產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI必須達(dá)到最低水平，使輸入濾波器盡可能地小。此外，驅(qū)動(dòng)電路必須控制功率因數(shù)。