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基於ICL8002G的LED可控矽調光電源方案

 2014-01-11

摘要
如今,LED由於其發光效率高及長壽命等一系列的優點已成為照明市場的主流。換用高能效LED燈具後,將會實現可觀的能源節約。僅在中國,據政府保守估計,如果三分之一的照明市場轉向LED產品,每年將會節省1億度的用電量,並可減少2900萬噸的二氧化碳排放量。對住宅和商業照明附加調光功能後會使節能環保的LED光源更加節能。

引言
燈光是人為照明,在夜晚或自然光不足的場合提供足夠的照度。但是燈光消耗電力,在不需要時關掉燈光可以節約能源。在有些時段和情況,如果可以把燈光調到較暗的程度 (25~50%),也可以大幅降低能源消耗(-50%~-75%)。許多公用建築或場所,如機場、車站、碼頭、停車場、街道、公園、學校等,在夜晚不宜把燈光全部關掉,否則有行動不方便或治安的顧慮。因此,在照明設計中,可以考慮加裝調光的功能以達到大幅度節能減排的目的。

目前的調光方式主要有三種,分別是:類比調光方式,PWM調光及可控矽調光。利用可控矽調光對LED替代燈調光,現有的調光器電路可以不作變動,故此調光方式普遍看好,於是出現了適合於可控矽調光的AC-DC 控制晶片。英飛淩公司推出的ICL8002G LED驅動晶片可支援可控矽調光,並具有單級PFC和初級測控制功能。

可控矽調光的原理

1所示為典型的前沿可控矽調光器原理圖,以及它所產生的電壓和電流波形。回路電壓/電流是同相位的(負載是白熾燈)。
                    

電位器RV2調整可控矽(TRIAC) 的相位角,當VC3超過DIAC的擊穿電壓時,可控矽會導通。當可控矽電流降到其維持電流(Iholding)以下時(如下圖2),可控矽關斷,且必須等到C3 在下個半週期重新充電後才能再次導通。燈泡燈絲中的電壓和電流與調光信號的相位角密切相關,相位角的變化範圍介於0度(接近0度)到180度之間(取決於調光器)。

LED調光存在的問題
LED燈要想實現可調光,其電源必須能夠檢測可控矽控制器的可變相位角輸出,以便對流向LED的電流進行調整。在維持調光器正常工作的同時做到這一點非常困難,往往會導致性能不佳。問題可以表現為閃爍及音訊雜訊等問題。這些不良現象通常是由誤觸發或過早關斷可控矽等因素造成的。誤觸發的根本原因是在可控矽導通時出現了電流振盪。圖3以圖表形式對該影響進行了說明。

圖2.可控矽導通的工作條件


圖3 可控矽電流(可控矽多次觸發,但不能維持導通)



可控矽導通時,AC市電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會導致振盪。如果調光器電流在振盪期間低於可控矽維持電流,可控矽將停止導通。可控矽觸發電路充電,然後再次導通可控矽。這種不規則的多次可控矽重啟動(如圖3),可使LED驅動產生音訊雜訊或LED閃爍。設計更為簡單的 EMI濾波器有助於降低此類不必要的振盪。要想實現出色的調光功能,輸入EMI濾波器電感和電容須盡可能地小。

對於可控矽來說,維持導通所需的維持電流通常介於8 mA到75 mA之間。白熾燈比較容易維持這種電流大小,但對於功耗僅為等效白熾燈10%的LED燈來說,該電流可降低到可控矽維持電流以下,導致可控矽過早關斷。這樣就會造成閃爍或限制可調光範圍。

輕微閃爍問題

1 DIAC特性


從表1可見由於DIAC的特性描述了正反擊穿電壓存在誤差,擊穿電壓不對稱會引起可控矽的正半周和負半周的導通角不一樣(見圖4A),在低成本的調光器中尤其明顯,輸出電流也會跟隨輸入變化(如圖4b),引起LED燈忽亮忽暗,尤其在低輸出時明顯。
 


英飛淩實用LED驅動調光解決方案
基於以上問題,英飛淩推出一種專為高效離線式 LED調光驅動應用設計的准諧振 PWM 控制器--ICL8002G,可用作反激式變換器或降壓轉換器的設計與應用。其准諧振工作模式、 初級側控制、集成式 PFC 和切相調光控制、各種保護功能使其成為適用於可調光的 LED 球泡燈出色的系統解決方案。與 ICL8001G相比,新的 ICL8002G在調光性能和輸出電流穩定性方面有巨大改進。可以通過增加阻尼電路和泄放電路使它與基於 TRIAC 的切相調光器的相容性得以改善,並通過額外的線性調整電路使輸出電流在很寬的輸入電壓範圍內保持穩定。

下表所示為ICL8002G演示板設計規格



原理圖
5 基於ICL8002G 12W可控矽調光LED球炮燈應用的原理圖




基於 TRIAC 的調光器的相容性
基於 TRIAC 的調光器可以完美用於白熾燈等阻性負載。當它們用於開關式 LED 驅動器等非線性負載時,可能產生閃爍問題,這主要是因維持電流不足(LED整個燈具所消耗電流小於可控矽的維持電流)以及電流振盪——尤其是在 TRIAC 導通期間造成的。因此,為了提高與基於 TRIAC 的調光器的相容性,通常在 LED 驅動器中增加泄放電路和阻尼電路。此設計中包含的被動式泄放電路(由 C1,C2,R4,R5 組成)可以使輸入電流大於 TRIAC 的維持電流閾值之上。R1、R2 這兩個電阻器被用於抑制振盪及減小浪湧電流。


 
輕微閃爍解決方法及實驗資料
圖5中電路A由R6、R7、R8、C4、Q2、ZD1組成的電路網路專為深度調光及改善忽亮忽暗(輕微閃爍),其中ZD1是一個保護二極體防止Q2的Vbe過壓擊穿,R6、R7、R8組成了一個分壓檢測器,由於C4的容量較大,因此C4端是一個平滑電壓。下圖6A是在輸出電流較小時且未增加上述電路的C5電壓波形(兩個相鄰半波輸入不對稱)。若增加此電路後,當C4端的電壓如下圖紅線的電壓時,C5的電壓會通過Q2被箝位得到一個較為均勻的電壓如圖6B所示,同時由於VR端電壓的高低決定輸出電流大小,不均勻的VR端電壓會導致LED閃爍,相反較為均勻的VR端電壓將會改善輸出LED的輕微閃爍。C5的電壓通過Q2跟隨C4端電壓的變化而變化,若在低導通角時C5端的電壓會通過Q2跟隨C4端電壓降到更低的電壓以達到減小輸出電流從而增加調光範圍實現深度調光。





圖7 所示為C4,C5實際的測試波形,其中棕黃色是C5端電壓,藍色線是C4端電壓。實測證明增加電路A後是可以改善VR端電壓不對稱現象。

圖8A所示為LED輸出電流波形是沒有增加電路A,正負半周相差太大導致輸出會有忽亮忽暗的輕微閃爍,圖8B是增加了電路A的輸出LED的電流波形,可以看到增加此電路後LED的閃爍問題會有所改善。



線性調整率
圖 9 顯示的是測得的 LED 電流與電源電壓的關係。在整個輸入電壓範圍內 (180Vac-265Vac),最大電流偏差被限制為 ±3%。

9.輸入電壓VS 輸出電流




調光曲線
圖10顯示的是測得的LED調光範圍與可控矽導通角度的關係。調光範圍可以下降到1%以下。

10.LED調光曲線(LED調光範圍VS可控矽導通角)


保護功能



輸出開路保護
在運行期間,如果輸出端為開路狀態,輸出電壓會升高,於是 MOSFET 關斷時VCC繞組產生的電壓也會升高。ICL8002G的引腳 ZCV通過R15和R16檢測VCC繞組電壓, ZCV電壓一達到 OVP 閾值 (Vzcovp = 3.7V) 就會觸發輸出過壓保護,IC 將進入鎖存關斷模式。另一方面,VCC繞組產生的電壓將為 Vcc 供電,如果 Vcc 達到閾值 (Vvccovp = 25V),則會觸發 Vcc 過壓保護。在此演示板設計中,當輸出端處於開路狀態時,ZCV腳電壓將會達到OVP閾值且被觸發,IC 也將進入鎖存關斷模式。鎖存關斷模式下的功耗小於 0.5W。

輸出短路保護
如果輸出端短路,IC 將通過 VCC 欠壓保護方式切換至自動重啟模式。此模式下的總輸入功耗會保持在低於1W水準。

結論
本文闡述了LED可控矽調光的原理及相關問題,並介紹了基於ICL8002G的12W可控矽調光方案。此方案線路簡單成本低廉,提供完善的保護特性,以及出色的調光性能及相容性。

作者:
英飛淩科技(中國)有限公司電源管理及多元化市場部 梁曉軍

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