解析單級離線驅動遠程變光LED技術

變光LED驅動器在低光量時會出現(xiàn)光輸出穩(wěn)定性問題，本文將探究這個問題的根源，并提出一個解決方案。本文不討論雙向晶閘管的變光技術，因為低光量不穩(wěn)定性是因為不同的機制造成的。使用通信技術設定LED電流的變光方法包括DALI、0-10V、Zigbee和電力線載波控制。

　　LED驅動器端收到一個信號，并用其設置參考電流，同時控制環(huán)路調整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。低光量時出現(xiàn)的閃爍和弱光現(xiàn)象令設計人員困惑不解。

　　單級功率因數(shù)校正

　　如果使用兩級功率轉換器，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）精密調節(jié)LED內的電流。因為需要使用更多的元器件，雙級解決方案的能效不如單級轉換器好。出成本考慮，LED廠商通常選用單級PFC-反激式轉換器。

　　問題

　　變光應至少在20區(qū)間內，提供這個光量范圍，白熾燈沒有任何問題，在低光功率時，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解決這個難題。

　　LED的線性響應比白熾燈好很多，在低電流時，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，而絕對光量不會引起人眼反應。這需要嚴密控制電流，在低光量時，控制精度要求更高。如果需要調節(jié)到全輸出的1%，則不能使用一次側控制。

　　與白熾燈不同，LED沒有自過濾機制。白熾燈燈絲的熱容量是一個很好的交流濾波器，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），人眼感覺光線質量與純直流一樣。（此外，如果紋波電流高于10%，能源之星標志要求在燈上做出聲明。）　　LED有一個動態(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。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)路極點設為大約30Hz。因此，在這個頻率上，電容增加45度相位滯后，使環(huán)路增益降低6dB。我們稍后討論這個問題。下圖詳細描述了僅因為LED控制環(huán)極性點而起的增益和相移。

　　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)極點移至左側。在10%電流時，轉折頻率大約3Hz。在1%電流時，轉折頻率約為0.3Hz。注意，對于PFC級，典型控制環(huán)路有一個3Hz到20Hz的交叉頻率。

　　設計一個極點在這個范圍內可移動的控制環(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的設計，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動器。進入電容器和LED燈串的電流，即轉換器輸出電流，是可以測量的。

　　不過，因為PFC反激式轉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，對于寬壓轉換器（90Vac到305Vac），最大峰值電流是平均