谈相位调光LED驱动
核心提示：为了满足市场对LED的调光需求，产生了很多的相位调光LED光源。但是市场反应并不理想，光源与调光器的匹配存在很多问题，兼容性不好。所以市场接受度不好，客户投诉比较多，市场推广难。那么究竟是什么原因呢，有没有解决的方法，对此我们进行了探讨。
１　前言由于早期的白炽灯是通过相位调光器进行调光，所以市场上存在很多相位调光器。而后来发展的节能灯和最新的ＬＥＤ照明为替代适应之前的调光控制器电路，也开发出各种可调光的节能灯和ＬＥＤ光源。但是市场上的可调光节能灯或ＬＥＤ光源到底有多大程度适应可控硅调光，存在什么样的匹配性问题，又该如何去解决好这些问题？我们知道市电的电压函数为Ｕｍａｘｓｉｎ（ωｔ），频率为５０／６０Ｈｚ的正弦波，电压为２２０／１２０Ｖ。而调光器是调节输出相位波形，主要分为前沿调光器和后延调光器。在每个相位周期内，通过控制触发相位角（或控制关闭相位角）达到削减一部分输出电压，这样光源上的有效电压会减少，相应的光输出也减少，达到调光效果。图１为前沿调光器的一个基本电路。
２　市场反馈光源和调光器的兼容性差白炽灯是属于热辐射光源，通过对钨丝通电加热到一定温度，然后由钨丝进行热辐射发出可见光。当我们进行相位调光时，白炽灯上的电压是频率为１００Ｈｚ的调相电压，但是钨丝的温度随时间的变化很慢，也就是说钨丝的温度在每个周期１０ｍＳ的降低并不明显。既然钨丝的温度变化很小，输出光也就很平稳，不会存在频闪现象。但是ＬＥＤ光源则不同，ＬＥＤ属于LED照明光源，没有电流经过ＬＥＤ，则没有光输出，电流减少２０％，输出光就减少２０％，响应速度是非常快的，远远小于ｍＳ级别。就是由于ＬＥＤ的输入电流和光输出存在这么紧密的关系，所以通过ＬＥＤ上的电流必须是一个稳定的电流，只有这样才能输出稳定的光。目前市场上有很多调光ＬＥＤ光源，他们与相位调光器的兼容性并不是那么理想。性能好一点的可调光ＬＥＤ光源可以匹配７０％左右的调光器，性能差一些的可调光ＬＥＤ光源则只能匹配２０％～３０％的调光器。即使性能好的可调光ＬＥＤ光源在匹配的７０％调光器中，也不是说在整个相位角范围内都能很稳定的调光，或多或少的存在一个点或多个点闪烁，或者调到最小亮度时存在抖动。就是因为这些兼容性问题导致很多的客户投诉，市场推广效果不好。３　存在的问题及原因分析频闪主要是ＬＥＤ光源的光输出频率小于１００Ｈｚ或者说频率为５０Ｈｚ。我们知道可调光ＬＥＤ光源是容性负载（高压交流ＬＥＤ除外），它对调光器会产生一定的干扰。比如调光器的触发相位角大小不同，输入电流的不连续导致调光器中的可控硅多次触发和关闭，ＬＥＤ驱动线路中的相位检测线路不够理想，对输入电压的异常波动非常敏感等等这些因数都会导致输出光的不稳定。下面进行一一分析。（1）正、负周期内的触发相位角不一致。图２为调相后的负载输入端的电压波形，从图中可以看出两个触发波形的时间间隔不等于１０ｍＳ。也就是说，在正弦波电压的正、负周期内，触发相位角不同，导致输入电压波形不同。该调相后的电压经过整流后，可以认为该波形的频率为５０Ｈｚ，这样输出的光也就是５０Ｈｚ，输出光会频闪。那么如何保证触发相位角相同呢？从前沿调光器的原理上来讲，就是过零后的ＲＣ充电线路的充电时间要保证一致。对于后延调光器，则过零信号必须如实传达到控制芯片内，由时钟电路产生一个相对时差来触发可控硅。只有这样才能保证触发相位角相同。（2）在正、负波形中，可控硅多次触发、断流关闭。图３为可调光负载线路整流后的电压波形，从图中可以看出，在一个０～１８０度相位内可控硅触发了两次，而且正负两个周期内的电压波形不同。这样整流后的输入电压频率也是５０Ｈｚ，输出光也变为５０Ｈｚ，肉眼能够看到输出光抖动。图４为可控硅多次触发的波形，同样会导致输出光抖动。产生该现象的主要原因是负载驱动线路属于容性负载，当输入电压小于负载的电压时，没有电流流入负载，可控硅将失去维持电流而关闭，只有当输入电压大于负载电压时，可控硅才会再次被触发导通。如果需要解决该问题，必须保证流过可控硅的电流大于其维持电流ＩＨ且具有连续性，只有这样才能保证输入电压过零前可控硅持续导通，输入电压波形才是规则的正弦波切相后波形，输出光才能为１００Ｈｚ或更为平稳的光，不会产生频闪。要保证输入电流的连续性和平稳性，提高功率因数也是解决该问题的一个方向。
（3）调光器调至低端时，输出光抖动。当调光器调节至低端亮度时，很多可调光光源的输出光会抖动，不能稳定的工作，甚至有的产品会工作几秒然后关闭几秒，调光器处于时而触发时而关闭的状态，光输出严重闪烁。这种低端输出光抖动的情况是比较普遍的，也是很多客户投诉的主要原因之一。那么是什么原因造成的呢？图５中我们可以看到，在低端时，调相且整流后的电压波形比较稳定，然后我们对相位角波形进行展开，如图６所示，可以发现两次触发相位角的时间差的绝对值约为２００ｕＳ。由于在低端时，有效的输入电压相位波形时间已经很小，从图５中可以看到约为１ｍＳ，那么２００ｕＳ在１ｍＳ中的比重就很大，约为２０％，那么此时正负周期的输出光误差也约为２０％，误差较大，造成输出光抖动，尤其是那些检测相位导通时间来控制输出亮度的芯片，比如ＬＭ３４４５，输出光的抖动更为明显。那么如何解决该问题呢？一个比较笨的方法就是将相位检测滤波信号的滤波电容加大，尽量使得正负相位的输出光能量一样，避免输出光抖动。另一种方法是设置一个最低亮度值，在达到某种状态时，将输出光控制在一个固定值，即使调光器再调暗，亮度也不再变化，避免输出光抖动。当然还有其他方法，主要目的是保证正、负周期内的相位检测信号转化为相同的光输出控制信号，这样就可以保证输出光无频闪。
（4）很多调光驱动线路的相位检测电路都采用模拟电路，为简单的电阻降压和电容滤波的方式。该检测线路基本上分为两种类型。大部分相位检测线路是对输入的电压进行一个降压处理，把输入电压的有效值转换为ＩＣ所需要的输出亮度值，如ＳＳＬ２１０１等芯片。有部分相位检测线路是对触发后的输入电压导通时间进行处理，把导通时间转换为ＩＣ所需要的输出亮度值，如ＬＭ３４４５等芯片。如图７、图８和图９所示的相位检测线路都是采用模拟线路处理。
４　解决方案主要是以上一些因数影响ＬＥＤ调光驱动和调光器的匹配。Ｃｉｒｒｕｓ公司推出了一款数字集成控制电路，集成了临界导通模式（ＣＲＭ）升压转换器，对调光器ＴＲＩＡＣ的接口采用特殊的算法。ＣＳ１６１Ｘ的数字智能可让控制器识别使用中的调光器类型并调整兼容性算法，实现比较完美的调光性能。典型应用图如图１０和图１１所示。
该ＣＳ１６１Ｘ线路和很多调光驱动线路有一个比较明显的区别，那就是在前级有一个升压电路。该电路主要是保证调光器的触发相位角能够比较稳定。其次智能芯片控制好输入电流的大小和连续性，保证调光器中的可控硅在触发后不会关闭（可控硅触发调光器），使得输入驱动器的电压波形是一个规则的正弦波切相后波形。以上两个因数使得输入电压的波形比较稳定，给相位检测线路正确的判断提供了有效的保障。
很多电路为了保证触发相位角的一致性，往往采用电阻放电的方式。如图７、图８和图９所示，普遍采用的方法是在隔离二极管前面放置放电电阻。这种方式有一个很大的缺点，如果电阻阻值过大，放电不彻底，容易导致触发相位角不一致，如果电阻阻值过小，则线路的损耗过大，发热严重，往往做成整灯后需要对线路进行灌胶散热处理，成本高效率低。而ＣＳ１６１Ｘ采用ｂｏｏｓｔ线路可以有效保证触发相位角一致，同时可以提高线路效率，降低功耗和成本。
由于采用数字化处理，在调光器调至很低亮度时，该智能芯片能够很好的控制输出亮度，保证无频闪。
５　结束语之前运用的一些调光ＩＣ，为了使触发相位角保证一致性，都是采用电阻进行放电，但是所做的驱动器产品效率都很低，一般为７５％左右。而且驱动器的效率可以达到８２％以上。图１２为一个典型的应用电路，实验测试了七十多个调光器后，实验效果非常好，几乎可以达到１００％兼容调光器。应用ＣＳ１６１Ｘ系列独特的自适应调光兼容性能，以在整个光谱实现最佳无闪烁相位调光，包括前沿、后延和数字调光器，调光范围可以实现深度下降到０％输出。实现了灯与调光器的完美匹配。