LED智能照明的電源控制系統(tǒng)設(shè)計

智能照明是智能家居的關(guān)鍵之一。無線電和網(wǎng)絡(luò)控制可用于通過用戶的直接控制，使用專用遙控器或在智能手機(jī)應(yīng)用程序的幫助下或根據(jù)一天中的時間自動改變照明水平。然而，用于照明的LED功率控制需要特別考慮。為傳統(tǒng)調(diào)光控制而開發(fā)的電路不能很好地滿足固態(tài)照明的要求。

安裝在家中的大多數(shù)調(diào)光器都是基于相切電路。這種類型電路的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計非常簡單并且堅固耐用。該電路通過在交流周期的一部分中簡單地切斷燈泡的電源來工作，從而降低了提供給燈絲的總電壓。這反過來又降低了燈絲的光輸出。由于燈絲加熱和冷卻所需的時間相對較長，因此除非可能在調(diào)光器的最低設(shè)置下，否則這種切換對用戶來說并不明顯。

然而，對于LED，它具有更短的響應(yīng)時間，主電源的低開關(guān)頻率意味著試圖使用類似的策略來控制光輸出將導(dǎo)致顯著的閃爍。因此，LED需要專門的電源電路，可以提供更穩(wěn)定的電壓和電流輸出，以提供最大限度減少閃爍的功率，同時不會影響效率。

盡管可以通過改變LED來控制LED的亮度。提供給它們的電流導(dǎo)致在較低電流水平下功率效率下降。功率LED在最高額定電流下提供最佳效率。因此，使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)仍然可以最好地獲得調(diào)光行為，在比傳統(tǒng)的基于電源的調(diào)光器電路所支持的頻率更高的頻率下打開和關(guān)閉LED。

在PWM-基于功率轉(zhuǎn)換器，反饋到控制器的參考信號用于確定向負(fù)載供電的晶體管是應(yīng)該接通還是斷開。將參考與斜坡發(fā)生器產(chǎn)生的周期信號進(jìn)行比較。當(dāng)參考信號高于斜坡時，晶體管導(dǎo)通。當(dāng)參考信號低于斜坡時，晶體管關(guān)閉。因此，所傳遞的積分電流遵循參考信號的分布?？梢允褂酶鞣N技術(shù)來控制參考信號并因此操縱功率輸出。對于智能家居使用，電源轉(zhuǎn)換器可以集成額外的輸入，根據(jù)首選的調(diào)光水平調(diào)整參考信號。

LED的電源轉(zhuǎn)換器也可以設(shè)計用于處理不同的電源類型。例如，一個簡單的改裝燈泡，包括LED鎮(zhèn)流器，調(diào)光控制和智能家庭網(wǎng)絡(luò)的RF接口，通?？梢允褂?0 Hz/60 Hz電源。但是，設(shè)計用于低壓帶和總線的燈泡電源轉(zhuǎn)換器需要能夠處理直流電源輸入。

浪涌電流是LED照明設(shè)計中的一個重要考慮因素。 LED的電源向主電源提供容性負(fù)載，這導(dǎo)致當(dāng)LED作為電容器周圍的電容器接通時短時間內(nèi)吸收大電流的可能性。因為該電流可能遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)電流，所以當(dāng)連接到一個電源電路的大量燈被激活時，它可能導(dǎo)致過載問題。限制啟動時的浪涌電流提供了一種與家用電路具有更好兼容性的設(shè)計。

功率因數(shù)校正(PFC)是電源兼容性方面的進(jìn)一步考慮因素。不應(yīng)允許高效LED調(diào)光所需的開關(guān)模式技術(shù)將額外的諧波驅(qū)動到電源上。

對PFC的高效供電和支持的需求導(dǎo)致了Fairchild FL7701等部件的推出。飛兆半導(dǎo)體FL7701設(shè)計用于交流和直流電源，使用從高壓電源傳輸?shù)狡涞蛪篤CC引腳的紋波電壓作為檢測手段。 VCC軌道上的紋波使用sigma-delta調(diào)制方案來為PWM開關(guān)電路提供參考信號。當(dāng)施加直流輸入時，VCC軌上沒有紋波會產(chǎn)生適合于沒有PFC的直流模式功率轉(zhuǎn)換的參考信號。

圖1：FL7701的框圖。

為了支持遠(yuǎn)程控制，F(xiàn)L7701具有一個模擬輸入引腳，通過使用電阻分壓器可以支持0 V至10 V的調(diào)光控制。該信號被饋入數(shù)字控制器并用于確定數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器的輸出，該轉(zhuǎn)換器向PWM控制電路提供參考信號。微控制器可用于產(chǎn)生到LED鎮(zhèn)流器的輸入信號，可能從RF接口接收其命令。

圖2：典型應(yīng)用中的FL7701。

FL7701采用軟啟動功能來限制浪涌電流，對PWM電路使用的內(nèi)部參考電壓信號施加延遲，使其從初始啟動開始緩慢上升。恩智浦的SSL4101T Greenchip III +提供了類似的軟啟動功能。在此器件上，軟啟動周期是通過選擇外部電阻和電容來確定的。

能夠使用傳統(tǒng)的三端雙向可控硅調(diào)光技術(shù)，因此支持需要處理混合光源的系統(tǒng)， SSL4101T旨在提供所有功率級別的高效率;使用各種PWM控制技術(shù)，以適應(yīng)轉(zhuǎn)換到所需的輸出光級。該器件從高功率水平的準(zhǔn)諧振工作轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)諧振工作，谷值跳躍到低功率輸出電平的降頻工作，減少了提供給LED的電流，避免產(chǎn)生鎮(zhèn)流器變壓器的可聽噪聲。

圖3：SSL4101的框圖。

在準(zhǔn)諧振模式下，下一個轉(zhuǎn)換器行程在變壓器去磁后啟動應(yīng)作為SSL4101T前端電路的一部分提供。這有助于最大限度地減少損耗，因為轉(zhuǎn)換器僅在外部MOSFET兩端的電壓達(dá)到最小值時才會導(dǎo)通。為了降低在較低負(fù)載下的操作頻率，準(zhǔn)諧振操作變?yōu)榫哂泄戎堤S的不連續(xù)模式操作，其中開關(guān)頻率由于EMI原因而受限制，通常為大約125kHz。同樣，只有當(dāng)MOSFET兩端的電壓達(dá)到最小值時，外部MOSFET才會導(dǎo)通。

在極低功耗和待機(jī)電平時，可以將頻率降低到幾乎為零通過壓控振蕩器(VCO)。在頻率降低模式期間，主峰值電流保持在最大值的25%的最小值。在頻率降低模式下，PFC控制器關(guān)閉，因為產(chǎn)生的諧波最小。為了防止PFC工作點(diǎn)周圍的振蕩，器件在控制引腳上支持大約50 mV的遲滯。

SSL4101T在待機(jī)模式下支持極低輸入功率的能力消除了對用于為照明控制器或調(diào)光器供電的額外內(nèi)務(wù)電源。

雖然LED智能照明的設(shè)計涉及比白熾燈的調(diào)光控制更復(fù)雜的電源轉(zhuǎn)換，但FL7701和SSL4101T等集成設(shè)備可以減輕設(shè)計負(fù)擔(dān)并實現(xiàn)高效率。