LED調光方案對比及解析

中心議題：

解決方案：

作為一種新的、最有潛力的光源，LED照明以其節能、環保的優勢越來越受到人們重視。加上國家和地方政府的政策鼓勵，我國的LED照明產業進入了加速發展階段，運用市場迅速增長。在室內照明方面，用LED燈替代傳統的可調光白熾燈或者鹵素燈也將是大勢所趨。

由于傳統的白熾燈調光器采用可控硅調光器，用LED燈替代白熾燈時，要求不能改變原有線路，還要能適應現有的可控硅調光器。針對這一目標市場，目前很多大的半導體廠商（包括國際知名半導體廠商）都已經推出了自己的LED調光ASIC，但由于LED固有的發光原理，目前市面上的LEDASIC調光案都還不是很成熟，都有其固有的問題，本文就將針對目前的調光方案做一個詳細的分析，并介紹我們基于MCU的調光方案。

LED的發光特性

目前的新技術使LED能夠達到很高的功率水平，LED的功率能夠達到1W，甚至有些達到5W，光效達到60-85LM/W，這種LED設備稱為高亮LED(HB-LED)。目前我們用在照明上LED都是HB-LED，一般都是選擇1W的LED通過串并聯的方式組成大功率LED燈，尤其以串聯為主。這種LED的為3.4V±2%，正向電流為350mA左右。其-曲線如圖1.1所示。


圖1.1　LED—曲線
從圖1中可以看出，當加在LED兩端的電壓沒有達到3.4V之前，隨著的增加而增加。當加在LED兩端的電壓達到3.4V時，的變化很小，增加LED兩端的電壓只會增加流過LED的電流，從而改變LED的亮度，直到增加到LED的最大　(350MA)，LED達到最大亮度。而一直被箝位在(3.4V)左右。并且會隨著溫度和LED工作時間的變化而變化，變化曲線如圖1.2所示。

圖1.2　相對變化對溫度的變化曲線
從圖1.2可以看出，隨著溫度的上升，會逐漸變小，相反，當溫度降低時，會增加。當LED的溫度上升到85度時,已經有變成3.25V（3.4V-0.15V）,相反當LED溫度降到-40度時，變成3.6V（3.4V+0.2V）。
　　
所以在LED調光時，要想讓LED調到一個固定的亮度，就必須要保證一個固定的，也就說要采用恒流控制。還有另一種方式：恒功率控制。這也是目前市面上調光ASIC普遍采用的方式。但恒功率控制有其固有的缺陷。
　　
恒功率控制LED調光方式
　　
1理論依據
　　
恒功率控制方式一般采用單級FLYBACK拓撲結構，基本框圖如圖2.1所示。


圖2.1恒功率控制方式框圖
　　
從圖中可以看出與一般開關電源的FLYBACK相比，恒功率方案多了一個調光信號控制回路，用于檢測輸入可控硅的導通角和輸入電壓，從而給出相應的調光信號。同時，方案中沒有反饋信號，完全開環控制，由原邊控制占空比的大小從而控制輸出功率的大小，。其控制的理論依據為：


式中：
　　為輸出給LED的功率；
　　為轉換器的效率，主要由變壓器決定；
　　為原邊變壓器的平均電流；
　　為變壓器的原邊電感；
　　為FLYBACK的開關頻率。
　　
恒功率控制方式都是先預知LED的輸出功率，理論上，一旦變壓器設計好之后，都已確定，只要改變原邊電流的大小，就可以改變輸出功率的大小。再由于：


式中：
　　
U為加在變壓器原邊的電壓，即輸入電壓；D為占空比；為開關頻率；為變壓器的原邊電感。根據式2.2可知，與D成正比，只要改變占空比D就能改變原邊電流的大小，也就能改變輸出功率的大小。
　　
2優缺點
　　
理論上，這種拓撲結構簡單，成本低，但仔細分析就會發現，這種方式存在很多弊端。首先是很難控制，往往偏差很大，再加上采用開環控制，精度很難保證，在批量時，用同樣的占空比都會導致輸出功率偏差很大，直接體現在燈上就是LED的亮度會偏差很大，很難保證其一致性。
　　
其次，恒功率控制都是預先假定輸出功率是恒定的，比如用9個1W（=3.4V,　=350MA）的LED串聯起來用做一個9W的PAR燈，那么設計時候就會用=9W來計算。但實際上每個LED的都會偏差，偏差值如表2.1所示：


從表格2.1可以看出，雖然每個LED的偏差都不會太大，但當LED串聯起來時，總的偏差就不能忽略了。PAR燈的實際功率可能不止9W或者不到9W,直接反應在燈上就是最大亮度沒有到額定值或者比額定值要亮。當PAR燈的實際功率不到9W時，而驅動的輸出功率依然是9W，那么流經LED的電流就已經超過了額定的，長期工作對LED的壽命和顯色性都會造成一定的影響。
　　
另外，就算LED出廠時沒有偏差，根據圖1.2所示，也會隨著溫度和工作時間的變化而變化，當由于的變化使得LED的額定功率小于9W時，長期工作將會影響LED的使用壽命和顯色性。
　　
再次，功率兼容性問題。由于恒功率控制方式都是預先設定好輸出功率，當所接的燈功率與預先設定的功率不匹配時，LED燈不能正常工作。當所接的燈的功率小于預設功率時，甚至會燒毀LED燈。
　　
還有就是空載損耗的問題，由于恒功率控制方案的輸出功率只與輸入電壓和導通角的大小有關，當沒有與接LED燈時，依然會有相應的功率輸出，使得空載損耗變得很大。
　　
最后，調光器的兼容性問題。由于LED是用來替代以前的白熾燈，所以LED調光也必須用可控硅調光。白熾燈是純阻性負載，對可控硅的導通不會造成什么影響，但LED的驅動電路由開關電源組成，就不是一個純負載了，因此會對可控硅造成一定的影響。可控硅的斬波波形很容易產生畸變，尤其很難保持很好的導通狀態。所以在驅動上一般都要加可控硅穩定電路。恒功率控制法由于其純硬件實現，就算加了可控硅穩定電路，對調光器的適應性也有限。
　　
由于恒功率控制有其結構簡單，成本低的優點，而其缺點部分短時間里可能沒能體現出來，所以很多半導體廠商都采用此方法。但若采用MCU控制恒流的方案，以上問題都可以很好的解決。