照明系統(tǒng)設計師幾乎要對各種光源(除鎢絲燈外)的燈具進行調光，一直以來，調光是都是極具挑戰(zhàn)性的工作。在許多應用中，調光都十分重要，因為調光技術可使客戶根據(jù)實際需要設置所需的亮度，而且還能大幅節(jié)省電費。目前最常見的調光控制器是舍相(phase-cut)調光器，無論所提及的設備中實際是否包含三端雙向可控矽(TRIAC)元件,這類調光器通常都是指TRIAC調光器。將舍相調光器與小型螢光燈以及目前的LED燈相連是一個高難度的設計挑戰(zhàn)。目前市面上的相關解決方案都不是很理想：一些方案的調光範圍非常有限；有些方案甚至出現(xiàn)閃爍。針對上述挑戰(zhàn)，美國國家半導體、科銳(Cree)和Arrow電子聯(lián)合發(fā)佈了全新的解決方案，該方案可以使用傳統(tǒng)的舍相調光器更有效地實現(xiàn)可調光固態(tài)照明。
LED驅動電路
該解決方案透過使用美國國家半導體PowerWise LM3445 LED驅動器將90~135VRMS交流主電源輸入(入牆式電源插座)轉換為350mA直流恆定電流源，因而驅動高功率Cree白光LED。在住宅、商用和產(chǎn)業(yè)建築中，交流主電源通常經(jīng)由標準入牆式調光器進行舍相或斬波，以削減LED的燈光輸出。如圖1所示的電路設計可確保用戶不會無意中接觸電路中的高電壓。
在圖1中，該電路未經(jīng)隔離處理，這意味著從輸入(交流主電源)至輸出(LED燈具)是一條直流路徑。隔離的解決方案也就是電流隔離通常需要使用變壓器。兩類方案各有利弊。隔離的解決方案通常擁有較大的體積和較小效率，因為需要使用變壓器，並且可能使用輸出反饋的光電耦合器。不過，透過在交流主電源和用戶之間提供內建保護可以更容易地透過諸如UL60950這樣的安全法規(guī)。相反，無隔離的解決方案體積較小，因此更適合燈泡翻新應用所需的小尺寸，但需要利用燈泡材料和結構的機械隔離以通過安全法規(guī)。與其它方案相較，美國國家半導體LM3445 LED驅動器適用於多種外形、尺寸和功率等級的應用，同時支援隔離和無隔離解決方案。
功率因子校正
當經(jīng)由入牆式交流主電源供電時，可能在輸入電流和電壓，甚至輸入電壓波形的尖峰和低谷之間產(chǎn)生相移。有功功率和視在功率的比稱為功率因子，以0和1之間的數(shù)字表示。商業(yè)固態(tài)照明應用的能源之星規(guī)格要求功率因子達到0.9以上。當輸入電壓的諧波成分很低或為0時，功率因子運算如下：
第一項考慮電流中不連續(xù)(尖峰和低谷)引起的諧波成分，第二項餘弦項考慮電壓和電流之間的相移。
這種應用中，採用了許多不同的技術來提高含有高諧波成分或相移電路中的功率因子。這個過程被稱為功率因子校正(PFC)。PFC技術分為主動式和被動式。本文所介紹的解決方案使用被動式PFC 技術無隔離設計，稱為‘填谷(Valley-Fill)’電路。該‘填谷’電路工作原理如圖 2 所示。
輸入電壓大於先前峰值電壓除以‘填谷’級數(shù)(電容數(shù)量)時，負載直接從線路傳輸。另外，作為二極體配置的結果，電容以串聯(lián)方式充電，因而以串聯(lián)的電容數(shù)目均分電壓。當輸入電壓低於其峰值除以級數(shù)時，電容被迫在該放電階段以並聯(lián)方式為負載供電。該‘保持’電壓是初始輸入峰值電壓除以‘填谷’級數(shù)。在此展示平臺上實現(xiàn)的電路使用雙級‘填谷’電路，該電路非常重要。首先，它提供PFC，因為迴路中負載的功率來自輸入。其次，電容在平行放電中提供能量儲存，所以 LED電流中無120Hz紋波。最後，因為它迫使大部份電流從輸入線路中吸取，調光器開關僅接受所需電流)用於無閃爍作業(yè)。
採用LM3445 LED驅動器進行相位調光
舍相調光器的調光已經(jīng)成為各種非鎢絲照明技術面臨的挑戰(zhàn)。舍相調光器分為兩類：正相和反相，如圖3所示。相位調光器需要‘泄放’電流以允許內部定時電路正常工作，許多調光器需要額外的‘保持’電流以維持整個迴路的正常工作。LM3445 LED驅動器的BLDR接腳提供泄放電流，外部電阻器R5在必要時可提供保持電流。美國國家半導體還可提供其他展示板，包括調光範圍和增加效率的交流120Hz迴路中調變保持電流的另外電路。
對於寬泛的調光範圍，LM3445 LED驅動器充當了相位調光器的導通角或發(fā)射角，並將其轉換至合適的LED電流量，因而可以實現(xiàn)100:1的調光比。一些品質更高的調光器可提供更寬的範圍，但是大多數(shù)應用不需要使用這類調光器。LM3445驅動器使用低側驅動的降壓穩(wěn)壓器調節(jié)LED電流。
峰值電流在ISNS接腳處測量，紋波保持恆定以保持平均電壓恆定。透過執(zhí)行一個與輸出電壓VLED成反比的假恆定切斷時間,紋波得以保持恆定。這種方法透過保持紋波電流恆定以保持LED堆疊的平均電流恆定，而無需考慮輸入和輸出電壓變化，這基於電感器固有的基本工作原理。下列等式體現(xiàn)了標準電感器中電壓、電流、電感和時間之間的關係。簡言之，可以不考慮續(xù)流二極體的正向電壓與LED堆疊電壓之間的關係。
若可避免磁芯飽和，則可假設電感值(L)是恆量，如果tOFF與VLED成反比，那麼電感中的紋波電流也是恆量。恆定的峰值電流配合恆定的紋波則能得到所需的恆定平均電流。
WEBENCH LED設計工具
設計LED驅動器，特別是相位調光應用具有一定的難度。為了幫助設計師應對設計挑戰(zhàn)，美國國家半導體開發(fā)出功能強大的在線設計環(huán)境，稱為WEBENCH LED Designer，其中包含多種Cree LED元件，可以直接使用LED的電子模式在特定的電路上進行設計。圖4是Cree LED選擇圖表的介面圖。
WEBENCH LED Designer可快速提供可靠的基礎設計工作，但是其他一些因素會使相位調光設計變得複雜，例如電磁相容。通常用在離線式電路輸入端的共模和差模濾波器可與正相和反相調光器中的多種電路配置相互干擾。本展示單元中的濾波器經(jīng)過多種正相和反相調光器的測試，但是仍有可能與未經(jīng)測試的調光器相互干擾。
綜上所述，利用LM3445 LED驅動器、大功率Cree LED和WEBENCH LED Designer設計工具，設計人員可以快速地開發(fā)高效、可靠、美觀的相位控制可調光固態(tài)照明系統(tǒng)。 |
