- LED驅(qū)動器無閃爍的調(diào)光控制設計
- 采用由集成多項控制器構(gòu)建的LED驅(qū)動器
- 采用高集成MOSFET LED驅(qū)動器
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(gòu)，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(gòu)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(gòu)建等問題作研討，并以應用多項控制器構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(jié)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(gòu)建
應該說如今有多種類型控制器可以構(gòu)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(gòu)建的LED驅(qū)動器為例作分析。
2.2.1 應用多項控制器構(gòu)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(gòu)，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(jié)構(gòu)不同，它采用了初級側(cè)調(diào)整。這樣可省去光耦器和次級側(cè)控制電路。變壓器上的次級側(cè)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(cè)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(gòu)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(cè)恒流輸出及可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動器IC.
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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(cè)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(gòu)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(gòu)建方案
概述 應用高集成MOSFET LED驅(qū)動器可構(gòu)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(gòu)，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(gòu)（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(gòu)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(gòu)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(gòu)建方案
它應用了新型MAX16840型LED驅(qū)動器，該芯片的架構(gòu)，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(gòu)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(gòu)，又縮小板尺寸并降低BOM成本。那末LED換代燈構(gòu)建設計是如何實現(xiàn)吶？
3.2 LED換代燈構(gòu)建技術的實現(xiàn)
MAX16840具有的應用特征是LED換代燈構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)，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 后話
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(gòu)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。
