LED照明应用的无闪烁调光实现方案

　如今，LED照明已确然成为一项主流技术。该项技术正日臻成熟，标志之一就是大量LED照明标准和规范的陆续出台。严格的效率要求已存在相当一段时间了，今后仍将不断提高。但近段时间，LED照明设计师的工作却更为棘手了，因为要同时满足以下两项要求：既要用针对白炽灯的调光器来实现调光控制功能，又要实现高功率因数性能。

　　调光是照明系统非常常见的功能。对于白炽灯来说，它可以以低成本轻易实现。LED灯的调光却存在一定难度，但对于建筑师和住宅用户来说，在转换到LED照明时可不愿失去调光控制应有的优势。

　　功率因数是非常重要的因素，因为高功率因数可降低配电网络的损耗。降低电力使用对环境所造成影响的最有效方式是减少浪费，因此世界各地的监管机构都在进一步严格他们的功率因数规范。其中一个例子就是能源之星固态照明能效规范(09/12/07)，它规定住宅照明产品的功率因数(PF)应大于0.7，商用照明产品的功率因数(PF)应大于0.9。

　　图1:LED灯泡构造图。

　　LED灯泡和灯具制造商正在对这些要求做出响应，自然希望他们的产品具有尽可能高的通用性。因此，他们非常需要能兼容各种调光器的LED驱动电路，实现高效率工作并使功率因数达到0.9以上。

　　调光控制器

　　照明控制器以线路调光或次级侧调光的方式进行工作。最简单的线路调光方式是前沿可控硅控制器。这是目前最常用的照明控制方式，但不幸的事,使用可控硅控制器对LED灯进行调光时会产生大量问题。更先进的线路调光器是电子前沿或后沿调光器。次级侧电子控制调光器则用于专业照明系统。

　　可控硅控制器在白炽灯中的表现无可挑剔，但在LED灯中会产生各种负面效应，其中包括闪烁、发光不均匀、音频噪声以及闪动。要想弄清原因，首先必须了解可控硅调光器的工作原理。

　　图2:前沿可控硅调光器。

　　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。灯泡灯丝中的电流与调光信号的相位角密切相关，相位角的变化范围介于0°(接近0°)到180°之间。可控硅的重要参数之一是维持电流(IH)。这是可控硅在不使用栅极驱动的情况下保持导通所必须维持的最小负载。为维持可控硅的稳定工作，该电流不能为零，IH的典型值介于8 mA到40 mA。驱动白炽灯时，维持电流不是问题。然而，由于LED灯效率较高，在无法保持维持电流和灯熄灭时，就会出现问题。如有任何振荡发生，就很容易出现此类情况。

　　对可控硅控制器来说，白炽灯的阻抗非常低，因此不会出现振荡。相反，LED驱动器具有高阻抗，而且其输入EMI滤波电路由电容和电感组成。在每个半周期，当可控硅导通时就会出现浪涌电流，最糟糕的情况是，在90°导通角下输入电压达到最大值。由于线路/滤波器阻抗的存在，总线电压会发生过冲，从而发生振荡。如果振荡导致电流降到IH以下，可控硅将关断(图3)。

　　图3:输入EM滤波器引起的电流振荡。

　　当可控硅关断时，R1和R2对DIAC(图2)重新充电至击穿阈值。DIAC然后导通TRIAC，重新开始下一开关周期。结果是在同一输入线路周期内多次重启动可控硅(图4)。

　　图4:可控硅因振荡多次重启动。

　　为避免出现与可控硅调光相关的问题，LED驱动器必须满足LED负载非常不同的要求，同时还得与专为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3.4 V，但通常介于2.8 V到4.2 V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。电路自身所产生的传导EMI必须达到最低水平，使输入滤波器尽可能地小。此外，驱动电路必须控制功率因数。