基于EZDimming的節能LED照明系統

假如我們有一個10W的LED臺燈，發出來的總光通量是600lm,若這600lm全部集中在1m2的桌面，那桌面的照度就是600lx。

1 調光的作用和意義

燈光是人工照明，為夜晚或自然光不足的場合提供足夠的照度。但燈光消耗電力，在不需要時關掉燈光可節約能源。不過在有些時段和情況下，如果可把燈光調到較暗的程度(25%~50%)，也是可以顯著降低能源消耗的(-50%~-75%)。

據不完全統計，全國的照明負載約占總用電量的20%,亦即照明將消耗發電系統約20%的功率。帶可調光的照明產品比不帶調光功能的照明產品更節能，實現照度和光通量的調節就是調光器的作用。因此，在照明設計中，充分發揮調光的作用，就完全可以達到大幅度節能的目的。

2 現有的調光方式

2.1 電阻式調光

過去，曾采用最原始的電阻式調光，如圖1所示，在照明電路中由一個可變電阻進行調光。應用非常簡單，也不會產生干擾，但其分壓原理是讓電能不完全用在燈具(電器)上，沒有效率可言。調暗燈光時，調光電阻因分壓過多而產生大量的熱能，造成能源的浪費和環境的劣化。故取而代之的是可控硅調光方式。

圖1 電阻式調光

2.2 可控硅調光

如圖2所示，可控硅調控技術的基本原理是：利用RC移相來延遲觸發，實現斬波，改變電壓的均方根值(有效值為Vrms)。同時，利用雙向可控硅(DIAC)導通電壓的對稱性，達到可控硅(TRIAC)的對稱觸發。故改變電阻值就可得到不同的導通角，應用切相原理，減少Vrms,以降低普通負載(電阻負載)的功率。

圖2 改變電阻值可得到不同的導通角

因此效率較高，性能也穩定。圖3為可控硅調光器的工作原理圖。

圖3 可控硅調光的工作原理圖

可控硅技術在工作中的特性(I-V特性)如圖4所示。根據I-V特性可知：TRIAC在導通后，需要維持最小電流(維系電流Ihold)來保持導通，否則會恢復到截止狀態;不同的TRIAC會有不同的Ihold值，通常在幾毫安到幾十毫安之間，有的甚至到50mA才能穩定導通。現在市場上能買到的不同牌號、不同種類的調光器，100W,200W,600W~1000W,功率越大就越需要大的維系電流。如果沒有足夠的Ihold來保證TRIAC穩定的導通角，那么輸出的波形就會不均勻，產生額外的顫動和尖峰，影響輸出的Vrms。

2.3 LED照明常見的調光方法

　　LED照明調光通常有三種方法：

　　(1)線性調光;

　　(2)脈沖寬度(PWM)調光;

　　(3)可控硅調光。

其中，線性調光如圖5所示。調節電流感應電壓閾值，就可調節流過LED電流的大小。圖5中SSD1075的電流感應電壓閾值是1.2V,我們在其LD腳上輸入0~1.2V的直流電壓，以實現LED電流的線性調節。實測SSD1075的調光曲線，可以看出從0~1.2V輸入到LD時，LED電流呈線性調節。線性調光的缺點是需要額外的直流電壓源。而且由于電流感應電壓閾值一般會設置得較低，其抗干擾能力較差，會產生閃爍。

脈寬PWM調光如圖6所示。通過改變PWM輸入脈沖信號的占空比來調制LED驅動芯片對功率場效應管的柵極控制信號，就可調節通過LED電流的大小。實測SSD1075的調光曲線可知，占空比從0~100%變化時，LED電流呈線性調節。此法的缺點是需要額外的PWM信號源，且脈寬調制信號頻率與LED驅動芯片對功率FET的柵極控制信號頻率越接近，其線性就越差。

圖6 脈沖寬度PWM調光

線性調光和PWM調光在家用及商業應用上的最大問題，不是增加負載分壓電路或產生控制脈沖信號的麻煩，而是因為這兩種方法都需要控制線路。而在傳統的燈具上，只具備兩個電觸點。如需加控制線，就無法做到替換性改造了，所以LED燈具一定需要兼容現有的SCR調光控制技術。

可控硅調控就是在芯片里或者應用電路上，在切相電源中提取導通角信息，并根據該信號控制來調控LED的驅動電流，以達到調光的效果。

根據SSD1075的可控硅調光曲線，可看出LED電流與可控硅調光呈線性調節，如圖7所示。　

圖7 可控硅調光原理圖及調光曲線

3 可控硅調光在應用中出現的問題及其解決方法

3.1 可控硅調光會出現100Hz的頻閃

如圖8所示，電網的工頻為50Hz,切相波形整流后就可得到100Hz的脈沖信號，因而可直接用來產生調光的PWM信號。但在實際應用中，只要有任何輕微的電壓波動或電流的變動，都會影響脈沖的占空比，這樣就相當于一個100Hz的閃爍。因此，不能直接把切相波形用來調光，需要把調制信號頻移至更高的頻段，使人眼察覺不出閃爍現象。具體實施是通過SSD1075把調光信號調至更高的頻段，如圖8所示。

3.2 可控硅調光的負載問題

可控硅調光器要穩定工作，就需要有穩定的Ihold來保障調光器工作。而大部分的LED電源都是非線性開關電源，加上現在的LED很節能，整燈功率不高，故TRIAC的工作狀態不穩定。由于可控硅的導通需要一定的電流，而LED負載不是線性的，其所需的輸入電流是變化的，故可控硅的導通狀態和觸發電壓也會像圖9那樣，隨之發生變化。解決方法是在SCR信號輸入端之前，加入虛擬負載，產生一個穩定的10~30mA負載給TRAIC。從圖10可見，SCR的波形有了明顯的改善。

圖9 可控硅的導通狀態和觸發電壓的變化

3.3 可控硅調光的負載過熱問題

如上所述，加入虛擬負載以后，按10~30mA計算，其功耗則為P=2500.01~2500.03=2.5W~7.5W,可以設想一個7.5W的虛擬負載如放在一個E27球泡燈內是斷不可行的，況且效率也很低，因此，一定要讓虛擬負載電流達到盡可能的小(I10mA)。此外，還要能夠準確地解析出導通角信號，因而需要應用信號濾波技術，把截取進來的信號進行整形濾波，以便提高調光信號的可用性。

3.4 可控硅調光器的缺點

硅控調光器會成為未來LED照明的主流調光方式嗎?答案是相當不樂觀的。硅控調光器的主要缺點如下。

(1)功率因數劣化

這一調光方式的原理是：通過其主要構成組件的硅控管，用來截取交流電壓部分導通角度，以改變燈具的輸入功率。但導通角愈短，功率因數就愈差。調到1/4亮度時，功率因數將低于0.25。

(2)效率下降

因為在調暗時，負載不足，會造成硅控管提早關閉，使其用來改變硅控管導通角度的可調電阻與導通角度的錯亂，進一步導致LED燈操作無法穩定和閃爍不定的問題。為此，通常藉加裝泄流電阻(bleederordummyload)來解決。這樣，用bleeder來消耗功率以保持硅控管的正常操作，就違背了原先調光節能的初衷。

(3)難于匹配

要開發一種與市面上數十廠牌硅控調光器都保證兼容的可調光LED燈具是相當困難的。有關匹配問題可參閱NxpApplicationNoteAn10754。

(4)高安裝成本和有限的應用市場

鑒于上述原因，LED照明業者若能開創出一種接近零成本、不需要改變接線、不需要昂貴的遙控調光器，又能維持高效率與高功率因數，能便于推廣普及的調光方式，這對LED照明實現節能和開拓廣闊的應用市場都是非常重要的。

4 LED照明調光用的理想驅動IC

對照明這種傳統產業，最可行的標準就是原來的標準;最容易的方案就是不需改變現狀。迄今為止，比較成功的LED照明產品，都是造型和使用方式與傳統的燈泡和燈管很相似。因而可以推測，最可行的調光方式，就是不制定新標準，不改變現狀，不需要改變接線，不增加任何調光裝置就能達到調光功能的一種方案。

EZDimming就是按照四段調光的基本概念，把調光功能內建(BuiltIn)在LED驅動集成電路之內的理想調光方式。沒有任何其他外接零件的需要，同時在各段調光準位時，都能維持高效率和高功率因數。圖11為LED照明調光用的驅動IC。

圖11 高功因、高效率， 具有調光功能的驅動集成電路

EZDimming偵測wallswitch切換次數，來改變調光準位。自全亮開始循序降到六分亮、四分亮、二分亮。并且在任何調光階段，都能維持高于0.90的功率因數，高于80%的效率。切換柔和平穩，完全沒有浪涌電流或噪音的不良現象。線路精簡，幾乎是零增加硬件成本。與其他現有的各式調光方案對比，EZDimming不只是賦有超越性的功能優勢，而且不需要改變接線或任何硬件，裝置成本最低。只要將傳統的燈泡、日光燈管或者節能燈泡拆卸下來，再裝上配有EZDimming的LED燈，立即可以將一個原先毫無調光功能的照明器具或系統，改成一個具有調光功能、既節能又環保的照明系統。