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探討可控矽調光LED驅動器設計

 2014-01-11

摘要:
調光LED照明替代傳統白熾燈的應用已越來越多,而為其提供穩定和高效的電氣特性來讓LED單元發光的電源驅動器也變得越來越重要,高效率和高可靠的調光器相容性已成為調光驅動器必備的性能。本文將討論LED驅動器配合不同調光器設計時需要注意的重點,並用實例設計了一個8W/120Vac 應用的調光驅動器方案。

隨著LED技術在各種領域上的突飛猛進發展,譬如城市照明,酒店,商場照明及家居照明市場,LED照明產品已成為使用者的首選,可以想像,LED照明必將會改變每個人的生活,成為照明設計的一次變革。當然,提到LED照明,不得不說可控矽調光LED技術,許多工程師會疑惑,這種應用價格高,設計也不簡單,為什麼LED燈要相容可控矽(TRIAC)調光呢?其實,最初的原因還是由調光白熾燈的需求引起的,早前人們喜歡燈光亮度能根據環境的變化和個人的喜好能自由地調節,同時還能節省用電消耗。像美國和歐洲國家的家庭裡大多都已配置有調光器,所以,當LED燈要替代傳統調光白熾燈市場時,就必須兼顧原已安裝有調光器的家庭用戶,讓用戶感覺使用LED燈也像用白熾燈一樣,LED燈的亮度能被隨意地調節,而且調光過程不會出現任何異常。本文將討論設計可控矽調光LED驅動器設計時,要注意的環節並實例設計了一款高功率因數,高調光相容性的LED驅動器。

調光器的原理
調光器在各個國家市面上銷售的種類繁多,價格也相差幾倍到好幾十倍不等,如果把調光器從調節形式上來分,可分為傳統直推和旋鈕式調光器,數位式控制調光器和觸摸式調光器。絕大多數調光器的工作原理主要分為兩種:前沿斬波式和後沿斬波式調節控制,也簡稱前切式(leading edge)和後切式(Trailing edge)調光器。圖1是美國Lutron公司生產的一種前切式調光器的內部原理圖,U2是雙向可控矽(TRIAC),C2,R2,R3,R5,R4組成分壓回路,通過滑動電阻器R5來調整可控矽U2觸發極的開啟角度。當可變電阻R5從3歐姆到80K歐姆變化時,通過可控矽的電壓導通角也相應地由130度到90度之間變化,圖1有其模擬波形圖。調光器內主要關鍵元件就是可控矽U2,不同的型號,對應的輸出功率和工作特性也會不一樣。所以,在實際調光LED驅動器設計時,困難之處就是怎樣提高驅動器對各種調光器的相容能力,以滿足其不同可控矽的工作特性要求。

圖1 前切式調光器原理圖及輸出波形模擬圖
                       

雙向可控矽是在普通可控矽的基礎上發展而成的,它不僅結合了兩隻反極性並聯的可控矽,而且僅需一個觸發電路,是比較理想的交流開關器件,其英文名稱TRIAC即三端雙向交流半導體開關。下面再來說一說可控矽的特性,圖2是恩智浦公司的一款雙向可控矽BTA216的幾項主要靜態參數,IGT是指門極觸發電流參數,IL是摯住電流,是晶閘管從斷態轉入通態並移除觸發信號後,能維持導通所需的最小電流。IH是維持電流,是維持可控矽通態所必需的最小電流,它與接溫有關係,結溫越高,IH則越小。白熾燈是一個純阻性負載,一般功率範圍在25W到100W,很容易就能滿足可控矽IL和IH的工作條件,所以不會遇到摯住電流或維持電流不夠的問題,而LED驅動器功率一般都小於20W,另外驅動器裡有電容和電感儲能元件,驅動器整個週期內沒有一直消耗輸入能量,這也是LED驅動器高效率的特點,但是又很容易造成摯住電流或維持電流不夠,而造成閃爍,所以實際調試時,要仔細判別是哪項參數配置不合理而造成調光器的不正常動作。

圖2可控矽部分規格參數表


後切調光器顧名思義,就是調光器輸出電壓的角度調整是在後沿進行控制的,相比前切調光器,它沒有開啟衝擊電流和觸發電流IL 的問題,配合後切調光器做LED驅動器設計時,要特別地注意最小維持電流IH,一般來說,驅動器提供的維持電流越大,調光器相容性會好,但相應地會降低效率,所以實際設計時要根據實際需要來平衡好相容性和效率之間的關係。

調光LED驅動器解決方案
恩智浦公司的SSL2101是最早推向調光LED驅動器晶片,其主要特點是其獨特的調光功能和高集成度的應用設計。DC/DC部分採用了准諧振反激式控制,以降低導通時的開關損耗,提高轉換效率。SSL2101內部集成了三顆高壓開關管,非常適合小型化球泡燈應用。晶片的調光控制主要分為兩部分:維持調光器穩定運行的泄放電路和偵測調光角度的調光回路。圖3是SSL2101晶片內部泄放控制功能模組示意圖,圖中SBLEED回路通過晶片管腳1接一顆電阻到整流後的正電壓,以提供調光器內可控矽導通時需要的摯住電流和關斷後的過零重定負載。WBLEED回路也通過晶片管腳2接一個電阻到橋堆整流後的正電壓,以提供維持電流。SBLEED和WBLEED回路都是由晶片內部邏輯功能塊來控制其交替導通,當檢測到整流後的電壓低於52V時,連接SBLEED的內部開關M1會導通,反之截止;當ISENSE腳檢測到電壓高於-100mV時,連接WBLEED的內部開關M2導通,當電壓低於-250mv時M2停止導通,另外,開關M1和M2不會同時導通工作,圖4 示意了SBLEED和WBLEED回路與驅動器的輸入電壓和工作電流相對應的關係,紅色代表SBLEED的電流,在每個週期開始時和輸入電壓低於52V時工作,綠色代表WBLEED的電流,在驅動電流小於預設的值後導通和在SBLEED工作後截止。

圖3 SBLEED,WBLEED內部框圖和工作狀態圖


SSL2101的調光功能主要由管腳BRIGHTNESS和PWMLIMIT來控制,BRIGHTNESS控制工作頻率,管腳RC2上的電阻R2和C1確定晶片最高工作頻率,R1和電容C1確定晶片最低頻率,如圖4所示,當 BRIGHTNESS管腳上的電平降低時,晶片內部RC_threshold閥值會逐漸升高,這樣,晶片內部連接RC2的開關管的開通時間也會相應減少,造成R1和C1的放電時間變長,故工作頻率降低,內部框圖4 BRIGHTNESS上的電壓到內部比較器之間有一個電壓到電壓轉換,使BRIGHTNESS腳上電壓與工作頻率的變化呈指數關係。

圖4 BRIGHTNESS內部框圖和工作示意圖


晶片PWMLIMIT管腳控制主開關管的導通時間,晶片預設的最大導通時間是76%,在反激式變換器設計中,最大導通時間主要是由變壓器的原副邊的圈數比來確定,而降壓式變換器是由輸入和輸出間的電壓比決定的。如圖5所示,當PWMLIMIT輸入端的電壓降低時,晶片內部PWM_threshold閥值升高,這樣主開關管的導通時間被減小,反應到輸出電流也隨之減小。另外,晶片內部PWMLIMIT的電平轉換與導通時間的關係也是呈指數變化的。在調光角度調到一定值時,BRIGHTNESS和PWMLIMIT同時參與調節,即導通時間和工作頻率依照調光器的角度同時降低,這樣調光範圍可以實現從100%到0%的性能,整個調光曲線更接近于自然調光,後面實例中有介紹其調光曲線的調試結果。

圖5 PWMLIMIT內部框圖和工作示意圖


8W 調光LED驅動設計實例
本實例裡用恩智浦公司的控制晶片SSL2101設計了一款輸入功率為8W,輸入電壓120VAC/60Hz,輸出LED電壓39V,電流170mA的驅動器,線路圖如圖6所示,可以看到這個線路採用的是非隔離的降壓式拓撲,整個設計所用的週邊元件不多,非常適合緊湊性調光球泡燈應用,如GU10,蠟燭燈。線路裡主電感TX1是EE10型磁芯,感量為1mH,開關頻率在50KHz左右。輸入保險電阻FR1有限制帶前切調光器時每個週期開始時的最大充電電流和提供一部分維持電流的作用,同時也能抑制調光器內和輸入電路上的電感和電容由於過高的充電電流而產生的震盪,避免調光器多次點火和損壞。這樣,FR1也相應地帶來損耗,應用裡為了提高效率,採用了主動阻尼抑制方式,就是在調光器正負導通的前1~2ms內,輸入電流經過FR1電阻,後面的時間電流通過並聯在電阻上的開關管,以減小電阻FR1的損耗,實際測試驅動器整體轉換效率(不帶調光器)達到了85%以上。

圖6 調光LED驅動器應用圖


圖7是驅動器帶上調光器後的工作波形,紫色通道是輸入電壓,淺藍色是輸入電流,黃色和綠色分別是SBLEED和WBLEED電阻R2電壓,R4的電流,可以看到調光器調節在最大角度時,SBLEED和WBLEED對應輸入電壓和電流的工作狀態。因為120Vac應用比較少需要相容後沿型調光器,所以R4有時候會選擇1M阻值,流過的電流不到1mA,基本可以忽略掉這個損耗,本應用中R4為4.4K,當調光器調到比較小的角度時,還可以在提供10mA左右的維持電流給調光器,所以,調光相容性非常好。

圖7 實驗工作波形和輸入測試參數


美國能源部支援的能源之星1.1版本規範了商用和家用LED照明的功率因數必須大於0.9和0.7的要求,圖7輸入測試結果顯示該實例驅動器的功率因數達到0.97,電流諧波因數17.8%,因此能完全能滿足相關功率因數的需求。另外,實際調試此實例驅動器能相容大多數120Vac的前沿型調光器,圖8列示了其中幾款具有代表性的調光器型號。



圖9是實例裡驅動器的輸出調光曲線,可以看到不同的BRIGHTNESS電平配置,所對應的調光曲線也是不一樣的,調光曲線1相比曲線2,要更平穩柔和些,即輸出電流與調光器角度的變化更接近指數特性,實際設計時可以根據調光曲線要求來選擇合適的調光器角度偵測回路上電阻R3,R11,R16的阻值,也可以看到輸出電流可以從100%調到0%。

總結:
本文針對調光LED驅動器的設計做了相關討論,主要解釋說明了影響調光器穩定工作的幾個主要因素,設計了一款高功率因數,高效率和寬調光器相容性的8W LED球泡燈驅動器,並對方案裡的幾項調光性能的調試做了相關說明。

參考資料
[1] AN10829 SSL2101 dimmable high efficiency flyback design, NXP semiconductor

作者:
恩智浦半導體 孫中華 高級應用工程師

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