1 ,、LED照明設計帶來的挑戰(zhàn)
目前,，全球照明行業(yè)的數(shù)字革命正在到來，高效節(jié)能的LED燈將取代白熾,、M16鹵素燈和CFL燈泡,。但近段時間LED照明設計人員的工作面又臨新的挑戰(zhàn)，那就是同時滿足既可用針對白熾燈與M16鹵素燈的LED驅(qū)動器來實現(xiàn)調(diào)光控制功能,，又要實現(xiàn)高功率因數(shù)無任何閃爍的調(diào)光控制的的新要求,，尤其是要兼容現(xiàn)有的基礎架構，其中包括切角調(diào)光和電子變壓器調(diào)光支持無閃爍調(diào)光的設計,。
應該說,，調(diào)光是照明系統(tǒng)非常常見的功能，相對于對于白熾燈或M16鹵素燈來說,，它可以以低成本輕易實現(xiàn)，但對于LED燈的調(diào)光而言卻存在一定難度,，尤其是要實現(xiàn)無任何閃爍的調(diào)光控制,。通常對建筑與用戶來說要將白熾燈或M16轉(zhuǎn)換到用LED照明其最有余悸的是惟恐失去調(diào)光控制應用上的優(yōu)勢，即應無任何閃爍,。當然,，其中功率因數(shù)也是非常重要的因素，因為高功率因數(shù)可降低配電綱絡的損耗與減少浪費,。因而國內(nèi)外各地的監(jiān)管機構都在進一步嚴格它們的功率因數(shù)規(guī)范,，例如，能源之星固態(tài)照明能效規(guī)范規(guī)定,，住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)應大于0.7,，商用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)應大于0.9.由此 LED燈泡和燈具制造商正在對這些要求做出響應，要求LED驅(qū)動電路能適合各種調(diào)光單元,，具有高效率并且功率因數(shù)（PF）》0.9,，使其產(chǎn)品具有高的通用性,。
由此如何應對LED照明設計帶來的挑戰(zhàn)，以滿足新要求就成為制造廠商與設計人員及消費者迫切關注的問題,。據(jù)此,，本文將對LED照明應用中實現(xiàn)高功率因數(shù)性能的無任何閃爍的調(diào)光控制技術與構建等問題作研討，并以應用多項控制器構建的LED驅(qū)動器與高集成MOSFET LED驅(qū)動器2種高功率因數(shù)無任何閃爍的調(diào)光控制為例作重點分析,。
2 ,、應用多項控制器構建的LED驅(qū)動器是一種專用恒流LED負載的反激式電源
為此先從調(diào)光控制器的基本理念述起。
2.1可控硅調(diào)光器在LED照明應用中存在問題
*可控硅調(diào)光器（見圖1（a）所示）,。它是應用切相原理,，減少VRMS來降低普通負載（電阻負載）的功率，工作效率較高性能穩(wěn)定,。
所以它是LED照明常用方法,，見圖1（b）所示可控硅調(diào)光器與LED驅(qū)動器配合架構示意。
圖1（b）中可控硅調(diào)光就是在芯片中或者應用電路中當切相電源時,，以提取導通角信息,，并根據(jù)該信號控制來控制LED的驅(qū)動電流，來得到調(diào)光的效果,。然而可控硅調(diào)光器在LED照明應用中卻有閃爍,、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動現(xiàn)象,。其因有二：笫一是可控硅調(diào)光的100Hz頻閃存在,。因為電網(wǎng)的工頻是50/60Hz，切相波形整流后,，就是可以得到一個100/120Hz的脈沖信號,。這樣就可以直接用來產(chǎn)生調(diào)光的PWM信號。而實際應用中,，只要有任何輕微的電壓波動,，電流變化，都會影響脈沖的占空比,，這樣就相當于一個100/120Hz的閃爍,，而對白熾燈沒有這個問題？是因為燈泡鎢絲的物理惰性使得人不易感覺到,；笫二是可控硅調(diào)光器的調(diào)光控制是通過改變可控硅導通每個半周期的相位角來實現(xiàn)的,，為維持可控硅的穩(wěn)定工作，它的重要參數(shù)之一維持電流（IH） 是不能為零（其典型值在8mA到40mA之間）,。它在驅(qū)動白熾燈時,，該IH維持電流不是問題，然而,，在驅(qū)動高效LED時,，在燈熄滅時無法保持維持電流不出現(xiàn)同題,。尤其在有振蕩情況下，就更容易出現(xiàn)閃爍,、發(fā)光不均勻,、音頻噪聲以及閃動現(xiàn)象。如果振蕩導致電流降到IH（8mA~40mA）以下,，可控硅將關斷,，其結果是在同一輸入線路周期內(nèi)多次重啟可控硅，則LED燈頻頻發(fā)生閃爍,。
*從提高LED驅(qū)動器負載能力入手是抑制閃爍的關鍵
可控硅調(diào)光的100Hz頻閃-解決方法：不能直接把切相波形直接來調(diào)光,，需要把凋制信號頻移至更高的頻段，使人看不出來閃爍,。驅(qū)動控制器芯片把調(diào)光的信號調(diào)至幾KHz更高的頻段,。
關于可控硅調(diào)光的負載問題 可控硅調(diào)光器要穩(wěn)定工作，就需要有穩(wěn)定的IH來保障調(diào)光器工作,。為解決可控硅調(diào)光負載過熱,，就需要應用信號濾波技術，把截取進來的導通角信號進行整形濾波,，讓提高調(diào)光信號的可用性,；為解決負載不足時的顫動，需要加入信號平滑及鎖相技術,，把相鄰兩個導通角信號平滑鎖定,。就可以大大的減少閃爍情況的發(fā)生。
為避免出現(xiàn)可控硅調(diào)光相關的問題,，LED驅(qū)動器必須滿足LED負載各種不同的要求,，同時還得與白熾燈設計的調(diào)光電路實現(xiàn)兼容。用于替換標準白熾燈的LED燈通常包含多個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LED的亮度由其電流大小決定,。LED的正向電壓降約為3.4V,，但通常介于2.8V到4.2V之間（±20%）,。盡管負載變化較大,，但LED燈串仍須由恒流電源提供驅(qū)動，因此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(diào)光，其電源必須檢測可控硅控制器的可變相位角輸出,，并利用該信息來改變LED的恒流驅(qū)動,。
2.2恒流LED負載的反激式電源的構建
應該說如今有多種類型控制器可以構建恒流LED驅(qū)動電源-LED負載的反激式電源,。在此僅以集成多項控制器LinkSwitch.-PH構建的LED驅(qū)動器為例作分析。
2.2.1 應用多項控制器構建的LED驅(qū)動器是一種專用恒流LED負載的反激式電源
圖2所示為使用最新器件LinkSwitch.-PH控制器設計的反激式電源架構,，它是專用于恒流LED負載的反激式電源,。LED驅(qū)動用恒流源有助于保證LED在發(fā)光的工作時間段光線亮度一致、不閃爍,。
圖2中LinkSwitch-PH控制器集成了多項專用于驅(qū)動LED的新功能,。該路與LED驅(qū)動器采用標準反激式拓撲結構不同，它采用了初級側調(diào)整,。這樣可省去光耦器和次級側控制電路,。變壓器上的次級側繞組（偏置繞組）具有兩種功能：通通BP引腳為LinkSwitch-PH供電，通過FB引腳提供電流反饋,。這兩個次級側繞組緊密耦合,，從而使偏置繞組上的電壓與流經(jīng)LED負載的電流成比例?？刂破髟贔B引腳收到電流反饋後,，會調(diào)整集成高壓功率MOSFET的占空比，以維持電流調(diào)整率,。該電路可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作,，其控制器隨著市電輸入在每個半周期內(nèi)的升降持續(xù)調(diào)整高壓功率MOSFET的占空比，并對每個半周期內(nèi)的平均電荷造行控制,，使其維持輸出電流調(diào)整率,。由此可見由LinkSwitch-PH控制器構建的用于恒流LED負載的反激式電源既可以進行配置，使其提供恒流輸出,，又能實現(xiàn)可控硅相位角檢測和功率（功率因素）的控制,。
2.2.2無任何閃爍調(diào)光控制的實現(xiàn)
*LinkSwitch-PH控制器所具的特性是實現(xiàn)無任何閃爍調(diào)光控制的保證。LinkSwitch-PH控制器所具有的其中兩個特性是連續(xù)導通模式和頻率抖動,。這兩個特性除了有助于簡化輸入濾波外,，因：連續(xù)導通模式具有兩大優(yōu)勢，即降低導通損耗（從而提高效率）和降低EMI特征,，這有助于以低成本的小型輸入EMI濾波器來滿足EMI標準的要求,，可省去一個大電容，并省去共模扼流圈或減小其尺寸,；LinkSwitch-PH中的控制器還可將抖動應用到高壓功率MOSFET的開關,，這樣可擴展開關頻率的范圍，進一步降低濾波要求,。增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的1000:1調(diào)光范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,，并且無任何閃爍現(xiàn)象。
特別需指出的是,，LinkSwitch-PH可通過連接的編程電阻設置為調(diào)光光模式,，也可放置非調(diào)光模式,。在非調(diào)光模式下，電路可以接近1的功率因數(shù)在全AC輸入范圍內(nèi)提供恒流輸出,。在調(diào)光模式下,，整流輸入的過零點和相位角用于設置輸出電流水平，從而提供調(diào)光功能,。LinkSwitch-PH可用來設計這樣的高性能LED驅(qū)動器：可在全輸入電壓范圍內(nèi)工作,，并使低成本可控硅調(diào)光器的調(diào)光范圍達到1000:1，同時無任何閃爍現(xiàn)象,。
*應用LinkSwitch-PH控制器是由其獨特的特征所決定,。那末究竟有什么應用特征吶？應該說它是單級功率因數(shù)校正（PFC）,、初級側恒流輸出及可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動器IC.
LinkSwitch-PH（如PH LNK403EG）可大幅簡化要求功率因數(shù)大于0.9,、具備可控硅調(diào)光的高效率LED驅(qū)動器的設計。這款高度集成控制器的器件采用了全新的控制技術,，不僅能提供非常高的功率因數(shù)和精確的恒流輸出控制,，同時還可省去功率因數(shù)校正所需的無源電路以及光耦器和次級電流控制電路。每個器件都在一個單片IC上集成了一個725 V功率MOSFET,、一個連續(xù)模式PWM控制器,、一個自偏置的高壓開關電流源、頻率抖動,、逐周期電流限制及遲滯熱關斷電路,。而LinkSwitch-PH應用特征具體如下：其一，它是一種大幅簡化離線式LED驅(qū)動器,。具有單級功率因數(shù)校正（PFC）及精確恒流（CC）輸出與無閃爍的相位控制可控硅調(diào)光,，可省去光耦器、所有次級電流控制電路,、省去所有控制環(huán)路補償電路及 簡化初級側PWM調(diào)光接口,；其二、精確穩(wěn)定的性能,。能快速啟動時間,，并補償變壓器電感容差與補償輸入電壓變化及頻率調(diào)制技術，從而極大縮減EMI濾波器的尺寸和成本,；其三,、先進的保護及安全特性。它是一種開路故障檢測模式,，可通過自動重啟動提供短路保護能,，自動熱關斷或遲滯自動重啟動,，無論在PCB板上還是在封裝上,，都保證高壓漏極引腳與其他所有參考引腳之間滿足高壓爬電要求,；其四、EcoSmart,？ - 高效節(jié)能技術,。低待機功率遠程ON/OFF控制功能（230 VAC輸入時《 50 mW），無需電流檢測電阻,，可提高效率,。LinkSwitch-PH為綠色封裝，即無鹵素和符合RoHS要求的封裝,。需要說明的應用PI的PH LNK403EG控制器構建出7W可調(diào)光LED驅(qū)動器是一種典例,。
3 、新型可直接替換MR16鹵素燈的LED構建方案
概述 應用高集成MOSFET LED驅(qū)動器可構建出新型的離線式和MRl6 LED照明方案,，它采用獨特技術,，能夠配合調(diào)光器和電子變壓器實現(xiàn)無閃爍調(diào)光，其方案示意見圖3所示,。
該直接替換MR16鹵素燈的 LED解決方案,，能確保兼容于現(xiàn)有照明方案的電子基礎架構，并幫助制造商從容應對大規(guī)模生產(chǎn)的屏障,，故又稱為離線式/MRl6燈的引腳兼容替代方案,。它能有效延長使用壽命，利用所安裝的切相調(diào)光器平穩(wěn)調(diào)節(jié)亮度,，并可低至0%;可配合絕大多數(shù)電子變壓器工作,，實現(xiàn)無閃爍調(diào)光（MRl6）；可在90-265VAC通用輸入下使得同一設計能夠支持全球范圍的照明架構（離線式）,；無需電解電容,，故又有效延長燈管壽命。值此從應用角度對其方案實現(xiàn)作分析,。
3.1獨特的構建方案
*問題的提出
鹵素燈是一個純阻負載,，不管加上交流電還是直流電都可以工作。通常驅(qū)動鹵素燈的時候降低電壓,，鹵素燈亮度降低,，沒其他變化。而驅(qū)動LED時會降低電壓,，LED在一定程度上會發(fā)生閃爍,。為什么呢？鹵素燈是純電阻負載,，一般的鹵素燈都是采用電子變壓器來把220V交流高壓降低到12V的高頻（50kHz）低壓的,，因此鹵素燈電子變壓器與其配合能很好的工作。而LED驅(qū)動器則是非線性的，不是純阻性負載,，屬容性阻抗+感性阻抗的負載,，鹵素燈電子變壓器接受LED燈負載時它輸出的能力會大大下降，表現(xiàn)為輸出電壓由12V驟降至7V,，如是8V啟動的驅(qū)動IC即進入欠壓保護狀態(tài),，此時鹵素燈電子變壓器輸出電壓又升至12V，因此,，采用現(xiàn)有電路架構時,，會如此周而復始，使你見到LED燈在閃爍,，不能調(diào)光,，有些情況下甚至不能開啟。為便于使用,，LED換代燈必須與電子變壓器和切角調(diào)光器兼容,。而應用MAX16840型LED驅(qū)動器是有效的選擇。
*構建方案 它應用了新型MAX16840型LED驅(qū)動器,，該芯片的架構,，使用了電子變壓器和切角調(diào)光器以實現(xiàn)無閃爍調(diào)光，形成了獨特的LED驅(qū)動器方案,，從而可實現(xiàn)兼容大多數(shù)電子變壓器和切角調(diào)光器MR16的LED燈設計,。它在技術上確保無需對現(xiàn)有電路架構做任何修改就可用LED換代燈直接替換MR16鹵素燈。該方案為市場應用掃除了一大障礙,，使終端用戶能夠以極低的配置成本獲得LED照明的全部優(yōu)勢,，即：是一種確保無閃爍并可調(diào)光操作，又能兼容于絕大多數(shù)電子變壓器和切角調(diào)光器,，可直接替代MR16的LED換代方案,；更無需更改現(xiàn)有的電氣架構，又縮小板尺寸并降低BOM成本,。那末LED換代燈構建設計是如何實現(xiàn)吶,？
3.2 LED換代燈構建技術的實現(xiàn)
MAX16840具有的應用特征是LED換代燈構建技術的保證。MAX16840 集成MOSFET LED驅(qū)動器,，可用于MR16及其它12V交流輸入燈,。它采用獨特的技術控制燈管的輸入電流，對輸入電流進行整形,，可使用大多數(shù)電子變壓器和調(diào)光器支持無閃爍工作,，很好地解決了上述“問題的提出”之困擾。
該類MAX16840集成MOSFET LED驅(qū)動器IC,，包含了12V AC和24V AC輸入（例如MR16） LED燈驅(qū)動器所需的全部功能,，只需極少的外部元件,。它采用的專有的輸入電流控制機制使所構建的LED燈可兼容于電子變壓器設計，并支持后沿調(diào)光（帶有電子變壓器）,；它可用于構建buck,、boost和buck-boost拓撲，內(nèi)置0.2Ω （最大值）,、48V開關MOSFET;并采用固定頻率與平均電流控制模式。內(nèi)置開關MOSFET能夠進一步節(jié)省空間,、減少元件數(shù)量,、降低方案成本。
而MAX16840芯片有3個重要引腳功能：FB引腳電壓可檢測輸入電流,，并調(diào)節(jié)其平均值,；而輸入引腳（REFI）用于設置輸入電流值，引腳電壓低于特定門限時,，輸入電流與該電壓成正比,，電壓超過特定門限時，輸入電流將置于固定的預置水平,。據(jù)此利用REFI的非線性特性,，連接一個NTC電阻，即可得到熱折返保護,；IN引腳具有內(nèi)部過壓保護,，避免內(nèi)部開關MOSFET在LED串開路或LED串電壓過高時損壞；它帶有一個獨立的EXT引腳,，確保低輸入電壓開啟時提供一個觸發(fā)啟動電流,，以配合電子變壓器正常工作。EXT驅(qū)動外部npn晶體管,，一旦IN跌落到5.5V UVLO門限以下,，將EXT拉至地電平，外部npn晶體管關斷,。其IC采用3mm x 3mm,、10引腳、TDFN封裝,，-40°C至+125°C工作溫度范圍,。圖4為MAX16840典型應用示意圖。它被廣泛應用于MR16及其它12V交流或直流輸入LED照明之中,。
由于MAX16840的應用,，從而延長燈管使用壽命，滿足MR16燈的尺寸要求,。此外,，MAX16840可以采用無電解電容設計，從而也有效的延長了LED燈的使用壽命，這是由于電解電容通常是驅(qū)動電路中最先失效的元件,。無電解電容設計還可降低驅(qū)動器的成本和尺寸,，亦滿足MR16燈的小尺寸要求。值得指出的是,，它的使用使LED燈設計人員可以直接替換MR16鹵素燈,，省去了同類競爭方案所需的昂貴的電路升級成本。由此更明確獨特的MR16 LED照明方案優(yōu)勢的所在,，即LED換代燈（或稱改造燈）構建與白熾燈,、鹵素燈和熒光燈相比，換代燈配合LED燈源能夠提供超高效率和更長的使用壽命,，特別是能兼容眾多電子變壓器調(diào)光,，支持無閃爍調(diào)光設計。但是,，需要提醒的是為了獲得更有價值的替代方案,，LED換代燈必須兼容于現(xiàn)有的基礎架構，其中包括切角調(diào)光和電子變壓器調(diào)光,。在應用上,，對于室內(nèi)照明換代方案，高能效和較長的工作壽命使得LED成為替代傳統(tǒng)照明的經(jīng)濟,、實用的解決方案,。值此例舉1種應用實例，見圖5為低壓LED球泡燈示意圖,。
該LED驅(qū)動方案用于12VAC輸入的MR16及類似的換代燈,，可配合電子變壓器工作，支持電子變壓器的后沿調(diào)光,。電路中無需使用電解電容,，從而有效延長了LED燈的工作壽命。除了電子變壓器,，系統(tǒng)中采用后沿切角調(diào)光器,，后沿調(diào)光器通過在交流電的每半個周期切斷最后部分來降低燈的亮度。
4 ,、結語
從上面介紹的種應用情況可以看出,，如果所采用由集成多項控制器構建的LED驅(qū)動器或高集成MOSFET LED驅(qū)動器，它們既能執(zhí)行功率因數(shù)校正,，又能執(zhí)行恒流驅(qū)動和相位角檢測,，就能實現(xiàn)無閃爍調(diào)光的穩(wěn)定工作。此外,，還能使電路滿足所有國際標準的效率,、功率因數(shù),、諧波和EMI要求。過去,，白熾燈泡或MR16必須針對特定的電源電壓進行制造?，F(xiàn)在卻不必再受此限制，制造出的可調(diào)光LED燈可以不經(jīng)任何改裝而通用于國內(nèi)外,。