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TRIAC調光器與LED接口的高效方法
摘要: 照明業對白熾燈的依賴已有一個多世紀之久,近50年來,相位調光器逐漸成為了調光控制的主流。標準的正相(或TRIAC,三端交流)調光器很難與LED驅動器相連接。每只調光器的性能各有不同,從而使接口工作難上加難。盡管現在有了較新較好的反相調光器,但標準的正相調光器已在全球電子設施中廣泛使用,LED照明業不可能簡單地忽略它。照例,反向兼容是第一位的。
Abstract:
Key words :

照明業對白熾燈的依賴已有一個多世紀之久,近50年來,相位調光器逐漸成為了調光控制的主流。標準的正相(或TRIAC,三端交流)調光器很難與LED驅動器相連接。每只調光器的性能各有不同,從而使接口工作難上加難。盡管現在有了較新較好的反相調光器,但標準的正相調光器已在全球電子設施中廣泛使用,LED照明業不可能簡單地忽略它。照例,反向兼容是第一位的。

  正相調光器

  一個標準的正相調光器包含一個TRIAC、一個DIAC(二極管交流)和一個RC(電阻/電容)電路(圖1)。電位計調節電阻值,得到的RC時間常數用于控制TRIAC導通前的延遲量,或觸發角。當TRIAC導通時,時間部分就是導通角θ。得到的電壓波形就是一個切相的正弦曲線。

  這種類型的調光能很好地用于白熾燈,因為它們是簡單的阻型負載。當導通角減小時,燈絲電阻上時間平均的電壓也下降,從而提供了自然平滑的調光。

  TRIAC還有一個對最小保持電流的要求。流經TRIAC的電流必須保持在這個最小水平以上,才能確保在整個導通角上的開啟。白熾燈負載很容易滿足這個條件,因為負載都有原生的功耗等級,例如:40W、60W和75W。

  與LED的兼容性

  糟糕的是,固態照明沒有相位調光方案的優點。LED是一種半導體器件;控制其光輸出的方式是調節它的正向電流。高亮度LED可以流過數百毫安至數安電流,為保持系統效率,通常都采用一只開關式轉換器。

  對于一個標準的開關轉換器,其輸出的調節與平均輸入電壓無關,這意味著必須先對相位調光器提供的斬相波形做解碼。解碼后的信息就可以控制用于輸出調節的基準電壓。盡管這對功率電子設計者是相對簡單的工作,但其背后隱藏著更多的復雜性。

  一個明顯的區別是,負載不再是純阻性的。實際上,轉換器對相位調光器可以看作一個電抗性負載,因為電路中同時包含有容性和感性元件。于是,一個標準轉換器在遇到斬相電壓的快速上升沿時就會出現問題。設計人員一般采用標準的RC阻尼方法,減少這種上升沿所導致的問題振鈴。不過,這種方案會帶來額外的功率損耗。

  還有始料不及的更大問題。現代LED的效率遠遠超過白熾燈,后者會將光輸出的75%消耗在紅外頻譜上,成為熱量散失掉。而LED則將更多的光輸出提供在可見光頻譜上。最新高亮LED的效率是類似白熾燈的五至六倍,這意味著,替代一只60W燈泡或燈具的LED功耗可以低至10W至12W。這種能量節省對消費者很重要,而對相位調光器則不然,因為它要求最低的保持電流。

  當用TIRAC對一只LED燈具做調光時,它可能會瞎火(misfire),就是說,不能為整個導通角提供足以維持導通的電流。由于瞎火情況通常與連續整流的交流周期不同步,因此解碼角可能會在兩個點或多個點之間振蕩。因為其頻率低,于是這種振蕩表現為光輸出的顫動和閃爍。為防止這種可見的閃爍,轉換器必須泵出更多電能,以確保TRIAC不會瞎火。

  犧牲了效率

  提供額外電能與電源轉換器設計的主要目標相悖,原來的目標是提供高效、良好設計的高質量電源處理。因此,設計者要做雙倍的工作:既要從交流電源為LED負載提供高效的電源轉換,又要確保相位調光功能的正常工作,同時盡量減少過多的功率損耗。

  現在,對電源質量的新規定要求很多LED系統中使用PFC(功率因數控制)。PF(功率因數)是對轉換器輸入端到輸出端能量傳輸品質的一種度量。如果輸入電流沒有失真,并且與輸入電壓完美地同相,則PF為1。由于電抗元件造成的輸入電流任何相移或失真以及開關噪聲等,都會使PF降低。

  由于大多數LED系統都采用了某種形式的PFC,輸入電流通常能很好地追隨輸入電壓,這意味著當電壓與電流同時下降時,相位調光器經常會導通角的末端瞎火(圖2)。這種瞎火會根據其發生的時點,產生一種不斷變化的導通角解碼。

  初始方案

  一種滿足保持電流要求的簡單方法是加一個負載電阻,以確保設計在整個導通時間內,滿足最低的輸入電流條件。但這種方法效率太低。對于一個100W的白熾射燈,僅需要用15W的LED作替換,而這種固定式保持電流會造成10%~20%的效率下降。

  更復雜的方案是在每個周期中線性地增負載,即在導通角期間逐步地提升額外保持電流,直至在末端到達最大值。這種方法可以大大減少效率損失;不過,在寬的工作區間上,它有設計困難。

  例如,對于一個85V~305V通用交流電源輸入的15W LED射燈,最差保持電流情況出現在305V 交流時,此時輸入電流為最小。為了保證在305V交流時的整個導通角上,TRIAC都能保持導通,就必須增加一個相當大的保持電流。由于這是一種通用設計,因此在85V交流時加的保持電流就要比實際需要值高大約四倍,造成巨大的功率浪費。

  動態保持

  獲得效率最大化的最佳方式是調節最低輸入電流。采用這種方法時,當輸入電流高于調節點時,不會拉出額外的保持電流。當輸入電流低于調節點時,電路會拉出足夠的電流以維持最小的保持要求,LM3450控制器實現了這種方法,叫做動態保持(圖3)。它在二極管橋回返以及系統地之間有一只檢測電阻,提供了一種輸入電流的檢測方法。通過電阻上檢測到的電壓,控制器就可以線性地從保持管腳拉出電流,以維持最小的調節輸入電流。這樣就確保了額外功耗處于最小值狀態。

  最后,為了保證正確地解碼相位角,動態保持是必需的,這樣才能為轉換器提供精確的調光指令。想法是,防止TRIAC在解碼期間出現瞎火問題,這樣導通角就不會出現偶發變化而造成閃爍。仔細觀察一下系統,實際并不需要在每個周期做角度解碼。一個采樣系統可以釋放出更多的效率。用這種方案,當發生解碼時,只有在采樣周期內才需要增加額外的保持電流。在非采樣周期內,則不需要電流。

  LM3450采用了這種采樣相位解碼器方法,因此只有在采樣周期內,動態保持才有效。為驗證這個方案,同時用一個固定的20 mA保持電流和一個大得多的70 mA動態保護電路,做了一個120V、15W的射燈應用(圖4)。在對20多種調光器的測試中,70 mA動態保持法都確保了完整的調光區間,效率提高達6%。

  采用這種方案的設計者有一個困難的挑戰。前面的分析忽略了轉換器上EMI(電磁干擾)輸入濾波器的影響。每個轉換器都需要濾波,才能通過有關傳導與輻射EMI的標準。不幸的是,整流橋交流端增加的電感元件會造成對直流端輸入電流測量的失真。這個問題在導通角的末端變得更加嚴重,此時輸入電壓的dV/dt(電壓變化率)為最大。在這個點上,轉換器從EMI電容拉出大部分電流,而TRIAC傳導的電流小于預期。

  為解決檢測的不精確問題,應提高所調節的最小輸入電流,盡量減小EMI濾波器的電容。

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