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1、LED灯的调光2011/1/6 作者：茅于海 来源：上海龙茂微电子有限公司浏览量： 67992 导读：作为一种光源，调光是很重要的。不仅是为了在家居中得到一个更舒适的环境，在今天来说，减少不必要的电光线，以进一步实现节能减排的目的是更加重要的一件事。而且对于LED光源来说，调光也是比其他荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的LED灯具中加上调光的功能。标签：LEDLED灯具LED调光调光灯第一部分 采用直流电源LED的调光技术一.用调正向电流的方法来调亮度要改变LED的亮度，是很容易实现的。首先想到的是改变它的驱动电流，因为LED的亮度是几乎和它的驱动电流直接成正比关系。
2、图1中显示了Cree公司的XLampXP-G的输出相对光强和正向电流的关系。图1. XLampXP-G的输出相对光强和正向电流的关系由图中可知，假如以350mA时的光输出作为100%，那么200mA时的光输出就大约是60%，100mA时大约是25%。所以调电流可以很容易实现亮度的调节。1.1 调节正向电流的方法调节LED的电流最简单的方法就是改变和LED负载串联的电流检测电阻(图2a)，几乎所有DC-DC恒流芯片都有一个检测电流的接口，是检测到的电压和芯片内部的参考电压比较，来控制电流的恒定。但是这个检测电阻的值通常很小，只有零点几欧，如果要在墙上装一个零点几欧的电位器来调节电流是不大可能的，
3、因为引线电阻也会有零点几欧了。所以有些芯片提供一个控制电压接口，改变输入的控制电压就可以改变其输出恒流值。例如凌特公司的LT3478(图2b)只要改变R1和R2的比值，也可以改变其输出的恒流值。图2. 输出恒流值的调节1.2 调正向电流会使色谱偏移然而用调正向电流的方法来调亮度会产生一个问题，那就是在调亮度的同时也会改变它的光谱和色温。因为目前白光LED都是用兰光LED激发黄色荧光粉而产生，当正向电流减小时，蓝光LED亮度增加而黄色荧光粉的厚度并没有按比例减薄，从而使其光谱的主波长增长，具体实例如图3所示。图3. 主波长和正向电流的关系当正向电流为350mA时，主波长为545.8nm;当正向电
4、流减小为200mA时，主波长为548.6nm;当正向电流减小为100mA时，主波长为550.2nm。正向电流的改变也会引起色温的变化(图4)。图4. 白光LED的色温和正向电流的关系由图4可知，当正向电流为350mA时，色温为5734K，而正向电流增加到350mA时，色温就偏移到5636K。电流再进一步减小时，色温会向暖色变化。当然这些问题在一般的实际照明中可能不算是一个大问题。然而在采用RGB的LED系统中，就会引起彩色的偏移，而人眼对彩色的偏差是十分敏感的，因此也是不能允许的。1.3 调电流会产生使恒流源无法工作的严重问题然而在具体实现中，用调正向电流的方法来调光可能会产生一个更为严重的问
5、题。我们知道LED通常是用DC-DC的恒流驱动电源来驱动的，而这类恒流驱动源通常分为升压型或降压型两种(当然还有升降压型，但由于效率低、价钱贵而不常用)。究竟采用升压型还是降压型是由电源电压和LED负载电压之间的关系决定的。假如电源电压低于负载电压就采用升压型;假如电源电压高于负载电压就采用降压型。而LED的正向电压是由其正向电流决定的。从LED的伏安特性(图5)可知，正向电流的变化会引起正向电压的相应变化，确切地说，正向电流的减小也会引起正向电压的减小。所以在把电流调低的时候，LED的正向电压也就跟着降低。这就会改变电源电压和负载电压之间的关系。图5. LED的伏安特性例如，在一个输入为24
6、V的LED灯具中，采用了8颗1W的大功率LED串联起来。在正向电流为350mA时，每个LED的正向电压是3.3V。那么8颗串联就是26.4V，比输入电压高。所以应该采用升压型恒流源。但是，为了要调光，把电流降到100mA，这时候的正向电压只有2.8V，8颗串联为22.4V，负载电压就变成低于电源电压。这样升压型恒流源就根本无法工作，而应该采用降压型。对于一个升压型的恒流源一定要它工作于降压是不行的，最后LED就会出现闪烁现象。实际上，只要是采用了升压型恒流源，在用调正向电流调光时，只要调到很低的亮度几乎一定会产生闪烁现象。因为那时候的LED负载电压一定是低于电源电压。很多人因为不了解其中的问题
7、，还总要去从调光的电路里去找问题，那是徒劳无益的。采用降压型恒流源问题会少一些，因为如果本来电源电压高于负载电压，当亮度是往低调，负载电压是降低的，所以还是需要降压型恒流源。但是如果调到非常低的正向电流，LED的负载电压也变得很低，那时候降压比非常大，也可能超出了这种降压型恒流源的正常工作范围，也会使它无法工作而产生闪烁。1.4 长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作一般人可能认为向下调光是降低恒流源的输出功率，所以不可能会引起降压型恒流源的功耗加大而温升增高。殊不知当降低正向电流时所引起的正向电压降低会使降压比降低。而降压型恒流源的效率是和降压比有关的，降压比越大
8、，效率越低，损耗在芯片上的功耗越大。图6是SLM2842J的效率和降压比的关系曲线。图6. 降压型恒流源的效率和降压比的关系图中的输入电压为35V，输出电流为2A，当输出电压为30V时，效率可以高达97.8%。但是当输出电压降低到20V时，效率就降为96%;当输出电压降低为10V时，效率就降低为92%。在这三种情况下，尽管其输出功率依次为60W，40W和20W，但是其损耗功率却依次为1.2W，1.6W，1.6W。后两种情况下功耗增大了33%。假如恒流模块的散热系统设计得非常临界，增加33%的耗散功率就有可能会使芯片的结温升高，以致发生过温保护而无法工作，严重时也有可能使芯片烧毁。1.5 调节正
9、向电流无法得到精确调光因为正向电流和光输出并不是完全正比关系，而且不同的LED会有不同的正向电流和光输出关系曲线。所以用调节正向电流的方法很难实现精确的光输出控制。二.采用脉宽调制(PWM)来调光LED是一个二极管，它可以实现快速开关。它的开关速度可以高达微秒以上。是任何发光器件所无法比拟的。因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。这种方法称为脉宽调制(PWM)调光法。图7表示这种脉宽调制的波形。假如脉冲的周期为tpwm，脉冲宽度为ton，那么其工作比D(或称为孔度比)就是ton/tpwm。改变恒流源脉冲的工作比就可以改变LED的亮度。图7. 用改变脉冲宽度的方
10、法来改变LED的亮度2.1 如何实现PWM调光具体实现PWM调光的方法就是在LED的负载中串入一个MOS开关管(图8)，这串LED的阳极用一个恒流源供电。图8. 用PWM信号快速通断LED串然后用一个PWM信号加到MOS管的栅极，以快速地开关这串LED。从而实现调光。也有不少恒流芯片本身就带一个PWM的接口，可以直接接受PWM信号，再输出控制MOS开关管。那么这种PWM调光方法有那些优缺点呢?2.2脉宽调制调光的优点1.不会产生任何色谱偏移。因为LED始终工作在满幅度电流和0之间。 2.可以有极高的调光精确度。因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现万分之一的精度。3.可以和数字控
11、制技术相结合来进行控制。因为任何数字都可以很容易变换成为一个PWM信号。4. 即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件(升压比或降压比)，更不可能发生过热等问题。2.3 脉宽调光要注意的问题1. 脉冲频率的选择。因为LED是处于快速开关状态，假如工作频率很低，人眼就会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象，它的工作频率应当高于100Hz，最好为200Hz。2. 消除调光引起的啸声： 虽然200Hz以上人眼无法察觉，可是一直到20kHz却都是人耳听觉的范围。这时候就有可能会听到丝丝的声音。解决这个问题有两种方法，一是把开关频率提高到20kHz以上，跳出人耳听觉的范
12、围。但是频率过高也会引起一些问题，因为各种寄生参数的影响，会使脉冲波形(前后沿)产生畸变。这就降低了调光的精确度。另一种方法是找出发声的器件而加以处理。实际上，主要的发声器件是输出端的陶瓷电容，因为陶瓷电容通常都是由高介电常数的陶瓷所做成，这类陶瓷都具有压电特性。在200Hz的脉冲作用下就会产生机械振动而发声。解决的方法是采用钽电容来代替。不过，高耐压的钽电容很难得到，而且价钱很贵，会增加一些成本。第二部分 采用交流电源的LED调光三.用可控硅对LED调光普通的白炽灯和卤素灯通常采用可控硅来调光。因为白炽灯和卤素灯是一个纯阻器件，它不要求输入电压一定是正弦波，因为它的电流波形永远和电压波形一样
13、，所以不管电压波形如何偏离正弦波，只要改变输入电压的有效值，就可以调光。采用可控硅就是对交流电的正弦波加以切割而达到改变其有效值的目的。其电原理图如图9所示。虚线部分就是安装在墙上的可控硅调光开关。a-b之间的电阻就是白炽灯负载。所以负载是和可控硅开关串联的。图9. 可控硅调光的电路图和波形图改变可变电阻的分压比就可以改变其导通角，从而实现改变其有效值的目的。通常这个电位器带一个开关，接在n的输入端，用于开关灯。除了可控硅以外，还有晶体管后沿调光技术等等，因为它们的基本问题是相同的，就不在此介绍了。3.1 可控硅调光的缺点和问题然而，可控硅调光存在一系列问题。1. 可控硅破坏了正弦波的波形，从
14、而降低了功率因素值，通常PF低于0.5，而且导通角越小时功率因素越差(1/4亮度时只有0.25)。2. 同样，非正弦的波形加大了谐波系数。3. 非正弦的波形会在线路上产生严重的干扰信号(EMI)4. 在低负载时很容易不稳定，为此还必须加上一个泄流电阻。而这个泄流电阻至少要消耗1-2瓦的功率。5. 在普通可控硅调光电路输出到LED的驱动电源时还会产生意想不到的问题，那就是输入端的LC滤波器会使可控硅产生振荡，这种振荡对于白炽灯是无所谓的，因为白炽灯的热惯性使得人眼根本看不出这种振荡。但是对于LED的驱动电源就会产生音频噪声和闪烁。3.2 可控硅调光的优势可控硅调光虽然有那么多的缺点和问题，但是，
15、它却有着一定的的优势，那就是它已经和白炽灯卤素灯结成了联盟，占据了很大的调光市场。如果LED想要取代可控硅调光的白炽灯和卤素灯灯具的位置，就也要和可控硅调光兼容。具体来说，在一些已经安装了可控硅调光的白炽灯或卤素灯的地方，墙上已经安装了可控硅的调光开关和旋钮，墙壁里也已经安装了通向灯具的两根连接线。要更换墙上的可控硅开关和要增加连接线的数目都不是那么容易，最简单的方法就是什么都不变，只要把灯头上的白炽灯拧下，换上带有兼容可控硅调光功能的LED灯泡就可以。这种战略就像LED日光灯一样，最好做成和现在的T10、T8荧光灯尺寸大小完全一样，不需要专业电工，普通老百姓就可以直接更换，那就可以很快普及。因此国外很多生产LED驱动IC的厂商都开发出了可以兼容现有可控硅调光的IC来。3.3 兼容可控硅调光的LED驱动IC目前市场上主要有恩智浦的SSL2101/2，国半的LM3445，iWatt的iW3610和OnSemi的NCL3000四种兼容可控硅调光的驱动IC。其特点如下SSL2102LM3445iW3610NCL3000电路架构反激式反激式，降压式反激式反激式功率MOS管内置600V，15W MOSFET外接2
