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基于TRIAC的调光器改善LED照明闪烁问题

时间:2019-02-01 来源: 关键字:LED   控制   

 LED照明是一种主流技术。 LED手电筒,交通信号灯和车灯是司空见惯的,并且正在推动以电源供电的住宅,商业和工业应用中取代白炽灯和荧光灯。转向高能效LED照明所节省的能源简直令人咋舌。仅在中国,当局估计将该国三分之一的照明市场转移到LED将节省至少1亿千瓦时的电力,每年减少二氧化碳排放量2900万吨。然而,有一个障碍 - 控制输出没有闪烁是困难的,特别是在照明等应用中,无论是国内还是城市。

白炽灯使用简单,低成本,领先的基于TRIAC的调光器,相对容易调光。 TRIAC是一种电子开关,允许小的控制电压和电流切换非常高的电压,如照明控制系统。结果,这些调光器无处不在。为了使固态照明或基于LED的改型灯真正成功,它们必须能够在与现有控制器和布线一起使用时变暗。

尝试调暗LED灯遇到了许多问题,经常导致闪烁和其他不良行为。要了解原因,首先要解释TRIAC控制器的工作原理,然后考虑LED灯的技术,最后看看这两者是如何相互作用的。

 

基于TRIAC的调光器改善LED照明闪烁问题

 

图1:典型的前沿TRIAC调光器及其产生的电压和电流波形。 (:Power Integrations)。

在典型的TRIAC控制器中(见图1),电位器R2用于调节TRIAC的相角,当VC2超过DIAC的击穿电压时,TRIAC会在每个主要交流电压边沿触发。当TRIAC电流低于其保持电流(IH)时,TRIAC关闭,必须等到C2在下一个半周期再充电才能再次打开。施加在灯丝上的电压和通过灯丝的电流是调光信号的相位角的函数,其可以从几乎为零到180°变化。

用于取代标准白炽灯泡的LED灯通常包含LED阵列,其布置成提供均匀的光扩散。 LED串联连接。每个LED的亮度是通过它的电流的函数,LED的正向压降通常约为3.4 V,但可以在2.8 V到4.2 V之间变化.LED串应由恒流驱动电源必须严格控制,以确保相邻灯之间的匹配。

对于可调光的LED灯,灯的电源必须解释TRIAC控制器的可变相角输出,以单调调节LED的恒流驱动。在保持调光器正常工作的同时实现这一点的困难可能导致性能不佳。调节亮度时,问题可能显示为闪烁,启动缓慢,照明不均匀或闪烁。还存在单元到单元不一致以及从灯发出的不希望的可听噪声的问题。这些影响通常是由错误触发或过早关闭TRIAC和LED电流控制不当引起的。错误触发的根本原因是当TRIAC触发时的当前振铃。图2说明了这种效果。

 

基于TRIAC的调光器改善LED照明闪烁问题

 

图2.在LED灯电源输入端看到的TRIAC电流和电压振铃。 (:Power Integrations)。

当TRIAC点火时,此时的交流电源电压几乎瞬间施加到LED灯电源的LC输入滤波器。施加到电感的电压阶跃导致振铃。如果在此振铃期间通过调光器的电流低于TRIAC触发电流,则TRIAC停止导通。然后,TRIAC触发电路重新充电并重新点亮调光器。这种错误的多个TRIAC重启会在LED灯中引起不期望的可听噪声和闪烁。较不复杂的输入EMI滤波器有助于减少这种不良振铃。为了成功调光,输入EMI滤波电感和电容尽可能小是至关重要的。

振铃的最坏情况是90°相位角(当输入电压处于正弦波峰值时,突然施加到LED灯的输入端)和高压线路电压(当调光器正向电流最小)。当需要深度调光(相角接近180°)和低线路电源电压时,可能会发生过早关断。

为了实现低至低电平的可靠调光,TRIAC必须单调开启并保持接近交流电压降至零的程度。对于TRIAC,维持传导所需的保持电流通常在8mA至40mA的范围内。对于白炽灯,这种电流易于维护,但是LED灯的功耗不到同等白炽灯功率的10%,电流很容易低于TRIAC的保持电流,导致器件过早关断。这也可能导致闪烁和/或限制可调光范围。

在设计LED照明电源时,许多其他问题也面临挑战。对于商业和工业应用,固态灯具的能源之星 2 规格要求最小功率因数为0.9。必须满足对效率,输出电流容差和EMI的严格要求,并且在LED负载短路或开路的情况下,电源必须安全响应。

Power Integrations(PI)最近的技术/产品开发提供了一个很好的例子,说明如何应对驱动LED和TRIAC兼容性的挑战。图3是PI开发的TRIAC可调光14 W LED驱动器的原理图。

 

基于TRIAC的调光器改善LED照明闪烁问题

 

图3.隔离式TRIAC可调光高功率因数通用输入14 W LED驱动器的原理图。 (:Power Integrations)。

该电路基于Power Integrations的LinkSwitch-PH™系列器件LNK406EG(U1)。 LinkSwitch-PH系列LED驱动器IC在单片IC中集成了725 V功率MOSFET和连续导通模式,初级侧PWM控制器。控制器在单级中实现有源功率因数校正和恒定电流输出。 LinkSwitch-PH系列器件使用的初级侧控制技术提供高度精确的恒流控制,无需光耦合器和支持电路,通常用于实现次级侧控制电路的隔离式反激式电源,而控制器的PFC部分消除了电解大容量电容器。

LinkSwitch-PH系列器件可设置为调光或非调光模式。对于TRIAC相位调光应用,参考引脚上使用编程电阻(R4),电压监控引脚上使用4MΩ(R2 + R3),以提供输入电压和输出电流之间的线性关系,从而最大化调光范围。

连续导通模式有两个主要优点:降低传导损耗(因此效率更高)和更低的EMI特征,可以通过更小的输入EMI滤波器满足EMI标准。 LinkSwitch-PH系列器件中内置的高压功率MOSFET开关频率抖动进一步降低了滤波要求。较小的输入EMI滤波器为驱动电路提供较低的无功阻抗,提供显着降低输入电流振铃的关键优势。由于LinkSwitch-PH由其自身的内部参考电源供电,因此稳定性得到进一步提高。对于可调光应用,增加有源阻尼器和泄放电路可确保在极宽的调光范围内实现稳定,无闪烁的操作。恒定电流控制可实现±25%的电压摆幅,无需将LED用于正向压降,±5%的差异可确保LED亮度一致。

14 W LED设计实现了与标准前沿TRIAC AC调光器兼容的目标,非常宽的调光范围(1000:1,500 mA:0.5 mA),高效率(》 85%)和高功率因数( 》 0.9)。这表明可以克服与LED灯的TRIAC调光相关的问题,甚至可以直接设计具有一致且可靠性能的成本有效的可调光LED灯的驱动器。

 

基于TRIAC的调光器改善LED照明闪烁问题

 

图4:LinkSwitch-PH简化了LED驱动器的实现,需要结合大于0.9的功率因数,TRIAC调光和高效率。

电源管理 3

无意中闪烁的灯光会导致不适。长时间接触会导致头痛,头晕,其他不适和视力表现受损。可见的闪烁 - 通常发生在3到70赫兹之间 - 已经在各种研究中显示出对人类的不利影响比“隐形”闪烁 4 。对于人们在相当长一段时间内停留的区域(如办公室,学校和医院)的照明,确保所有光源都没有明显的闪烁是至关重要的。

与频率一样,调制深度是影响感知闪烁水平的另一个因素。 [调制深度定义为(Lmax-Lmin)/(Lmax + Lmin),其中L是亮度]。根据Wilkins等人1989年的一项研究,调制深度越低,效果越小。 4 ,显示已知在100 Hz时引起荧光照射头痛的峰谷调制深度约为35%。

LED照明组件是电流驱动的设备,与传统的光源(如基于金属卤化物的灯)不同,它们本身不会闪烁,这些灯往往会在使用寿命结束时闪烁。然而,可以通过LED驱动器或电源的特性引入闪烁。开关模式电源(SMPS)的输出可能包含低频谐波电流和高频噪声/纹波。大的波纹和不一致的纹波电流将导致闪烁的光线。

对于SMPS中广泛使用的单个有源功率因数校正拓扑,为了保持低谐波失真,功率反馈环路的响应必须很慢。然而,这也会导致光闪烁,因此需要负反馈电路来消除这些信号。 SMPS的稳定性取决于闭环增益和负反馈电路设计的相位裕度。

通过光电耦合器将运算放大器反馈到功率因数校正电路,可以形成合适的负反馈电路,以控制MOSFET的导通时间,如下面的图5所示。如果负载电流增加,MOSFET的导通时间将调整,以在整个操作周期内实现一致的输出电压。正如我们已经指出的那样,确保低调制深度和更高的调制频率有助于最小化闪烁对人眼的感知效果。

 

基于TRIAC的调光器改善LED照明闪烁问题

 

图5:电流更平滑 - SMPS的负反馈电路,由运算放大器通过光耦合器反馈到功率因数校正电路,以控制MOSFET的导通时间。 (:Avago Technologies)。

在今天的照明市场中,由于上述舒适性和操作性原因,各种消除可见闪烁的压力远高于隐形闪烁。因此,具有最小化闪烁的适当设计的LED灯具是替代荧光灯以向消费者提供更高质量的照明体验的合适解决方案。

带镇流器的荧光灯管工作电源频率的两倍(通常为100 Hz或120 Hz)。然而,随着这种灯老化,在一个电流方向上发生的闪光可能不等于在另一个方向上发生的闪光,因此灯可能在电源频率下与驱动器部件明显地闪烁。

Avago Technologies全球产品营销经理Kee Yean Ng评论说:“我们的观点是,如今设计精良的灯具闪烁不是问题。根据我们使用Avago灯具的经验,我们没有遇到任何有这个问题的客户。“

 

基于TRIAC的调光器改善LED照明闪烁问题

 

图6:Avago的Power LED光源1 W琥珀色,基于AlInGaP,是无闪烁灯具中的典型部件。

电源至关重要

Cree位于北卡罗来纳州达勒姆的销售开发经理和合作伙伴计划负责人David Cox认为,闪烁和输出变化的许多问题与LED设计本身没什么关系。相反,问题可能在于到达灯的电流质量。

“人们可以感知到的问题源于当前的质量和电源以及我们如何将提供给LED的能量转化为光,”考克斯说。 Cree的X-Lamp系列是一款优秀的照明级LED,这意味着不仅仅是高功率输出,这是一整套白色(和彩色)LED,可提供经过验证的白点稳定性,L70寿命高达50,000小时,至关重要的是,电隔离的热路径。

此系列专门设计用于确保照明应用的一致输出,如户外照明,便携式和个人照明,室内筒灯,零售展示照明,建筑,交通甚至应急车辆照明。

Cox引用了另一个使用示例,其中X-Lamp为Cree的家庭状态中出色的客户类型提供无闪烁性能:“我们的一位客户生产了一种用于照明应用的灯具。电影业和高速摄像机应用中没有明显的闪烁。“

灯具开发人员需要使用专门为照明应用设计的照明级或更高功率的LED,而不是任何非专门设计的高亮度LED照明设备中的照明应用。提供LED的选择是明智的,因为任何闪烁都将与LED本身无关并且仅由电源和控制方法引起。

“Cree的功率LED专为照明而设计”,Cox说。 “它们是DC-in产品,但如果将它们连接到电源调节器,则可以连接到AC。所以实际上你正在调节电源以产生光。减少闪烁的另一个好方法是使用优质LED驱动器或非调光电源滑块“

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