1 LED照明設計帶來的挑戰(zhàn)

目的，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.

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