數字電源技術在LED照明方面的應用

引言

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

數字電源技術突破傳統(tǒng)方案的局限性，可以對用戶的要求進行整合和優(yōu)化，為LED 驅動和調光控制提供一個完整的解決方案。本文針對LED燈的具體設計問題來討論數字技術的優(yōu)勢和解決問題的方法。

1 LED驅動技術

高效率無光耦轉換 LED的驅動電路把能量從交流電網轉換為本身發(fā)光所需的直流形式。能量在轉換的過程中會有損耗。轉換效率越高，損耗越小，對驅動部分散熱的要求也越低。絕大多數LED燈采用灌膠和鋁散熱器來解決散熱問題。對用戶而言，高效率的驅動方案可以降低驅動電路的散熱成本，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)的隔離驅動方案利用光耦傳遞二次側的電流信號給一次側控制器來維持穩(wěn)定的輸出電流。二次側檢測電路增加了驅動電路的復雜性、成本和損耗。光耦的使用還降低了可靠性。因此，主流的LED燈生產廠家都開始采用無光耦的原邊反饋技術。當前，數字原邊反饋技術已經成熟并且得到了廣泛應用。數字控制可以實現(xiàn)無光耦反饋的輸出電流的精確控制。利用變壓器反饋波形，數字技術還可以實現(xiàn)波谷開通來提高轉換效率。

1.1 無光耦精確電流控制

圖1(a)顯示一個原邊反饋的反激變換器。一次側和二次側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是變壓器磁恢復時間;Tprd是開關周期。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。因此，輸出電流Iout=XXXXXX?，F(xiàn)在假定Iset是設計輸出電流，數字控制器可以通過控制原邊峰值電流Ipp=XXXXX來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時間點完成磁恢復。然后磁化電感和MOSFET漏級雜散電容開始諧振。如果MOSFET 的開通正好處在漏源電壓諧振的谷底T3，就可以達到最低開關損耗。同時電磁干擾的減小有利于提高輸入濾波器的效率。利用數字技術對輔助繞組上的電壓波形作分析，可以非常簡單的實現(xiàn)波谷開通的功能。

1.3 低電流紋波設計

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家研究表明，低于165Hz的閃爍，不管來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的閃爍甚至會對少部分人引發(fā)癲癇。因此， 美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)正在制定相關標準來引導對人體健康無危害的LED 照明驅動的設計。

一個輸入呈阻性的電源系統(tǒng)內部一定要存在儲能元件，當輸入電壓低的時候可以提供能量給負載。如果能量進行單次轉換又要求輸入呈阻性，其需要非常大的輸出電容來降低負載的電流紋波。如果能量進行二次轉換可以解決這個問題。通常的二次轉換形式是結合Boost 輸入級和反激式輸出級。輸入級主要控制驅動電源的輸入阻抗。反激式電源提供低紋波輸出電流。二次轉換控制的復雜性很高。特別是當接入調關器的時候還需要協(xié)調輸入級和輸出級的能量平衡。圖3是常用的二次轉換系統(tǒng)結構。傳統(tǒng)的二次轉換控制方案需要同時得到輸入電壓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用。數字控制技術提供了簡單的一次側反饋方法，還可以預測中間電容電壓，因此只需要檢測輸入電壓Vin 并解析變壓器反饋信號就能實現(xiàn)完整的二次轉換控制。大大簡化了系統(tǒng)的控制成本。

全面的驅動保護 在LED 燈具的設計，生產和使用的過程中，驅動電源有可能面對LED 負載的短路、開路，驅動電源板的短路、虛焊，接插件的錯接、反接等等問題。全面的驅動保護可以簡化LED 燈具的設計和生產，延長使用壽命，降低生產成本。對系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)測并做出精確判斷是數字控制的一個長處。數字控制可以快速地實現(xiàn)

* LED 負載的開路保護

* LED 負載的短路保護

* LED 負載的過熱保護

* LED 燈的限功率控制

* 控制器的各管腳的開路和短路保護