中心議題：

• 探討LED照明應用的無閃爍調光實現

解決方案：

• 采用隔離式設計和非隔離式設計
• 采用的控製器既能執行功率因數校正

LED（Light Emitting Diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的de心xin髒zang是shi一yi個ge半ban導dao體ti的de晶jing片pian
，晶jing片pian的de一yi端duan附fu在zai一yi個ge支zhi架jia上shang，一yi端duan是shi負fu極ji，另ling一yi端duan連lian接jie電dian源yuan的de正zheng極ji，使shi整zheng個ge晶jing片pian被bei環huan氧yang樹shu脂zhi封feng裝zhuang起qi來lai。半ban導dao體ti晶jing片pian由you兩liang部bu分fen組zu成cheng，一yi部bu分fen是shiP型半導體，在它裏麵空穴占主導地位，另一端是N型半導體
，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個"P-N結".當電流通過導線作用於這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區裏電子跟空穴複合，然後就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長決定光的顏色
，是由形成P-N結材料決定的。 該項技術正日臻成熟
，標誌之一就是大量LED照明標準和規範的陸續出台。嚴格的效率要求已存在相當一段時間了，今後仍將不斷提高。

LED的亮度是跟LED的發光角度有必然關係的，LED的角度越小它的亮度越高，沒有什麼超亮不超亮的，那是騙小孩的
，如果是質量好的LED不管是哪家LED廠家生產的大家的亮度都差不多的
，隻是生產工藝不一樣，使用壽命略有不同，因為大家用的都是那幾家國外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度隻有幾百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一萬多兩萬MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了
，如果是用於照明用的，在戶外最好是用大功率的LED了
，亮度就更高了
，單個功率有1W,3W,5W,還有的是用多個大功率組合成一個大功率的LED,功率去到幾百都有。

功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)因(yin)素(su)
，因(yin)為(wei)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)可(ke)降(jiang)低(di)配(pei)電(dian)網(wang)絡(luo)的(de)損(sun)耗(hao)。降(jiang)低(di)電(dian)力(li)使(shi)用(yong)對(dui)環(huan)境(jing)所(suo)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)的(de)最(zui)有(you)效(xiao)方(fang)式(shi)是(shi)減(jian)少(shao)浪(lang)費(fei)，因(yin)此(ci)世(shi)界(jie)各(ge)地(di)的(de)監(jian)管(guan)機(ji)構(gou)都(dou)在(zai)進(jin)一(yi)步(bu)嚴(yan)格(ge)他(ta)們(men)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)規(gui)範(fan)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)就(jiu)是(shi)能(neng)源(yuan)之(zhi)星(xing)固(gu)態(tai)照(zhao)明(ming)能(neng)效(xiao)規(gui)範(fan)（09/12/07）
，它規定住宅照明產品的功率因數（PF）應大於0.7,商用照明產品的功率因數（PF）應大於0.9.

LED燈泡和燈具製造商正在對這些要求做出響應，自然希望他們的產品具有盡可能高的通用性。因此，他們非常需要能兼容各種調光器的LED驅動電路，實現高效率工作並使功率因數達到0.9以上。LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）

、GaAsP（磷砷化镓）等半導體製成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通
，反向截止
、擊穿特性。此外
，在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下
，電子由N區注入P區
，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）複合而發光。有人稱LED光源為長壽燈。它為固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有鬆動的部分
，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當的電流和電壓下，使用壽命可達6萬到10萬小時，比傳統光源壽命長10倍以上。

調光控製器

照zhao明ming控kong製zhi器qi以yi線xian路lu調tiao光guang或huo次ci級ji側ce調tiao光guang的de方fang式shi進jin行xing工gong作zuo。最zui簡jian單dan的de線xian路lu調tiao光guang方fang式shi是shi前qian沿yan可ke控kong矽gui控kong製zhi器qi。這zhe是shi目mu前qian最zui常chang用yong的de照zhao明ming控kong製zhi方fang式shi，但dan不bu幸xing的de事shi
，使shi用yong可ke控kong矽gui控kong製zhi器qi對duiLED燈deng進jin行xing調tiao光guang時shi會hui產chan生sheng大da量liang問wen題ti。靈ling活huo的de可ke編bian程cheng控kong製zhi功gong能neng可ke以yi控kong製zhi降jiang壓ya限xian壓ya幅fu度du
，開kai關guan燈deng時shi間jian任ren意yi設she定ding。控kong製zhi模mo式shi有you時shi控kong
，光guang控kong，手shou動dong控kong製zhi
，上shang位wei機ji遠yuan程cheng控kong製zhi及ji根gen據ju使shi用yong地di點dian的de經jing緯wei度du自zi動dong控kong製zhi。軟ruan啟qi動dong，軟ruan過guo渡du，軟ruan關guan閉bi功gong能neng，防fang止zhi過guo電dian壓ya及ji冷leng啟qi動dong大da電dian流liu對dui燈deng具ju的de衝chong擊ji，大da幅fu度du減jian少shao燈deng具ju的de損sun毀hui率lv。對dui鈉na燈deng
，汞gong燈deng等deng燈deng具ju設she有you可ke調tiao的de全quan壓ya預yu熱re啟qi動dong時shi間jian，燈deng具ju能neng更geng充chong分fen的de預yu熱re，平ping穩wen過guo渡du到dao正zheng常chang工gong作zuo狀zhuang態tai。能neng實shi現xian全quan夜ye燈deng及ji半ban夜ye燈deng控kong製zhi
，且qie有you後hou半ban夜ye再zai降jiang壓ya調tiao流liu功gong能neng，節jie能neng效xiao果guo更geng加jia理li想xiang。完wan善shan的de再zai起qi動dong功gong能neng，當dang負fu載zai故gu障zhang
，外wai部bu供gong電dian故gu障zhang結jie束shu後hou，能neng自zi動dong重zhong新xin點dian燃ran燈deng具ju。控kong製zhi方fang式shi有you時shi控kong，光guang控kong

，手shou動dong控kong製zhi
，上shang位wei機ji遠yuan程cheng控kong製zhi及ji根gen據ju使shi用yong地di點dian的de經jing緯wei度du自zi動dong控kong製zhi（選件）。三(san)相(xiang)開(kai)關(guan)燈(deng)時(shi)間(jian)及(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)可(ke)獨(du)立(li)調(tiao)節(jie)，可(ke)接(jie)不(bu)平(ping)衡(heng)及(ji)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)負(fu)載(zai)。可(ke)編(bian)程(cheng)的(de)檢(jian)修(xiu)模(mo)式(shi)，便(bian)於(yu)照(zhao)明(ming)係(xi)統(tong)檢(jian)修(xiu)
，維(wei)護(hu)和(he)燈(deng)具(ju)更(geng)換(huan)。預(yu)留(liu)一(yi)組(zu)受(shou)時(shi)鍾(zhong)控(kong)製(zhi)的(de)常(chang)開(kai)接(jie)點(dian)以(yi)實(shi)現(xian)特(te)殊(shu)控(kong)製(zhi)。接(jie)點(dian)容(rong)量(liang)為(wei)7A/250VAC.

可控矽控製器在白熾燈中的表現無可挑剔，但在LED燈中會產生各種負麵效應，其中包括閃爍
、發光不均勻、音頻噪聲以及閃動。要想弄清原因，首先必須了解可控矽調光器的工作原理。

調(tiao)光(guang)控(kong)製(zhi)是(shi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)可(ke)控(kong)矽(gui)導(dao)通(tong)每(mei)個(ge)半(ban)周(zhou)期(qi)的(de)相(xiang)位(wei)角(jiao)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。燈(deng)泡(pao)燈(deng)絲(si)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)與(yu)調(tiao)光(guang)信(xin)號(hao)的(de)相(xiang)位(wei)角(jiao)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)，相(xiang)位(wei)角(jiao)的(de)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)介(jie)於(yu)0°（接近0°）到180°之間。這是可控矽在不使用柵極驅動的情況下保持導通所必須維持的最小負載。為維持可控矽的穩定工作
，該電流不能為零
，IH的典型值介於8 mA到40 mA.驅動白熾燈時，維持電流不是問題。
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對可控矽控製器來說
，白熾燈的阻抗非常低，因此不會出現振蕩。相反，LED驅動器具有高阻抗，而且其輸入EMI濾波電路由電容和電感組成。在每個半周期，當可控矽導通時就會出現浪湧電流，最糟糕的情況是
，在90°導通角下輸入電壓達到最大值。如果振蕩導致電流降到IH以下，可控矽將關斷（圖3）。

圖3:輸入EM濾波器引起的電流振蕩。

當可控矽關斷時

，R1和R2對DIAC（圖2）重新充電至擊穿閾值。DIAC然後導通TRIAC,重新開始下一開關周期。結果是在同一輸入線路周期內多次重啟動可控矽（圖4）。

圖4:可控矽因振蕩多次重啟動。

為避免出現與可控矽調光相關的問題，LED驅動器必須滿足LED負載非常不同的要求，同時還得與專為白熾燈設計的調光電路實現兼容。用於替換標準白熾燈的LED燈通常包含多個LED,確保提供均勻的光照。這些LED以串聯方式連接在一起。

LED燈要想實現可調光，其電源必須檢測可控矽控製器的可變相位角輸出，並利用該信息來改變LED的恒流驅動。電路自身所產生的傳導EMI必須達到最低水平，使輸入濾波器盡可能地小。此外，驅動電路必須控製功率因數。 LED（Light-Emitting-Diode中文意思為發光二極管）是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體
，它改變了白熾燈鎢絲發光與節能燈三基色粉發光的原理，而采用電場發光。據分析
，LED的特點非常明顯
，壽命長、光效高

、無輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中於可見光頻段，其發光效率可超過150lm/W（2010年）。將LED與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈進行對比
，結果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W,壽命小於2000小時
，螺旋節能燈的光效為60lm/W,壽命小於8000小時，T5熒光燈則為96lm/W,壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過150lm/W,壽命可大於100000小時。有人還預測
，未來的LED壽命上限將無窮大。

LED驅動器控製

很顯然

，LED驅動器采用標準反激式拓撲結構是絕對不行的，必須使用專用的LED驅動器。圖5和圖6可以說明這一點。

圖5所示為使用 Power Integrations （PI）的TOPSwitch?-HX控製器設計的恒流輸出反激式電源。輸出電壓由輸出端的齊納二極管決定。這樣可通過光耦器向控製器提供反饋信號。TOPSwitch-HX控製器在輸入C處收到電壓反饋信號後，會調整集成高壓功率MOSFET開關的占空比
，以維持要求的輸出。

可以對電路進行配置，使其提供恒流輸出，以便成功驅動LED燈。但是，無法實現可控矽相位角檢測和功率控製。

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圖6所示為使用PI的最新器件LinkSwitch?-PH設計的反激式電源。LinkSwitch-PH控製器集成了多項專用於驅動LED的新功能。該電路與圖5中的電路不同，它采用了初級側調整。這樣可省去光耦器和次級側控製電路。變壓器上的次級側繞組（偏置繞組）具有兩種功能：通過BP引腳為LinkSwitch-PH供電
，通過FB引腳提供電流反饋。這兩個次級側繞組緊密耦合

，從而使偏置繞組上的電壓與流經LED負載的電流成比例。

該電路設計可在經整流非平滑的AC市電輸入下工作。控製器隨著市電輸入在每個半周期內的升降持續調整高壓功率MOSFET的占空比，並對每個半周期內的平均電荷進行控製，使其維持輸出電流調整率，如圖7所示。

在接近過零點時
，瞬態輸入電壓較低
，占空比較大。在整流AC輸入峰值點時
，電壓達到最大值，占空比最小。對於每個開關周期
，MOSFET電流在每個周期內被積分
，以得到一個電荷量。將每個周期的電荷量與參考值進行比較

，當兩個數值相等時就停止開關。

調光控製

LinkSwitch-PH可通過鏈接輸入R和0 V的編程電阻設置為調光模式，也可設置為非調光模式。在非調光模式下，電路可以接近1的功率因數在全AC輸入範圍內提供恒流輸出。在調光模式下
，整流輸入的過零點和相位角用於設置輸出電流水平
，從而提供調光功能。LinkSwitch-PH可用來設計這樣的高性能LED驅動器：可在全輸入電壓範圍內工作，並使低成本可控矽調光器的調光範圍達到1000:1,同時無任何閃爍現象。圖8中的電路圖說明了這是如何實現的。

圖8:7 W可調光LED驅動器電路圖。

圖8所示為使用LinkSwitch-PH LNK403EG （U1）（Ref 1）設計的7 W可調光的可控矽LED驅動器的電路圖。該電路使用低成本的前沿可控矽調光器即可實現1000:1的調光範圍，同時無任何閃爍現象發生，具有快速啟動（《100 ms）和一致的元件間調光性能。該設計具有極高能效（≥81%）和高功率因數（》0.9）。圖9顯示了超寬範圍內的調光控製的線性特性。

實現一致調光性能的關鍵之一就是在輸入端使用一個小型EMI濾波器。LinkSwitch-PH所具有的其中兩個特性有助於簡化輸入濾波，它們是連續導通模式和頻率抖動。連續導通模式具有兩大優勢：降低導通損耗（從而提高效率）和降低EMI特征。這有助於以低成本的小型輸入EMI濾波器來滿足EMI標準的要求。可省去一個X電容
，並省去共模扼流圈或減小其尺寸。LinkSwitch-PH中的控製器還可將抖動應用到高壓功率MOSFET的開關。

輸入EMI濾波器尺寸減小意味著驅動電路的阻抗隨之減小
，其重要好處就是能大幅降低輸入電流振蕩。由於LinkSwitch-PH由其內部參考電源供電

，因此可進一步增強穩定性。為確保與所有類型的調光器控製實現兼容，本設計添加了兩個簡單的可選元件 - 衰減電路和泄放電路。衰減電路由元件R12、R13

、R20、R17、D7、Q1、C13
、VR2、Q3以及R16共同組成。該電路的作用是減小可控矽調光器導通時所產生的浪湧電流。在115 VAC下，當可控矽導通時，電路中的浪湧電流在頭2.4 ms（230 VAC下則為1.2 ms）先流經R16.在大約2.4 ms後，Q3導通並將R16短路。這樣可消除在半周期的剩餘部分因電流流經R16而造成的功耗。

增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的調光範圍內穩定工作，且無任何閃爍。
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非隔離式LED驅動器

圖8中的電路采用了隔離式設計。該設計能為驅動器與LED燈相隔離的照明係統提供全麵的安全保護。這是高功率商業和工業照明係統常用的設計。對於驅動器與LED燈deng同tong時shi集ji成cheng在zai同tong一yi外wai殼ke中zhong的de應ying用yong來lai說shuo
，就jiu像xiang替ti換huan燈deng一yi樣yang，通tong常chang采cai用yong隔ge離li式shi設she計ji和he非fei隔ge離li式shi設she計ji。采cai用yong非fei隔ge離li式shi設she計ji可ke以yi大da幅fu減jian少shao元yuan件jian數shu並bing降jiang低di係xi統tong成cheng本ben。PI的LinkSwitch?-PL係列器件可提供單級功率因數校正和恒流控製
，同時集成了一個725 V MOSFET,非常適合非隔離應用。圖11所示為使用LinkSwitch-PL LNK457DG （Ref2）設計的5 W可調光的功率因數校正LED驅動器的電路圖。

圖11:電路圖–去除突出顯示的結構框即可用於非調光應用。

本設計是低成本、低元件數和PCB占用麵積小的解決方案，可用於白熾燈替換燈。使用包括前沿可控矽調光器在內的所有調光器類型
，都可以實現無閃爍及100:1的調光範圍。由於元件間具有一致的調光性能，因此啟動時間小於300 ms.在可調光模式下
，115/230 VAC輸入的效率 》73%;在非調光模式下，115/230 VAC輸入的效率 》78%,且功率因數 》0.9.

在設計中
，變壓器不需要添加偏置繞組，恒流模式設定點由R18上的電壓降決定。然後將電壓反饋到U1的FB引腳。輸出過壓保護由VR2和R14提供。

圖13顯示了反饋電壓如何用於讓前沿調光器進行調光。

LED輸出電流由FB引腳電壓控製，FB引腳電壓隨可控矽調光器的導通角按比例進行變化。當導通角減小時，FB引腳參考電壓隨之降低，從而減小LED平均電流。在接近主半周期持續時間的25%時（

？OS），開始調整FB引腳電壓。在？OS和？OL之間，相位角與反饋電壓VFB之間存在線性關係。在
？OL之後，可控矽導通角變得非常小
，IC以恒定的頻率和占空比進行開環，其內部集成的高壓功率MOSFET能夠處理嚴重切角的輸入電壓所帶來的最大功率，從而產生深度調光的光輸出。

從(cong)上(shang)麵(mian)介(jie)紹(shao)的(de)兩(liang)種(zhong)應(ying)用(yong)情(qing)況(kuang)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，如(ru)果(guo)所(suo)采(cai)用(yong)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)既(ji)能(neng)執(zhi)行(xing)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)，又(you)能(neng)執(zhi)行(xing)恒(heng)流(liu)驅(qu)動(dong)和(he)相(xiang)位(wei)角(jiao)檢(jian)測(ce)
，那(na)麼(me)設(she)計(ji)出(chu)的(de)隔(ge)離(li)式(shi)及(ji)非(fei)隔(ge)離(li)式(shi)LED驅動器就能與所有類型的調光控製器實現穩定工作。此外
，還能使電路滿足所有國際標準的效率

、功率因數

、諧波和EMI要求。過去，白熾燈泡必須針對特定的電源電壓進行製造。現在，卻不必再受此限製，製造出的可調光LED燈可以不經任何改裝而通用於世界各地。