1 LED照明設計帶來(lái)的挑戰

　　目前，全球照明行業(yè)的數字革命正在到來(lái)，高效節能的LED燈將取代白熾、M16鹵素燈和CFL燈泡。但近段時(shí)間LED照明設計人員的工作面又臨新的挑戰，那就是同時(shí)滿(mǎn)足既可用針對白熾燈與M16鹵素燈的LED驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現調光控制功能，又要實(shí)現高功率因數無(wú)任何閃爍的調光控制的的新要求，尤其是要兼容現有的基礎架構，其中包括切角調光和電子變壓器調光支持無(wú)閃爍調光的設計。

　　應該說(shuō)，調光是照明系統非常常見(jiàn)的功能，相對于對于白熾燈或M16鹵素燈來(lái)說(shuō)，它可以以低成本輕易實(shí)現，但對于LED燈的調光而言卻存在一定難度，尤其是要實(shí)現無(wú)任何閃爍的調光控制。通常對建筑與用戶(hù)來(lái)說(shuō)要將白熾燈或M16轉換到用LED照明其最有余悸的是惟恐失去調光控制應用上的優(yōu)勢，即應無(wú)任何閃爍。當然，其中功率因數也是非常重要的因素，因為高功率因數可降低配電綱絡(luò )的損耗與減少浪費。因而國內外各地的監管機構都在進(jìn)一步嚴格它們的功率因數規范，例如，能源之星固態(tài)照明能效規范規定，住宅照明產(chǎn)品的功率因數應大于0.7，商用照明產(chǎn)品的功率因數應大于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驅動(dòng)電路能適合各種調光單元，具有高效率并且功率因數（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(lái)的挑戰，以滿(mǎn)足新要求就成為制造廠(chǎng)商與設計人員及消費者迫切關(guān)注的問(wèn)題。據此，本文將對LED照明應用中實(shí)現高功率因數性能的無(wú)任何閃爍的調光控制技術(shù)與構建等問(wèn)題作研討，并以應用多項控制器構建的LED驅動(dòng)器與高集成MOSFET LED驅動(dòng)器2種高功率因數無(wú)任何閃爍的調光控制為例作重點(diǎn)分析。

　　2 應用多項控制器構建的LED驅動(dòng)器是一種專(zhuān)用恒流LED負載的反激式電源

　　為此先從調光控制器的基本理念述起。

　　2.1可控硅調光器在LED照明應用中存在問(wèn)題

　　*可控硅調光器（見(jiàn)圖1（a）所示）。它是應用切相原理，減少VRMS來(lái)降低普通負載（電阻負載）的功率，工作效率較高性能穩定。

　　所以它是LED照明常用方法，見(jiàn)圖1（b）所示可控硅調光器與LED驅動(dòng)器配合架構示意。

　　圖1（b）中可控硅調光就是在芯片中或者應用電路中當切相電源時(shí)，以提取導通角信息，并根據該信號控制來(lái)控制LED的驅動(dòng)電流，來(lái)得到調光的效果。然而可控硅調光器在LED照明應用中卻有閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)現象。其因有二：笫一是可控硅調光的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(gè)100/120Hz的脈沖信號。這樣就可以直接用來(lái)產(chǎn)生調光的PWM信號。而實(shí)際應用中，只要有任何輕微的電壓波動(dòng)，電流變化，都會(huì )影響脈沖的占空比，這樣就相當于一個(gè)100/120Hz的閃爍，而對白熾燈沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題？是因為燈泡鎢絲的物理惰性使得人不易感覺(jué)到；笫二是可控硅調光器的調光控制是通過(guò)改變可控硅導通每個(gè)半周期的相位角來(lái)實(shí)現的，為維持可控硅的穩定工作，它的重要參數之一維持電流（IH）是不能為零（其典型值在8mA到40mA之間）。它在驅動(dòng)白熾燈時(shí)，該IH維持電流不是問(wèn)題，然而，在驅動(dòng)高效LED時(shí)，在燈熄滅時(shí)無(wú)法保持維持電流不出現同題。尤其在有振蕩情況下，就更容易出現閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)現象。如果振蕩導致電流降到IH（8mA~40mA）以下，可控硅將關(guān)斷，其結果是在同一輸入線(xiàn)路周期內多次重啟可控硅，則LED燈頻頻發(fā)生閃爍。

　　*從提高LED驅動(dòng)器負載能力入手是抑制閃爍的關(guān)鍵

　　可控硅調光的100Hz頻閃-解決方法：不能直接把切相波形直接來(lái)調光，需要把凋制信號頻移至更高的頻段，使人看不出來(lái)閃爍。驅動(dòng)控制器芯片把調光的信號調至幾KHz更高的頻段。

　　關(guān)于可控硅調光的負載問(wèn)題可控硅調光器要穩定工作，就需要有穩定的IH來(lái)保障調光器工作。為解決可控硅調光負載過(guò)熱，就需要應用信號濾波技術(shù)，把截取進(jìn)來(lái)的導通角信號進(jìn)行整形濾波，讓提高調光信號的可用性；為解決負載不足時(shí)的顫動(dòng)，需要加入信號平滑及鎖相技術(shù)，把相鄰兩個(gè)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負載各種不同的要求，同時(shí)還得與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3.4V，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)。

　　2.2恒流LED負載的反激式電源的構建

　　應該說(shuō)如今有多種類(lèi)型控制器可以構建恒流LED驅動(dòng)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驅動(dòng)器為例作分析。

　　2.2.1 應用多項控制器構建的LED驅動(dòng)器是一種專(zhuān)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(zhuān)用于恒流LED負載的反激式電源。LED驅動(dòng)用恒流源有助于保證LED在發(fā)光的工作時(shí)間段光線(xiàn)亮度一致、不閃爍。

　　圖2中LinkSwitch-PH控制器集成了多項專(zhuān)用于驅動(dòng)LED的新功能。該路與LED驅動(dòng)器采用標準反激式拓撲結構不同，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：通通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引腳收到電流反饋後，會(huì )調整集成高壓功率MOSFET的占空比，以維持電流調整率。該電路可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作，其控制器隨著(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造行控制，使其維持輸出電流調整率。由此可見(jiàn)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(jìn)行配置，使其提供恒流輸出，又能實(shí)現可控硅相位角檢測和功率（功率因素）的控制。

　　2.2.2無(wú)任何閃爍調光控制的實(shí)現

　　*LinkSwitch-PH控制器所具的特性是實(shí)現無(wú)任何閃爍調光控制的保證。LinkSwitch-PH控制器所具有的其中兩個(gè)特性是連續導通模式和頻率抖動(dòng)。這兩個(gè)特性除了有助于簡(jiǎn)化輸入濾波外，因：連續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(lái)滿(mǎn)足EMI標準的要求，可省去一個(gè)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(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。增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的1000:1調光范圍內穩定工作，并且無(wú)任何閃爍現象。

　　特別需指出的是，LinkSwitch-PH可通過(guò)連接的編程電阻設置為調光光模式，也可放置非調光模式。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。

　　*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(shuō)它是單級功率因數校正（PFC）、初級側恒流輸出及可控硅調光的LED驅動(dòng)器IC.

　　LinkSwitch-PH（如PH LNK403EG）可大幅簡(jiǎn)化要求功率因數大于0.9、具備可控硅調光的高效率LED驅動(dòng)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(shù)，不僅能提供非常高的功率因數和精確的恒流輸出控制，同時(shí)還可省去功率因數校正所需的無(wú)源電路以及光耦器和次級電流控制電路。每個(gè)器件都在一個(gè)單片IC上集成了一個(gè)725 V功率MOSFET、一個(gè)連續模式PWM控制器、一個(gè)自偏置的高壓開(kāi)關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、逐周期電流限制及遲滯熱關(guān)斷電路。而LinkSwitch-PH應用特征具體如下：其一，它是一種大幅簡(jiǎn)化離線(xiàn)式LED驅動(dòng)器。具有單級功率因數校正（PFC）及精確恒流（CC）輸出與無(wú)閃爍的相位控制可控硅調光，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(jiǎn)化初級側PWM調光接口；其二、精確穩定的性能。能快速啟動(dòng)時(shí)間，并補償變壓器電感容差與補償輸入電壓變化及頻率調制技術(shù)，從而極大縮減EMI濾波器的尺寸和成本；其三、先進(jìn)的保護及安全特性。它是一種開(kāi)路故障檢測模式，可通過(guò)自動(dòng)重啟動(dòng)提供短路保護能，自動(dòng)熱關(guān)斷或遲滯自動(dòng)重啟動(dòng)，無(wú)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(mǎn)足高壓爬電要求；其四、EcoSmart？ - 高效節能技術(shù)。低待機功率遠程O(píng)N/OFF控制功能（230 VAC輸入時(shí)《 50 mW），無(wú)需電流檢測電阻，可提高效率。LinkSwitch-PH為綠色封裝，即無(wú)鹵素和符合RoHS要求的封裝。需要說(shuō)明的應用PI的PH LNK403EG控制器構建出7W可調光LED驅動(dòng)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驅動(dòng)器可構建出新型的離線(xiàn)式和MRl6 LED照明方案，它采用獨特技術(shù)，能夠配合調光器和電子變壓器實(shí)現無(wú)閃爍調光，其方案示意見(jiàn)圖3所示。

　　該直接替換MR16鹵素燈的 LED解決方案，能確保兼容于現有照明方案的電子基礎架構，并幫助制造商從容應對大規模生產(chǎn)的屏障，故又稱(chēng)為離線(xiàn)式/MRl6燈的引腳兼容替代方案。它能有效延長(cháng)使用壽命，利用所安裝的切相調光器平穩調節亮度，并可低至0%;可配合絕大多數電子變壓器工作，實(shí)現無(wú)閃爍調光（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(xiàn)式）；無(wú)需電解電容，故又有效延長(cháng)燈管壽命。值此從應用角度對其方案實(shí)現作分析。

　　3.1獨特的構建方案

　　*問(wèn)題的提出

　　鹵素燈是一個(gè)純阻負載，不管加上交流電還是直流電都可以工作。通常驅動(dòng)鹵素燈的時(shí)候降低電壓，鹵素燈亮度降低，沒(méi)其他變化。而驅動(dòng)LED時(shí)會(huì )降低電壓，LED在一定程度上會(huì )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(lái)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驅動(dòng)器則是非線(xiàn)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(shí)它輸出的能力會(huì )大大下降，表現為輸出電壓由12V驟降至7V，如是8V啟動(dòng)的驅動(dòng)IC即進(jìn)入欠壓保護狀態(tài)，此時(shí)鹵素燈電子變壓器輸出電壓又升至12V，因此，采用現有電路架構時(shí)，會(huì )如此周而復始，使你見(jiàn)到LED燈在閃爍，不能調光，有些情況下甚至不能開(kāi)啟。為便于使用，LED換代燈必須與電子變壓器和切角調光器兼容。而應用MAX16840型LED驅動(dòng)器是有效的選擇。

　　*構建方案

它應用了新型MAX16840型LED驅動(dòng)器，該芯片的架構，使用了電子變壓器和切角調光器以實(shí)現無(wú)閃爍調光，形成了獨特的LED驅動(dòng)器方案，從而可實(shí)現兼容大多數電子變壓器和切角調光器MR16的LED燈設計。它在技術(shù)上確保無(wú)需對現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(chǎng)應用掃除了一大障礙，使終端用戶(hù)能夠以極低的配置成本獲得LED照明的全部?jì)?yōu)勢，即：是一種確保無(wú)閃爍并可調光操作，又能兼容于絕大多數電子變壓器和切角調光器，可直接替代MR16的LED換代方案；更無(wú)需更改現有的電氣架構，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(shí)現吶？

　　3.2 LED換代燈構建技術(shù)的實(shí)現

　　MAX16840具有的應用特征是LED換代燈構建技術(shù)的保證。MAX16840 集成MOSFET LED驅動(dòng)器，可用于MR16及其它12V交流輸入燈。它采用獨特的技術(shù)控制燈管的輸入電流，對輸入電流進(jìn)行整形，可使用大多數電子變壓器和調光器支持無(wú)閃爍工作，很好地解決了上述“問(wèn)題的提出”之困擾。

　　該類(lèi)MAX16840集成MOSFET LED驅動(dòng)器IC，包含了12V AC和24V AC輸入（例如MR16） LED燈驅動(dòng)器所需的全部功能，只需極少的外部元件。它采用的專(zhuān)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，并支持后沿調光（帶有電子變壓器）；它可用于構建buck、boost和buck-boost拓撲，內置0.2Ω （最大值）、48V開(kāi)關(guān)MOSFET;并采用固定頻率與平均電流控制模式。內置開(kāi)關(guān)MOSFET能夠進(jìn)一步節省空間、減少元件數量、降低方案成本。

　　而MAX16840芯片有3個(gè)重要引腳功能：FB引腳電壓可檢測輸入電流，并調節其平均值；而輸入引腳（REFI）用于設置輸入電流值，引腳電壓低于特定門(mén)限時(shí)，輸入電流與該電壓成正比，電壓超過(guò)特定門(mén)限時(shí)，輸入電流將置于固定的預置水平。據此利用REFI的非線(xiàn)性特性，連接一個(gè)NTC電阻，即可得到熱折返保護；IN引腳具有內部過(guò)壓保護，避免內部開(kāi)關(guān)MOSFET在LED串開(kāi)路或LED串電壓過(guò)高時(shí)損壞；它帶有一個(gè)獨立的EXT引腳，確保低輸入電壓開(kāi)啟時(shí)提供一個(gè)觸發(fā)啟動(dòng)電流，以配合電子變壓器正常工作。EXT驅動(dòng)外部npn晶體管，一旦IN跌落到5.5V UVLO門(mén)限以下，將EXT拉至地電平，外部npn晶體管關(guān)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(cháng)燈管使用壽命，滿(mǎn)足MR16燈的尺寸要求。此外，MAX16840可以采用無(wú)電解電容設計，從而也有效的延長(cháng)了LED燈的使用壽命，這是由于電解電容通常是驅動(dòng)電路中最先失效的元件。無(wú)電解電容設計還可降低驅動(dòng)器的成本和尺寸，亦滿(mǎn)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(lèi)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(chēng)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(cháng)的使用壽命，特別是能兼容眾多電子變壓器調光，支持無(wú)閃爍調光設計。但是，需要提醒的是為了獲得更有價(jià)值的替代方案，LED換代燈必須兼容于現有的基礎架構，其中包括切角調光和電子變壓器調光。在應用上，對于室內照明換代方案，高能效和較長(cháng)的工作壽命使得LED成為替代傳統照明的經(jīng)濟、實(shí)用的解決方案。值此例舉1種應用實(shí)例，見(jiàn)圖5為低壓LED球泡燈示意圖。

　　該LED驅動(dòng)方案用于12VAC輸入的MR16及類(lèi)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光。電路中無(wú)需使用電解電容，從而有效延長(cháng)了LED燈的工作壽命。除了電子變壓器，系統中采用后沿切角調光器，后沿調光器通過(guò)在交流電的每半個(gè)周期切斷最后部分來(lái)降低燈的亮度。

　　4 后話(huà)

　　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驅動(dòng)器或高集成MOSFET LED驅動(dòng)器，它們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，就能實(shí)現無(wú)閃爍調光的穩定工作。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，白熾燈泡或MR16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)任何改裝而通用于國內外。