LED調(diào)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(jié)能、環(huán)保的優(yōu)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(chǎn)業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展階段，運(yùn)用市場迅速增長。在室內(nèi)照明方面，用LED燈替代傳統(tǒng)的可調(diào)光白熾燈或者鹵素?zé)粢矊⑹谴髣菟叀?br>
由于傳統(tǒng)的白熾燈調(diào)光器采用可控硅調(diào)光器，用LED燈替代白熾燈時(shí)，要求不能改變原有線路，還要能適應(yīng)現(xiàn)有的可控硅調(diào)光器。針對這一目標(biāo)市場，目前很多大的半導(dǎo)體廠商（包括國際知名半導(dǎo)體廠商）都已經(jīng)推出了自己的LED調(diào)光ASIC，但由于LED固有的發(fā)光原理，目前市面上的LEDASIC調(diào)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(diào)光方案做一個詳細(xì)的分析，并介紹我們基于MCU的調(diào)光方案。

LED的發(fā)光特性

目前的新技術(shù)使LED能夠達(dá)到很高的功率水平，LED的功率能夠達(dá)到1W，甚至有些達(dá)到5W，光效達(dá)到60-85LM/W，這種LED設(shè)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(lián)的方式組成大功率LED燈，尤其以串聯(lián)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(dāng)加在LED兩端的電壓沒有達(dá)到3.4V之前，隨著的增加而增加。當(dāng)加在LED兩端的電壓達(dá)到3.4V時(shí)，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(dá)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(shí)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(dāng)溫度降低時(shí)，會增加。當(dāng)LED的溫度上升到85度時(shí),已經(jīng)有變成3.25V（3.4V-0.15V）,相反當(dāng)LED溫度降到-40度時(shí)，變成3.6V（3.4V+0.2V）。
　　
所以在LED調(diào)光時(shí)，要想讓LED調(diào)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(diào)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(diào)光方式
　　
1理論依據(jù)
　　
恒功率控制方式一般采用單級FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(guān)電源的FLYBACK相比，恒功率方案多了一個調(diào)光信號控制回路，用于檢測輸入可控硅的導(dǎo)通角和輸入電壓，從而給出相應(yīng)的調(diào)光信號。同時(shí)，方案中沒有反饋信號，完全開環(huán)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(jù)為：


式中：
　　為輸出給LED的功率；
　　為轉(zhuǎn)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(guān)頻率。
　　
恒功率控制方式都是先預(yù)知LED的輸出功率，理論上，一旦變壓器設(shè)計(jì)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(guān)頻率；為變壓器的原邊電感。根據(jù)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(yōu)缺點(diǎn)
　　
理論上，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，成本低，但仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)，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(huán)控制，精度很難保證，在批量時(shí)，用同樣的占空比都會導(dǎo)致輸出功率偏差很大，直接體現(xiàn)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(yù)先假定輸出功率是恒定的，比如用9個1W（=3.4V,　=350MA）的LED串聯(lián)起來用做一個9W的PAR燈，那么設(shè)計(jì)時(shí)候就會用=9W來計(jì)算。但實(shí)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(dāng)LED串聯(lián)起來時(shí)，總的偏差就不能忽略了。PAR燈的實(shí)際功率可能不止9W或者不到9W,直接反應(yīng)在燈上就是最大亮度沒有到額定值或者比額定值要亮。當(dāng)PAR燈的實(shí)際功率不到9W時(shí)，而驅(qū)動的輸出功率依然是9W，那么流經(jīng)LED的電流就已經(jīng)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(shí)沒有偏差，根據(jù)圖1.2所示，也會隨著溫度和工作時(shí)間的變化而變化，當(dāng)由于的變化使得LED的額定功率小于9W時(shí)，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(yù)先設(shè)定好輸出功率，當(dāng)所接的燈功率與預(yù)先設(shè)定的功率不匹配時(shí)，LED燈不能正常工作。當(dāng)所接的燈的功率小于預(yù)設(shè)功率時(shí)，甚至?xí)龤ED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(dǎo)通角的大小有關(guān)，當(dāng)沒有與接LED燈時(shí)，依然會有相應(yīng)的功率輸出，使得空載損耗變得很大。
　　
最后，調(diào)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(diào)光也必須用可控硅調(diào)光。白熾燈是純阻性負(fù)載，對可控硅的導(dǎo)通不會造成什么影響，但LED的驅(qū)動電路由開關(guān)電源組成，就不是一個純負(fù)載了，因此會對可控硅造成一定的影響?？煽毓璧臄夭úㄐ魏苋菀桩a(chǎn)生畸變，尤其很難保持很好的導(dǎo)通狀態(tài)。所以在驅(qū)動上一般都要加可控硅穩(wěn)定電路。恒功率控制法由于其純硬件實(shí)現(xiàn)，就算加了可控硅穩(wěn)定電路，對調(diào)光器的適應(yīng)性也有限。
　　
由于恒功率控制有其結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，而其缺點(diǎn)部分短時(shí)間里可能沒能體現(xiàn)出來，所以很多半導(dǎo)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。