突破可控硅技术LED照明调光设计更精简

　　现今市场上的一些照明设备对于可调光的范围都有严格的限制，甚至会出现闪烁的现象，因此业者已共同合作推出新的解决方案，该方案将可以使传统相位截断调光器实现固态照明之有效的调光。

　　外型/尺寸/功率环环相扣

　　新款实现固态照明有效调光的方案是以LED驱动器将90～135VRMS之交流电源输入(牆壁插头电源)转换为350毫安培的直流稳定电流源，以便驱动高功率的Cree白色 LED。使用常见于住宅、商用和工业建筑中的标准壁挂式调光器，交流电可能会被相位截断或是斩波，以减少LED的灯光输出。如图1的电路设计，能确保用户不会无意中接触电路中的高电压。图1所示，该电路为非绝缘电路。这表示电流会直接从输入端(交流电源)流往LED输出端。

　　图1非绝缘之LED驱动器电路图

　　而众所皆知，绝缘解决方案须要使用变压器将电流绝缘。无论是绝缘或是非绝缘两类型的电路都各有利弊。绝缘解决方案因为须要使用到变压器及可能使用输出回馈的光电藕合器，往往会需要更大的体积，而且效率也比较低，但如此一来，由于在交流电源和用户之间提供与生俱来的安全保护，便能轻易通过安全法规UL60950的规范。相反地，非绝缘机制的解决方案虽然拥有较小体积的优势，因此更可能适合灯泡改型应用所需的小尺寸，但仍须藉由灯泡材料和结构的机械绝缘机制改良才能通过安全法规的规范。

　　文中的LED驱动器同时应用于绝缘及非绝缘的解决方案中，并提供多种外形、尺寸和功率级别，但并非所有外形、尺寸和功率级别的产品都可以在一般的通路中购得，有些产品必须特别订购。

　　功率因数校正技术提升电路功率

　　当经由牆面之交流电源供电时，有时会在输入电流和电压或者在输入电流波形的波峰和波谷之间产生相位平移。最简单的例子就是在交流电源上直接放置一个高电压电容器。假定在理想设备中，输入电压对设备充电和放电时，电荷虽然传入和传出电容器，但是没有真正的输出功率被传输至该「负载」。这是因为输入电压和电流偏离了90度相位。电力公司并不喜欢这样的状况，因为即使能量正在「返回」电网的时候，在传输和变压器转换中也会发生能量的损耗。最佳的情况就是100%的传输电能都被负载使用。实际功率和表现功率的比值称为功率因数，以0(无实际功率传输，所有能量都在电容器中)和1(100%的传输电能被负载消耗，如电阻器)之间的数字表示。对于商业固态照明应用而言，能源之星(Energy Star)要求0.9以上的功率因数。当输入电压的谐波成分如通常假设一样为很低或为0时，功率因数计算如下方程式1：

　　方程式1

　　第一项须要考虑因为不连续(波峰和波谷)而导致电流中的谐波成分，第二项馀弦项考虑电压和电流之间的相位平移。

　　图2双级填谷式电路操作示意图

　　目前有许多不同的技术可以提升电路中的功率因素，这些技术往往都具有高谐波成分或相位平移，其中一个称为功率因数校正(PFC)。PFC技术主要分为主动式及被动式两种类型。主动式PFC使用电子驱动技术以形成输入电流波形并且过滤掉暂态波峰和波谷;而被动式PFC使用如电感器和电容器等元件已达到相同的效果。文中范例的驱动系统可使用在主动式和被动式的PFC，而目前也有相当多的电路板已经开发完成。本文所介绍的解决方案系採用被动式PFC技术的非绝缘设计，称之为「填谷式」电路，其电路和操作如图2所示。

　　当输入电压大于先前峰值电压除以「填谷」级数(为电容器的数量)时，负载将会直接从线路传输。除此之外，作为二极体配置的结果，电容器以串联方式进行充电，该方式导致它们以串联电容器数量均分电压。当输入电压低于其峰值除以级数时，电容器被迫(同样因为二极体配置)在该放电阶段以并行方式为负载供电。

　　该「保持」电压为先前的输入峰值电压除以「填谷」级数。该展示平台电路使用了双级「填谷式」电路。由于许多原因，该「填谷式」电路非常重要。首先，它提供PFC，因为在工作週期之内，电路中负载的功率频繁地来自于输入端。其次，电容器在平行放电中提供能量储存，所以LED电流中没有120Hz涟波。最后，因为它迫使由输入线路中得到大部分的电流，因此调光器开关仅接收使用于无闪烁操作中所需之电流。

　　相位调光应用需求殷LED驱动器设计难度日增

　　由相位截断调光器进行调光已成为各种非钨丝照明技术的难题，因为相位调光器比较适用于如白炽灯或卤素灯所提供的电阻负载。相位截断调光器可以分为顺向和逆向两类(图3)。相位调光器须要「洩放」电流以允许内部定时电路得以适当操作，许多调光器需要另外的「保持」电流以维持整个电路週期的适当工作。本文提到的LED 驱动器的BLDR接脚提供洩放电流，而外部电阻器R5在必要时提供保持电流。美国国家半导体(NS)可提供其他展示电路板，包含额外的电路以调节改变调光范围和增加效率的交流120Hz电路週期的保持电流。

　　图3全波、顺向以及逆向调光器波形

　　对于较大的调光范围，此LED驱动器解释了相位调光器的传导角或是点弧角，并将其转换至适当的LED电流量，以最小100：1的调光比例从最大值到最小值。 一些更佳的调光器可能提供更高的范围，但是对大多数应用而言并不需要。此驱动器使用低端驱动降压稳压器调节LED电流。 峰值电流在ISNS接脚处测量，涟波保持恒定以保持平均电流恒定。涟波通过与输出电压VLED成反比的假恒定关闭时间的实施保持恒定。 该方法藉由提供保持涟波电流恒定以保持LED堆叠的平均电流恒定而毋须考虑输入和输出电压变化的简单方法。主要的原因为电感器固有的基本操作原理。下列的方程式2标示出众所皆知的标准电感器中电压、电流、电感和时间之间的关系，同时也显示了与代表任何降压稳压器在关闭状态下适当替代物的相同关系。

　　简单来说，续流二极体的顺向电压与LED堆叠电压相比较，就会显得非常小。方程式中假设电感(L)是固定的，合理地假设核心饱和可以避免，如果tOFF与VLED成反比，电感器中的涟波电流也是恒定的。

　　恒定峰值电流与恒定涟波结合得到所需的恒定平均电流。

　　方程式2

　　设计LED驱动器，尤其是对于相位可调光式应用将是非常艰钜的挑战。为了协助设计人员，业者也开发了线上设计环境，可以直接使用LED的电子模型在特定的电路上进行设计工作。藉此提供基础设计的工作，但是相位调光有许多其他因素会使得设计变得複杂，例如电磁相容性的问题等。常用模式和差动模式滤波器通常用在离线电路的输入端，可与顺向和逆向相位调光器中所见的多种电路配置相互作用。安装在电路中的滤波器元件虽然已经过多种顺向以及逆向相位调光器的测试，但是仍有可能与未测试到的调光器会有不良反应。

　　整体而言，文中使用的LED驱动器、高功率Cree LED和线上开发工具，使得设计人员可以快速开发相位可调光式固态照明系统，并让该系统具备高效能、可靠和美观。