如今，LED照明已確然成為一項主流技術(shù)。該項技術(shù)正日臻成熟，標志之一就是大量LED照明標準和規范的陸續出臺。嚴格的效率要求已存在相當一段時(shí)間了，今后仍將不斷提高。但近段時(shí)間，LED照明設計師的工作卻更為棘手了，因為要同時(shí)滿(mǎn)足以下兩項要求：既要用針對白熾燈的調光器來(lái)實(shí)現調光控制功能，又要實(shí)現高功率因數性能。

        調光是照明系統非常常見(jiàn)的功能。對于白熾燈來(lái)說(shuō)，它可以以低成本輕易實(shí)現。LED燈的調光卻存在一定難度，但對于建筑師和住宅用戶(hù)來(lái)說(shuō)，在轉換到LED照明時(shí)可不愿失去調光控制應有的優(yōu)勢。

        功率因數是非常重要的因素，因為高功率因數可降低配電網(wǎng)絡(luò )的損耗。降低電力使用對環(huán)境所造成影響的最有效方式是減少浪費，因此世界各地的監管機構都在進(jìn)一步嚴格他們的功率因數規范。其中一個(gè)例子就是能源之星固態(tài)照明能效規范(09/12/07)，它規定住宅照明產(chǎn)品的功率因數(PF)應大于0.7，商用照明產(chǎn)品的功率因數(PF)應大于0.9。

圖1  LED燈泡構造圖

        LED燈泡和燈具制造商正在對這些要求做出響應，自然希望他們的產(chǎn)品具有盡可能高的通用性。因此，他們非常需要能兼容各種調光器的LED驅動(dòng)電路，實(shí)現高效率工作并使功率因數達到0.9以上。

        調光控制器

        照明控制器以線(xiàn)路調光或次級側調光的方式進(jìn)行工作。最簡(jiǎn)單的線(xiàn)路調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，但不幸的事,使用可控硅控制器對LED燈進(jìn)行調光時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量問(wèn)題。更先進(jìn)的線(xiàn)路調光器是電子前沿或后沿調光器。次級側電子控制調光器則用于專(zhuān)業(yè)照明系統。

        可控硅控制器在白熾燈中的表現無(wú)可挑剔，但在LED燈中會(huì )產(chǎn)生各種負面效應，其中包括閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)。要想弄清原因，首先必須了解可控硅調光器的工作原理。

圖2  前沿可控硅調光器

調光控制是通過(guò)改變可控硅導通每個(gè)半周期的相位角來(lái)實(shí)現的。燈泡燈絲中的電流與調光信號的相位角密切相關(guān)，相位角的變化范圍介于0°（接近0°）到180°之間�？煽毓璧闹匾獏�數之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅動(dòng)的情況下保持導通所必須維持的最小負載。為維持可控硅的穩定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8 mA到40mA。驅動(dòng)白熾燈時(shí)，維持電流不是問(wèn)題。然而，由于LED燈效率較高，在無(wú)法保持維持電流和燈熄滅時(shí)，就會(huì )出現問(wèn)題。如有任何振蕩發(fā)生，就很容易出現此類(lèi)情況。

        對可控硅控制器來(lái)說(shuō)，白熾燈的阻抗非常低，因此不會(huì )出現振蕩。相反，LED驅動(dòng)器具有高阻抗，而且其輸入EMI濾波電路由電容和電感組成。在每個(gè)半周期，當可控硅導通時(shí)就會(huì )出現浪涌電流，最糟糕的情況是，在90°導通角下輸入電壓達到最大值。由于線(xiàn)路/濾波器阻抗的存在，總線(xiàn)電壓會(huì )發(fā)生過(guò)沖，從而發(fā)生振蕩。如果振蕩導致電流降到IH以下，可控硅將關(guān)斷（圖3）。

圖3  輸入EM濾波器引起的電流振蕩

        當可控硅關(guān)斷時(shí)，R1和R2對DIAC（圖2）重新充電至擊穿閾值。DIAC然后導通TRIAC，重新開(kāi)始下一開(kāi)關(guān)周期。結果是在同一輸入線(xiàn)路周期內多次重啟動(dòng)可控硅（圖4）。

圖4  可控硅因振蕩多次重啟動(dòng)

        為避免出現與可控硅調光相關(guān)的問(wèn)題，LED驅動(dòng)器必須滿(mǎn)足LED負載非常不同的要求，同時(shí)還得與專(zhuān)為白熾燈設計的調光電路實(shí)現兼容。用于替換標準白熾燈的LED燈通常包含多個(gè)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(gè)LED的亮度由其電流大小決定。LED的正向電壓降約為3.4 V，但通常介于2.8 V到4.2 V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動(dòng)，因此必須對電流進(jìn)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(shí)現可調光，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(lái)改變LED的恒流驅動(dòng)。電路自身所產(chǎn)生的傳導EMI必須達到最低水平，使輸入濾波器盡可能地小。此外，驅動(dòng)電路必須控制功率因數。

        LED驅動(dòng)器控制

        很顯然，LED驅動(dòng)器采用標準反激式拓撲結構是絕對不行的，必須使用專(zhuān)用的LED驅動(dòng)器。圖5和圖6可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

圖5  使用TOPSwitch-HX的標準反激式電路

        圖5所示為使用 Power Integrations (PI)的TOPSwitch?-HX控制器設計的恒流輸出反激式電源。輸出電壓由輸出端的齊納二極管決定。這樣可通過(guò)光耦器向控制器提供反饋信號。TOPSwitch-HX控制器在輸入C處收到電壓反饋信號后，會(huì )調整集成高壓功率MOSFET開(kāi)關(guān)的占空比，以維持要求的輸出。對于給定的負載和輸入電壓，電路將以固定頻率和占空比進(jìn)行工作。

        可以對電路進(jìn)行配置，使其提供恒流輸出，以便成功驅動(dòng)LED燈。但是，無(wú)法實(shí)現可控硅相位角檢測和功率控制。

圖6  專(zhuān)用于恒流LED負載的反激式電源

圖6所示為使用PI的最新器件LinkSwitch?-PH設計的反激式電源。LinkSwitch-PH控制器集成了多項專(zhuān)用于驅動(dòng)LED的新功能。該電路與圖5中的電路不同，它采用了初級側調整。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：通過(guò)BP引腳為L(cháng)inkSwitch-PH供電，通過(guò)FB引腳提供電流反饋。這兩個(gè)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引腳收到電流反饋后，會(huì )調整集成高壓功率MOSFET的占空比，以維持電流調整率。

        該電路設計可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作�？刂破麟S著(zhù)市電輸入在每個(gè)半周期內的升降持續調整高壓功率MOSFET的占空比，并對每個(gè)半周期內的平均電荷進(jìn)行控制，使其維持輸出電流調整率，如圖7所示。

圖7  LinkSwitch-PH占空比在A(yíng)C半周期內的變化

        在接近過(guò)零點(diǎn)時(shí)，瞬態(tài)輸入電壓較低，占空比較大。在整流AC輸入峰值點(diǎn)時(shí)，電壓達到最大值，占空比最小。對于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，MOSFET電流在每個(gè)周期內被積分，以得到一個(gè)電荷量。將每個(gè)周期的電荷量與參考值進(jìn)行比較，當兩個(gè)數值相等時(shí)就停止開(kāi)關(guān)。V引腳輸入設置輸入電壓增益參數，用于提供線(xiàn)電壓補償。

        調光控制

        LinkSwitch-PH可通過(guò)鏈接輸入R和0 V的編程電阻設置為調光模式，也可設置為非調光模式。在非調光模式下，電路可以接近1的功率因數在全AC輸入范圍內提供恒流輸出。在調光模式下，整流輸入的過(guò)零點(diǎn)和相位角用于設置輸出電流水平，從而提供調光功能。LinkSwitch-PH可用來(lái)設計這樣的高性能LED驅動(dòng)器：可在全輸入電壓范圍內工作，并使低成本可控硅調光器的調光范圍達到1000:1，同時(shí)無(wú)任何閃爍現象。圖8中的電路圖說(shuō)明了這是如何實(shí)現的。

圖8  7 W可調光LED驅動(dòng)器電路圖(點(diǎn)擊放大)

圖8所示為使用LinkSwitch-PH LNK403EG (U1)(Ref 1)設計的7 W可調光的可控硅LED驅動(dòng)器的電路圖。該電路使用低成本的前沿可控硅調光器即可實(shí)現1000:1的調光范圍，同時(shí)無(wú)任何閃爍現象發(fā)生，具有快速啟動(dòng)(<100 ms)和一致的元件間調光性能。該設計具有極高能效(≥81%)和高功率因數(>0.9)。圖9顯示了超寬范圍內的調光控制的線(xiàn)性特性。

圖9  輸入相位對應于輸出電流的變化

        實(shí)現一致調光性能的關(guān)鍵之一就是在輸入端使用一個(gè)小型EMI濾波器。LinkSwitch-PH所具有的其中兩個(gè)特性有助于簡(jiǎn)化輸入濾波，它們是連續導通模式和頻率抖動(dòng)。連續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。這有助于以低成本的小型輸入EMI濾波器來(lái)滿(mǎn)足EMI標準的要求�？墒∪ヒ粋�(gè)X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(dòng)應用到高壓功率MOSFET的開(kāi)關(guān)。這樣可擴展開(kāi)關(guān)頻率的范圍，進(jìn)一步降低濾波要求。

        輸入EMI濾波器尺寸減小意味著(zhù)驅動(dòng)電路的阻抗隨之減小，其重要好處就是能大幅降低輸入電流振蕩。由于LinkSwitch-PH由其內部參考電源供電，因此可進(jìn)一步增強穩定性。為確保與所有類(lèi)型的調光器控制實(shí)現兼容，本設計添加了兩個(gè)簡(jiǎn)單的可選元件 - 衰減電路和泄放電路。衰減電路由元件R12、R13、R20、R17、D7、Q1、C13、VR2、Q3以及R16 共同組成。該電路的作用是減小可控硅調光器導通時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電流。在115 VAC下，當可控硅導通時(shí)，電路中的浪涌電流在頭2.4 ms（230 VAC下則為1.2 ms）先流經(jīng)R16。在大約2.4 ms后，Q3導通并將R16短路。這樣可消除在半周期的剩余部分因電流流經(jīng)R16 而造成的功耗。泄放電路由C9和R14組成。泄放電路的作用是確保在深度調光情況下，當對LED負載施加極低電流時(shí)，使可控硅電流始終大于維持電流閾值，從而防止可控硅過(guò)早關(guān)斷。

圖10  衰減電路和泄放電路有助于確保實(shí)現1000:1 的調光范圍

        增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的調光范圍內穩定工作，且無(wú)任何閃爍。

非隔離式LED驅動(dòng)器

        圖8中的電路采用了隔離式設計。該設計能為驅動(dòng)器與LED燈相隔離的照明系統提供全面的安全保護。這是高功率商業(yè)和工業(yè)照明系統常用的設計。對于驅動(dòng)器與LED燈同時(shí)集成在同一外殼中的應用來(lái)說(shuō)，就像替換燈一樣，通常采用隔離式設計和非隔離式設計。采用非隔離式設計可以大幅減少元件數并降低系統成本。PI的LinkSwitch?-PL系列器件可提供單級功率因數校正和恒流控制，同時(shí)集成了一個(gè)725 V MOSFET，非常適合非隔離應用。圖11所示為使用LinkSwitch-PL LNK457DG (Ref2)設計的5 W可調光的功率因數校正LED驅動(dòng)器的電路圖。

圖11  去除突出顯示的結構框即可用于非調光應用電路

        本設計是低成本、低元件數和PCB占用面積小的解決方案，可用于白熾燈替換燈。使用包括前沿可控硅調光器在內的所有調光器類(lèi)型，都可以實(shí)現無(wú)閃爍及100:1的調光范圍。由于元件間具有一致的調光性能，因此啟動(dòng)時(shí)間小于300 ms。在可調光模式下，115/230VAC輸入的效率 >73%；在非調光模式下，115/230 VAC輸入的效率 >78%，且功率因數>0.9。

圖12   驅動(dòng)器集成在A(yíng)19 LED替換燈中（電路板從殼體中去除）

在設計中，變壓器不需要添加偏置繞組，恒流模式設定點(diǎn)由R18 上的電壓降決定。然后將電壓反饋到U1的FB引腳。輸出過(guò)壓保護由VR2和R14提供。

        圖13顯示了反饋電壓如何用于讓前沿調光器進(jìn)行調光。

圖13   FB引腳參考電壓與可控硅相位角之間的函數關(guān)系

        LED輸出電流由FB引腳電壓控制，FB引腳電壓隨可控硅調光器的導通角按比例進(jìn)行變化。當導通角減小時(shí)，FB引腳參考電壓隨之降低，從而減小LED平均電流。在接近主半周期持續時(shí)間的25%時(shí)(?OS)，開(kāi)始調整FB引腳電壓。在?OS和?OL之間，相位角與反饋電壓VFB之間存在線(xiàn)性關(guān)系。在?OL之后，可控硅導通角變得非常小，IC以恒定的頻率和占空比進(jìn)行開(kāi)環(huán)，其內部集成的高壓功率MOSFET能夠處理嚴重切角的輸入電壓所帶來(lái)的最大功率，從而產(chǎn)生深度調光的光輸出。為使調光器中的可控硅保持維持電流，LinkSwitch-PL可將MOSFET導通時(shí)間朝AC輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行延長(cháng)，從而提供有源泄放或維持功能。

        本設計中集成了有源衰減和泄放電路，可確保所有類(lèi)型的調光器控制在最差條件下均能進(jìn)行無(wú)閃爍工作。對于非調光應用，可以省略這些元件。

        從上面介紹的兩種應用情況可以看出，如果所采用的控制器既能執行功率因數校正，又能執行恒流驅動(dòng)和相位角檢測，那么設計出的隔離式及非隔離式LED驅動(dòng)器就能與所有類(lèi)型的調光控制器實(shí)現穩定工作。此外，還能使電路滿(mǎn)足所有國際標準的效率、功率因數、諧波和EMI要求。過(guò)去，白熾燈泡必須針對特定的電源電壓進(jìn)行制造�，F在，卻不必再受此限制，制造出的可調光LED燈可以不經(jīng)任何改裝而通用于世界各地。