LED驅動器IC無閃爍調光解決方案

LED亮度高、功耗小、小型化、壽命長等優(yōu)點推動了該技術的迅速發(fā)展，但LED照明技術仍存在成本高、散熱器過大、發(fā)光率低以及調光等挑戰(zhàn)。在設計過程中，工程師進行LED常規(guī)調節(jié)時往往會遇到啟動速度慢、閃爍、光照不均勻等情況，因此如何解決LED閃爍問題成為工程師當務之急。如果能夠提供高精度恒流控制(能夠分析可控硅控制器的可變相位角輸出，對流向LED的恒流進行單向調整)，輸入EMI濾波器電感和電容非常小，那么進行有效的無閃爍調光是否便能成為可能?

日前，Power Integrations (PI)公司LinkSwitch-PH系列LED驅動器IC很好地解決這一困擾，該產(chǎn)品的初級側控制技術還省去了隔離反激式電源中常用的光耦器和輔助電路(即次級側控制電路)，同時控制器中的PFC部分還省去了大容量電解電容，這對LED無閃爍調光的確帶來了一大福音。

如今，LED照明已成為一項主流技術。LED手電筒、交通信號燈和車燈比比皆是，各個國家正在推動用LED燈替換以主電源供電的住宅、商業(yè)和工業(yè)應用中的白熾燈和熒光燈。換用高能效LED照明后，實現(xiàn)的能源節(jié)省量將會非常驚人。僅在中國，據(jù)政府當局估計，如果三分之一的照明市場轉向LED產(chǎn)品，他們每年將會節(jié)省1億度的用電量，并可減少2900萬噸的二氧化碳排放量。然而，仍有一個障礙有待克服，那就是調光問題。

白熾燈使用簡單、低成本的前沿可控硅調光器就可以很容易地實現(xiàn)調光。因此，這種調光器隨處可見。固態(tài)照明替換燈要想真正獲得成功的話，就必須能夠使用現(xiàn)有的控制器和線路實現(xiàn)調光。
白熾燈泡就非常適合進行調光。具有諷刺意味的是，正是它們的低效率和隨之產(chǎn)生的高輸入電流，才是調光器工作良好的主要因素。白熾燈泡中燈絲的熱慣性還有助于掩蓋調光器所產(chǎn)生的任何不穩(wěn)定或振蕩。在嘗試對LED燈進行調光的過程中遇到了大量問題，常常會導致閃爍和其他意想不到的情況。要想弄清原因，首先有必要了解可控硅調光器的工作原理、LED燈技術以及它們之間的相互關系。
圖1所示為典型的前沿可控硅調光器，以及它所產(chǎn)生的電壓和電流波形。

前沿可控硅調光器

電位計R2調整可控硅(TRIAC) 的相位角，當VC2超過DIAC的擊穿電壓時，可控硅會在每個AC電壓前沿導通。當可控硅電流降到其維持電流(IH)以下時，可控硅關斷，且必須等到C2 在下個半周期重新充電后才能再次導通。燈泡燈絲中的電壓和電流與調光信號的相位角密切相關，相位角的變化范圍介于0度(接近0度)到180度之間。

用于替換標準白熾燈的LED燈通常包含一個LED陣列，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LED的亮度由其電流決定，LED的正向電壓降約為3.4 V，通常介于2.8 V到4.2 V之間。LED燈串應當由恒流電源提供驅動，必須對電流進行嚴格控制，以確保相鄰LED燈之間具有高匹配度。

LED燈要想實現(xiàn)可調光，其電源必須能夠分析可控硅控制器的可變相位角輸出，以便對流向LED的恒流進行單向調整。在維持調光器正常工作的同時做到這一點非常困難，往往會導致性能不佳。問題可以表現(xiàn)為啟動速度慢，閃爍、光照不均勻，或在調整光亮度時出現(xiàn)閃爍。此外，還存在元件間不一致以及LED燈發(fā)出不需要的音頻噪聲等問題。這些負面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關斷可控硅以及LED電流控制不當?shù)纫蛩毓餐斐傻?。誤觸發(fā)的根本原因是在可控硅導通時出現(xiàn)了電流振蕩。圖2以圖表形式對該影響進行了說明。

發(fā)生在LED燈電源輸入級的可控硅電流與電壓振蕩

可控硅導通時，AC市電電壓幾乎同時施加到LED燈電源的LC輸入濾波器。施加到電感的電壓階躍會導致振蕩。如果調光器電流在振蕩期間低于可控硅電流，可控硅將停止導電?？煽毓栌|發(fā)電路充電，然后重新導通調光器。這種不規(guī)則的多次可控硅重啟動，可使LED燈產(chǎn)生不需要的音頻噪聲和閃爍。設計更為簡單的 EMI濾波器有助于降低此類不必要的振蕩。要想實現(xiàn)成功調光，輸入EMI濾波器電感和電容還必須盡可能地小。

振蕩的最差條件表現(xiàn)為90 度相位角(這時，輸入電壓達到正弦波峰值，突然施加到LED燈的輸入端)，并且為高輸入電壓(這時，調光器的正向電流達到最低水平)。當需要深度調光(比如相位角接近180度)且為低輸入電壓時，則會發(fā)生過早關斷。要可靠地調低光度，可控硅必須單調導通，并停留在AC電壓幾乎降至零伏的點上。對于可控硅來說，維持導通所需的維持電流通常介于8 mA到40 mA之間。白熾燈比較容易維持這種電流大小，但對于功耗僅為等效白熾燈10%的LED燈來說，該電流可降低到可控硅維持電流以下，導致可控硅過早關斷。這樣就會造成閃爍和/或限制可調光范圍。

在設計LED照明電源時還有許多其他問題構成挑戰(zhàn)。能源之星固態(tài)照明規(guī)范要求商業(yè)和工業(yè)應用的最小功率因數(shù)必須達到0.9，照明產(chǎn)品必須滿足效率、輸出電流容差和EMI的嚴格要求，并且電源還必須在LED負載發(fā)生短路或開路的情況下作出安全響應。

Power Integrations (PI)最近所取得的技術進展為如何解決LED驅動和可控硅的兼容性問題提供了參考范例。圖3是PI開發(fā)的可控硅調光的14 W LED驅動器的電路圖。

隔離式可控硅調光的高功率因數(shù)通用輸入14 W LED驅動器的電路圖

本設計采用了LinkSwitch-PH系列器件LNK406EG (U1)。LinkSwitch-PH系列LED驅動器IC同時集成了一個725 V功率MOSFET和一個連續(xù)導通模式初級側PWM控制器?？刂破骺蓪崿F(xiàn)單級主動功率因數(shù)校正(PFC)和恒流輸出。LinkSwitch-PH系列器件所采用的初級側控制技術可提供高精度恒流控制(性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)的初級側控制技術)，省去了隔離反激式電源中常用的光耦器和輔助電路(即次級側控制電路)，同時控制器中的PFC部分還省去了大容量電解電容。

LinkSwitch-PH系列器件可設置為調光或非調光模式。對于可控硅相位調光應用，可在參考(REFERENCE)引腳上使用編程電阻(R4)和在電壓監(jiān)測(VOLTAGE MONITOR)引腳上使用4 MΩ (R2+R3)電阻，使輸入電壓和輸出電流之間保持線性關系，從而擴大調光范圍。

連續(xù)導通模式具有兩大優(yōu)勢：降低導通損耗(從而提高效率)和降低EMI特征。EMI特征降低后，使用較小的輸入EMI濾波器即可滿足EMI標準?？墒∪ヒ粋€X電容，并省去共模扼流圈或減小其尺寸。LinkSwitch-PH器件中內(nèi)置的高壓功率MOSFET開關頻率抖動功能還可進一步降低濾波要求。輸入EMI濾波器尺寸減小意味著驅動電路的電阻性阻抗隨之減小，其重要好處就是能大幅降低輸入電流振蕩。由于 LinkSwitch-PH由其內(nèi)部參考電源供電，因此可進一步增強穩(wěn)定性。對于可調光應用，增加主動衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的調光范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，且無任何閃爍。

恒流控制允許有±25%的電壓擺幅，這樣就無需根據(jù)正向電壓降對LED進行編碼，并且±5%的差異仍可確保一致的LED亮度。

這個14 W LED設計實現(xiàn)了與標準前沿可控硅AC調光器兼容、極寬調光范圍(1000:1，500 mA:0.5 mA)、高效率(> 85%)和高功率因數(shù)(> 0.9)的目標。它說明與LED燈可控硅調光相關的問題是可以克服的，甚至可以簡化驅動器設計，使可調光LED燈更具成本效益，且達到一致和可靠的性能