账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
LED数位调光传递更好调光效果
消除浪费功耗泄流电阻

【作者: Scott Brown】2016年11月18日 星期五

浏览人次:【8011】
  


虽然现今的LED灯具已进入大量生产销售,但固态照明(SSL)产品的效能,特别是在调光方面,始终不及传统灯泡。事实上,设计用于LED灯具的替代传统驱动器,仍无法在可接受的价格内有令人满意的调光表现、能效及稳定度。


不过现在驱动器电子产品的数位控制可以消除浪费功耗的泄流电阻(Bleeder Resistor,通常用于提升旧式TRIAC交流矽控整流器的稳定运作),还能让无频闪的调光降到低照度水平。


室内照明采用调光器已经变得普及,不仅可节省电力与电费,也有其舒适便利的考量。从效率的观点来看,调光对于节能诉求的LED照明不是很重要。然而人们极欲利用照明来塑造氛围,无论是在家中或是在餐厅、娱乐场所或会议等等。这么一来就需要顺畅、无闪烁的调光,并且可以涵盖各种照明水准。


固态照明在许多应用上的思维仅是简单升级,用相同外观尺寸的LED灯取代白炽灯具。但事实上的LED灯具设计显得复杂,因为使用者期望新灯具能与现有的调光器完美配合,可是呈现的结果可能会随着现有调光器的种类及品质而不同。


调光器的运作

标准的TRIAC、切相调光器是设计用来驱动白炽灯泡的电阻负载(Resistive Load)。 TRIAC调光器也被称为前切式(Leading-Edge)调光器,其调光方式是使用TRIAC元件的特性来阻挡作用AC电压信号的前沿(图一)。延迟TRIAC的触发角度能调整照明水准。



图一 : 前切TRIAC调光器的前切式调光,周期稍晚时才启动。
图一 : 前切TRIAC调光器的前切式调光,周期稍晚时才启动。

当触发脉冲动作时,TRIAC会启动,且在剩余周期时间内都会维持启动,使电流保持在这个装置所指定的维持电流之上。如果是一个白炽灯泡的负载,要将电流保持在指定电流值之上很容易,如此就能让TRIAC维持导通直到电流在周期结束。


然而,可用的调光范围受到两个因素限制,即使是白炽灯泡也会发生这种情况。调光器电路一般会结合一个电磁干扰(EMI)滤波器,包含了电感和电容元件,将振铃杂讯(Ringing Noise)导入电流波形中。如果这个电感是低品质元件,那么这个振铃就足以在启动后立刻造成电流突降至TRIAC维持电流之下,导致装置关闭、灯具出现明显的闪烁。类似的情况,如果采用维持电流极高的低成本TRIAC,则当电流低于TRIAC的维持电流时,调光器将无法维持调光水准。


图二说明目前市面上五种常见的TRIAC调光器的不同最小负载电流。突波代表LED驱动器需自TRIAC汲取的最小电流,这个最小电流确保了无论在任何调光器条件下都能正常运作。



图二 : 五种不同调光器的维持电流
图二 : 五种不同调光器的维持电流

LED负载电流

当负载是LED替代灯泡时,低负载电流下的调光器运作面临更大挑战。 LED不像白炽灯泡,并非单纯的电阻性。它的阻抗会相应变化,阻止电流上升得比TRIAC的维持电流还高,让装置在触发脉冲被移除后无法保持启动。


低照明水准的调光也会难以达到,因为一般LED的耗电比白炽灯泡少,因此在最大调光程度所需的相位角度,通过TRIAC引出的电流会非常低。电流可能会低于TRIAC的最低保持电流,当调光针对低照明水准调整时,就可能会造成灯光闪烁或突然停止运作。


实际而言,调光器需达到的调光级别比一般人能感知到的来得更广。因为人眼透过虹膜扩张来补偿低照明水准,电子调光器的设定和感知到的调光效果之间并非线性的关系。


如果调光器调降到其最高测量水准的10%,人眼看到的约只有30%左右。为让人眼辨识到调光程度为10%,则调光器需能够将测量照明水准降至只有1%。由照明学会(Illuminating Engineering Society,IES)所出版的第十版《照明手册》,以数学公式说明人眼感知及测量照明之间的关系:


感知照明=100×√(测量照明÷100)


LED替代灯泡的制造业者需保证灯泡能与不同品质及价格的TRIAC调光器一起运作,并且在低调光水准时的照明也毫无闪烁,以最大化顾客满意度。


泄流电路维持电流流动

常见的解决方案增是增加一个泄流电路(Bleeder Circuits),让TRIAC在低调光水准时能维持足够的电流流量。这个泄流电路可能是一个使用电阻器的被动电路,或是一个使用功率电晶体的主动式泄流,用来阻挡泄流电阻器中不需要的电流。


使用被动式泄流有两个缺点。由于连续电流通过电阻器,采用LED技术的效率优势会逐渐衰退。也许更重要的是散热效果对灯具生命周期的影响。散热管理对于外观尺寸受限于现有产业标准的LED灯具而言极为重要。


LED发射器本身的高温运作寿命长达25,000至~50,000个小时,然而,大容量电解电容等周边元件对操作温度更敏感。操作温度每上升摄氏10度,电解电容的寿命就减少一半。这样的衰退会大幅降低LED灯具的使用寿命。为达到适当的生命周期,制造商可能要采取一些步骤来增加元件的寿命,例如采用灌胶(Potting)制程,不过这样一来产品的制造成本也会随之上涨。


如图三所示,一个主动式泄流器有办法减缓效率的流失与温度的上升。不像被动式泄流,主动式电路唯有在LED电流低到无法保持TRIAC启动时,才会汲取电流。这能避免被动式电路的连续性耗电所造成的负担,如此一来能提升效率并降低散热。



图三 : 主动式泄流电路唯有在需要时才汲取电流,但需额外元件且难以控制。
图三 : 主动式泄流电路唯有在需要时才汲取电流,但需额外元件且难以控制。

但另一方面,主动式泄流电路难以控制,而且需要相对多的外部元件,拉高整体成本。再者,虽然主动式泄流器的耗电比被动式电路低,但原则不变:太多的能量浪费都会减损改用LED照明所号称的效率优势。


数位控制的优点

一个更好的方法是再循环利用泄流器电流,而不是任能量逸散为热能。要在类比电路中做到这点并不容易。然而,数位技术能采用复杂的动态控制方法,让电力利用更聪明,让传统调光器的运作得当。


与传统TRIAC调光器共同运作时,除必须避免频闪或压降外,适合的LED驱动器电路必须能处理AC周期的尖波电流,避免瞬间过载,并且最小化来自交流电源和内部磁性元件间的互动而造成的音频杂讯,同时符合功率因素及电子杂讯(EMI)的规范标准。也必须尽可能的与各种类型的调光器相容。


图4为应用电路,以Dialog Semiconductor iW3688控制器的非隔离型LED驱动器电路为例。这个控制器配备一个数位核心,提供相容于各种TRIAC调光器的低成本解决方案。



图四 : 使用iW3688控制器实现的整流器、电流控制及LED驱动器电路。
图四 : 使用iW3688控制器实现的整流器、电流控制及LED驱动器电路。

如图所示,这个电路仅使用一个外部MOSFET。其可行性是因为此驱动IC使用相同的开关来保持TRIAC调光器运作得当,并且供应控制电路本身所需的电流。这样的设计消除了主磁芯上的次级绕阻需求(通常用来供电给控制器)​​。这种方法让设计人员可以针对非隔离型应用,选择低成本的现成电阻器,或者选择使用返驰式变压器(Flyback Transformer)完成隔离的应用。这样的架构有助于减少元件数量、节省能源,以及将散热降至最低,完成简化的散热管理。


驱动器的运作

这个IC的数位电路会监控相关的电压和电流,并允许控制器能动态调变主功率元件MOSFET,以达到所需的调光水准,并且在LED负载的需求极低时,仍能维持TRIAC启动。任何TRIAC为保持运作所需的保持电流,将用于主要的电源转换供IC使用,因此不会损失而转换成热能。


这款IC也整合了智慧功能,能够根据调光器特性来动态调整阻抗。这样的设计能与绝大多数的标准调光器一起运作,并且LED亮度能调至最大调光量的1%。相较于早先的驱动器电路低于5%或什至10%的调光量,1%的低调光水准更能强烈为人眼所感知。


当运用于非调光时,供电予LED负载的主电源转换器会运作于准谐振模式(Quasi-Resonant mode),以提供高功率效率及低EMI。功率因素也会被最佳化以提高效率,并能最小化AC线路上的电流谐波失真,以及符合全球各地的法规要求。


无论在调光或非调光模式,驱动器须符合近期新颁布的一些准则,用来规范照明,特别是固态照明所产生的的频闪。这包括了今年稍早发布的IEEE 1789议案。像能源之星(Energy Star)等其他组织,则正考虑引进频闪标准。在IEEE 1789的提案之中,有一项是限制最大可接受的频闪程度(请参考有关此议题的文章,进一步了解频闪)。


节能照明的终端使用者期望能从现有照明技术无缝接轨至LED替代方案。替代灯泡必须符合现今业界的标准尺寸,并与现有的TRIAC调光器共同运作,拥有低调光的水准,以及符合最小频闪量的规范。在此同时,新技术必须以极具竞争力的价格供应,同时尽可能提高能源效率及稳定度。相较于传统类比电路及电阻泄流器,数位驱动器控制呈现了更优质的解决方案,让制造业者得以符合以上的高度期望。


(本文作者为Dialog Semiconductor电源转换事业群资深行销总监)


相关文章
台制数控系统有成 聚焦客制化商业模式2
变革的700 V高频、高低端驱动器实现超高功率密度
穿戴式装置上太空:IoT最後的疆界
GreenPAK设计应用实例
75W全数位HB LED驱动器
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
CWFD301&CWFD401: WiDi
原厂/品牌:鉅景
供应商:鉅景
產品類別:RF
2DoF IMU EV_Board
原厂/品牌:SD
供应商:敦吉科技
產品類別:Sensor
Blackfin Development Tools Bundle
原厂/品牌:ADI
供应商:安馳科技
產品類別:DSP
  相关新闻
» Epson乾式再生制纸机首度在台亮相
» 解决台湾光通讯产业痛点 政府应将光通讯纳入5G推动政策
» 智慧显示展8月登场 跨界整合抢攻未来商机
» 太阳能逆变器重要性看涨 产能集中美中德等国
» 工研院生医成果助攻精准医疗与居家医疗落地化
  相关产品
» Dialog为三星Galaxy Fit增加蓝牙低功耗连接
» 英飞凌CoolSiC 肖特基二极体 1200 V G5 系列增添新封装
» Silicon Line在Computex 2019上展示用於HDMI 2.1、DisplayPort、USB和虚拟实境的最新光连结科技
» 市场先锋:Basler推出智慧型灯源解决方案
» Diodes新款双LDO具备高PSRR及低静态电流

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw