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利用数位控制为LED替代照明实现调光高效
 

【作者: Liang Yan】2016年03月16日 星期三

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以低价的传统驱动器用于LED灯泡上,无法提供真正令人满意的调光效能、节能效率以及可靠度。现在,以数位控制即能免除使用功率损失的泄流(bleeder)电阻,并与既有的消费者家中的triac(交流矽控整流器)调光器搭配。


打造高效、舒适的照明环境

配备调光器的室内照明设备已经日益普遍,它不仅能节省能源与降低电费,而且还能为消费者带来舒适与便利。针对节能LED照明,若从效率角度来看,或许调光并不是主要。但是,消费者期望能简单的把新的替代灯泡插入标准灯座中,就能利用既有的调光器打造出舒适及可调适的照明环境。


标准的triac 式相切(phase-cut)调光器是专为驱动白炽灯泡的电阻型负载所设计。但是要驱动电容负载或LED灯泡的电流来源时,它们会无法正确运作。此问题的核心在于,triacs需要最小的导通电流才能保持启用状态。白炽灯随时都能汲取足够的电流,但是LED电路为满足最大调光范围在低相角时所汲取,而能满足最大调光所需的极低电流,却会导致triac 启动(misfire)。因此,当调光到很暗时,灯光可能会闪烁不停或突然不亮。LED替换灯泡的制造商需要一套具成本效益的解决方案来克服这个问题,才能降低消费者因对照明效果不满意而退货的比例。


目前市场上因有各种不同的调光器设计,增加了解决此问题的复杂性。除了不同模式triac所需的最低电流各有差异之外,亦有切相于电压相位的前缘(leading edge)或后缘(trailing edge)之不同。这些差异对白炽灯的效能没有影响,却会使LED驱动器无法正常运作。此外,市场上也有利用数位电源管理技术的智慧型调光器。


图1所示为目前市场上常用的五种triac式调光器,以及它们各自所需的最小负载电流。图中的尖波电流代表LED驱动器需要从triac汲取的最小值,以确保不管使用哪一种调光器,都能正常运作。



图1 : 五种不同调光器的triac保持电流
图1 : 五种不同调光器的triac保持电流

泄流电路让电流保持流动

利用被动式泄流电路有两个缺点。由于电流会持续通过电阻,因此会减损使用LED技术所带来的效率优势。而且,更重要的是灯泡在使用期间的热散逸效应。因为LED灯必须在现行工业标准的狭小空间中使用,因此热能管理至关重要。 LED晶粒本身能够在高温下保持25,000到50,000个小时的使用寿命。但是,像是大型电解电容等相关元件却对操作温度非常敏感。操作温度每升高10度,电解电容的使用寿命就会降低50%,大幅缩短LED灯泡的有效使用寿命。为了达到满意的使用期限,制造商需要保护脆弱的元件,例如采用灌胶(potting)制程,但终端产品的成本又会随之提高。


减少泄流电路的能源耗损

图2所示的主动式泄流电路,能减少效率损失与温度增加。与被动式泄流电路不同,主动式电路只会在LED电流太低时才会汲取电流,让triac保持在开启状态。这能避免被动式电路造成的功率持续,因此能提升效率并减少热散逸。另一方面,主动式泄流电路不容易控制,而且需要较多的外部元件,整体的成本增加。此外,虽然主动式泄流电路散失的功率比被动式电路少,但道理是一样的:任意散失的能量都会减损LED照明所号称的效率优势。



图2 : 主动式泄流电路只有在需要时才汲取电流,但需要额外元件而且难以控制
图2 : 主动式泄流电路只有在需要时才汲取电流,但需要额外元件而且难以控制

数位控制的优点

更令人满意的做法是让泄流电流回流,而不是任能量以热散逸的形式流失。但这在类比领域并不容易达成。然而,数位技术可实现复杂的动态控制原理,更智慧的使用所需能源,让既有的调光器正确​​运作。


此外,传统的triac 调光器运行,除了要避免闪烁以外,一个良好的LED驱动器还必须能消除于AC周期的尖波电流(inrush current),以避免瞬间的过载,并最小化交流电源与内部磁性元件间互动引起的声音杂讯,以符合功率因素和杂讯(电磁干扰EMI)的规范标准。同时必须尽可能的与各种类型的调光器相容。


图3所示为利用Dialog半导体 iW3688控制器建置的非隔离型(non-isolated)LED驱动器电路的典型应用。控制器中有一颗数位核心,可作为与多种triac调光器相容的低成本解决方案。



图3 : 采用iW3688控制器建置的整流器、电流控制与LED驱动器电路
图3 : 采用iW3688控制器建置的整流器、电流控制与LED驱动器电路

如图所示,此电路只采用了一颗外部MOSFET作为主开关。这样的设计可行是因为驱动器IC使用了该主开关使triac调光器保持正常运作,并为控制电路提供电源。这同时免除了对主磁芯次级绕组的需求(其功能正是为控制器供电)。这样一来,设计人员多了一个选项,能利用低成本、现成的电感设计非隔离式应用,或利用标准的返驰式变压器完成隔离的应用。此架构有助于减少元件数量、节省能源、并将热量散失降至最低,因而能降低热能管理的成本。


iW3688 IC的数位电路能监控相关的电压与电流,让控制器动态调节其主开关,以达到所需的调光等级,并让triac在所有条件下正常运作。任何triac为保持运作所需的保持电流,在主要的电源转换阶段并不会被汲取,而是在内部使用,因此不会造成热量。


这款IC还整合了智慧功能,能够侦测调光器类型,并动态调整阻抗。这让元件能与大多数的标准triac调光器共同运作,LED亮度最低并可调到最大调光量的1%。而先前的驱动器电路,通常无法支援低于5%或什至10%的调光。


结论

节能照明的终端使用者期望能从现有的照明技术完全无缝移转到LED替代方案。这需要LED灯泡能符合现行的业界标准外型尺寸,与既有的triac调光器正确​​搭配,并且达到最高的能源效率与可靠度。与此同时,新技术必须能以极具竞争力的价格供应。


相较于传统的类比电路与电阻式泄流电路,数位驱动器控制技术提供了优异的解决方案,协助制造商满足消费者的高度期望。 (本文作者Liang Yan为Dialog Semiconductor行销总监)


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