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智能数字功率控制器优化LED调光系统 |
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作者：iWatt公司 郑俊杰 陈保荣 |
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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。
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) 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。
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。
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。
图1
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。
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。
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
当iW3610检测到场效应三极管调光器时会工作在后沿切相模式。如图6所示，当调光器内部的场效应三极管导通时，IC的Output_TR给出的是一组高频控制脉冲信号，斩波电路工作在Boost状态，当IC检测到调光器内的场效应三极管截止时，Output_TR会跳变成高电平信号，斩波电路中的Qc导通，LED驱动呈低输入阻抗以还原交流输入的切相波形。
图6
当IC检测到输入的电压是完整的交流信号，没有接调光器时，它会选择高功率因数模式。iWatt特有的固定VinTon控制方式[u1]既可以确保Boost电路输出电压不会失控，又能尽量拓展输入电流的导通角度，提高功率因数。
因此，针对不同输入电压不同输出功率的驱动设计要求，只需合理地设置斩波电路中Rc阻值和Qc的电感量，就可以得到优化的驱动设计，既能满足切相检测，又能改善驱动的功率因数，减少输入电流的谐波。因为BLEEDER电阻是动态导通，而且，Boost电路的加入把大部分的能量传递给初级电容，减少了损耗，因此整个驱动能保持很高的转化效率。
iW3610将相位检测和调光控制通过数字控制的方式整合在IC内部，检测到的切相信号在IC内部就转化成调光控制信号，去控制输出部分的反激变换器，与iWatt的精准的初级恒流控制技术完美结合，LED的电流就受控于输入电压的切相信号了。
当然，为了迎合LED照明产品的需求，iW3610也具备了更多新的控制性能。它支持高达200KHz的工作频率，可使设计人员更容易研发高功率密度的LED驱动，满足灯具小型化的趋势；波谷导通的准谐振(Quasi-resonant)模式也可以尽可能提高效率，简化EMI对策，其特有的自适应过温保护控制方式更受LED应用工程师青睐。
由于LED自身的特点，在高温下，系统的可靠性和使用寿命都很难得到保障，因而合适的过温保护方式在LED应用中尤其重要。很多客户都希望在内部温度达到一定的高温时，驱动能自动限制输出功率，使灯的温度不会继续上升，而能继续工作，并且保持在安全使用的状态下。用户一般不会觉察到亮度的缓慢变化，但在有异常情况发生时，如果灯内部的温度持续上升到一个较高的温度，影响安全时，还是希望能明确提示使用者，该灯出现故障了。
iW3610就是通过简单的NTC保护电路实现了复杂的可程序化保护。NTC接在IC的第四引脚上，具体设计应用时可以将NTC放置在温度较高的元件旁，例如变压器或MOSFET。假设设计者选用47K的NTC做过温保护。当NTC检测到温度达到105℃时，其阻值会变化为4K左右，这时候，IC第四引脚上的电压会变成0.4V，因为IC内部有个100UA的恒流源，IC检测到这个变化后，输出电流会进入线性降压模式，不同的温度对应不同的VT引脚控制电压，不同的控制电压对应不同的输出电流。如果温度继续上升到一个较高的温度时，当VT引脚上的电压低于0.3V时，控制器会将输出锁定为10%，这样输出功率就很小，因而不会再有过温的问题了。当内部温度下降到一定值，回到安全的温度范围内时，LED灯的输出功率就会缓慢恢复，这种恢复也有一定的迟滞。
典型应用案例分析
图7 7W调光方案线路
图7是一个7W调光方案线路图。iWatt方案实现初级恒流控制，其恒流控制精度达5%。反激式变换器中的电流信号是三角波，三角波电流有效值是峰值电流的1/2再乘以占空比。初级侧电流与次级侧峰值的比值就是变压器圈比。
iWatt的恒流控制方式就是通过检测初级侧电流的峰值、工作频率，检测变压器的磁复位时间来获取输出电流的大小，从而控制Isense基准电压。
设计步骤
1) 设定Vin的电阻。(图7中R7/R8的阻值)
Vin电阻有多重作用，用于起机，用于检测输入电压的高低以判断相位。iW3610内部默认一个系数KVin，高压输入时为0.0043，低压时为0.0086。根据这个比值，在一个120V输入的设计中，RVin推荐为290~300KΩ；高压230V输入时，RVin电阻应该是560~600KΩ。
2) 确定BLEEDER电阻。
BLEEDER电阻的大小与调光的性能、效率、功率因数有关。经过确认，我们推荐选用以下的设置：
Vin100~120Vac：270~390Ω
Vin220~240Vac：470~560Ω
该电阻需要2W的额定功率。
3) 选择斩波电路的电感Qc-L3。
L3的大小与效率、功率因数和EMI有关。电感越小，功率因数越高；功率因数过高，对效率和EMI也有影响。一般情况下，对于5~6W的设计，功率因数可达到0.8~0.9。
变压器设计
变压器的选择与功率大小、驱动的体积大小有关；与期望的效率和成本也有关。一般情况下，功率越大，体积越大；同样的功率，体积越大，磁芯的结构越复杂，效率越高，当然成本也越高。合适的磁芯可以使变压器漏感小，线圈结构优化。
确定变压器大小之后，再考虑变压器的圈数和圈比。圈比与输出功率输出电流大小有关。还要综合考虑输出整流管的大小、其反向耐电压的高低，并且要预留一定的余量。一般情况下，圈比越小，次级侧二极管里流过的电流峰值越小，但是它所承受的反向电压越高。
在确定变压器初级绕组的圈数和电感时，要考虑变压器工作的最大磁通量，一般在250mT到320mT之间。如果太高，可能会饱和；如果太低，则磁芯利用率太低。工作频率与效率EMI的关系比较紧密，一般情况下，如果频率低一些，EMI对策会相对容易；高压输入时，若频率较低，则效率会高一些，因为高电压输入时开关损耗较大。
确定了变压器之后接就是确定电流取样电阻，根据iWatt初级恒流控制原理，可以得出以下计算公式： 
就确定VCC绕组的圈数和电压反馈电阻的大小。推荐将VCC设定在12~15V之间，根据输出电压的高低和VCC的范围，就可以计算确定VCC绕组的圈数。
然后确定反馈电阻，在正常工作的条件下，把Vsense电压设定在1.3~1.4V，不要高于1.538V，这时还要考虑过压保护(OVP)的大小。当Vsense电压达到1.7V左右时，会产生过压保护，IC将锁定不工作。关断输入电压，IC复位之后，则又可以重新启动。
本文小结
在隔离驱动应用愈来愈成为LED主流设计的趋势下，iW3610的应用优势尤为突出，适合灯内置驱动的要求。驱动隔离的设计可以节约灯具系统的隔离成本，优化LED的散热性能。整个设计的元件数量不多；体积可以小至内置于E27/E26灯头的球炮或PAR灯内；效率高，5W设计中效率大于80%，10W设计中效率大于85%；功率因数满足能源之星的要求；调光范围100%~1%，可支持欧美市场上的主流调光器。
(end)
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(2/3/2010) |
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