- LED驅動器無閃爍的調光控制設計
- 采用由集成多項控制器構建的LED驅動器
- 采用高集成MOSFET LED驅動器
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驅動器來實現調光控制功能，又要實現高功率因數無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閃爍調光的設計。
應該說，調光是照明系統(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，但對于LED燈的調光而言卻存在一定難度，尤其是要實現無任何閃爍的調光控制。通常對建筑與用戶來說要將白熾燈或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的損耗與減少浪費。因而國內外各地的監(jiān)管機構都在進一步嚴格它們的功率因數規(guī)范，例如，能源之星固態(tài)照明能效規(guī)范規(guī)定，住宅照明產品的功率因數應大于0.7，商用照明產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。據此，本文將對LED照明應用中實現高功率因數性能的無任何閃爍的調光控制技術與構建等問題作研討，并以應用多項控制器構建的LED驅動器與高集成MOSFET LED驅動器2種高功率因數無任何閃爍的調光控制為例作重點分析。
2 應用多項控制器構建的LED驅動器是一種專用恒流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照明應用中存在問題
*可控硅調光器（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）所示可控硅調光器與LED驅動器配合架構示意。
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，以提取導通角信息，并根據該信號控制來控制LED的驅動電流，來得到調光的效果。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、音頻噪聲以及閃動現象。其因有二：笫一是可控硅調光的100Hz頻閃存在。因為電網的工頻是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生調光的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；笫二是可控硅調光器的調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的，為維持可控硅的穩(wěn)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）。它在驅動白熾燈時，該IH維持電流不是問題，然而，在驅動高效LED時，在燈熄滅時無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、音頻噪聲以及閃動現象。如果振蕩導致電流降到IH（8mA~40mA）以下，可控硅將關斷，其結果是在同一輸入線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驅動器負載能力入手是抑制閃爍的關鍵
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調光，需要把凋制信號頻移至更高的頻段，使人看不出來閃爍。驅動控制器芯片把調光的信號調至幾KHz更高的頻段。
關于可控硅調光的負載問題 可控硅調光器要穩(wěn)定工作，就需要有穩(wěn)定的IH來保障調光器工作。為解決可控硅調光負載過熱，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。
為避免出現可控硅調光相關的問題，LED驅動器必須滿足LED負載各種不同的要求，同時還得與白熾燈設計的調光電路實現兼容。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，并利用該信息來改變LED的恒流驅動。
2.2恒流LED負載的反激式電源的構建
應該說如今有多種類型控制器可以構建恒流LED驅動電源-LED負載的反激式電源。在此僅以集成多項控制器LinkSwitch.-PH構建的LED驅動器為例作分析。
2.2.1 應用多項控制器構建的LED驅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，它是專用于恒流LED負載的反激式電源。LED驅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動LED的新功能。該路與LED驅動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LinkSwitch-PH供電，通過FB引腳提供電流反饋。這兩個次級側繞組緊密耦合，從而使偏置繞組上的電壓與流經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的升降持續(xù)調整高壓功率MOSFET的占空比，并對每個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行配置，使其提供恒流輸出，又能實現可控硅相位角檢測和功率（功率因素）的控制。
2.2.2無任何閃爍調光控制的實現
*LinkSwitch-PH控制器所具的特性是實現無任何閃爍調光控制的保證。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調光范圍內穩(wěn)定工作，并且無任何閃爍現象。
特別需指出的是，LinkSwitch-PH可通過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，整流輸入的過零點和相位角用于設置輸出電流水平，從而提供調光功能。LinkSwitch-PH可用來設計這樣的高性能LED驅動器：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，同時無任何閃爍現象。
*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驅動器IC.
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LinkSwitch-PH（如PH LNK403EG）可大幅簡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和精確的恒流輸出控制，同時還可省去功率因數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驅動器。具有單級功率因數校正（PFC）及精確恒流（CC）輸出與無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 簡化初級側PWM調光接口；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控制器構建出7W可調光LED驅動器是一種典例。
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驅動器可構建出新型的離線式和MRl6 LED照明方案，它采用獨特技術，能夠配合調光器和電子變壓器實現無閃爍調光，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，能確保兼容于現有照明方案的電子基礎架構，并幫助制造商從容應對大規(guī)模生產的屏障，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光器平穩(wěn)調節(jié)亮度，并可低至0%;可配合絕大多數電子變壓器工作，實現無閃爍調光（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作分析。
3.1獨特的構建方案
*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，表現為輸出電壓由12V驟降至7V，如是8V啟動的驅動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，采用現有電路架構時，會如此周而復始，使你見到LED燈在閃爍，不能調光，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光器兼容。而應用MAX16840型LED驅動器是有效的選擇。
*構建方案
它應用了新型MAX16840型LED驅動器，該芯片的架構，使用了電子變壓器和切角調光器以實現無閃爍調光，形成了獨特的LED驅動器方案，從而可實現兼容大多數電子變壓器和切角調光器MR16的LED燈設計。它在技術上確保無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現吶？
3.2 LED換代燈構建技術的實現
MAX16840具有的應用特征是LED換代燈構建技術的保證。MAX16840 集成MOSFET LED驅動器，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，可使用大多數電子變壓器和調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驅動器IC，包含了12V AC和24V AC輸入（例如MR16） LED燈驅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開關MOSFET;并采用固定頻率與平均電流控制模式。內置開關MOSFET能夠進一步節(jié)省空間、減少元件數量、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引腳具有內部過壓保護，避免內部開關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動電路中最先失效的元件。無電解電容設計還可降低驅動器的成本和尺寸，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光，支持無閃爍調光設計。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，高能效和較長的工作壽命使得LED成為替代傳統(tǒng)照明的經濟、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)中采用后沿切角調光器，后沿調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建的LED驅動器或高集成MOSFET LED驅動器，它們既能執(zhí)行功率因數校正，又能執(zhí)行恒流驅動和相位角檢測，就能實現無閃爍調光的穩(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、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在卻不必再受此限制，制造出的可調光LED燈可以不經任何改裝而通用于國內外。
