LED照明" title="LED照明">LED照明將會(huì)取代主流的白熾照明和其他照明技術(shù)，占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)位置,。但從舊技術(shù)到新技術(shù)的轉(zhuǎn)換還需要多年時(shí)間。在此期間,，LED燈設(shè)計(jì)師所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保新設(shè)計(jì)與原本為白熾照明開發(fā)的現(xiàn)有控制器和布線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)兼容和可靠工作。本文所介紹的是可同時(shí)適用于低功率和高功率LED照明系統(tǒng)的解決方案,，它久經(jīng)考驗(yàn),，非常成熟。

　　LED燈泡的構(gòu)造

　　一個(gè)LED燈包含一個(gè)到十幾個(gè)甚至更多的LED芯片,，它們通常串聯(lián)在一起,。每個(gè)芯片的發(fā)光亮度由通過其中的電流大小決定。由于采用串聯(lián)連接方式,，燈泡內(nèi)每個(gè)LED芯片會(huì)自動(dòng)通過相同的電流,，但每個(gè)芯片上的電壓各不相同。LED的正向電壓降通常為3.4V,，但會(huì)在2.8V到4.2V之間變化,。可以對(duì)LED進(jìn)行分類以限制電壓變動(dòng)幅度,，但這會(huì)增加成本,，并且正向電壓降仍會(huì)隨溫度和使用時(shí)間發(fā)生變化。要想提供一致的光輸出,，LED燈必須由嚴(yán)格規(guī)定的高效恒流電源驅(qū)動(dòng),。作為白熾燈的替代品LED燈，該電源必須集成在燈殼內(nèi),。

　　典型集成LED燈包括驅(qū)動(dòng)電路,、LED集束以及可同時(shí)為驅(qū)動(dòng)器和LED芯片提供機(jī)械保護(hù)和散熱的外殼。

　　LED驅(qū)動(dòng)器的要求非常嚴(yán)格,。它必須是高效節(jié)能的,，必須滿足嚴(yán)格的EMI和功率因數(shù)規(guī)格，并能安全地耐受各種故障條件,。其中最為困難的要求之一是要有調(diào)光功能,。由于LED燈的特性與專為白熾燈所設(shè)計(jì)的調(diào)光控制器之間存在不匹配，因此容易造成性能不佳,。問題可能表現(xiàn)為啟動(dòng)速度慢,、閃爍、光照不均勻,、或在調(diào)整光亮度時(shí)出現(xiàn)閃爍,。此外，還存在各個(gè)單元性能不一致以及LED燈發(fā)出可聞噪聲等問題,。這些負(fù)面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關(guān)斷控制器以及LED電流控制不當(dāng)?shù)纫蛩毓餐斐傻摹?/p>

　　調(diào)光控制器

　　照明控制器以線路調(diào)光或PWM調(diào)光的方式進(jìn)行工作,。最簡(jiǎn)單的線路調(diào)光方式是前沿可控硅控制器。這是目前最常用的照明控制方式,，但不幸的是,，使用可控硅控制器對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量問題。更先進(jìn)的線路調(diào)光器是電子前沿或后沿調(diào)光器,。PWM調(diào)光器則用于專業(yè)照明系統(tǒng),。

　　使用前沿可控硅調(diào)光器時(shí)，調(diào)光控制是通過改變可控硅導(dǎo)通每個(gè)半周期的相位角來實(shí)現(xiàn)的,。燈泡的輸入功率與調(diào)光信號(hào)的相位角成一定的函數(shù)關(guān)系,，相位角的變化范圍介于接近0°到180°之間。

　　可控硅的重要參數(shù)之一是維持電流（IH）,。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)動(dòng)的情況下保持導(dǎo)通所必須維持的最小負(fù)載,。為維持可控硅的穩(wěn)定工作，該電流不能為零,，IH的典型值介于8mA到40mA,。因此，白熾燈的相位角調(diào)光器通常有一個(gè)規(guī)定的最小負(fù)載,，230V額定交流電壓下通常為40W,。這是為了確保流經(jīng)內(nèi)部可控硅的電流始終高于所規(guī)定的維持電流閾值。由于LED照明的功耗非常低,，維持電流將成為一個(gè)問題,。

　　另一個(gè)潛在問題是浪涌電流?？煽毓鑼?dǎo)通時(shí),，高浪涌電流會(huì)流入LED燈。最差情況就是相位角達(dá)到90°,，而此時(shí)AC輸入電壓達(dá)到峰值,。對(duì)白熾燈來說，浪涌電流不會(huì)構(gòu)成問題,。但在LED燈中,，驅(qū)動(dòng)器的輸入級(jí)阻抗和線路電容會(huì)造成振蕩。發(fā)生振蕩時(shí),，可控硅電流將立即降到維持電流以下,，使可控硅停止導(dǎo)通。

　　要想解決這些問題,，就必須修改LED驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格和設(shè)計(jì),。

　　非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器

　　圖1所示為可用于替換白熾燈的LED燈的非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器的基本應(yīng)用電路圖,。下面將介紹驅(qū)動(dòng)器的功能，以便闡明該驅(qū)動(dòng)器在成為可控硅調(diào)光器的負(fù)載時(shí)將會(huì)出現(xiàn)的問題,。

　　該控制器是Power Integrations（PI）推出的LinkSwitch-PL器件,。它在一個(gè)單片IC上集成了高壓功率MOSFET開關(guān)和電源控制器。該器件提供單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）和LED電流控制,。該電路可用作非連續(xù)模式,、可變頻率、可變導(dǎo)通時(shí)間反激式轉(zhuǎn)換器,。整流后的交流電源輸入由集成的725V功率MOSFET通過高頻變壓器進(jìn)行開關(guān),。次級(jí)繞組上產(chǎn)生的電壓在變成LED負(fù)載之前會(huì)被整流和平滑。LED負(fù)載電流還流經(jīng)檢測(cè)電阻RSENSE,。RSENSE上產(chǎn)生的電壓（典型值為290mV）會(huì)通過RF出現(xiàn)在反饋（FB）引腳,，從而提供精確的恒流反饋控制。DES和RES為L(zhǎng)inkSwitch-PL供電,，DZOV和ROV在LED開路時(shí)提供過壓保護(hù),。

　　LED照明將會(huì)取代主流的白熾照明和其他照明技術(shù)，占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)位置,。但從舊技術(shù)到新技術(shù)的轉(zhuǎn)換還需要多年時(shí)間,。在此期間，LED燈設(shè)計(jì)師所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保新設(shè)計(jì)與原本為白熾照明開發(fā)的現(xiàn)有控制器和布線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)兼容和可靠工作,。本文所介紹的是可同時(shí)適用于低功率和高功率LED照明系統(tǒng)的解決方案,，它久經(jīng)考驗(yàn)，非常成熟,。

　　LED燈泡的構(gòu)造

　　一個(gè)LED燈包含一個(gè)到十幾個(gè)甚至更多的LED芯片,，它們通常串聯(lián)在一起。每個(gè)芯片的發(fā)光亮度由通過其中的電流大小決定,。由于采用串聯(lián)連接方式,，燈泡內(nèi)每個(gè)LED芯片會(huì)自動(dòng)通過相同的電流，但每個(gè)芯片上的電壓各不相同,。LED的正向電壓降通常為3.4V,，但會(huì)在2.8V到4.2V之間變化?？梢詫?duì)LED進(jìn)行分類以限制電壓變動(dòng)幅度,，但這會(huì)增加成本，并且正向電壓降仍會(huì)隨溫度和使用時(shí)間發(fā)生變化,。要想提供一致的光輸出,，LED燈必須由嚴(yán)格規(guī)定的高效恒流電源驅(qū)動(dòng)。作為白熾燈的替代品LED燈,，該電源必須集成在燈殼內(nèi),。

　　典型集成LED燈包括驅(qū)動(dòng)電路,、LED集束以及可同時(shí)為驅(qū)動(dòng)器和LED芯片提供機(jī)械保護(hù)和散熱的外殼。

　　LED驅(qū)動(dòng)器的要求非常嚴(yán)格,。它必須是高效節(jié)能的,，必須滿足嚴(yán)格的EMI和功率因數(shù)規(guī)格，并能安全地耐受各種故障條件,。其中最為困難的要求之一是要有調(diào)光功能。由于LED燈的特性與專為白熾燈所設(shè)計(jì)的調(diào)光控制器之間存在不匹配,，因此容易造成性能不佳,。問題可能表現(xiàn)為啟動(dòng)速度慢、閃爍,、光照不均勻,、或在調(diào)整光亮度時(shí)出現(xiàn)閃爍。此外,，還存在各個(gè)單元性能不一致以及LED燈發(fā)出可聞噪聲等問題,。這些負(fù)面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關(guān)斷控制器以及LED電流控制不當(dāng)?shù)纫蛩毓餐斐傻摹?/p>

　　調(diào)光控制器

　　照明控制器以線路調(diào)光或PWM調(diào)光的方式進(jìn)行工作。最簡(jiǎn)單的線路調(diào)光方式是前沿可控硅控制器,。這是目前最常用的照明控制方式,，但不幸的是，使用可控硅控制器對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量問題,。更先進(jìn)的線路調(diào)光器是電子前沿或后沿調(diào)光器,。PWM調(diào)光器則用于專業(yè)照明系統(tǒng)。

　　使用前沿可控硅調(diào)光器時(shí),，調(diào)光控制是通過改變可控硅導(dǎo)通每個(gè)半周期的相位角來實(shí)現(xiàn)的,。燈泡的輸入功率與調(diào)光信號(hào)的相位角成一定的函數(shù)關(guān)系，相位角的變化范圍介于接近0°到180°之間,。

　　可控硅的重要參數(shù)之一是維持電流（IH）,。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)動(dòng)的情況下保持導(dǎo)通所必須維持的最小負(fù)載。為維持可控硅的穩(wěn)定工作,，該電流不能為零,，IH的典型值介于8mA到40mA。因此,，白熾燈的相位角調(diào)光器通常有一個(gè)規(guī)定的最小負(fù)載,，230V額定交流電壓下通常為40W。這是為了確保流經(jīng)內(nèi)部可控硅的電流始終高于所規(guī)定的維持電流閾值,。由于LED照明的功耗非常低,，維持電流將成為一個(gè)問題。

　　另一個(gè)潛在問題是浪涌電流,?？煽毓鑼?dǎo)通時(shí),，高浪涌電流會(huì)流入LED燈。最差情況就是相位角達(dá)到90°,，而此時(shí)AC輸入電壓達(dá)到峰值,。對(duì)白熾燈來說，浪涌電流不會(huì)構(gòu)成問題,。但在LED燈中,，驅(qū)動(dòng)器的輸入級(jí)阻抗和線路電容會(huì)造成振蕩。發(fā)生振蕩時(shí),，可控硅電流將立即降到維持電流以下,，使可控硅停止導(dǎo)通。

　　要想解決這些問題,，就必須修改LED驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格和設(shè)計(jì),。

　　非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器

　　圖1所示為可用于替換白熾燈的LED燈的非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器的基本應(yīng)用電路圖。下面將介紹驅(qū)動(dòng)器的功能,，以便闡明該驅(qū)動(dòng)器在成為可控硅調(diào)光器的負(fù)載時(shí)將會(huì)出現(xiàn)的問題,。

　　該控制器是Power Integrations（PI）推出的LinkSwitch-PL器件。它在一個(gè)單片IC上集成了高壓功率MOSFET開關(guān)和電源控制器,。該器件提供單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）和LED電流控制,。該電路可用作非連續(xù)模式、可變頻率,、可變導(dǎo)通時(shí)間反激式轉(zhuǎn)換器,。整流后的交流電源輸入由集成的725V功率MOSFET通過高頻變壓器進(jìn)行開關(guān)。次級(jí)繞組上產(chǎn)生的電壓在變成LED負(fù)載之前會(huì)被整流和平滑,。LED負(fù)載電流還流經(jīng)檢測(cè)電阻RSENSE,。RSENSE上產(chǎn)生的電壓（典型值為290mV）會(huì)通過RF出現(xiàn)在反饋（FB）引腳，從而提供精確的恒流反饋控制,。DES和RES為L(zhǎng)inkSwitch-PL供電,，DZOV和ROV在LED開路時(shí)提供過壓保護(hù)。

　　本設(shè)計(jì)中的輸出電流與電源變壓器的特性無關(guān),。電感變化對(duì)恒流特性無任何影響,。因此，這能使恒流特性具有非常嚴(yán)格的容差,，這在單級(jí)轉(zhuǎn)換器中非常突出,。

　　在執(zhí)行調(diào)光控制時(shí)，LinkSwitch-PL器件會(huì)同時(shí)檢測(cè)輸入電壓過零點(diǎn)和可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通角,。輸入電壓過零點(diǎn)的檢測(cè)是通過漏極節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成的,。控制電路會(huì)處理此數(shù)據(jù)并設(shè)定需要的反饋電壓，從而設(shè)定LED負(fù)載電流,。

　　浪涌電流

　　如圖1所示,，驅(qū)動(dòng)器對(duì)可控硅控制器構(gòu)成高阻抗、大電容負(fù)載,。此外,，還將有電容和電感所構(gòu)成的輸入EMI濾波電路。在每個(gè)半周期,，都會(huì)產(chǎn)生浪涌電流,，從而造成振蕩（如上所述）。

　　要想實(shí)現(xiàn)無故障的調(diào)光工作,，驅(qū)動(dòng)器必須能夠限制振蕩并防止可控硅電流降到維持電流值以下,。圖2所示為具備此功能的驅(qū)動(dòng)器的完整電路圖。

　　圖 2：用于A19白熾燈替換燈的5W,、15V可控硅調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖

　　圖2中的電路提供350mA的單路恒流輸出和15V的LED串電壓。使用標(biāo)準(zhǔn)交流電源可控硅調(diào)光器可將輸出電流減小1%（3mA）,，并且不會(huì)造成LED負(fù)載不穩(wěn)定或閃爍,。該驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)兼容低成本的可控硅調(diào)光器和更復(fù)雜的電子前沿及后沿調(diào)光器。

　　該驅(qū)動(dòng)器的功能增加了輸入EMI濾波和三個(gè)可控硅調(diào)光所特有的元件：一個(gè)無源衰減電路,、一個(gè)有源衰減電路和一個(gè)泄放電路,。

　　輸入EMI濾波可確保符合IEC環(huán)形波和EN55015傳導(dǎo)EMI規(guī)定。然而,，關(guān)鍵點(diǎn)在于LinkSwitch-PL控制器集成了內(nèi)置的頻率抖動(dòng)特性,。該特性可分散開關(guān)頻率和降低EMI峰值，使EMI濾波電路的尺寸遠(yuǎn)低于正常要求,。這有助于大幅減小對(duì)可控硅帶來的電感性負(fù)載,，從而降低發(fā)生振蕩的可能性。

　　電阻R20構(gòu)成無源衰減電路,。有源衰減電路在每個(gè)交流半周期通過輸入整流管連接串聯(lián)電阻（R7和R8）,，在剩下的交流周期則通過并聯(lián)可控硅整流器 （Q3）繞過該電阻。電阻R3,、R4和C3決定Q3導(dǎo)通前的延遲時(shí)間,，然后將衰減電阻R7和R8短路。無源衰減電路和有源衰減電路可在每個(gè)半周期可控硅導(dǎo)通時(shí),，共同限制峰值浪涌電流,。

　　電阻R10、R11和C6形成泄放電路,，確保初始輸入電流量可以滿足可控硅的維持電流要求,，特別是在導(dǎo)通角較小的情況下。對(duì)于非調(diào)光應(yīng)用，則可以省去無源衰減電路,、有源衰減電路以及泄放電路,。

　　隔離式LED驅(qū)動(dòng)器

　　圖2中的驅(qū)動(dòng)器針對(duì)低功率、電氣非隔離式集成LED替換燈專門優(yōu)化過,。PI針對(duì)要求電氣隔離的更高功率LED照明系統(tǒng),，推出了LinkSwitch-PH控制器。圖3所示（詳見本刊網(wǎng)站）為使用LinkSwitch-PH的隔離式LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖,。

　　圖 3：14W可控硅調(diào)光的高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖,。

　　該電路能夠在90VAC至265VAC的輸入電壓范圍內(nèi)對(duì)28V的額定LED串電壓提供0.5A驅(qū)動(dòng)電流，其特性包括超寬調(diào)光范圍,、無閃爍工作（即使使用低成本的交流輸入可控硅調(diào)光器）以及快速平滑的導(dǎo)通,。

　　它所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)通模式下的隔離反激式結(jié)構(gòu)。輸出電流調(diào)節(jié)完全從初級(jí)側(cè)檢測(cè),，因此無需使用次級(jí)反饋元件,。單級(jí)內(nèi)部控制器調(diào)整高壓功率MOSFET的占空比，以保持輸入電流為正弦交流電,，從而確保高功率因數(shù)和低諧波電流,。

　　該電路的功能與圖2中的電路大體相似，最明顯的差異是該電路采用了電氣隔離,，沒有使用與負(fù)載串聯(lián)的檢測(cè)電阻,。反饋控制通過變壓器上的偏置繞組提供。反饋控制具有兩項(xiàng)功能：經(jīng)由旁路（BP）輸入對(duì)LinkSwitch-PH供電,，經(jīng)由反饋（FB）輸入提供電流反饋,。LinkSwitch-PH提供的另一個(gè)重要輸入是電壓監(jiān)測(cè)（V）。該引腳與外部輸入電壓峰值檢測(cè)器接口相連,，后者由D1,、C3、R1,、R2和R3構(gòu)成,。外加電流用于控制輸入欠壓（UV）和過壓（OV）的停止邏輯，并提供前饋信號(hào)以控制輸出電流和遠(yuǎn)程開/關(guān)功能,。該電路集成了衰減電路和泄放電路,，以確保可控硅工作（見圖6）,。

　　在任何LED照明裝置中,，驅(qū)動(dòng)器的性能都決定著最終用戶的照明體驗(yàn)，包括啟動(dòng)時(shí)間,、調(diào)光,、無閃爍工作和各單元之間的一致性,。14 W驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)在115 VAC和230 VAC下兼容各種調(diào)光器并兼容盡可能寬的調(diào)光范圍。因此,，衰減電路和泄放電路會(huì)起到相對(duì)積極的作用,，但這會(huì)讓效率下降。即使如此,，該電路的效率仍能在115 VAC下≥85%,，在230 VAC下≥87%。如果不需要調(diào)光功能,，可省去衰減電路和泄放電路,，可取得更高的效率。

　　隨著LED照明市場(chǎng)潛力的不斷擴(kuò)大,，上述設(shè)計(jì)折衷凸顯出了一系列哲學(xué)問題,。既然新技術(shù)的功耗只是舊技術(shù)的十分之一，在會(huì)降低效率（即增加功耗）的情況下,，是否真的有必要與所有舊的可控硅控制器實(shí)現(xiàn)兼容,？當(dāng)使用一個(gè)最低負(fù)載規(guī)格為40W的1000W可控硅控制器提供驅(qū)動(dòng)時(shí)，我們能否讓一個(gè)5W LED燈正確工作呢,？是的,，這是可以做到的，也許應(yīng)該盡快做到,。但我們必須謹(jǐn)記，完整照明解決方案的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大效率和最低生命周期成本,。