行業技術分享：工程師解析LED照明系統設計技巧

LED照明將會取代主流的白熾照明和其他照明技術，占據市場主導位置。但從舊技術到新技術的轉換還需要多年時間。在此期間，LED燈設計師所面臨的挑戰是如何確保新設計與原本為白熾照明開發的現有控制器和布線架構實現兼容和可靠工作。本文所介紹的是可同時適用于低功率和高功率LED照明系統的解決方案，它久經考驗，非常成熟。

LED燈泡的構造

一個LED燈包含一個到十幾個甚至更多的LED芯片，它們通常串聯在一起。每個芯片的發光亮度由通過其中的電流大小決定。由于采用串聯連接方式，燈泡內每個LED芯片會自動通過相同的電流，但每個芯片上的電壓各不相同。LED的正向電壓降通常為3.4V，但會在2.8V到4.2V之間變化。可以對LED進行分類以限制電壓變動幅度，但這會增加成本，并且正向電壓降仍會隨溫度和使用時間發生變化。要想提供一致的光輸出，LED燈必須由嚴格規定的高效恒流電源驅動。作為白熾燈的替代品LED燈，該電源必須集成在燈殼內。

典型集成LED燈包括驅動電路、LED集束以及可同時為驅動器和LED芯片提供機械保護和散熱的外殼。

LED驅動器的要求非常嚴格。它必須是高效節能的，必須滿足嚴格的EMI和功率因數規格，并能安全地耐受各種故障條件。其中最為困難的要求之一是要有調光功能。由于LED燈的特性與專為白熾燈所設計的調光控制器之間存在不匹配，因此容易造成性能不佳。問題可能表現為啟動速度慢、閃爍、光照不均勻、或在調整光亮度時出現閃爍。此外，還存在各個單元性能不一致以及LED燈發出可聞噪聲等問題。這些負面情況通常是由誤觸發或過早關斷控制器以及 LED電流控制不當等因素共同造成的。

調光控制器

照明控制器以線路調光或PWM調光的方式進行工作。最簡單的線路調光方式是前沿可控硅控制器。這是目前最常用的照明控制方式，但不幸的是，使用可控硅控制器對LED燈進行調光時會產生大量問題。更先進的線路調光器是電子前沿或后沿調光器。PWM調光器則用于專業照明系統。

使用前沿可控硅調光器時，調光控制是通過改變可控硅導通每個半周期的相位角來實現的。燈泡的輸入功率與調光信號的相位角成一定的函數關系，相位角的變化范圍介于接近0°到180°之間。

可控硅的重要參數之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅動的情況下保持導通所必須維持的最小負載。為維持可控硅的穩定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8mA到40mA。因此，白熾燈的相位角調光器通常有一個規定的最小負載，230V額定交流電壓下通常為40W。這是為了確保流經內部可控硅的電流始終高于所規定的維持電流閾值。由于LED照明的功耗非常低，維持電流將成為一個問題。

另一個潛在問題是浪涌電流。可控硅導通時，高浪涌電流會流入LED燈。最差情況就是相位角達到90°，而此時AC輸入電壓達到峰值。對白熾燈來說，浪涌電流不會構成問題。但在LED燈中，驅動器的輸入級阻抗和線路電容會造成振蕩。發生振蕩時，可控硅電流將立即降到維持電流以下，使可控硅停止導通。

要想解決這些問題，就必須修改LED驅動器的規格和設計。

非隔離式可調光LED驅動器

圖1所示為可用于替換白熾燈的LED燈的非隔離式可調光LED驅動器的基本應用電路圖。下面將介紹驅動器的功能，以便闡明該驅動器在成為可控硅調光器的負載時將會出現的問題。

該控制器是Power Integrations(PI)推出的LinkSwitch-PL器件。它在一個單片IC上集成了高壓功率MOSFET開關和電源控制器。該器件提供單級功率因數校正(PFC)和LED電流控制。該電路可用作非連續模式、可變頻率、可變導通時間反激式轉換器。整流后的交流電源輸入由集成的725V功率 MOSFET通過高頻變壓器進行開關。次級繞組上產生的電壓在變成LED負載之前會被整流和平滑。LED負載電流還流經檢測電阻RSENSE。 RSENSE上產生的電壓(典型值為290mV)會通過RF出現在反饋(FB)引腳，從而提供精確的恒流反饋控制。DES和RES為 LinkSwitch-PL供電，DZOV和ROV在LED開路時提供過壓保護。

本設計中的輸出電流與電源變壓器的特性無關。電感變化對恒流特性無任何影響。因此，這能使恒流特性具有非常嚴格的容差，這在單級轉換器中非常突出。

在執行調光控制時，LinkSwitch-PL器件會同時檢測輸入電壓過零點和可控硅調光器的導通角。輸入電壓過零點的檢測是通過漏極節點內部完成的。控制電路會處理此數據并設定需要的反饋電壓，從而設定LED負載電流。浪涌電流

如圖1所示，驅動器對可控硅控制器構成高阻抗、大電容負載。此外，還將有電容和電感所構成的輸入EMI濾波電路。在每個半周期，都會產生浪涌電流，從而造成振蕩(如上所述)。