LED照明以其發(fā)光效率高，使用壽命長(cháng)，亮度控制簡(jiǎn)單和環(huán)保的優(yōu)勢，迅速受到廣大用戶(hù)的歡迎。作為新型的節能光源，LED燈具會(huì )逐步地取代傳統的白熾燈泡。LED照明的不斷普及
對調光和控制技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。當前用戶(hù)主要關(guān)心的是，LED燈具必須要使用安全、重量輕、壽命長(cháng)、不影響用戶(hù)健康，并可適用于現有的調光設備以及可以承受的價(jià)格。
要滿(mǎn)足用戶(hù)的愿望，就要求驅動(dòng)電源轉換效率高、輸出電流紋波低、無(wú)光耦設計，并且在接入任何調光器，無(wú)論是支持或者不支持的型號，都要保證燈具的安全性能。這對LE 的驅動(dòng)電源提出了極大的挑戰。越來(lái)越多的LED燈具廠(chǎng)商意識到，傳統的驅動(dòng)方式很難同時(shí)兼顧到所有的要求，無(wú)法大量推廣LED燈。數字電源技術(shù)突破了傳統方案的局限性，可以對用戶(hù)的要求進(jìn)行整合和優(yōu)化，為L(cháng)ED 驅動(dòng)和調光控制提供一個(gè)完整的解決方案。本文針對LED燈的具體設計問(wèn)題來(lái)討論數字技術(shù)的優(yōu)勢和解決問(wèn)題的方法。
LED驅動(dòng)技術(shù)
高效率無(wú)光耦轉換 LED的驅動(dòng)電路把能量從交流電網(wǎng)轉換為本身發(fā)光所需的直流形式。能量在轉換的過(guò)程中會(huì )有損耗。轉換效率越高，損耗越小，對驅動(dòng)部分散熱的要求也越低。絕大多數LED燈采用灌膠和鋁散熱器來(lái)解決散熱問(wèn)題。對用戶(hù)而言，高效率的驅動(dòng)方案可以降低驅動(dòng)電路的散熱成本，減輕LED燈的重量。降低電路溫升還有利于提高LED燈的使用壽命。傳統的隔離驅動(dòng)方案利用光耦傳遞二次側的電流信號給一次側控制器來(lái)維持穩定的輸出電流。二次側檢測電路增加了驅動(dòng)電路的復雜性、成本和損耗。光耦的使用還降低了可靠性。因此，主流的LED燈生產(chǎn)廠(chǎng)家都開(kāi)始采用無(wú)光耦的原邊反饋技術(shù)。當前，數字原邊反饋技術(shù)已經(jīng)成熟并且得到了廣泛應用。數字控制可以實(shí)現無(wú)光耦反饋的輸出電流的精確控制。利用變壓器反饋波形，數字技術(shù)還可以實(shí)現波谷開(kāi)通來(lái)提高轉換效率。
a 無(wú)光耦精確電流控制 圖1(a)顯示一個(gè)原邊反饋的反激變換器。一次側和二次側的電流波形顯示在圖1(b)中。平均輸出電流Iout=1/2XXXX,這里Isp是變壓器副邊繞組的峰值輸出電流；Trst是變壓器磁恢復時(shí)間；Tprd是開(kāi)關(guān)周期。在理想情況下，原邊峰值電流Ipp=XXXX，其中Np和Ns是原邊和副邊繞組匝數。因此，輸出電流Iout=XXXXXX�，F在假定Iset是設計輸出電流，數字控制器可以通過(guò)控制原邊峰值電流Ipp=XXXXX來(lái)獲得所需的輸出電流。
b 波谷開(kāi)通控制 波谷開(kāi)通的主要目的是獲得高效率。圖2是MOSFET 關(guān)斷以后耦合到變壓器輔助繞組上的電壓波形。如圖2 所示，變壓器在T1 時(shí)間點(diǎn)完成磁恢復。然后磁化電感和MOSFET漏級雜散電容開(kāi)始諧振。如果MOSFET 的開(kāi)通正好處在漏源電壓諧振的谷底T3，就可以達到最低開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)電磁干擾的減小有利于提高輸入濾波器的效率。利用數字技術(shù)對輔助繞組上的電壓波形作分析，可以非常簡(jiǎn)單的實(shí)現波谷開(kāi)通的功能。
低電流紋波設計 LED照明不僅需要精確和穩定的電流，還要求電流的紋波非常低�？茖W(xué)家研究表明，低于165Hz的閃爍，不管來(lái)自可見(jiàn)光還是不可見(jiàn)光，都有可能引起偏頭痛或者視覺(jué)不適。低于70Hz 的閃爍甚至會(huì )對少部分人引發(fā)癲癇。因此， 美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì )(IEEE)正在制定相關(guān)標準來(lái)引導對人體健康無(wú)危害的LED 照明驅動(dòng)的設計。
一個(gè)輸入呈阻性的電源系統內部一定要存在儲能元件，當輸入電壓低的時(shí)候可以提供能量給負載。如果能量進(jìn)行單次轉換又要求輸入呈阻性，其需要非常大的輸出電容來(lái)降低負載的電流紋波。如果能量進(jìn)行二次轉換可以解決這個(gè)問(wèn)題。通常的二次轉換形式是結合Boost 輸入級和反激式輸出級。輸入級主要控制驅動(dòng)電源的輸入阻抗。反激式電源提供低紋波輸出電流。二次轉換控制的復雜性很高。特別是當接入調關(guān)器的時(shí)候還需要協(xié)調輸入級和輸出級的能量平衡。圖3是常用的二次轉換系統結構。傳統的二次轉換控制方案需要同時(shí)得到輸入電壓Vin、Boost 電流IL、中間電容上的電壓Vbulk、反激式原邊電流Ip以及電壓的反饋Vout，控制成本很高，因此很難得到廣泛應用。數字控制技術(shù)提供了簡(jiǎn)單的一次側反饋方法，還可以預測中間電容電壓，因此只需要檢測輸入電壓Vin 并解析變壓器反饋信號就能實(shí)現完整的二次轉換控制。大大簡(jiǎn)化了系統的控制成本。
全面的驅動(dòng)保護 在LED 燈具的設計，生產(chǎn)和使用的過(guò)程中，驅動(dòng)電源有可能面對LED 負載的短路、開(kāi)路，驅動(dòng)電源板的短路、虛焊，接插件的錯接、反接等等問(wèn)題。全面的驅動(dòng)保護可以簡(jiǎn)化LED 燈具的設計和生產(chǎn)，延長(cháng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本。對系統狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測并做出精確判斷是數字控制的一個(gè)長(cháng)處。數字控制可以快速地實(shí)現
* LED 負載的開(kāi)路保護
* LED 負載的短路保護
* LED 負載的過(guò)熱保護
* LED 燈的限功率控制
* 控制器的各管腳的開(kāi)路和短路保護
調光技術(shù)
動(dòng)態(tài)的調光器阻抗配合 傳統的調光器主要用于驅動(dòng)純電阻負載，包括前沿切相調光器，后沿切相調光器和智能調光器等等。由于負載是白熾燈，傳統的調光器功率都在200W-600W。LED 驅動(dòng)電源的特性正好相反——小功率，容性負載。為了能夠兼容這些調光器，LED驅動(dòng)電源必須提供阻性或者是類(lèi)阻性的負載才能使調光器穩定工作。利用功率電阻直接提供阻性負載是一種傳統的解決方案。這種方式的調光效果好，但是其主要問(wèn)題是效率低。這與LED燈高效率的優(yōu)勢背道而馳。另外一種常見(jiàn)的方案是利用功率因數整流技術(shù)，使輸入電流跟隨輸入電壓變化，因而提供類(lèi)阻性負載。這種方案往往適用于高功率LED驅動(dòng)應用上。對于普及的小功率家用和商用LED驅動(dòng)，其問(wèn)題是輸入阻抗往往過(guò)高，特別是調光器和驅動(dòng)部分EMI 抑制元件的相互作用往往使得其無(wú)法保證有足夠大的輸入電流去維持可控硅的穩定工作。如果調光信號處理不好就會(huì )造成LED 閃爍。
數字控制技術(shù)可以靈活地結合功率因數整流技術(shù)和動(dòng)態(tài)阻抗匹配方法。當控制器檢測到調光器存在的情況下，根據調光器輸出的相位角，控制器提供匹配的阻抗來(lái)維持可控硅的導通。在控制相位角判斷完成以后，控制器可以利用高阻抗來(lái)關(guān)斷可控硅，同時(shí)通過(guò)功率因數整流技術(shù)來(lái)維持輸入的波形。圖4 所示后切和前切調光器波形。OUTPUT(TR)是Boost 驅動(dòng)控制。例如當檢測到后切波形時(shí)，Boost 驅動(dòng)完全打開(kāi)，快速地泄放輸入端電荷；相反，當前切調關(guān)器可控硅關(guān)斷后，Boost 驅動(dòng)則緩慢地泄放輸入端電荷。在這兩種情況下，輸入的相位都可以得到完整地恢復。目前市場(chǎng)上很多控制器都要求可控硅導通一個(gè)完整的交流周期，對提高調光的效率非常不利。利用數字技術(shù)可以大大降低調光的損耗，符合綠色照明的宗旨。
完美的用戶(hù)調光體驗 用戶(hù)已經(jīng)習慣于白熾燈的調光，因此往往期待LED的調光性能接近甚至超過(guò)以往的體驗。因此調光性能對于廣大用戶(hù)接受LED燈非常重要。調光性能的好壞完全取決于驅動(dòng)電源的控制。目前市場(chǎng)上的一些可調光的LED燈在很多方面無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。比如說(shuō)，如果多個(gè)LED燈連接在同一個(gè)調關(guān)器上，各個(gè)燈的亮度會(huì )有明顯的差別，這是調光的一致性。還有，用戶(hù)調光時(shí)，希望馬上看到調光的效果，但是又不希望看到突然的亮度跳躍甚至熄滅，這是調光的動(dòng)態(tài)響應。一些LED燈的光照度隨著(zhù)輸入電壓而變化，在一些電網(wǎng)電壓波動(dòng)比較大的地區就會(huì )影響用戶(hù)的使用。更重要的是，如果LED燈不能穩定照明而是不停的閃爍，用戶(hù)是無(wú)法接受的。
很多LED燈利用平均輸入電壓或者近似均方根輸入電壓來(lái)控制輸出電流。如果每個(gè)LED燈對輸入電壓的檢測和判斷有差別，就會(huì )造成輸出光照的不一致。如果輸入電壓降低，檢測的平均電壓會(huì )降低，LED燈輸出光照就會(huì )減小。而利用數字技術(shù)則可以實(shí)現對輸入信號相位的的檢測。由于相位是一個(gè)時(shí)間量，輸入電壓的變化對相位的影響有限。因此，如果結合輸入電壓和相位的檢測，可以實(shí)現穩定并且一致的輸出光照。數字算法還可以檢測用戶(hù)調光的速度來(lái)預測可能的調光的位置，使得輸出電流快速的跟隨用戶(hù)的指令來(lái)變化。這樣平衡了調光的動(dòng)態(tài)響應和準確性，防止了調光過(guò)慢或者光照的過(guò)調。使得用戶(hù)調光的體驗接近傳統的白熾燈。
調光安全性 當用戶(hù)購買(mǎi)LED燈以后，生產(chǎn)廠(chǎng)商無(wú)法完全了解其使用環(huán)境。交流輸入的頻率可以是50Hz或者60Hz；調關(guān)器可以是支持的或者是不支持的；電網(wǎng)電壓會(huì )產(chǎn)生波動(dòng)，也會(huì )產(chǎn)生畸變；等等。諸多因素會(huì )影響LED燈的亮度變化甚至安全性。驅動(dòng)電路的設計必須考慮這些可能發(fā)生的環(huán)境變化，具備相應的對策。當前的數字控制技術(shù)實(shí)現了
* 自動(dòng)調光模式識別�？刂破骺梢宰詣�(dòng)識別前切相式調光器和后切相式調關(guān)器，甚至在運行過(guò)程中允許前后切調光器的轉換。
* 自動(dòng)檢測不支持的調光器。如果某一種調光器是所生產(chǎn)的LED 燈不能支持的，數字技術(shù)可以根據其輸出波形，迫使LED 燈進(jìn)入保護模式，保障了用戶(hù)的使用安全。
* 自動(dòng)防止多次快速啟動(dòng)。由于LED 燈要求啟動(dòng)快，當LED 燈發(fā)生故障，或者輸入電壓畸變嚴重時(shí)，驅動(dòng)電源有可能反復地重啟動(dòng)，造成驅動(dòng)電路的過(guò)熱。數字控制可以很方便的判斷路障的存在，防止頻繁的重復啟動(dòng)。
典型的數字LED控制系統
數字控制LED系統結構 圖5是iWatt的iW3610系列數字調光控制系統結構示意圖。iW3610控制器采用8個(gè)管腳的封裝，實(shí)現了如下功能：
* 調光器阻抗匹配
* 輸入功率因數控制
* Boost電壓的預測和控制
* 反激式變換器的一次側恒流控制
* 調光器的類(lèi)型檢測和調光控制
* 完整的輸入，輸出和內部保護
調光器識別和控制流程 圖6是iWatt的iW3610系列數字控制器的內部結構圖。VIN 采樣調光器的輸出電壓波形。調光器信號通過(guò)模擬到數字轉換進(jìn)入調光控制和相位檢測數字模塊。根據前切或者后切相位的百分比，恒流控制模塊計算出所需的輸出電流控制量�？刂屏客ㄟ^(guò)數字到模擬轉換提供給原邊電流控制比較器(Ipeak)。Isense檢測原邊電流信號，通過(guò)圖1所示的恒流控制原理，得到穩定的LED輸出電流。Vsense提供變壓器反激的電壓信號。通過(guò)對反激信號的解析，控制器可以獲得輸出電壓，電流以及波谷的時(shí)間點(diǎn)來(lái)實(shí)現各種保護功能。
圖7給出了調光器的啟動(dòng)檢測。調光器打開(kāi)后，驅動(dòng)電路開(kāi)始充電。當VCC供電電壓達到啟動(dòng)電平，控制器開(kāi)始工作。Boost控制信號OUTPUT(TR)導通3-4個(gè)交流半周期，提供調光器一個(gè)低阻抗的回路來(lái)完成初始化。在這期間，控制器根據調光器輸出的特征波形，確定輸入的電壓范圍、頻率，和調光器的類(lèi)型、相位角。如果判斷是所支持的調光器，就啟動(dòng)驅動(dòng)電路，輸出所對應的LED電流。
圖8(a)
圖8(b)
圖8(c)
iW3610系列產(chǎn)品應用方案 圖8(a)給出了iW3610系列控制器的一個(gè)具體應用方案。圖8(b)和(c)分別顯示了后切調光器和前切調光器的實(shí)測波形。
總結
數字控制技術(shù)在LED照明領(lǐng)域具有控制靈活，調光性能好和保護全面的優(yōu)勢。針對越來(lái)越多的控制和保護要求，iWatt的iW3610系列數字控制器正逐步成為L(cháng)ED通用照明的主流驅動(dòng)控制器。iW3610系列數字控制器適合燈具內置化驅動(dòng)的要求，采用數量不多的元件實(shí)現了高性能調光、較高功率因數、隔離驅動(dòng)以及無(wú)光耦的精確恒流輸出設計，優(yōu)化了整體LED燈的散熱性能。整個(gè)設計的體積可以小至內置于E27/E26燈頭的球泡或PAR 燈內。5W設計效率大于80%，10W設計效率大于85%，功率因數滿(mǎn)足Energy Star的要求，調光范圍達到1%-100%，同時(shí)支持歐美市場(chǎng)和亞洲市場(chǎng)上的主流調光器。
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