變光LED驅(qū)動器的光輸出穩(wěn)定性問題解決方案

本文不討論雙向晶閘管的變光技術(shù)，因?yàn)榈凸饬坎环€(wěn)定性是因?yàn)椴煌臋C(jī)制造成的，使用通信技術(shù)設(shè)定LED電流的變光方法包括DALI、0-10V、Zigbee和電力線載波控制。

LED驅(qū)動器端收到一個(gè)信號，并用其設(shè)置參考電流，同時(shí)控制環(huán)路調(diào)整LED電流，使其符合參考電流。只有控制精度很高，才能確保相鄰燈具的亮度相同。低光量時(shí)出現(xiàn)的閃爍和弱光現(xiàn)象令設(shè)計(jì)人員困惑不解。

單級功率因數(shù)校正

如果使用兩級功率轉(zhuǎn)換器，就再出現(xiàn)低光量不穩(wěn)定現(xiàn)象。第一級(升壓或PFC-反激式)建立較穩(wěn)定的電壓，第二級(通常是降壓逆變)精密調(diào)節(jié)LED內(nèi)的電流。因?yàn)樾枰褂酶嗟脑骷?，雙級解決方案的能效不如單級轉(zhuǎn)換器好。出成本考慮，LED廠商通常選用單級PFC-反激式轉(zhuǎn)換器。

問題

變光應(yīng)至少在20區(qū)間內(nèi)，提供這個(gè)光量范圍，白熾燈沒有任何問題，在低光功率時(shí)，白熾燈的能效大幅降低，20光量區(qū)間所需的功率范圍比較窄。如果提供40%的電壓或電流，光輸出將會降到大約1%.市場期望LED解決這個(gè)難題。

LED的線性響應(yīng)比白熾燈好很多，在低電流時(shí)，能效反而更高。人眼可辨別相鄰光源之間5%的差異度，只對以百分比表示的差異度反應(yīng)，而絕對光量不會引起人眼反應(yīng)。這需要嚴(yán)密控制電流，在低光量時(shí)，控制精度要求更高。如果需要調(diào)節(jié)到全輸出的1%,則不能使用一次側(cè)控制。

與白熾燈不同，LED沒有自過濾機(jī)制。白熾燈燈絲的熱容量是一個(gè)很好的交流濾波器，而LED則需要外置濾波電路。常用解決方案是直接在LED上連接一個(gè)大型電解電容，而且濾波效果良好。

電解電容的容量根據(jù)光紋波的要求來確定。如果紋波電流小于10%rms(大約28%p-p)，人眼感覺光線質(zhì)量與純直流一樣。(此外，如果紋波電流高于10%,能源之星標(biāo)志要求在燈上做出聲明。)

LED有一個(gè)動態(tài)電阻(斜率電阻)，其大小為視在V/I電阻的1/10左右。圖2所示是典型LED的V-I曲線。

因此，如果紋波電流小于10%RMS,電容必須將LED上的電壓控制在1%以內(nèi)。所需的數(shù)值是：

不幸的是，電容還是控制環(huán)路的一部分。電容和LED動態(tài)電阻將控制環(huán)路極點(diǎn)設(shè)為大約30Hz.因此，在這個(gè)頻率上，電容增加45度相位滯后，使環(huán)路增益降低6dB.我們稍后討論這個(gè)問題。下圖詳細(xì)描述了僅因?yàn)長ED控制環(huán)極性點(diǎn)而起的增益和相移。

注意，LED的動態(tài)阻抗隨著電流降低而升高。不幸地是，這使得控制環(huán)極點(diǎn)移至左側(cè)。在10%電流時(shí)，轉(zhuǎn)折頻率大約3Hz.在1%電流時(shí)，轉(zhuǎn)折頻率約為0.3Hz.注意，對于PFC級，典型控制環(huán)路有一個(gè)3Hz到20Hz的交叉頻率。

設(shè)計(jì)一個(gè)極點(diǎn)在這個(gè)范圍內(nèi)可移動的控制環(huán)路是不合理的。唯一可行的解決方案是交叉頻率在0.03~0.1Hz的設(shè)計(jì)，但是控制環(huán)路將會變得非常遲緩。

解決方案

我們還有另外一個(gè)解決方案。該解決方案需要更多元器件，但是效率只略受影響，成本還是低于雙級驅(qū)動器。進(jìn)入電容器和LED燈串的電流，即轉(zhuǎn)換器輸出電流，是可以測量的。

不過，因?yàn)镻FC反激式轉(zhuǎn)換器的輸出電流是三角形脈沖，我們要使用有直流偏移的120Hz正波弦調(diào)制脈沖。我們要測量的是直流偏移。高頻和120Hz頻率必須過濾掉。脈沖電流還將大幅提高電流采樣電阻器的功耗。

高頻電流的波形和包絡(luò)線如圖5所示。

鋸齒成份中的RMS電流很大。在低壓線路上，對于寬壓轉(zhuǎn)換器(90Vac到305Vac)，最大峰值電流是平均輸出直流的8倍多，而RMS則是平均輸出直流的2倍多。感應(yīng)電阻器的功耗將是其置于電解電容后面時(shí)的4倍。

為解決這個(gè)問題，可以在轉(zhuǎn)換器輸出端放置一個(gè)小型薄膜電容或陶瓷電容。不需要太大的電容，但是電容的ESR必須低，RMS電流能力必須適當(dāng)。可能需要并聯(lián)多個(gè)電容。給電流采樣電阻串聯(lián)一個(gè)小電感也可能派上用場。薄膜電容對雙線頻率成份的影響非常小，因此，雙線頻率成份也必須濾除。

在電流采樣電阻器內(nèi)，正弦成份的加熱效應(yīng)較小，因?yàn)樗诳傠娏鞯恼急群苄　Ｖ绷髋c120Hz成份之間的關(guān)系是不會變化的，峰對峰交流是直流的2倍，因此，其RMS值是直流(LED電流)的0.707.RMS電流以正常的平方和的平方根方式增加：

電流采樣電阻的功耗還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LED直流測量方法的功耗，電流增加到I2倍。

不過，這比開關(guān)頻率成份的功耗好很多。

對于控制環(huán)路，用小SMT組件構(gòu)成的簡單的阻容濾波器可以濾除120Hz成份。這個(gè)解決方案將擁有穩(wěn)定的增益和相移特性，這些特性只隨頻率變化，不受負(fù)載電流的影響。6db斷點(diǎn)設(shè)置與全LED直流測量相同，或者頻率可以略低一點(diǎn)。

圖7是最終的輸出電路示意圖。