LED照明是一種主流技術。 LED手電筒，交通信號燈和車燈是司空見慣的，并且正在推動以電源供電的住宅，商業(yè)和工業(yè)應用中取代白熾燈和熒光燈。轉向高能效LED照明所節(jié)省的能源簡直令人咋舌。僅在中國，當局估計將該國三分之一的照明市場轉移到LED將節(jié)省至少1億千瓦時的電力，每年減少二氧化碳排放量2900萬噸。然而，有一個障礙 - 控制輸出沒有閃爍是困難的，特別是在照明等應用中，無論是國內(nèi)還是城市。
白熾燈使用簡單，低成本，領先的基于TRIAC的調(diào)光器，相對容易調(diào)光。 TRIAC是一種電子開關，允許小的控制電壓和電流切換非常高的電壓，如照明控制系統(tǒng)。結果，這些調(diào)光器無處不在。為了使固態(tài)照明或基于LED的改型燈真正成功，它們必須能夠在與現(xiàn)有控制器和布線一起使用時變暗。
嘗試調(diào)暗LED燈遇到了許多問題，經(jīng)常導致閃爍和其他不良行為。要了解原因，首先要解釋TRIAC控制器的工作原理，然后考慮LED燈的技術，最后看看這兩者是如何相互作用的。
圖1：典型的前沿TRIAC調(diào)光器及其產(chǎn)生的電壓和電流波形。 (：Power Integrations)。
在典型的TRIAC控制器中(見圖1)，電位器R2用于調(diào)節(jié)TRIAC的相角，當VC2超過DIAC的擊穿電壓時，TRIAC會在每個主要交流電壓邊沿觸發(fā)。當TRIAC電流低于其保持電流(IH)時，TRIAC關閉，必須等到C2在下一個半周期再充電才能再次打開。施加在燈絲上的電壓和通過燈絲的電流是調(diào)光信號的相位角的函數(shù)，其可以從幾乎為零到180°變化。
用于取代標準白熾燈泡的LED燈通常包含LED陣列，其布置成提供均勻的光擴散。 LED串聯(lián)連接。每個LED的亮度是通過它的電流的函數(shù)，LED的正向壓降通常約為3.4 V，但可以在2.8 V到4.2 V之間變化.LED串應由恒流驅(qū)動電源必須嚴格控制，以確保相鄰燈之間的匹配。
對于可調(diào)光的LED燈，燈的電源必須解釋TRIAC控制器的可變相角輸出，以單調(diào)調(diào)節(jié)LED的恒流驅(qū)動。在保持調(diào)光器正常工作的同時實現(xiàn)這一點的困難可能導致性能不佳。調(diào)節(jié)亮度時，問題可能顯示為閃爍，啟動緩慢，照明不均勻或閃爍。還存在單元到單元不一致以及從燈發(fā)出的不希望的可聽噪聲的問題。這些影響通常是由錯誤觸發(fā)或過早關閉TRIAC和LED電流控制不當引起的。錯誤觸發(fā)的根本原因是當TRIAC觸發(fā)時的當前振鈴。圖2說明了這種效果。
圖2.在LED燈電源輸入端看到的TRIAC電流和電壓振鈴。 (：Power Integrations)。
當TRIAC點火時，此時的交流電源電壓幾乎瞬間施加到LED燈電源的LC輸入濾波器。施加到電感的電壓階躍導致振鈴。如果在此振鈴期間通過調(diào)光器的電流低于TRIAC觸發(fā)電流，則TRIAC停止導通。然后，TRIAC觸發(fā)電路重新充電并重新點亮調(diào)光器。這種錯誤的多個TRIAC重啟會在LED燈中引起不期望的可聽噪聲和閃爍。較不復雜的輸入EMI濾波器有助于減少這種不良振鈴。為了成功調(diào)光，輸入EMI濾波電感和電容盡可能小是至關重要的。
振鈴的最壞情況是90°相位角(當輸入電壓處于正弦波峰值時，突然施加到LED燈的輸入端)和高壓線路電壓(當調(diào)光器正向電流最小)。當需要深度調(diào)光(相角接近180°)和低線路電源電壓時，可能會發(fā)生過早關斷。
為了實現(xiàn)低至低電平的可靠調(diào)光，TRIAC必須單調(diào)開啟并保持接近交流電壓降至零的程度。對于TRIAC，維持傳導所需的保持電流通常在8mA至40mA的范圍內(nèi)。對于白熾燈，這種電流易于維護，但是LED燈的功耗不到同等白熾燈功率的10%，電流很容易低于TRIAC的保持電流，導致器件過早關斷。這也可能導致閃爍和/或限制可調(diào)光范圍。
在設計LED照明電源時，許多其他問題也面臨挑戰(zhàn)。對于商業(yè)和工業(yè)應用，固態(tài)燈具的能源之星 2 規(guī)格要求最小功率因數(shù)為0.9。必須滿足對效率，輸出電流容差和EMI的嚴格要求，并且在LED負載短路或開路的情況下，電源必須安全響應。
Power Integrations(PI)最近的技術/產(chǎn)品開發(fā)提供了一個很好的例子，說明如何應對驅(qū)動LED和TRIAC兼容性的挑戰(zhàn)。圖3是PI開發(fā)的TRIAC可調(diào)光14 W LED驅(qū)動器的原理圖。
圖3.隔離式TRIAC可調(diào)光高功率因數(shù)通用輸入14 W LED驅(qū)動器的原理圖。 (：Power Integrations)。
該電路基于Power Integrations的LinkSwitch-PH™系列器件LNK406EG(U1)。 LinkSwitch-PH系列LED驅(qū)動器IC在單片IC中集成了725 V功率MOSFET和連續(xù)導通模式，初級側PWM控制器?？刂破髟趩渭壷袑崿F(xiàn)有源功率因數(shù)校正和恒定電流輸出。 LinkSwitch-PH系列器件使用的初級側控制技術提供高度精確的恒流控制，無需光耦合器和支持電路，通常用于實現(xiàn)次級側控制電路的隔離式反激式電源，而控制器的PFC部分消除了電解大容量電容器。
LinkSwitch-PH系列器件可設置為調(diào)光或非調(diào)光模式。對于TRIAC相位調(diào)光應用，參考引腳上使用編程電阻(R4)，電壓監(jiān)控引腳上使用4MΩ(R2 + R3)，以提供輸入電壓和輸出電流之間的線性關系，從而最大化調(diào)光范圍。
連續(xù)導通模式有兩個主要優(yōu)點：降低傳導損耗(因此效率更高)和更低的EMI特征，可以通過更小的輸入EMI濾波器滿足EMI標準。 LinkSwitch-PH系列器件中內(nèi)置的高壓功率MOSFET開關頻率抖動進一步降低了濾波要求。較小的輸入EMI濾波器為驅(qū)動電路提供較低的無功阻抗，提供顯著降低輸入電流振鈴的關鍵優(yōu)勢。由于LinkSwitch-PH由其自身的內(nèi)部參考電源供電，因此穩(wěn)定性得到進一步提高。對于可調(diào)光應用，增加有源阻尼器和泄放電路可確保在極寬的調(diào)光范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定，無閃爍的操作。恒定電流控制可實現(xiàn)±25%的電壓擺幅，無需將LED用于正向壓降，±5%的差異可確保LED亮度一致。
14 W LED設計實現(xiàn)了與標準前沿TRIAC AC調(diào)光器兼容的目標，非常寬的調(diào)光范圍(1000：1，500 mA：0.5 mA)，高效率(》 85%)和高功率因數(shù)( 》 0.9)。這表明可以克服與LED燈的TRIAC調(diào)光相關的問題，甚至可以直接設計具有一致且可靠性能的成本有效的可調(diào)光LED燈的驅(qū)動器。
圖4：LinkSwitch-PH簡化了LED驅(qū)動器的實現(xiàn)，需要結合大于0.9的功率因數(shù)，TRIAC調(diào)光和高效率。
電源管理 3
無意中閃爍的燈光會導致不適。長時間接觸會導致頭痛，頭暈，其他不適和視力表現(xiàn)受損?？梢姷拈W爍 - 通常發(fā)生在3到70赫茲之間 - 已經(jīng)在各種研究中顯示出對人類的不利影響比“隱形”閃爍 4 。對于人們在相當長一段時間內(nèi)停留的區(qū)域(如辦公室，學校和醫(yī)院)的照明，確保所有光源都沒有明顯的閃爍是至關重要的。
與頻率一樣，調(diào)制深度是影響感知閃爍水平的另一個因素。 [調(diào)制深度定義為(Lmax-Lmin)/(Lmax + Lmin)，其中L是亮度]。根據(jù)Wilkins等人1989年的一項研究，調(diào)制深度越低，效果越小。 4 ，顯示已知在100 Hz時引起熒光照射頭痛的峰谷調(diào)制深度約為35%。
LED照明組件是電流驅(qū)動的設備，與傳統(tǒng)的光源(如基于金屬鹵化物的燈)不同，它們本身不會閃爍，這些燈往往會在使用壽命結束時閃爍。然而，可以通過LED驅(qū)動器或電源的特性引入閃爍。開關模式電源(SMPS)的輸出可能包含低頻諧波電流和高頻噪聲/紋波。大的波紋和不一致的紋波電流將導致閃爍的光線。
對于SMPS中廣泛使用的單個有源功率因數(shù)校正拓撲，為了保持低諧波失真，功率反饋環(huán)路的響應必須很慢。然而，這也會導致光閃爍，因此需要負反饋電路來消除這些信號。 SMPS的穩(wěn)定性取決于閉環(huán)增益和負反饋電路設計的相位裕度。
通過光電耦合器將運算放大器反饋到功率因數(shù)校正電路，可以形成合適的負反饋電路，以控制MOSFET的導通時間，如下面的圖5所示。如果負載電流增加，MOSFET的導通時間將調(diào)整，以在整個操作周期內(nèi)實現(xiàn)一致的輸出電壓。正如我們已經(jīng)指出的那樣，確保低調(diào)制深度和更高的調(diào)制頻率有助于最小化閃爍對人眼的感知效果。
圖5：電流更平滑 - SMPS的負反饋電路，由運算放大器通過光耦合器反饋到功率因數(shù)校正電路，以控制MOSFET的導通時間。 (：Avago Technologies)。
在今天的照明市場中，由于上述舒適性和操作性原因，各種消除可見閃爍的壓力遠高于隱形閃爍。因此，具有最小化閃爍的適當設計的LED燈具是替代熒光燈以向消費者提供更高質(zhì)量的照明體驗的合適解決方案。
帶鎮(zhèn)流器的熒光燈管工作電源頻率的兩倍(通常為100 Hz或120 Hz)。然而，隨著這種燈老化，在一個電流方向上發(fā)生的閃光可能不等于在另一個方向上發(fā)生的閃光，因此燈可能在電源頻率下與驅(qū)動器部件明顯地閃爍。
Avago Technologies全球產(chǎn)品營銷經(jīng)理Kee Yean Ng評論說：“我們的觀點是，如今設計精良的燈具閃爍不是問題。根據(jù)我們使用Avago燈具的經(jīng)驗，我們沒有遇到任何有這個問題的客戶。“
圖6：Avago的Power LED光源1 W琥珀色，基于AlInGaP，是無閃爍燈具中的典型部件。
電源至關重要
Cree位于北卡羅來納州達勒姆的銷售開發(fā)經(jīng)理和合作伙伴計劃負責人David Cox認為，閃爍和輸出變化的許多問題與LED設計本身沒什么關系。相反，問題可能在于到達燈的電流質(zhì)量。
“人們可以感知到的問題源于當前的質(zhì)量和電源以及我們?nèi)绾螌⑻峁┙oLED的能量轉化為光，”考克斯說。 Cree的X-Lamp系列是一款優(yōu)秀的照明級LED，這意味著不僅僅是高功率輸出，這是一整套白色(和彩色)LED，可提供經(jīng)過驗證的白點穩(wěn)定性，L70壽命高達50，000小時，至關重要的是，電隔離的熱路徑。
此系列專門設計用于確保照明應用的一致輸出，如戶外照明，便攜式和個人照明，室內(nèi)筒燈，零售展示照明，建筑，交通甚至應急車輛照明。
Cox引用了另一個使用示例，其中X-Lamp為Cree的家庭狀態(tài)中出色的客戶類型提供無閃爍性能：“我們的一位客戶生產(chǎn)了一種用于照明應用的燈具。電影業(yè)和高速攝像機應用中沒有明顯的閃爍。“
燈具開發(fā)人員需要使用專門為照明應用設計的照明級或更高功率的LED，而不是任何非專門設計的高亮度LED照明設備中的照明應用。提供LED的選擇是明智的，因為任何閃爍都將與LED本身無關并且僅由電源和控制方法引起。
“Cree的功率LED專為照明而設計”，Cox說。 “它們是DC-in產(chǎn)品，但如果將它們連接到電源調(diào)節(jié)器，則可以連接到AC。所以實際上你正在調(diào)節(jié)電源以產(chǎn)生光。減少閃爍的另一個好方法是使用優(yōu)質(zhì)LED驅(qū)動器或非調(diào)光電源滑塊“
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