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LED可控矽調光原理及問題

發布時間:2017-04-19 10:21:58點擊率:

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      用於替換標準白熾燈的LED燈通常包含一個LED陣列,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的亮度由其電流決定,LED的正向電壓降約為3.4 V,通常介於2.8 V到4.2 V之間。LED燈串應當由恒流電源提供驅動,必須對電流進行嚴格控製,以確保相鄰LED燈之間具有高匹配度。

       LED燈要想實現可調光,其電源必須能夠分析可控矽控製器的可變相位角輸出,以便對流向LED的恒流進行單向調整。在維持調光器正常工作的同時做到這一點非常困難,往往會導致性能不佳。問題可以表現為啟動速度慢,閃爍、光照不均勻,或在調整光亮度時出現閃爍。此外,還存在元件間不一致以及LED燈發出不需要的音頻噪聲等問題。這些負麵情況通常是由誤觸發或過早關斷可控矽以及LED電流控製不當等因素共同造成的。誤觸發的根本原因是在可控矽導通時出現了電流振蕩。以圖表形式對該影響進行了說明。   
       發生在LED燈電源輸入級的可控矽電流與電壓振蕩

       可控矽導通時,AC市電電壓幾乎同時施加到LED燈電源的LC輸入濾波器。施加到電感的電壓階躍會導致振蕩。如果調光器電流在振蕩期間低於可控矽電流,可控矽將停止導電。可控矽觸發電路充電,然後重新導通調光器。這種不規則的多次可控矽重啟動,可使LED燈產生不需要的音頻噪聲和閃爍。設計更為簡單的 EMI濾波器有助於降低此類不必要的振蕩。要想實現成功調光,輸入EMI濾波器電感和電容還必須盡可能地小。

       振蕩的最差條件表現為90 度相位角(這時,輸入電壓達到正弦波峰值,突然施加到LED燈的輸入端),並且為高輸入電壓(這時,調光器的正向電流達到最低水平)。當需要深度調光(比如相位角接近180度)且為低輸入電壓時,則會發生過早關斷。要可靠地調低光度,可控矽必須單調導通,並停留在AC電壓幾乎降至零伏的點上。對於可控矽來說,維持導通所需的維持電流通常介於8 mA到40 mA之間。白熾燈比較容易維持這種電流大小,但對於功耗僅為等效白熾燈10%的LED燈來說,該電流可降低到可控矽維持電流以下,導致可控矽過早關斷。這樣就會造成閃爍和/或限製可調光範圍。

      在設計LED照明電源時還有許多其他問題構成挑戰。能源之星固態照明規範要求商業和工業應用的最小功率因數必須達到0.9,照明產品必須滿足效率、輸出電流容差和EMI的嚴格要求,並且電源還必須在LED負載發生短路或開路的情況下作出安全響應。
      隔離式可控矽調光的高功率因數通用輸入14 W LED驅動器的電路圖

      本設計采用了LinkSwitch-PH係列器件LNK406EG (U1)。LinkSwitch-PH係列LED驅動器IC同時集成了一個725 V功率MOSFET和一個連續導通模式初級側PWM控製器。控製器可實現單級主動功率因數校正(PFC)和恒流輸出。LinkSwitch-PH係列器件所采用的初級側控製技術可提供高精度恒流控製(性能遠優於傳統的初級側控製技術),省去了隔離反激式電源中常用的光耦器和輔助電路(即次級側控製電路),同時控製器中的PFC部分還省去了大容量電解電容。

      LinkSwitch-PH係列器件可設置為調光或非調光模式。對於可控矽相位調光應用,可在參考(REFERENCE)引腳上使用編程電阻(R4)和在電壓監測(VOLTAGE MONITOR)引腳上使用4 MΩ (R2+R3)電阻,使輸入電壓和輸出電流之間保持線性關係,從而擴大調光範圍。

      連續導通模式具有兩大優勢:降低導通損耗(從而提高效率)和降低EMI特征。EMI特征降低後,使用較小的輸入EMI濾波器即可滿足EMI標準。可省去一個X電容,並省去共模扼流圈或減小其尺寸。LinkSwitch-PH器件中內置的高壓功率MOSFET開關頻率抖動功能還可進一步降低濾波要求。輸入EMI濾波器尺寸減小意味著驅動電路的電阻性阻抗隨之減小,其重要好處就是能大幅降低輸入電流振蕩。由於LinkSwitch-PH由其內部參考電源供電,因此可進一步增強穩定性。對於可調光應用,增加主動衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的調光範圍內穩定工作,且無任何閃爍。

      恒流控製允許有±25%的電壓擺幅,這樣就無需根據正向電壓降對LED進行編碼,並且±5%的差異仍可確保一致的LED亮度。

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