LED調光中不可不說的數字控製技術

　　不得不說 ，LED燈已經成為了照明市場的主流趨勢!但是LED燈作為固態照明(SSL)產品的性能 ，尤其是在調光等領域 ，依舊是低於傳統燈泡 。

　　確實 ，設計用於LED替換燈的常規驅動器難以以合適的價格提供真正令人滿意的調光性能 、能量效率和可靠性 。但是 ，驅動器電子設備中的數字控製現在可以去除不必要的泄流電阻器(常用於增強可控矽調光器的操作) ，同時讓無閃爍的調光降至低照明級別 。

　　在家用照明設備中使用調光器已經很廣泛 ，不僅節省了能源 、減少了電費 ，還提供了舒適和方便 。采用節能LED照明 ，從效率的角度來看 ，調光不是很重要 。但是 ，在家裏以及餐館 、娛樂場所或會議廳等場所 ，照明很容易影響情緒 。這就需要平滑、無閃爍的調光 ，涵蓋廣泛的光線級別 。

　　在許多應用中 ，部署固態照明的理想場景是簡單地通過用相同外形尺寸的LED燈代替白熾燈進行升級 。這是由於用戶期望新燈具能與其現有調光器完美運行 ，但現實的結果可能會因調光器的類型和質量而有所不同 。

　　調光器操作

　　標準的基於triac的相切調光器設計用於驅動由白熾燈泡提供的電阻負載 。可控矽調光器另外也被稱為前沿調光器 ，因為通過使用triac調節交流電每個半波的導通角來改變正弦波形來實現調光(圖1) 。延遲三端雙向可控矽開關的導通角讓燈調光 。

　　當施加觸發脈衝時，如果電流保持在器件指定的保持電流之上 ，則三端雙向可控矽開關導通 ，並在剩餘周期內保持導通 。如果負載是白熾燈泡 ，則電流容易維持在保持電流閾值以上 ，因此三端雙向可控矽開關會保持導通 ，直到電流在循環結束時減小 。

　　然而 ，兩個因素可以限製調光範圍 ，甚至白熾燈泡也會有一些影響 。調光電路通常包含電磁幹擾(EMI)濾波器 ，其包含可以將脈動噪聲引入電流波形的電感器和電容器組件 。如果電感器是低質量元件 ，則這種脈動噪聲能足以使電流從接通到激增立即低於三端雙向可控矽的保持電流 ，從而讓器件關閉 ，從而導致燈出現可見閃爍 。同樣地 ，如果使用具有相對較高的保持電流的低成本三端雙向可控矽開關元件 ，則調光器將無法維持調光電平 。

　　圖2比較了目前市場上5種基於triac的調光器所需的最小負載電流 。峰值表示LED驅動器需要從三端雙向可控矽開關吸收的最小電流，以確保正確的操作 。

　　LED負載電流

　　在低負載電流下運行調光器挑戰重重 ，當負載是LED替換燈泡時 ，挑戰會加劇 。與白熾燈不同 ，LED不是純電阻 。其阻抗是無功的，這樣可以防止電流升高 ，超過三端雙向可控矽的保持電流閾值 ，以使器件在觸發脈衝被去除後保持導通 。低水平的調光也可能難以實現 ，因為LED通常比白熾燈泡消耗更少的功率 。因此 ，通過三端雙向可控矽開發的電流在最大調光所需的相位角處可能非常低 。其電流可以降低到三端雙向可控矽開關的最小保持電流以下 ，導致燈閃爍或突然停止工作 。

　　在實踐中 ，調光器需要取得的調光水平要比人們感知的還要多 。由於人眼通過擴大虹膜來補償低光照水平，所以電子調光器設置與感知的調光效果之間的關係不是線性的 。如果調整調光器將光線減少到其最大測量水平的10% ，則人眼隻能看到約30%的降低 。為了實現10%的感知調光水平 ，調光器必須能夠將測量的光水平降低到隻有1% 。照明工程學會(IES)出版的第十版《照明手冊》記錄了感知的光和測量光之間的關係 ：

　　感知的光 = 100 × √(測量光 ÷ 100)

　　LED替換燈的製造商需要能夠保證不同質量和成本的三端雙向可控矽調光器能互操作 ，並確保無閃爍的照明降至低調光水平 ，以最大限度地提高客戶滿意度 。

　　泄放電路讓電流流動

　　一個常見的解決方案是添加泄放電路 ，在較低的調光級別保持三端雙向可控矽開關中有足夠的電流 。這可能是使用電阻的無源電路 ，或使用功率晶體管的動式泄流 ，用於不需要時阻止分泄電阻器中的電流。

　　使用被動泄放器有兩個缺點。由於電流連續通過電阻 ，因此通過使用LED技術獲得的效率優勢會大打折扣 。更重要的是散熱對燈的工作壽命的影響 。熱管理對於LED燈來說至關重要 。LED發射器本身能夠在高溫下工作25 ，000到50 ，000小時 。但是 ，相關組件 ，比如大容量電解電容器 ，對工作溫度更敏感 。工作溫度每升高10°C，電解電容器的使用壽命將降低50% ，這會顯著降低LED燈的使用壽命 。為了達到可接受的使用壽命 ，製造商可能需要采取措施來保護易受攻擊的部件 ，例如通過應用灌封 ，這會提高最終產品的成本 。

　　數字控製的優點

　　一個更令人滿意的方法是將泄放電流再循環 ，而不是以熱量的形式消散能量 。這在模擬域中不容易實現 。但是 ，數字技術可以實現複雜的動態控製方案 ，可以更智能地使用所需的能量 ，以保持傳統調光器能正常工作 。

　　除了與常規三端雙向可控矽調光器一起使用用於消除閃爍或突然中斷之外 ，合適的LED驅動器電路還必須能控製交流循環浪湧電流 ，以避免瞬間過載 ，將電網周期和內部磁性部件之間相互作用引起的可聽見的噪聲最小化 ，以及滿足功率因數和電噪聲(EMI)的監管標準 。它們還必須兼容最廣泛的調光器類型 。

　　圖3顯示了使用Dialog Semiconductor iW3688控製器 、用於非隔離LED驅動器電路的一個代表性的應用電路 。該器件具有數字岩心 ，能與各種三端雙向可控矽調光器兼容 ，是一種低成本解決方案 。

　　如圖所示 ，該電路僅使用一個外部的MOSFET 。這是可能的 ，因為驅動器IC使用相同的開關來保持三端雙向可控矽開關電路工作正常並且為控製電路本身提供電力。該設計不需要主磁芯上的次級繞組 。這種方法使設計人員可以為非隔離應用使用低成本 、現成的電感器 ，或者如果應用需要隔離 ，則使用標準的反激變壓器 。這樣的架構有助於減少元件數量 、節省能源 ，並最大限度地減少散熱 ，從而簡化熱管理 。

　　驅動器操作

　　IC數字電路監控相關電壓和電流 ，並讓控製器動態調製主功率MOSFET ，以實現所需的調光級別 ，即使LED負載的需求非常低 ，也可以讓三端雙向可控矽開關開著 。用於保持三端雙向可控矽開關運作的額外電流會在內部使用 ，而不是轉換為熱量 。

　　IC還集成了智能功能 ，能夠根據調光器的特性進行動態阻抗調節 。該設計可讓設備與幾乎任何標準的三端雙向可控矽調光器一起使用 ，將LED亮度降至最大值的1% 。與早期驅動器電路相比 ，低調光級別能讓人感受到更強的調光水平 。

　　當不施加調光時 ，將電流傳遞給LED負載的主電源轉換器以準諧振模式工作 ，以提供高功率效率和低EMI 。功率因數也被優化 ，以提高效率 ，並最大限度地減少交流線路上的電流諧波失真 ，並滿足世界各地的法規要求。

　　節能照明的終端用戶期望從現有的照明技術無縫過渡到LED 。這需要更換燈泡能滿足當前的行業標準 ，並且與現有的基於triac的調光器無差錯操作 ，達到低調光範圍 ，符合最小閃爍的相關法規 。同時 ，新技術必須以非常有競爭力的價格提供 ，同時最大限度地提高能源效率和可靠性 。與傳統的模擬電路和電阻分壓器相比 ，數字驅動器控製技術提供了一種更好的解決方案 ，使製造商能夠滿足消費者的高期望