智能數(shù)字功率控制器優(yōu)化LED調(diào)光系統(tǒng)

全球氣候暖化危機和能源緊缺在進一步推動LED照明的普及，LED照明具有環(huán)保、光效高和壽命長的特點，但在完全取代具有墻上型調(diào)光器的白熾燈方面，LED照明還存在兼容性差的先天不足。其主要原因在于：1)現(xiàn)有的調(diào)光器都是針對白熾燈設(shè)計的，而白熾燈呈現(xiàn)的是純阻性；LED作為固態(tài)半導體照明器件，需要恒定的直流電流驅(qū)動，所以LED照明一般都需要驅(qū)動器從交流110V/220V轉(zhuǎn)換到所需要的直流電流；2)調(diào)光器種類繁多，而且工作原理各不相同，包括前切型、后切型和智能型等；3)LED照明器的種類也很多。這樣一來，對于不同的LED照明匹配不同類型的調(diào)光器；LED的驅(qū)動器面臨巨大挑戰(zhàn)；其中，可靠性和安全性尤為重要。照明屬于消費電子產(chǎn)品，直接接觸千家萬戶的消費者，不僅價格要適當，更重要的是要安全可靠；即便是任一元器件失效或調(diào)光器與LED不匹配，也不能造成漏電、過熱、過流等任何安全故障。

針對LED照明市場的發(fā)展，多家IC制造商推出了應用于調(diào)光LED燈具的驅(qū)動方案。本文介紹的iW3610是兼容傳統(tǒng)前后切相式調(diào)光器的數(shù)字控制器，可自動識別切相調(diào)光器，配合不同的工作模式，使整個系統(tǒng)始終工作在優(yōu)化狀態(tài)。

LED照明驅(qū)動器的設(shè)計要點

LED是一種單向電流型固態(tài)半導體發(fā)光器件，它是傳統(tǒng)二極管的一個分支；因此LED也具有二極管的特性：1)工作結(jié)溫必須在規(guī)定的范圍內(nèi)，以保證其正常工作壽命；2)只有當其承受的電壓超過正向電壓時，LED才開始有電流通過，并發(fā)光；作為發(fā)光器件，LED照明還具有其它特性：

1)照明要求：a.電流的調(diào)節(jié)精度要高；b.沒有閃爍和眩光；c.電流的紋波要穩(wěn)定。

2)散熱設(shè)計要點：a.非隔離驅(qū)動器便于散熱器的設(shè)計和成本控制；b.高效率的驅(qū)動器，減少功率耗散；c.過熱調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出光通量當溫度超過安全結(jié)溫時。

3)安全可靠性要點：a.任一器件發(fā)生故障(短路、開路、浮動)均應導致LED照明的關(guān)斷保護；b.可靠的過熱過流保護；c.LED開路和短路保護。

當然，要普及LED照明到千家萬戶，成本是最重要的考慮因素，LED產(chǎn)品既要可靠還要體積小巧，并且高效、低成本。

LED調(diào)光照明應用中的難點

相比于傳統(tǒng)的白熾燈，LED照明具有環(huán)保、光效高和壽命長的優(yōu)點。但在完全取代帶有入墻式調(diào)光器的白熾燈方面，LED照明尚存在兼容性差的缺點。傳統(tǒng)的調(diào)光器用于驅(qū)動純電阻負載，調(diào)光器種類繁多，包括前沿切相調(diào)光器、后沿切相調(diào)光器、智能調(diào)光等等，而且功率都比較大(200W~600W)，需要提供阻性或類阻性的負載才能使調(diào)光器穩(wěn)定工作；當連接容性負載時，調(diào)光器可能無法正常工作。

針對可控硅切相調(diào)光器，憑借簡單的泄放電路(BLEEDER)去配合規(guī)格各異的可控硅調(diào)光器工作，很難讓人滿意。傳統(tǒng)調(diào)光器功率都比較大(200W~600W)，可控硅需要一定的保持電流維持其導通，而在小功率的LED驅(qū)動應用上，一般不能保證有足夠大的輸入電流去維持可控硅穩(wěn)定工作。這樣就有可能出現(xiàn)多次導通，因而供給LED驅(qū)動的電壓及切相信號就不穩(wěn)定，如果調(diào)光信號處理不好則會造成LED閃爍。

另外，在歐美市場上，后沿切相型的調(diào)光器和鹵素燈也有廣泛應用。鹵素燈需要電子變壓器進行恒壓控制及軟啟動以提高可靠性，但是鹵素燈發(fā)光效率也遠不如LED燈，因此很多使用者也很想選用可調(diào)光的LED去替換鹵素燈及電子變壓器。

由于后沿切相的調(diào)光器需要和電容性的電子變壓器匹配，它的設(shè)計和工藝較普通的可控硅調(diào)光器更為復雜，內(nèi)部有精準的時間常數(shù)電路去控制場效應管的關(guān)斷而達到后沿切相的效果，還需要穩(wěn)定的電壓供這些電路工作；因為這種調(diào)光器中使用的開關(guān)器件是場效應管，一般都會并聯(lián)上較大值的X電容以保護場效應管，這樣就加大了在正弦波下降沿切相時的檢測難度。因此，針對后沿切相調(diào)光器設(shè)計的LED驅(qū)動，既要能夠在任何切相位置保證調(diào)光器內(nèi)部電路工作，又要能夠提供很低的阻抗去準確檢測切相位置，而且不能影響LED驅(qū)動的轉(zhuǎn)換效率。

智能數(shù)字調(diào)光控制器iW3610

iWatt公司推出的數(shù)字調(diào)光控制芯片采用高精度的初級恒流控制方式，無需光藕合器和元件繁多的次級反饋控制元件；功率轉(zhuǎn)化操作頻率高達200kHz，利于小體積高功率密度設(shè)計；特有的斬波式調(diào)光器的檢測技術(shù)，也改善了功率因數(shù)和諧波電流；輸出紋波電流小，優(yōu)化了LED的發(fā)光效率；內(nèi)置多重保護，外置NTC的程序化過溫保護。

iW3610的斬波電路就是針對可控硅和場效應管調(diào)光器的特性而設(shè)計。如圖4所示，RcLcQcD1D2組成的電路既可以使調(diào)光器穩(wěn)定工作，又可以通過Boost電路改善功率因數(shù)，IC內(nèi)部的數(shù)字電路通過檢測電壓的變化率判斷切相信號的類別，從而智能化判斷其所配合的調(diào)光器。

當iW3610檢測到可控硅切相的調(diào)光信號后，將工作在前沿切相模式。如圖5所示，當可控硅關(guān)斷時，IC的Output_TR是高電位，使MOSFET導通，相當于把BLEEDER電阻連接在調(diào)光器的輸出端，因為BLEEDER的阻抗大小與常規(guī)的鎢絲燈相當；當可控硅導通時，Ouput_TR會輸出一組高頻的控制信號，斬波電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，斬波電路從輸入端吸取較多的電流，以維持可控硅工作；吸取的能量大部分通過Boost電路傳遞給初級電容。IC針對不同的輸入切相信號調(diào)整斬波電路的工作時間，避免了可控硅的多次導通。

當iW3610檢測到場效應三極管調(diào)光器時會工作在后沿切相模式。如圖6所示，當調(diào)光器內(nèi)部的場效應三極管導通時，IC的Output_TR給出的是一組高頻控制脈沖信號，斬波電路工作在Boost狀態(tài)，當IC檢測到調(diào)光器內(nèi)的場效應三極管截止時，Output_TR會跳變成高電平信號，斬波電路中的Qc導通，LED驅(qū)動呈低輸入阻抗以還原交流輸入的切相波形。[!--empirenews.page--]

當IC檢測到輸入的電壓是完整的交流信號，沒有接調(diào)光器時，它會選擇高功率因數(shù)模式。iWatt特有的固定VinTon控制方式[u1]既可以確保Boost電路輸出電壓不會失控，又能盡量拓展輸入電流的導通角度，提高功率因數(shù)。

因此，針對不同輸入電壓不同輸出功率的驅(qū)動設(shè)計要求，只需合理地設(shè)置斬波電路中Rc阻值和Qc的電感量，就可以得到優(yōu)化的驅(qū)動設(shè)計，既能滿足切相檢測，又能改善驅(qū)動的功率因數(shù)，減少輸入電流的諧波。因為BLEEDER電阻是動態(tài)導通，而且，Boost電路的加入把大部分的能量傳遞給初級電容，減少了損耗，因此整個驅(qū)動能保持很高的轉(zhuǎn)化效率。

iW3610將相位檢測和調(diào)光控制通過數(shù)字控制的方式整合在IC內(nèi)部，檢測到的切相信號在IC內(nèi)部就轉(zhuǎn)化成調(diào)光控制信號，去控制輸出部分的反激變換器，與iWatt的精準的初級恒流控制技術(shù)完美結(jié)合，LED的電流就受控于輸入電壓的切相信號了。

當然，為了迎合LED照明產(chǎn)品的需求，iW3610也具備了更多新的控制性能。它支持高達200KHz的工作頻率，可使設(shè)計人員更容易研發(fā)高功率密度的LED驅(qū)動，滿足燈具小型化的趨勢；波谷導通的準諧振(Quasi-resonant)模式也可以盡可能提高效率，簡化EMI對策，其特有的自適應過溫保護控制方式更受LED應用工程師青睞。

由于LED自身的特點，在高溫下，系統(tǒng)的可靠性和使用壽命都很難得到保障，因而合適的過溫保護方式在LED應用中尤其重要。很多客戶都希望在內(nèi)部溫度達到一定的高溫時，驅(qū)動能自動限制輸出功率，使燈的溫度不會繼續(xù)上升，而能繼續(xù)工作，并且保持在安全使用的狀態(tài)下。用戶一般不會覺察到亮度的緩慢變化，但在有異常情況發(fā)生時，如果燈內(nèi)部的溫度持續(xù)上升到一個較高的溫度，影響安全時，還是希望能明確提示使用者，該燈出現(xiàn)故障了。

iW3610就是通過簡單的NTC保護電路實現(xiàn)了復雜的可程序化保護。NTC接在IC的第四引腳上，具體設(shè)計應用時可以將NTC放置在溫度較高的元件旁，例如變壓器或MOSFET。假設(shè)設(shè)計者選用47K的NTC做過溫保護。當NTC檢測到溫度達到105℃時，其阻值會變化為4K左右，這時候，IC第四引腳上的電壓會變成0.4V，因為IC內(nèi)部有個100UA的恒流源，IC檢測到這個變化后，輸出電流會進入線性降壓模式，不同的溫度對應不同的VT引腳控制電壓，不同的控制電壓對應不同的輸出電流。如果溫度繼續(xù)上升到一個較高的溫度時，當VT引腳上的電壓低于0.3V時，控制器會將輸出鎖定為10%，這樣輸出功率就很小，因而不會再有過溫的問題了。當內(nèi)部溫度下降到一定值，回到安全的溫度范圍內(nèi)時，LED燈的輸出功率就會緩慢恢復，這種恢復也有一定的遲滯。

典型應用案例分析

圖7是一個7W調(diào)光方案線路圖。iWatt方案實現(xiàn)初級恒流控制，其恒流控制精度達5%。反激式變換器中的電流信號是三角波，三角波電流有效值是峰值電流的1/2再乘以占空比。初級側(cè)電流與次級側(cè)峰值的比值就是變壓器圈比。

iWatt的恒流控制方式就是通過檢測初級側(cè)電流的峰值、工作頻率，檢測變壓器的磁復位時間來獲取輸出電流的大小，從而控制Isense基準電壓。

設(shè)計步驟

1)設(shè)定Vin的電阻。(圖7中R7/R8的阻值)

Vin電阻有多重作用，用于起機，用于檢測輸入電壓的高低以判斷相位。iW3610內(nèi)部默認一個系數(shù)KVin，高壓輸入時為0.0043，低壓時為0.0086。根據(jù)這個比值，在一個120V輸入的設(shè)計中，RVin推薦為290~300K??；高壓230V輸入時，RVin電阻應該是560~600K??。

2)確定BLEEDER電阻。

BLEEDER電阻的大小與調(diào)光的性能、效率、功率因數(shù)有關(guān)。經(jīng)過確認，我們推薦選用以下的設(shè)置：Vin100~120Vac：270~390··Vin220~240Vac：470~560··該電阻需要2W的額定功率。

3)選擇斬波電路的電感Qc-L3。

L3的大小與效率、功率因數(shù)和EMI有關(guān)。電感越小，功率因數(shù)越高；功率因數(shù)過高，對效率和EMI也有影響。一般情況下，對于5~6W的設(shè)計，功率因數(shù)可達到0.8~0.9。

變壓器設(shè)計

變壓器的選擇與功率大小、驅(qū)動的體積大小有關(guān)；與期望的效率和成本也有關(guān)。一般情況下，功率越大，體積越大；同樣的功率，體積越大，磁芯的結(jié)構(gòu)越復雜，效率越高，當然成本也越高。合適的磁芯可以使變壓器漏感小，線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

確定變壓器大小之后，再考慮變壓器的圈數(shù)和圈比。圈比與輸出功率輸出電流大小有關(guān)。還要綜合考慮輸出整流管的大小、其反向耐電壓的高低，并且要預留一定的余量。一般情況下，圈比越小，次級側(cè)二極管里流過的電流峰值越小，但是它所承受的反向電壓越高。

在確定變壓器初級繞組的圈數(shù)和電感時，要考慮變壓器工作的最大磁通量，一般在250mT到320mT之間。如果太高，可能會飽和；如果太低，則磁芯利用率太低。工作頻率與效率EMI的關(guān)系比較緊密，一般情況下，如果頻率低一些，EMI對策會相對容易；高壓輸入時，若頻率較低，則效率會高一些，因為高電壓輸入時開關(guān)損耗較大。

確定了變壓器之后接就是確定電流取樣電阻，根據(jù)iWatt初級恒流控制原理，可以得出以下計算公式：

接下來我們就確定VCC繞組的圈數(shù)和電壓反饋電阻的大小。推薦將VCC設(shè)定在12~15V之間，根據(jù)輸出電壓的高低和VCC的范圍，就可以計算確定VCC繞組的圈數(shù)。

然后確定反饋電阻，在正常工作的條件下，把Vsense電壓設(shè)定在1.3~1.4V，不要高于1.538V，這時還要考慮過壓保護(OVP)的大小。當Vsense電壓達到1.7V左右時，會產(chǎn)生過壓保護，IC將鎖定不工作。關(guān)斷輸入電壓，IC復位之后，則又可以重新啟動。

圖7：7W調(diào)光方案線路圖。

本文小結(jié)

在隔離驅(qū)動應用愈來愈成為LED主流設(shè)計的趨勢下，iW3610的應用優(yōu)勢尤為突出，適合燈內(nèi)置驅(qū)動的要求。驅(qū)動隔離的設(shè)計可以節(jié)約燈具系統(tǒng)的隔離成本，優(yōu)化LED的散熱性能。整個設(shè)計的元件數(shù)量不多；體積可以小至內(nèi)置于E27/E26燈頭的球炮或PAR燈內(nèi)；效率高，5W設(shè)計中效率大于80%，10W設(shè)計中效率大于85%；功率因數(shù)滿足能源之星的要求；調(diào)光范圍100%~1%，可支持歐美市場上的主流調(diào)光器。