LED可控硅调光原理及问题.docx

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LED可控硅调光原理及问题

LED可控硅调光原理及问题

2010年11月10日17:

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LED（976）可控硅调光（3）

　　1.前言

　　如今，LED照明已成为一项主流技术。

LED手电筒、交通信号灯和车灯比比皆是，各个国家正在推动用LED灯替换以主电源供电的住宅、商业和工业应用中的白炽灯和荧光灯。

换用高能效LED照明后，实现的能源节省量将会非常惊人。

仅在中国，据政府*估计，如果三分之一的照明市场转向LED产品，他们每年将会节省1亿度的用电量，并可减少2900万吨的二氧化碳排放量。

然而，仍有一个障碍有待克服，那就是调光问题。

　　白炽灯使用简单、低成本的前沿可控硅调光器就可以很容易地实现调光。

因此，这种调光器随处可见。

固态照明替换灯要想真正获得成功的话，就必须能够使用现有的控制器和线路实现调光。

　　白炽灯泡就非常适合进行调光。

具有讽刺意味的是，正是它们的低效率和随之产生的高输入电流，才是调光器工作良好的主要因素。

白炽灯泡中灯丝的热惯性还有助于掩盖调光器所产生的任何不稳定或振荡。

在尝试对LED灯进行调光的过程中遇到了大量问题，常常会导致闪烁和其他意想不到的情况。

要想弄清原因，首先有必要了解可控硅调光器的工作原理、LED灯技术以及它们之间的相互关系。

　　2.可控硅调光的原理

　　图1所示为典型的前沿可控硅调光器，以及它所产生的电压和电流波形。

　　图1前沿可控硅调光器

　　电位计R2调整可控硅（TRIAC）的相位角，当VC2超过DIAC的击穿电压时，可控硅会在每个AC电压前沿导通。

当可控硅电流降到其维持电流（IH）以下时，可控硅关断，且必须等到C2在下个半周期重新充电后才能再次导通。

灯泡灯丝中的电压和电流与调光信号的相位角密切相关，相位角的变化范围介于0度（接近0度）到180度之间。

　　3.LED调光存在的问题

　　用于替换标准白炽灯的LED灯通常包含一个LED阵列，确保提供均匀的光照。

这些LED以串联方式连接在一起。

每个LED的亮度由其电流决定，LED的正向电压降约为3.4V，通常介于2.8V到4.2V之间。

LED灯串应当由恒流电源提供驱动，必须对电流进行严格控制，以确保相邻LED灯之间具有高匹配度。

　　LED灯要想实现可调光，其电源必须能够分析可控硅控制器的可变相位角输出，以便对流向LED的恒流进行单向调整。

在维持调光器正常工作的同时做到这一点非常困难，往往会导致性能不佳。

问题可以表现为启动速度慢，闪烁、光照不均匀，或在调整光亮度时出现闪烁。

此外，还存在元件间不一致以及LED灯发出不需要的音频噪声等问题。

这些负面情况通常是由误触发或过早关断可控硅以及LED电流控制不当等因素共同造成的。

误触发的根本原因是在可控硅导通时出现了电流振荡。

图2以图表形式对该影响进行了说明。

　　图2发生在LED灯电源输入级的可控硅电流与电压振荡

　　可控硅导通时，AC市电电压几乎同时施加到LED灯电源的LC输入滤波器。

施加到电感的电压阶跃会导致振荡。

如果调光器电流在振荡期间低于可控硅电流，可控硅将停止导电。

可控硅触发电路充电，然后重新导通调光器。

这种不规则的多次可控硅重启动，可使LED灯产生不需要的音频噪声和闪烁。

设计更为简单的EMI滤波器有助于降低此类不必要的振荡。

要想实现成功调光，输入EMI滤波器电感和电容还必须尽可能地小。

　　振荡的最差条件表现为90度相位角（这时，输入电压达到正弦波峰值，突然施加到LED灯的输入端），并且为高输入电压（这时，调光器的正向电流达到最低水平）。

当需要深度调光（比如相位角接近180度）且为低输入电压时，则会发生过早关断。

要可靠地调低光度，可控硅必须单调导通，并停留在AC电压几乎降至零伏的点上。

对于可控硅来说，维持导通所需的维持电流通常介于8mA到40mA之间。

白炽灯比较容易维持这种电流大小，但对于功耗仅为等效白炽灯10%的LED灯来说，该电流可降低到可控硅维持电流以下，导致可控硅过早关断。

这样就会造成闪烁和/或限制可调光范围。

　　在设计LED照明电源时还有许多其他问题构成挑战。

能源之星固态照明规范要求商业和工业应用的最小功率因数必须达到0.9，照明产品必须满足效率、输出电流容差和EMI的严格要求，并且电源还必须在LED负载发生短路或开路的情况下作出安全响应。

　　4.LED调光实用方案

　　PowerIntegrations（PI）最近所取得的技术进展为如何解决LED驱动和可控硅的兼容性问题提供了参考范例。

图3是PI开发的可控硅调光的14WLED驱动器的电路图。

　　图3隔离式可控硅调光的高功率因数通用输入14WLED驱动器的电路图

　　本设计采用了LinkSwitch-PH系列器件LNK406EG（U1）。

LinkSwitch-PH系列LED驱动器IC同时集成了一个725V功率MOSFET和一个连续导通模式初级侧PWM控制器。

控制器可实现单级主动功率因数校正（PFC）和恒流输出。

LinkSwitch-PH系列器件所采用的初级侧控制技术可提供高精度恒流控制（性能远优于传统的初级侧控制技术），省去了隔离反激式电源中常用的光耦器和辅助电路（即次级侧控制电路），同时控制器中的PFC部分还省去了大容量电解电容。

　　LinkSwitch-PH系列器件可设置为调光或非调光模式。

对于可控硅相位调光应用，可在参考（REFERENCE）引脚上使用编程电阻（R4）和在电压监测（VOLTAGEMONITOR）引脚上使用4MΩ（R2+R3）电阻，使输入电压和输出电流之间保持线性关系，从而扩大调光范围。

　　连续导通模式具有两大优势：

降低导通损耗（从而提高效率）和降低EMI特征。

EMI特征降低后，使用较小的输入EMI滤波器即可满足EMI标准。

可省去一个X电容，并省去共模扼流圈或减小其尺寸。

LinkSwitch-PH器件中内置的高压功率MOSFET开关频率抖动功能还可进一步降低滤波要求。

输入EMI滤波器尺寸减小意味着驱动电路的电阻性阻抗随之减小，其重要好处就是能大幅降低输入电流振荡。

由于LinkSwitch-PH由其内部参考电源供电，因此可进一步增强稳定性。

对于可调光应用，增加主动衰减电路和泄放电路可确保LED灯在极宽的调光范围内稳定工作，且无任何闪烁。

　　恒流控制允许有±25%的电压摆幅，这样就无需根据正向电压降对LED进行编码，并且±5%的差异仍可确保一致的LED亮度。

　　5.结束语

　　这个14WLED设计实现了与标准前沿可控硅AC调光器兼容、极宽调光范围（1000:

1，500mA:

0.5mA）、高效率（>85%）和高功率因数（>0.9）的目标。

它说明与LED灯可控硅调光相关的问题是可以克服的，甚至可以简化驱动器设计，使可调光LED灯更具成本效益，且达到一致和可靠的性能。

ICL8001G可控硅调光LED驱动电路与应用

2011-08-3012:

01:

02

摘要：

LED照明具有发光效率高、节能等一系列优点，目前得到了广泛的应用。

由于LED可控硅调光具有使用方便、便于实现和使用范围广等一系列优点，世界上一些半导体集成电路生产制造公司纷纷推出有关LED可控硅调光控制集成电路。

下面介绍由英飞凌（Infineon）公司新推出的LED可控硅（TRAIC）调光控制集成电路ICL8001G的工作原理与典型应用。

　　1LED照明与LED可控硅（TRAIC）调光控制

　　自从1968年第一批LED开始进入市场以来，至今已有30多年。

随着新材料的开发和LED生产工艺的改进，LED趋于高亮度化和全色化。

氮化镓基底的蓝色LED的出现，更是扩展了LED的应用领域。

　　LED的发光原理就是将电能转换为光的过程，将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果。

通过LED的正向电流越大则LED的发光亮度越高，同时，通过LED发光电流的稳定性将影响LED的发光稳定性。

因此，在实用中应采用可以提供精确稳定电流的LED驱动恒流源来为LED供电。

　　LED的调光可以进一步提高LED的节能效果，而LED的可控硅（TRAIC）调光具有易于实现和使用方便等一系列优点，世界上一些大的半导体集成电路生产和制造公司纷纷推出了LED可控硅（TRAIC）调光控制集成电路，例如：

美国国家半导体公司（NS）推出的LM3445、安森美公司（Onsemi）推出的NCL30000、NXP公司推出的SSL2010T和英飞凌（Infineon）公司推出的ICL8001G等可控硅（TRAIC）调光控制集成电路，PI公司也推出了基于PI产品的LED可控硅调光解决方案，它们各具特色。

下面介绍英飞凌（Infineon）公司推出的ICL8001G可控硅（TRAIC）调光控制集成电路的工作原理、特点和典型应用电路。

　　2LED可控硅调光控制集成电路ICL8001G的特点

　　ICL8001G是一款工作于准谐振工作模式、用于离线LED照明应用场合的控制集成电路，特别适用于替代白炽灯照明应用的LED可调光应用场合，精密的PWM控制可确保可靠地用于相位调光控制的初级侧控制电路结构，确保电路功率因数PF值>98%,可以显着地改善电路工作效率，使工作效率高达90%。

相对别的电路解决方案，ICL8001G的LED供电工作电压范围宽（高达26V）、功耗低，保护功能齐全，使用ICL8001G构成的LED可控硅调光控制电路具有性能优和电路简单的特点。

　　ICL8001G为8引脚PG-DSO-8封装，外形如图1所示，ICL8001G的内部工作原理框图如图2所示。

　　ICL8001G的主要技术特点如下：

图1引脚图（PG-DSO-8封装）（俯视图）

图2内部工作原理框图

　　1）在整个工作范围内具有高的工作效率和工作稳定性；2）可用于可控硅前沿或后沿的调光控制应用场合；3）用于初级侧的PFC和精密调光PWM控制；4）用于VCC引脚外接电容的恒电流预充电控制单元电路；5）内置数控软启动控制功能，折返式控制和逐周期峰值电流控制；6）VCC过/欠电压锁定输出；7）输出过电压保护的可调节锁定工作模式。

（1）ICL8001G引脚功能

　　（3）可控硅调光的典型应用电路

　　可控硅调光的电路实现有许多种，可控硅调光的典型应用电路如图4所示，在图4所示电路中，电位器1用于设定内部失调，电位器2用于外部控制，在电位器1和电位器2的共同作用下，阻值变化范围为2.7Ω 到413kΩ。

图4可控硅调光的典型应用电路

　　4采用ICL8001G的LED可控硅可调光典型应用电路

　　下面介绍采用ICL8001G的LED可控硅调光典型应用电路评估电路板EVALLED的特点与具体电路实现。

（1）电路简介

　　ICL8001G的评估电路板EVAL-LED演示了ICL8001G控制集成电路在LED可控硅调光的应用，ICL8001G为单级反激控制集成电路，工作于准谐振、初级侧控制工作模式，集成了APFC和相控调光控制功能，适用于LED可调光控制的应用场合。

（2）ICL8001G的评估电路板EVAL-LED

　　ICL8001G的评估电路板EVAL-LED焊接电路元器件后的PCB电路板图俯视图和仰视图分别如图5和图6所示。

图5EVAL-LEDICL8001G评估电路板的俯视图

图6EVAL-LEDICL8001G评估电路板的仰视图

　　（3）电路特点

　　EVAL-LEDICL8001G评估电路板的电路特点如下：

　　1）在准谐振工作模式下，在整个宽的交流输入市电电压变化范围内具有稳定和高的工作效率；2）采用初级侧反激控制，具有APFC功能和相控调光控制功能；3）在相控调光控制下电路保持高的工作效率；4）在ICL8001G的内部具有对VCC引脚外接电容的恒电流充电控制功能；5）ICL8001G内含数控软启动控制功能；6）具有折返式补偿和逐周期峰值电流限制功能；7）VCC引脚的过电压和欠电压锁定输出控制功能；8）短路保护后的自动再启动；9）输出过电压保护的可调节锁定关断工作模式。

　　ICL8001G的引脚功能如表1所示。

表1ICL8001G的引脚功能

（2）ICL8001G的引脚功能简介

　　①ZCV引脚：

过零检测引脚，来自辅助绕组的电压经延时电路延时一段时间后加到该引脚，通过内部电路该引脚接到了过零检测器电路，用以决定外接功率开关管的导通时间。

同时，通过比较VZC和内部预设定的阈值电压可以实现输出过电压检测功能。

　　②VR引脚：

电压检测引脚，通过该引脚检测交流输入市电整流后的输出电压，利用这个检测到的电压可以设定峰值电流控制电路的峰值电流，并完成APFC和相控调光控制功能。

　　③CS引脚：

电流检测引脚，该引脚接至一只用于决定初级侧电流检测的电流检测电阻，并和反馈电压一起用于决定PWM控制信号发生器的脉冲关断时间，并且在主电源开关管导通时间内通过检测电压VCS的电压来实现短路绕组的检测功能。

　　④GD引脚：

栅极驱动输出引脚，该引脚输出信号用于驱动外接功率开关MOSFET管。

　　⑤HV引脚：

高电压输入引脚，该引脚连接至外部总线电压，并通过外接总线电压为接至集成电路VCC引脚的电容充电。

　　⑥VCC引脚：

集成电路的电源供电引脚，供电电压范围为VVCCoffVVCCOVP。

　　⑦GND引脚：

集成电路的地引脚。

　　（3）ICL8001G的电路保护

　　ICL8001G具有如表2所示的保护功能。

表2保护特性

　　3调光器的分类与工作原理

（1）调光器的分类

　　调光器按实现方式可以分为前切式及后切式相位调光，前切式及后切式相位调光输出的电压波形如图3所示，前切式相位调光又叫可控硅前沿相位调光或可控硅调光。

而后切式相位调光又叫后沿调光或晶体管调光。

前切式相位调光的调光控制交流输入市电的前沿变化较剧烈，而后沿调光的调光控制交流输入市电的后沿变化较平缓，这可从图3所示波形看出。

　　相控调光器分类和特点如表3所示。

表3相控调光器分类和特点

（2）相控调光器的工作原理

　　如图3波形所示，通过改变调光控制相控角的位置就可以改变输出交流电的平均值，达到改变输出功率的目的，从而达到调光控制目的。

但是，相控调光器的交流输出电压波形已严重偏离正弦波形，所以功率因数也严重小于1,这也是相控调光的一个缺点，相比较而言，后切式相位调光的波形失真较前切式相位调光的波形失真要小些。

图3前切式及后切式相位调光输出的电压波形

（4）技术指标

　　表4给出了EVALLEDICL8001G评估电路板的有关技术指标，表4中输入电压表示未经相控调光的交流输入电压有效值（RMS）,输出电压表示在给定的交流市电输入电压变化范围内的输出直流电压变化范围。

表4电路性能指标

　　（5）调光控制

　　通过可控硅的相控调光控制，可以改变加到LED照明控制电路板上的LED直流供电电流值，从而实现LED的调光控制。

　　1）电路板的加电

　　在集成电路ICL8001G内部有一个启动单元电路，这个启动单元电路可以在不降低电路工作效率的前提下缩短电路的启动时间，在ICL8001G的VCC引脚外接电容C15=10μF的条件下，电路启动时间大约为120ms。

　　2）EVAL-LEDICL8001G评估电路PCB板图

　　EVAL-LEDICL8001G评估电路PCB板图分别如图7和图8所示。

图7EVAL-LEDICL8001G评估电路板PCB俯视图

图8EVAL-LEDICL8001G评估电路板PCB仰视图

　3）EVAL-LEDICL8001G评估电路电路原理图。

　　EVAL-LEDICL8001G评估电路板电路原理图如图9所示，电路元器件参数表如表5所示。

图9ICL8001G评估电路板电路原理图

表5电路元器件参数表

　　5小结

　　由于照明可控硅（TRIAC）调光易于使用，符合人们的使用习惯，所以推广可控硅照明调光具有很好的市场前景，照明可控硅（TRIAC）调光在白炽灯调光中得到了很好的应用。

但是，照明的可控硅（TRIAC）调光在气体放电灯和LED照明调光的应用场合，可控硅（TRIAC）调光在电路的功率因数、调光闪烁等调光性能和造价等方面还需进一步做出努力，以扩大可控硅（TRIAC）调光在气体放电灯和LED照明调光的应用范围。