详解无闪烁LED驱动调光控制设计

时间:2019-05-20 11:50来源:电子发烧友作者:电子发烧友 点击:
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摘要:详解无闪烁LED驱动调光控制设计-1 、LED照明设计带来的挑战 目前,全球照明行业的数字革命正在到来,高效节能的

关键字:详解,闪烁,驱动,调光,控制,设计

1 、LED照明设计带来的挑战

目前,全球照明行业的数字革命正在到来,高效节能的LED灯将取代白炽、M16卤素灯和CFL灯泡。但近段时间LED照明设计人员的工作面又临新的挑战,那就是同时满足既可用针对白炽灯与M16卤素灯的LED驱动器来实现调光控制功能,又要实现高功率因数无任何闪烁的调光控制的的新要求,尤其是要兼容现有的基础架构,其中包括切角调光和电子变压器调光支持无闪烁调光的设计。

应该说,调光是照明系统非常常见的功能,相对于对于白炽灯或M16卤素灯来说,它可以以低成本轻易实现,但对于LED灯的调光而言却存在一定难度,尤其是要实现无任何闪烁的调光控制。通常对建筑与用户来说要将白炽灯或M16转换到用LED照明其最有余悸的是惟恐失去调光控制应用上的优势,即应无任何闪烁。当然,其中功率因数也是非常重要的因素,因为高功率因数可降低配电纲络的损耗与减少浪费。因而国内外各地的监管机构都在进一步严格它们的功率因数规范,例如,能源之星固态照明能效规范规定,住宅照明产品的功率因数应大于0.7,商用照明产品的功率因数应大于0.9.由此 LED灯泡和灯具制造商正在对这些要求做出响应,要求LED驱动电路能适合各种调光单元,具有高效率并且功率因数(PF)》0.9,使其产品具有高的通用性。

由此如何应对LED照明设计带来的挑战,以满足新要求就成为制造厂商与设计人员及消费者迫切关注的问题。据此,本文将对LED照明应用中实现高功率因数性能的无任何闪烁的调光控制技术与构建等问题作研讨,并以应用多项控制器构建的LED驱动器与高集成MOSFET LED驱动器2种高功率因数无任何闪烁的调光控制为例作重点分析。

2 、应用多项控制器构建的LED驱动器是一种专用恒流LED负载的反激式电源

为此先从调光控制器的基本理念述起。

2.1可控硅调光器在LED照明应用中存在问题

*可控硅调光器(见图1(a)所示)。它是应用切相原理,减少VRMS来降低普通负载(电阻负载)的功率,工作效率较高性能稳定。

所以它是LED照明常用方法,见图1(b)所示可控硅调光器与LED驱动器配合架构示意。

 

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图1(b)中可控硅调光就是在芯片中或者应用电路中当切相电源时,以提取导通角信息,并根据该信号控制来控制LED的驱动电流,来得到调光的效果。然而可控硅调光器在LED照明应用中却有闪烁、发光不均匀、音频噪声以及闪动现象。其因有二:笫一是可控硅调光的100Hz频闪存在。因为电网的工频是50/60Hz,切相波形整流后,就是可以得到一个100/120Hz的脉冲信号。这样就可以直接用来产生调光的PWM信号。而实际应用中,只要有任何轻微的电压波动,电流变化,都会影响脉冲的占空比,这样就相当于一个100/120Hz的闪烁,而对白炽灯没有这个问题?是因为灯泡钨丝的物理惰性使得人不易感觉到;笫二是可控硅调光器的调光控制是通过改变可控硅导通每个半周期的相位角来实现的,为维持可控硅的稳定工作,它的重要参数之一维持电流(IH) 是不能为零(其典型值在8mA到40mA之间)。它在驱动白炽灯时,该IH维持电流不是问题,然而,在驱动高效LED时,在灯熄灭时无法保持维持电流不出现同题。尤其在有振荡情况下,就更容易出现闪烁、发光不均匀、音频噪声以及闪动现象。如果振荡导致电流降到IH(8mA~40mA)以下,可控硅将关断,其结果是在同一输入线路周期内多次重启可控硅,则LED灯频频发生闪烁。

*从提高LED驱动器负载能力入手是抑制闪烁的关键

可控硅调光的100Hz频闪-解决方法:不能直接把切相波形直接来调光,需要把凋制信号频移至更高的频段,使人看不出来闪烁。驱动控制器芯片把调光的信号调至几KHz更高的频段。

关于可控硅调光的负载问题 可控硅调光器要稳定工作,就需要有稳定的IH来保障调光器工作。为解决可控硅调光负载过热,就需要应用信号滤波技术,把截取进来的导通角信号进行整形滤波,让提高调光信号的可用性;为解决负载不足时的颤动,需要加入信号平滑及锁相技术,把相邻两个导通角信号平滑锁定。就可以大大的减少闪烁情况的发生。

为避免出现可控硅调光相关的问题,LED驱动器必须满足LED负载各种不同的要求,同时还得与白炽灯设计的调光电路实现兼容。用于替换标准白炽灯的LED灯通常包含多个LED,确保提供均匀的光照。这些LED以串联方式连接在一起。每个LED的亮度由其电流大小决定。LED的正向电压降约为3.4V,但通常介于2.8V到4.2V之间(±20%)。尽管负载变化较大,但LED灯串仍须由恒流电源提供驱动,因此必须对电流进行严格控制,以确保相邻LED灯之间具有高匹配度。LED灯要想实现可调光,其电源必须检测可控硅控制器的可变相位角输出,并利用该信息来改变LED的恒流驱动。

2.2恒流LED负载的反激式电源的构建

应该说如今有多种类型控制器可以构建恒流LED驱动电源-LED负载的反激式电源。在此仅以集成多项控制器LinkSwitch.-PH构建的LED驱动器为例作分析。

2.2.1 应用多项控制器构建的LED驱动器是一种专用恒流LED负载的反激式电源

图2所示为使用最新器件LinkSwitch.-PH控制器设计的反激式电源架构,它是专用于恒流LED负载的反激式电源。LED驱动用恒流源有助于保证LED在发光的工作时间段光线亮度一致、不闪烁。

 

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图2中LinkSwitch-PH控制器集成了多项专用于驱动LED的新功能。该路与LED驱动器采用标准反激式拓扑结构不同,它采用了初级侧调整。这样可省去光耦器和次级侧控制电路。变压器上的次级侧绕组(偏置绕组)具有两种功能:通通BP引脚为LinkSwitch-PH供电,通过FB引脚提供电流反馈。这两个次级侧绕组紧密耦合,从而使偏置绕组上的电压与流经LED负载的电流成比例。控制器在FB引脚收到电流反馈后,会调整集成高压功率MOSFET的占空比,以维持电流调整率。该电路可在经整流非平滑的AC市电输入下工作,其控制器随着市电输入在每个半周期内的升降持续调整高压功率MOSFET的占空比,并对每个半周期内的平均电荷造行控制,使其维持输出电流调整率。由此可见由LinkSwitch-PH控制器构建的用于恒流LED负载的反激式电源既可以进行配置,使其提供恒流输出,又能实现可控硅相位角检测和功率(功率因素)的控制。

2.2.2无任何闪烁调光控制的实现

*LinkSwitch-PH控制器所具的特性是实现无任何闪烁调光控制的保证。LinkSwitch-PH控制器所具有的其中两个特性是连续导通模式和频率抖动。这两个特性除了有助于简化输入滤波外,因:连续导通模式具有两大优势,即降低导通损耗(从而提高效率)和降低EMI特征,这有助于以低成本的小型输入EMI滤波器来满足EMI标准的要求,可省去一个大电容,并省去共模扼流圈或减小其尺寸;LinkSwitch-PH中的控制器还可将抖动应用到高压功率MOSFET的开关,这样可扩展开关频率的范围,进一步降低滤波要求。增加有源衰减电路和泄放电路可确保LED灯在极宽的1000:1调光范围内稳定工作,并且无任何闪烁现象。

特别需指出的是,LinkSwitch-PH可通过连接的编程电阻设置为调光光模式,也可放置非调光模式。在非调光模式下,电路可以接近1的功率因数在全AC输入范围内提供恒流输出。在调光模式下,整流输入的过零点和相位角用于设置输出电流水平,从而提供调光功能。LinkSwitch-PH可用来设计这样的高性能LED驱动器:可在全输入电压范围内工作,并使低成本可控硅调光器的调光范围达到1000:1,同时无任何闪烁现象。

*应用LinkSwitch-PH控制器是由其独特的特征所决定。那末究竟有什么应用特征呐?应该说它是单级功率因数校正(PFC)、初级侧恒流输出及可控硅调光的LED驱动器IC.

LinkSwitch-PH(如PH LNK403EG)可大幅简化要求功率因数大于0.9、具备可控硅调光的高效率LED驱动器的设计。这款高度集成控制器的器件采用了全新的控制技术,不仅能提供非常高的功率因数和精确的恒流输出控制,同时还可省去功率因数校正所需的无源电路以及光耦器和次级电流控制电路。每个器件都在一个单片IC上集成了一个725 V功率MOSFET、一个连续模式PWM控制器、一个自偏置的高压开关电流源、频率抖动、逐周期电流限制及迟滞热关断电路。而LinkSwitch-PH应用特征具体如下:其一,它是一种大幅简化离线式LED驱动器。具有单级功率因数校正(PFC)及精确恒流(CC)输出与无闪烁的相位控制可控硅调光,可省去光耦器、所有次级电流控制电路、省去所有控制环路补偿电路及 简化初级侧PWM调光接口;其二、精确稳定的性能。能快速启动时间,并补偿变压器电感容差与补偿输入电压变化及频率调制技术,从而极大缩减EMI滤波器的尺寸和成本;其三、先进的保护及安全特性。它是一种开路故障检测模式,可通过自动重启动提供短路保护能,自动热关断或迟滞自动重启动,无论在PCB板上还是在封装上,都保证高压漏极引脚与其他所有参考引脚之间满足高压爬电要求;其四、EcoSmart? - 高效节能技术。低待机功率远程ON/OFF控制功能(230 VAC输入时《 50 mW),无需电流检测电阻,可提高效率。LinkSwitch-PH为绿色封装,即无卤素和符合RoHS要求的封装。需要说明的应用PI的PH LNK403EG控制器构建出7W可调光LED驱动器是一种典例。

3 、新型可直接替换MR16卤素灯的LED构建方案

【光粒网综合报道】( 责任编辑:weixiang )
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