照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師幾乎要對(duì)各種光源(除鎢絲燈外)的燈具進(jìn)行調(diào)光，一直以來，調(diào)光是都是極具挑戰(zhàn)性的工作。在許多應(yīng)用中，調(diào)光都十分重要，因?yàn)檎{(diào)光技術(shù)可使客戶根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置所需的亮度，而且還能大幅節(jié)省電費(fèi)。目前最常見的調(diào)光控制器是舍相(phase-cut)調(diào)光器，無論所提及的設(shè)備中實(shí)際是否包含三端雙向可控矽(TRIAC)元件,這類調(diào)光器通常都是指TRIAC調(diào)光器。將舍相調(diào)光器與小型螢光燈以及目前的LED燈相連是一個(gè)高難度的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。目前市面上的相關(guān)解決方案都不是很理想：一些方案的調(diào)光範(fàn)圍非常有限；有些方案甚至出現(xiàn)閃爍。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，美國國家半導(dǎo)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(diào)光器更有效地實(shí)現(xiàn)可調(diào)光固態(tài)照明。
LED驅(qū)動(dòng)電路
該解決方案透過使用美國國家半導(dǎo)體PowerWise LM3445 LED驅(qū)動(dòng)器將90~135VRMS交流主電源輸入(入牆式電源插座)轉(zhuǎn)換為350mA直流恆定電流源，因而驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)入牆式調(diào)光器進(jìn)行舍相或斬波，以削減LED的燈光輸出。如圖1所示的電路設(shè)計(jì)可確保用戶不會(huì)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?yàn)樾枰褂米儔浩�，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(nèi)建保護(hù)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(yīng)用所需的小尺寸，但需要利用燈泡材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)械隔離以通過安全法規(guī)。與其它方案相較，美國國家半導(dǎo)體LM3445 LED驅(qū)動(dòng)器適用於多種外形、尺寸和功率等級(jí)的應(yīng)用，同時(shí)支援隔離和無隔離解決方案。
功率因子校正
當(dāng)經(jīng)由入牆式交流主電源供電時(shí)，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(yīng)用的能源之星規(guī)格要求功率因子達(dá)到0.9以上。當(dāng)輸入電壓的諧波成分很低或?yàn)?時(shí)，功率因子運(yùn)算如下：
第一項(xiàng)考慮電流中不連續(xù)(尖峰和低谷)引起的諧波成分，第二項(xiàng)餘弦項(xiàng)考慮電壓和電流之間的相移。
這種應(yīng)用中，採用了許多不同的技術(shù)來提高含有高諧波成分或相移電路中的功率因子。這個(gè)過程被稱為功率因子校正(PFC)。PFC技術(shù)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。本文所介紹的解決方案使用被動(dòng)式PFC 技術(shù)無隔離設(shè)計(jì)，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(jí)數(shù)(電容數(shù)量)時(shí)，負(fù)載直接從線路傳輸。另外，作為二極體配置的結(jié)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(dāng)輸入電壓低於其峰值除以級(jí)數(shù)時(shí)，電容被迫在該放電階段以並聯(lián)方式為負(fù)載供電。該‘保持’電壓是初始輸入峰值電壓除以‘填谷’級(jí)數(shù)。在此展示平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的電路使用雙級(jí)‘填谷’電路，該電路非常重要。首先，它提供PFC，因?yàn)檗捖分胸?fù)載的功率來自輸入。其次，電容在平行放電中提供能量儲(chǔ)存，所以 LED電流中無120Hz紋波。最後，因?yàn)樗仁勾蟛糠蓦娏鲝妮斎刖�路中吸取，調(diào)光器開關(guān)僅接受所需電流)用於無閃爍作業(yè)。
採用LM3445 LED驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行相位調(diào)光
舍相調(diào)光器的調(diào)光已經(jīng)成為各種非鎢絲照明技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。舍相調(diào)光器分為兩類：正相和反相，如圖3所示。相位調(diào)光器需要‘泄放’電流以允許內(nèi)部定時(shí)電路正常工作，許多調(diào)光器需要額外的‘保持’電流以維持整個(gè)迴路的正常工作。LM3445 LED驅(qū)動(dòng)器的BLDR接腳提供泄放電流，外部電阻器R5在必要時(shí)可提供保持電流。美國國家半導(dǎo)體還可提供其他展示板，包括調(diào)光範(fàn)圍和增加效率的交流120Hz迴路中調(diào)變保持電流的另外電路。
對(duì)於寬泛的調(diào)光範(fàn)圍，LM3445 LED驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)了相位調(diào)光器的導(dǎo)通角或發(fā)射角，並將其轉(zhuǎn)換至合適的LED電流量，因而可以實(shí)現(xiàn)100:1的調(diào)光比。一些品質(zhì)更高的調(diào)光器可提供更寬的範(fàn)圍，但是大多數(shù)應(yīng)用不需要使用這類調(diào)光器。LM3445驅(qū)動(dòng)器使用低側(cè)驅(qū)動(dòng)的降壓穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)LED電流。
峰值電流在ISNS接腳處測(cè)量，紋波保持恆定以保持平均電壓恆定。透過執(zhí)行一個(gè)與輸出電壓VLED成反比的假恆定切斷時(shí)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(biāo)準(zhǔn)電感器中電壓、電流、電感和時(shí)間之間的關(guān)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(guān)係。
若可避免磁芯飽和，則可假設(shè)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(shè)計(jì)工具
設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)器，特別是相位調(diào)光應(yīng)用具有一定的難度。為了幫助設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，美國國家半導(dǎo)體開發(fā)出功能強(qiáng)大的在線設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。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(chǔ)設(shè)計(jì)工作，但是其他一些因素會(huì)使相位調(diào)光設(shè)計(jì)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(diào)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(diào)光器的測(cè)試，但是仍有可能與未經(jīng)測(cè)試的調(diào)光器相互干擾。
綜上所述，利用LM3445 LED驅(qū)動(dòng)器、大功率Cree LED和WEBENCH LED Designer設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)人員可以快速地開發(fā)高效、可靠、美觀的相位控制可調(diào)光固態(tài)照明系統(tǒng)。 |
