详解无闪烁LED驱动调光控制设计

电子发烧友 发表于 2019-03-19 10:47:44 收藏 已收藏
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详解无闪烁LED驱动调光控制设计

电子发烧友 发表于 2019-03-19 10:47:44
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1 、LED照明设计带来的挑战

目前,全球照明行业的数字革命正在到来,高效节能的LED灯将取代白炽、M16卤素灯和CFL灯泡。但近段时间LED照明设计人员的工作面又临新的挑战,那就是同时满足既可用针对白炽灯与M16卤素灯的LED驱动器来实现调光控制功能,又要实现高功率因数无任何闪烁的调光控制的的新要求,尤其是要兼容现有的基础架构,其中包括切角调光和电子变压器调光支持无闪烁调光的设计。

应该说,调光是照明系统非常常见的功能,相对于对于白炽灯或M16卤素灯来说,它可以以低成本轻易实现,但对于LED灯的调光而言却存在一定难度,尤其是要实现无任何闪烁的调光控制。通常对建筑与用户来说要将白炽灯或M16转换到用LED照明其最有余悸的是惟恐失去调光控制应用上的优势,即应无任何闪烁。当然,其中功率因数也是非常重要的因素,因为高功率因数可降低配电纲络的损耗与减少浪费。因而国内外各地的监管机构都在进一步严格它们的功率因数规范,例如,能源之星固态照明能效规范规定,住宅照明产品的功率因数应大于0.7,商用照明产品的功率因数应大于0.9.由此 LED灯泡和灯具制造商正在对这些要求做出响应,要求LED驱动电路能适合各种调光单元,具有高效率并且功率因数(PF)》0.9,使其产品具有高的通用性。

由此如何应对LED照明设计带来的挑战,以满足新要求就成为制造厂商与设计人员及消费者迫切关注的问题。据此,本文将对LED照明应用中实现高功率因数性能的无任何闪烁的调光控制技术与构建等问题作研讨,并以应用多项控制器构建的LED驱动器与高集成MOSFET LED驱动器2种高功率因数无任何闪烁的调光控制为例作重点分析。

2 、应用多项控制器构建的LED驱动器是一种专用恒流LED负载的反激式电源

为此先从调光控制器的基本理念述起。

2.1可控硅调光器在LED照明应用中存在问题

*可控硅调光器(见图1(a)所示)。它是应用切相原理,减少VRMS来降低普通负载(电阻负载)的功率,工作效率较高性能稳定。

所以它是LED照明常用方法,见图1(b)所示可控硅调光器与LED驱动器配合架构示意。

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图1(b)中可控硅调光就是在芯片中或者应用电路中当切相电源时,以提取导通角信息,并根据该信号控制来控制LED的驱动电流,来得到调光的效果。然而可控硅调光器在LED照明应用中却有闪烁、发光不均匀、音频噪声以及闪动现象。其因有二:笫一是可控硅调光的100Hz频闪存在。因为电网的工频是50/60Hz,切相波形整流后,就是可以得到一个100/120Hz的脉冲信号。这样就可以直接用来产生调光的PWM信号。而实际应用中,只要有任何轻微的电压波动,电流变化,都会影响脉冲的占空比,这样就相当于一个100/120Hz的闪烁,而对白炽灯没有这个问题?是因为灯泡钨丝的物理惰性使得人不易感觉到;笫二是可控硅调光器的调光控制是通过改变可控硅导通每个半周期的相位角来实现的,为维持可控硅的稳定工作,它的重要参数之一维持电流(IH) 是不能为零(其典型值在8mA到40mA之间)。它在驱动白炽灯时,该IH维持电流不是问题,然而,在驱动高效LED时,在灯熄灭时无法保持维持电流不出现同题。尤其在有振荡情况下,就更容易出现闪烁、发光不均匀、音频噪声以及闪动现象。如果振荡导致电流降到IH(8mA~40mA)以下,可控硅将关断,其结果是在同一输入线路周期内多次重启可控硅,则LED灯频频发生闪烁。

*从提高LED驱动器负载能力入手是抑制闪烁的关键

可控硅调光的100Hz频闪-解决方法:不能直接把切相波形直接来调光,需要把凋制信号频移至更高的频段,使人看不出来闪烁。驱动控制器芯片把调光的信号调至几KHz更高的频段。

关于可控硅调光的负载问题 可控硅调光器要稳定工作,就需要有稳定的IH来保障调光器工作。为解决可控硅调光负载过热,就需要应用信号滤波技术,把截取进来的导通角信号进行整形滤波,让提高调光信号的可用性;为解决负载不足时的颤动,需要加入信号平滑及锁相技术,把相邻两个导通角信号平滑锁定。就可以大大的减少闪烁情况的发生。

为避免出现可控硅调光相关的问题,LED驱动器必须满足LED负载各种不同的要求,同时还得与白炽灯设计的调光电路实现兼容。用于替换标准白炽灯的LED灯通常包含多个LED,确保提供均匀的光照。这些LED以串联方式连接在一起。每个LED的亮度由其电流大小决定。LED的正向电压降约为3.4V,但通常介于2.8V到4.2V之间(±20%)。尽管负载变化较大,但LED灯串仍须由恒流电源提供驱动,因此必须对电流进行严格控制,以确保相邻LED灯之间具有高匹配度。LED灯要想实现可调光,其电源必须检测可控硅控制器的可变相位角输出,并利用该信息来改变LED的恒流驱动。

2.2恒流LED负载的反激式电源的构建

应该说如今有多种类型控制器可以构建恒流LED驱动电源-LED负载的反激式电源。在此仅以集成多项控制器LinkSwitch.-PH构建的LED驱动器为例作分析。

2.2.1 应用多项控制器构建的LED驱动器是一种专用恒流LED负载的反激式电源

图2所示为使用最新器件LinkSwitch.-PH控制器设计的反激式电源架构,它是专用于恒流LED负载的反激式电源。LED驱动用恒流源有助于保证LED在发光的工作时间段光线亮度一致、不闪烁。

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图2中LinkSwitch-PH控制器集成了多项专用于驱动LED的新功能。该路与LED驱动器采用标准反激式拓扑结构不同,它采用了初级侧调整。这样可省去光耦器和次级侧控制电路。变压器上的次级侧绕组(偏置绕组)具有两种功能:通通BP引脚为LinkSwitch-PH供电,通过FB引脚提供电流反馈。这两个次级侧绕组紧密耦合,从而使偏置绕组上的电压与流经LED负载的电流成比例。控制器在FB引脚收到电流反馈后,会调整集成高压功率MOSFET的占空比,以维持电流调整率。该电路可在经整流非平滑的AC市电输入下工作,其控制器随着市电输入在每个半周期内的升降持续调整高压功率MOSFET的占空比,并对每个半周期内的平均电荷造行控制,使其维持输出电流调整率。由此可见由LinkSwitch-PH控制器构建的用于恒流LED负载的反激式电源既可以进行配置,使其提供恒流输出,又能实现可控硅相位角检测和功率(功率因素)的控制。

2.2.2无任何闪烁调光控制的实现

*LinkSwitch-PH控制器所具的特性是实现无任何闪烁调光控制的保证。LinkSwitch-PH控制器所具有的其中两个特性是连续导通模式和频率抖动。这两个特性除了有助于简化输入滤波外,因:连续导通模式具有两大优势,即降低导通损耗(从而提高效率)和降低EMI特征,这有助于以低成本的小型输入EMI滤波器来满足EMI标准的要求,可省去一个大电容,并省去共模扼流圈或减小其尺寸;LinkSwitch-PH中的控制器还可将抖动应用到高压功率MOSFET的开关,这样可扩展开关频率的范围,进一步降低滤波要求。增加有源衰减电路和泄放电路可确保LED灯在极宽的1000:1调光范围内稳定工作,并且无任何闪烁现象。

特别需指出的是,LinkSwitch-PH可通过连接的编程电阻设置为调光光模式,也可放置非调光模式。在非调光模式下,电路可以接近1的功率因数在全AC输入范围内提供恒流输出。在调光模式下,整流输入的过零点和相位角用于设置输出电流水平,从而提供调光功能。LinkSwitch-PH可用来设计这样的高性能LED驱动器:可在全输入电压范围内工作,并使低成本可控硅调光器的调光范围达到1000:1,同时无任何闪烁现象。

*应用LinkSwitch-PH控制器是由其独特的特征所决定。那末究竟有什么应用特征呐?应该说它是单级功率因数校正(PFC)、初级侧恒流输出及可控硅调光的LED驱动器IC.

LinkSwitch-PH(如PH LNK403EG)可大幅简化要求功率因数大于0.9、具备可控硅调光的高效率LED驱动器的设计。这款高度集成控制器的器件采用了全新的控制技术,不仅能提供非常高的功率因数和精确的恒流输出控制,同时还可省去功率因数校正所需的无源电路以及光耦器和次级电流控制电路。每个器件都在一个单片IC上集成了一个725 V功率MOSFET、一个连续模式PWM控制器、一个自偏置的高压开关电流源、频率抖动、逐周期电流限制及迟滞热关断电路。而LinkSwitch-PH应用特征具体如下:其一,它是一种大幅简化离线式LED驱动器。具有单级功率因数校正(PFC)及精确恒流(CC)输出与无闪烁的相位控制可控硅调光,可省去光耦器、所有次级电流控制电路、省去所有控制环路补偿电路及 简化初级侧PWM调光接口;其二、精确稳定的性能。能快速启动时间,并补偿变压器电感容差与补偿输入电压变化及频率调制技术,从而极大缩减EMI滤波器的尺寸和成本;其三、先进的保护及安全特性。它是一种开路故障检测模式,可通过自动重启动提供短路保护能,自动热关断或迟滞自动重启动,无论在PCB板上还是在封装上,都保证高压漏极引脚与其他所有参考引脚之间满足高压爬电要求;其四、EcoSmart? - 高效节能技术。低待机功率远程ON/OFF控制功能(230 VAC输入时《 50 mW),无需电流检测电阻,可提高效率。LinkSwitch-PH为绿色封装,即无卤素和符合RoHS要求的封装。需要说明的应用PI的PH LNK403EG控制器构建出7W可调光LED驱动器是一种典例。

3 、新型可直接替换MR16卤素灯的LED构建方案

概述 应用高集成MOSFET LED驱动器可构建出新型的离线式和MRl6 LED照明方案,它采用独特技术,能够配合调光器和电子变压器实现无闪烁调光,其方案示意见图3所示。

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该直接替换MR16卤素灯的 LED解决方案,能确保兼容于现有照明方案的电子基础架构,并帮助制造商从容应对大规模生产的屏障,故又称为离线式/MRl6灯的引脚兼容替代方案。它能有效延长使用寿命,利用所安装的切相调光器平稳调节亮度,并可低至0%;可配合绝大多数电子变压器工作,实现无闪烁调光(MRl6);可在90-265VAC通用输入下使得同一设计能够支持全球范围的照明架构(离线式);无需电解电容,故又有效延长灯管寿命。值此从应用角度对其方案实现作分析。

3.1独特的构建方案

*问题的提出

卤素灯是一个纯阻负载,不管加上交流电还是直流电都可以工作。通常驱动卤素灯的时候降低电压,卤素灯亮度降低,没其他变化。而驱动LED时会降低电压,LED在一定程度上会发生闪烁。为什么呢?卤素灯是纯电阻负载,一般的卤素灯都是采用电子变压器来把220V交流高压降低到12V的高频(50kHz)低压的,因此卤素灯电子变压器与其配合能很好的工作。而LED驱动器则是非线性的,不是纯阻性负载,属容性阻抗+感性阻抗的负载,卤素灯电子变压器接受LED灯负载时它输出的能力会大大下降,表现为输出电压由12V骤降至7V,如是8V启动的驱动IC即进入欠压保护状态,此时卤素灯电子变压器输出电压又升至12V,因此,采用现有电路架构时,会如此周而复始,使你见到LED灯在闪烁,不能调光,有些情况下甚至不能开启。为便于使用,LED换代灯必须与电子变压器和切角调光器兼容。而应用MAX16840型LED驱动器是有效的选择。

*构建方案 它应用了新型MAX16840型LED驱动器,该芯片的架构,使用了电子变压器和切角调光器以实现无闪烁调光,形成了独特的LED驱动器方案,从而可实现兼容大多数电子变压器和切角调光器MR16的LED灯设计。它在技术上确保无需对现有电路架构做任何修改就可用LED换代灯直接替换MR16卤素灯。该方案为市场应用扫除了一大障碍,使终端用户能够以极低的配置成本获得LED照明的全部优势,即:是一种确保无闪烁并可调光操作,又能兼容于绝大多数电子变压器和切角调光器,可直接替代MR16的LED换代方案;更无需更改现有的电气架构,又缩小板尺寸并降低BOM成本。那末LED换代灯构建设计是如何实现呐?

3.2 LED换代灯构建技术的实现

MAX16840具有的应用特征是LED换代灯构建技术的保证。MAX16840 集成MOSFET LED驱动器,可用于MR16及其它12V交流输入灯。它采用独特的技术控制灯管的输入电流,对输入电流进行整形,可使用大多数电子变压器和调光器支持无闪烁工作,很好地解决了上述“问题的提出”之困扰。

该类MAX16840集成MOSFET LED驱动器IC,包含了12V AC和24V AC输入(例如MR16) LED灯驱动器所需的全部功能,只需极少的外部元件。它采用的专有的输入电流控制机制使所构建的LED灯可兼容于电子变压器设计,并支持后沿调光(带有电子变压器);它可用于构建buck、boost和buck-boost拓扑,内置0.2Ω (最大值)、48V开关MOSFET;并采用固定频率与平均电流控制模式。内置开关MOSFET能够进一步节省空间、减少元件数量、降低方案成本。

而MAX16840芯片有3个重要引脚功能:FB引脚电压可检测输入电流,并调节其平均值;而输入引脚(REFI)用于设置输入电流值,引脚电压低于特定门限时,输入电流与该电压成正比,电压超过特定门限时,输入电流将置于固定的预置水平。据此利用REFI的非线性特性,连接一个NTC电阻,即可得到热折返保护;IN引脚具有内部过压保护,避免内部开关MOSFET在LED串开路或LED串电压过高时损坏;它带有一个独立的EXT引脚,确保低输入电压开启时提供一个触发启动电流,以配合电子变压器正常工作。EXT驱动外部npn晶体管,一旦IN跌落到5.5V UVLO门限以下,将EXT拉至地电平,外部npn晶体管关断。其IC采用3mm x 3mm、10引脚、TDFN封装,-40°C至+125°C工作温度范围。图4为MAX16840典型应用示意图。它被广泛应用于MR16及其它12V交流或直流输入LED照明之中。

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由于MAX16840的应用,从而延长灯管使用寿命,满足MR16灯的尺寸要求。此外,MAX16840可以采用无电解电容设计,从而也有效的延长了LED灯的使用寿命,这是由于电解电容通常是驱动电路中最先失效的元件。无电解电容设计还可降低驱动器的成本和尺寸,亦满足MR16灯的小尺寸要求。值得指出的是,它的使用使LED灯设计人员可以直接替换MR16卤素灯,省去了同类竞争方案所需的昂贵的电路升级成本。由此更明确独特的MR16 LED照明方案优势的所在,即LED换代灯(或称改造灯)构建与白炽灯、卤素灯和荧光灯相比,换代灯配合LED灯源能够提供超高效率和更长的使用寿命,特别是能兼容众多电子变压器调光,支持无闪烁调光设计。但是,需要提醒的是为了获得更有价值的替代方案,LED换代灯必须兼容于现有的基础架构,其中包括切角调光和电子变压器调光。在应用上,对于室内照明换代方案,高能效和较长的工作寿命使得LED成为替代传统照明的经济、实用的解决方案。值此例举1种应用实例,见图5为低压LED球泡灯示意图。

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该LED驱动方案用于12VAC输入的MR16及类似的换代灯,可配合电子变压器工作,支持电子变压器的后沿调光。电路中无需使用电解电容,从而有效延长了LED灯的工作寿命。除了电子变压器,系统中采用后沿切角调光器,后沿调光器通过在交流电的每半个周期切断最后部分来降低灯的亮度。

4 、结语

从上面介绍的种应用情况可以看出,如果所采用由集成多项控制器构建的LED驱动器或高集成MOSFET LED驱动器,它们既能执行功率因数校正,又能执行恒流驱动和相位角检测,就能实现无闪烁调光的稳定工作。此外,还能使电路满足所有国际标准的效率、功率因数、谐波和EMI要求。过去,白炽灯泡或MR16必须针对特定的电源电压进行制造。现在却不必再受此限制,制造出的可调光LED灯可以不经任何改装而通用于国内外。

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