可调光节能灯技术及其应用

摘要：以其典型智慧型可调光节能灯技术为例对其主要功能特征与应用作分析说明，探讨如何让可调光节能灯自动适应不同的可控硅调光器，以及适应各地电网频率差异，从而最大程度的接近白炽灯的调光性能。

当今在市面上销售的普通节能灯是不可以进行调光的，在不需要太亮的时候，能源就白白流失了;是否有可以和白炽灯一样可以方便的进行调光的方案呢 答案是肯定的。为此探讨如何让可调光节能灯自动适应不同的可控硅调光器，以及适应各地电网频率差异，从而最大程度的接近白炽灯的调光性能，成为照明系统的热点。而目前智慧型可调光节能灯解决方案己有：可支持 TRIAC 调光LED驱动器和针对固态照明(SSL)应用、支持TRIAC 调光的单级功率因数校正LED 驱动器以及可控硅调光器无级调光等多种新型技术面世。值此以其典型为例对其主要功能特征与应用作分析说明。首先从智慧型可控硅调光器无级调光基本架构述起。

1 可控硅调光器无级调光基本架构(见图1所示)

1.1 基本架构

该基本架构由(三端双向可控硅)TRIAC(三端双向可控硅)、功率因素校正器(PFC)、微处理器(MCU)及电子镇流器控制集成电路]成。它是最接近传统的白炽光调光的效果，控制电路通过 PFC 电路确保直流母线电压的稳定，通过MCU 来检测可控硅输出电压来判断调光器的设定位置，MCU 通过给电子镇流器控制集成电路来输出对应的输出功率，实现无级调光。

若对于成本敏感和体积要求很小的节能灯方案，可以将PFC 电路去掉，使用MCU 来识别可控硅的导通角来判断用户设定的亮度，以及通过MCU 来动态补偿电网的电压的变动，从而使到CFL 的亮度可以最大程度的接近白炽灯的调光性能。

1.2 关于新型电子镇流器控制IC的应用

图1中MCU与镇流器控制器芯片及PFC芯片有多种选择。可以用基于高集成度、低成本的镇流器控制器芯片(如UBA2014芯片- NXP 公司产)与一款内置PWM模块、低成本、小体积智能芯片作为MCU(如PIC12F615型-美国微芯公司产)，以构建出实用智慧型可控硅调光器无级调光器。其特点是能在高温、强干扰环境下稳定工作。

而智慧型可控硅调光器无级调光器中新型电子镇流器控制IC选择很重要。值此以UBA2014芯片为例作说明。为什么应用UBA2014芯片呐 这是因其UBA2014芯片是用来驱动荧光灯的电子镇流器控制集成电路。它能驱动两个功率MOS管，并包含有电平移位元电路、自激振荡器、灯电压检测路、灯电流控制功能、定时功能以及保护功能等。在灯预热期间，UBA2014 控制流过灯丝的电流及预热时间，以保证灯丝得到充分而最佳的预热，降低灯启辉时所需的启辉电压，延长灯丝寿命。集成电路通过控制预热时间和预热电流，可以很方便的定制出各种需要的启动时间。无论在启辉阶段还是灯管出现异常情况，容性模式保护功能都可以确保功率MOS 管处于安全工作。

其工作方式为：在灯点亮阶段，灯的平均电流受到控制。集成电路通过改变输出频率来改变灯的平均电流，从而实现灯的调光功能。当灯管老化、灯失效或灯管被取下时，UBA2014 均有多种保护功能。在电压低时，有掉电保护功能，以保护功率不至损坏。而UBA2028T 是UBA2014 集成功率MOSFET 的版本，可以驱动23W 及以下节能灯，并实现调光功能。

2 新型支持TRIAC调光LED驱动器应用

以支持TRIAC 调光LED驱动器LM3445(美国国家半导体公司产)应用为例作分析说明。

2.1主要功能特征

优势。其应用电压范围可从 80 VAC 到 270 VAC，其导通角检测器/译码器可以实现全范围的(100:1)调光，内置300Ω泄流电阻可确保 TRIAC 信号译码无误，独特的调控架构可确保恒定的纹波电流以延长LED的工作寿命，并保证可调节输出电流高至或大于1A，又可通过主/从操作方式控制多条灯串的亮度。具体优点有四：其一、离线式解决方案优点是为容易使用与降低设计的复杂度;其二、角度侦测器/译码器优点是为可实现无闪烁的 100:1 全范围调光;其三、独特的调控结构优点是为设计简单及方案尺寸小巧并可维持稳定的纹波电流以延长LED的寿命;其四、主/从控制优点是为允许一个 TRIAC 为多条LED灯串提供稳定的调光控制并可轻易地应用到现行的照明系统中而不需更改设计。

上述这四大优点实际上也就是能全范围调光能力与无闪烁的稳定调光功能。因为最新的TRIAC调光LED驱动器能够提供100:1的调光比，故从最亮调到最暗的全程都能保持稳定的亮度变化。同时，在标准市电电压下驱动多个串联LED，又都能保持恒定的电流;而TRIAC调光LED驱动器可适用于具备主/从控制功能的多芯片解决方案，采用一个TRIAC调光器便能控制多串LED，并确保调控时的亮度变化平滑稳定，没有频闪现象。

使用方便。LM3445 LED调光驱动器可以让LED灯直接取代那些配有TRIAC调光控制器的白炽灯或卤素灯，且无需作任何更改，保持原有的调光性能。此外，LM3445支持美国国家半导体的 WEBENCH LED Designer 网上设计工具，让工程师可以更快、更轻松完成照明系统。

2.2 应用

可更新使用TRIAC调光器的照明系统(见图2为新型LM3445TRIAC调光器典型应用示意)。即包括了住宅照明与 建筑物照明及 工业及商用照明等照明系统。

3 针对固态照明(SSL)应用、支持TRIAC 调光的单级功率因数校正LED 驱动器的应用

为此先对其中的离线式LED驱动器解决方案理念作说明。离线式LED驱动器解决方案是适用于任何使TRIAC壁挂式调光器的LED照明应用，而且能够提供宽范围的，稳定的亮度调整，并不会产生闪烁的产品。此类产品还可以实现很高的转换效率，它的典型应用完全符合能源之星 ENERGY STAR 对功率因素的规范要求。传统的TRIAC 调光控制器是用来调节电阻性的负载(例如是白炽灯或卤素灯)，而目前市场上的LED驱动器解决方案，在作TRIAC调光控制的时候，会产生120 Hz 的闪烁及/或不能实现 100:1 的对比度。而离线式LED驱动器解可将TRIAC的斩波信息解a，并转换成一个LED调光信号，能够在整个宽阔的调光范围内实现完全无闪烁的亮度调控。

目前LED 驱动器IC 可在固态照明应用中实现无闪烁的可控硅调光也有二种款型，即是LinkSwitch-PH(适合设计隔离式电源)和LinkSwitch-PL(适合设计非隔离式电源)，两者都可实现无闪烁的单片TRIAC 调光，达到与白炽灯类似的照明效果。

3.1 新型架构

LinkSwitch-PH 和LinkSwitch-PL 产品系列都集成了单级功率因数校正器(PFC)，可使固态照明(SSL) 灯的功率因数达到0.9 以上。LinkSwitch-PH 器件采用了初级侧控制技术，因此可省去传统反激式设计中常用的光耦器和众多辅助元件。非隔离式LinkSwitch-PL 设计可进一步减少元件数量，不仅能提升系统可靠性，还可降低物料清单成本(BOM)。这两种器件系列都采用单片设计, 即将控制器和MOSFET 集成到单晶片上，这样可以减少元件数量和省去控制器与功率MOSFET 之间的寄生元件，因此可大大简化PCB 布局。这些新的LinkSwitch 产品不仅能简化反激式电源设计，还可提高其效率，并且还能在高达305 VAC 的输入电压下工作，因此它们可以用来开发适合于全球各类种住宅及商业照明应用的单电压产品和通用输入产品。在制造商规定的温度和驱动电流范围内工作时，LED 的使用寿命有望达到50,000 小时以上。

众所周知,LED 照明系统中最薄弱的一环是驱动电路，因为它往往受累于不可靠的光耦器和寄生电容。LinkSwitch 产品中所采用的Power Integrations 独有的精确初级侧控制技术可省去光耦器。而且，新的LinkSwitch LED 驱动器IC 产品系列不需要使用大容量寄生电容。工H师在使用LinkSwitch-PL 和LinkSwitch-PH 设计SSL 产品时，可以预见驱动器的工作寿命与其精确控制LED 阵列相当。这两种新的产品系列都非常适合设计替换灯中空间受限的LED 驱动器。LinkSwitch-PH 产品系列用于设计隔离式电源，其额定输出功率可达50 瓦，因此还非常适合设计筒灯、建筑照明、标牌和室外照明中常用的外部LED 镇流器。这两款器件都可缩减电源系统的BOM器件数量和尺寸，从而提升系统可靠性。这些IC可使工H师提高系统效率，满足甚至超越包括能源之星和EN61000-3-2 在内的所有法规标准。

图3为例举了用LinkSwitch-PL构建的支持TRIAC 调光的单级功率因数校正LED 驱动器方案示意图.[p]

3.2　新型的LinkSwitch-PH 和LinkSwitch-PL LED驱动器系列功能与应用

*产品特色:无闪烁的可控硅调光，单级PFC及精确恒流驱动，集成了控制器和高压MOSFET，可省去大容量电解电容， 紧凑、可靠、精确。

*EcoSmart 高效节能：轻松满足法规标准(如能源之星、EN61000-3-2)，无卤素和符合RoHS要求的封装。

*LED驱动器应用：固态照明用离线式内部及外部电源，替换灯、筒灯、建筑照明及 标牌和室外照明。

其LinkSwitch-PL 系列：适合设计非隔离式电源， 可实现元件数量极少的紧凑型设计， 额定输出功率高达 16 W。而 LinkSwitch-PH：适合设计隔离式电源， 初级侧控制– 可省去光耦器和众多辅助元件，低待机功率(230 VAC输入时 50 mW)远程ON/OFF控制功能， 额定输出功率高达50 W。

3.3 典型应用例举

*12 W、高功率因数(>0.9)、低元件数、紧凑型、高效率(≥ 80%)的LED降压转换器使用LinkSwitch - PH LNK405EG型]建的12W非隔离降压拓扑结构，功率因素校正LED驱动器, 输入为90伏交流 - 265 VAC, 典型36 V、0.33 A输出LED驱动器。图4为用使用LinkSwitch - PH LNK405EG型]建的12W非隔离降压拓扑结构方案图。

关于LNK405EG引脚功能：引脚D为漏极，是高压功率MOSFET的漏极连接。内部启动偏置电流是从这个引脚通过一个开关得出高压电流源,漏电流检测和相关的控制器功能也使用此针;引脚S为源极,是功率MOSFET源连接,是地参考点;引脚BP为通过外部旁路电容接地;引脚FB为信息反馈功能,是 LED电流检测引脚。在正常运行的290mV伏阈值下通过检测电阻确定的平均负载。并具有是用来保护输出短路和过压功能。

*14 W、可控硅调光、高功率因数(> 0.9)、高效率(≥ 85%)的 LED驱动器使用LinkSwitch - PH值LNK406EG构建的一个14 W效率为≥85%，功率因数> 0.9的双向晶闸管调光LED驱动器。输入为90 - 265 VAC，输出为28 V，0.5 A。

3.4 关于隔离型与非隔离型驱动方案比较说明

目前在以市电为输入电源的LED驱动方案中，隔离型与非隔离型两种驱动方案相比较各自有何优缺点 总的来说，隔离型驱动安全但效率较低，非隔离型驱动效率较高，应按实际使用的要求来选隔离型还是非隔离型驱动。就电路结构而言：目前的隔离型方案多是AC/DC的反激式(Flyback)电路方案，因此相对电路较复杂、成本较高。非隔离型基本是采用DC/DC的升压(Boost)或降压(Buck)电路，则相对电路较简单，因而成本也相对较低。恒流精度：隔离型可以做到±5%以内，而非隔离型则很难做到。

在应用领域：目前在以市电为输入电源的LED灯具中(特别是驱动与光源一体的灯具)，本着安全第一的原则，基本已不再采用非隔离型方案。但也有例外，LED日光灯管由于受到结构和空间的制约，仍还用非隔离型方案。在低压供电的LED灯具中，以效率和成本优先的原则，非隔离型方案是最佳的选择。

4 结语

4.1 新选择

除上述智慧型可调光节能灯技术方案及应用外，而大功率LED驱动器，集成高边LED电流检测和PWM调光MOSFET驱动器MAX16834型不失为一种良好新选择. 它是灵活的HB LED驱动器能支持绿色技术的LED照明、显示器背光和背投显示。可以在建筑与装饰灯照明(MR16、MR111)，汽车前灯与尾灯，DC-DC boost/boost-buck转换器，投影仪RGB LED灯源，单串LED LCD背光与场所和环境照明等领域几个方面应用。

之所以成为一种调光新选择，就在于它具有如下功能特性: 它是电流模式高亮度LED (HB LED)驱动器，可实现升压、升/降压、SEPIC及高边降压拓扑结构。除了驱动由开关控制器控制的n沟道功率MOSFET开关，该器件还可驱动n沟道PWM调光开关，以实现LED PWM调光。另外又集成了实现宽范围调光、固定频率HB LED驱动所需的全部电路。调光驱动器设计用于驱动与LED串联的外部n沟道MOSFET，可实现高达20kHz的宽范围调光控制。图5为MAX16834典型的工作应用电路。

4.2 LED照明亮度进行智能无级控制前景看好

智能控制系统足是传统路灯无法比的另一优势。又如当今的LED路灯的光源与传统的光源不同，从某些性能上看LED是电子组件，它可以通过IC进行智能控制。目前已经有LED路灯智能系统，对LED照明亮度进行智能无级控制。当前的智能系统主要是能够根据路面情况，控制LED路灯的开关调节亮度，从而增加LED路灯的使用寿命并且节约能量。其智能控制装置包括：运动图像传感器组件，用于检测路面上是否有运动物体，将检测到的检测信息传给微处理器;微处理器，用于根据所述检测信息生成指示点亮LED路灯预设时间长度的控制指令，将控制指令传给路灯开关控制接口;路灯开关控制接口，用于根据所述控制指令将所述LED路灯点亮预设时间长度。智能控制装置还包括用于发送和接收信息的通信组件，运动图像传感器组件还用于检测运动物体的运动方向，微处理器还用于根据所述运动方向生成状态消息，以将运动方向上LED路灯提前点亮。今后发展到极致或许能够实现根据不同的环境自动智能调节亮度、颜色、角度灯，还可以对灯具的使用状况进实时监控，实现智能化控制以达到最优的效果。