智能数字功率控制器优化LED调光系统 [1]

　　0 前言

　　全球气候暖化危机和能源紧缺在进一步推动LED照明的普及，LED照明具有环保、光效高和寿命长的特点，但在完全取代具有墙上型调光器的白炽灯方面，LED照明还存在兼容性差的先天不足。其主要原因在于：1)现有的调光器都是针对白炽灯设计的，而白炽灯呈现的是纯阻性;LED作为固态半导体照明器件，需要恒定的直流电流驱动，所以LED照明一般都需要驱动器从交流110V/220V转换到所需要的直流电流;2)调光器种类繁多，而且工作原理各不相同，包括前切型、后切型和智能型等;3)LED照明器的种类也很多。这样一来，对于不同的LED照明匹配不同类型的调光器;LED的驱动器面临巨大挑战;其中，可靠性和安全性尤为重要。照明属于消费电子产品，直接接触千家万户的消费者，不仅价格要适当，更重要的是要安全可靠;即便是任一元器件失效或调光器与LED不匹配，也不能造成漏电、过热、过流等任何安全故障。

　　针对LED照明市场的发展，多家IC制造商推出了应用于调光LED灯具的驱动方案。本文介绍的iW3610是兼容传统前后切相式调光器的数字控制器，可自动识别切相调光器，配合不同的工作模式，使整个系统始终工作在优化状态。

　　1 LED照明驱动器的设计要点

　　LED是一种单向电流型固态半导体发光器件，它是传统二极管的一个分支;因此LED也具有二极管的特性：1)工作结温必须在规定的范围内，以保证其正常工作寿命;2)只有当其承受的电压超过正向电压时，LED才开始有电流通过，并发光;作为发光器件，LED照明还具有其它特性：

　　1.1照明要求：

　　a. 电流的调节精度要高;b. 没有闪烁和眩光;C. 电流的纹波要稳定。

　　1.2 散热设计要点：

　　a. 非隔离驱动器便于散热器的设计和成本控制;b. 高效率的驱动器，减少功率耗散;c. 过热调节，调节输出光通量当温度超过安全结温时。

　　1.3 安全可靠性要点：

　　a. 任一器件发生故障(短路、开路、浮动)均应导致LED照明的关断保护;b. 可靠的过热过流保护;c. LED开路和短路保护。

　　当然，要普及LED照明到千家万户，成本是最重要的考虑因素，LED产品既要可靠还要体积小巧，并且高效、低成本。

　　2 LED调光照明应用中的难点

　　相比于传统的白炽灯，LED照明具有环保、光效高和寿命长的优点。但在完全取代带有入墙式调光器的白炽灯方面，LED照明尚存在兼容性差的缺点。传统的调光器用于驱动纯电阻负载，调光器种类繁多，包括前沿切相调光器、后沿切相调光器、智能调光等等，而且功率都比较大(200W~600W)，需要提供阻性或类阻性的负载才能使调光器稳定工作;当连接容性负载时，调光器可能无法正常工作。

　　针对可控硅切相调光器，凭借简单的泄放电路(BLEEDER)去配合规格各异的可控硅调光器工作，很难让人满意。传统调光器功率都比较大(200W~600W)，可控硅需要一定的保持电流维持其导通，而在小功率的LED驱动应用上，一般不能保证有足够大的输入电流去维持可控硅稳定工作。这样就有可能出现多次导通，因而供给LED驱动的电压及切相信号就不稳定，如果调光信号处理不好则会造成LED闪烁。

　　另外，在欧美市场上，后沿切相型的调光器和卤素灯也有广泛应用。卤素灯需要电子变压器进行恒压控制及软启动以提高可靠性，但是卤素灯发光效率也远不如LED灯，因此很多使用者也很想选用可调光的LED去替换卤素灯及电子变压器。

　　由于后沿切相的调光器需要和电容性的电子变压器匹配，它的设计和工艺较普通的可控硅调光器更为复杂，内部有精准的时间常数电路去控制场效应管的关断而达到后沿切相的效果，还需要稳定的电压供这些电路工作;因为这种调光器中使用的开关器件是场效应管，一般都会并联上较大值的X电容以保护场效应管，这样就加大了在正弦波下降沿切相时的检测难度。因此，针对后沿切相调光器设计的LED驱动，既要能够在任何切相位置保证调光器内部电路工作，又要能够提供很低的阻抗去准确检测切相位置，而且不能影响LED驱动的转换效率。

　　图1 可控硅调光器的内部电路及切相波形

　　图2 简单Bleeder电路中可控硅保持电流不够产生的多次导通

　　4 智能数字调光控制器iW3610

　　iWatt公司推出的数字调光控制芯片采用高精度的初级恒流控制方式，无需光藕合器和元件繁多的次级反馈控制元件;功率转化操作频率高达200kHz，利于小体积高功率密度设计;特有的斩波式调光器的检测技术，也改善了功率因数和谐波电流;输出纹波电流小，优化了LED的发光效率;内置多重保护，外置NTC的程序化过温保护。

　　图3

　　iW3610的斩波电路就是针对可控硅和场效应管调光器的特性而设计。如图4所示，RcLcQcD1D2组成的电路既可以使调光器稳定工作，又可以通过Boost电路改善功率因数，IC内部的数字电路通过检测电压的变化率判断切相信号的类别，从而智能化判断其所配合的调光器。

　　图4

　　当iW3610检测到可控硅切相的调光信号后，将工作在前沿切相模式。如图5所示，当可控硅关断时，IC的Output_TR是高电位，使MOSFET导通，相当于把BLEEDER电阻连接在调光器的输出端，因为BLEEDER的阻抗大小与常规的钨丝灯相当;当可控硅导通时，Ouput_TR会输出一组高频的控制信号，斩波电路工作在高频开关状态，斩波电路从输入端吸取较多的电流，以维持可控硅工作;吸取的能量大部分通过Boost电路传递给初级电容。IC针对不同的输入切相信号调整斩波电路的工作时间，避免了可控硅的多次导通。

图5