利用智慧數位功率控制器最佳化LED調光系統
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上網時間:2009年02月04日
全球氣候暖化危機和能源緊缺進一步推動LED照明的普及，LED照明具有環保、光效高和壽命長的特點，但在完全取代具有入牆式調光器的白熾燈方面，LED照明還存在相容性差的先天不足。針對LED照明市場的發展，多家IC製造商推出了應用於調光LED燈具的驅動方案。本文介紹的iW3610是相容傳統前後切相式調光器的數位控制器，可自動識別切相調光器，配合不同的工作模式，使整個系統始終工作在最佳化狀態。
LED照明驅動器的設計要點
LED是一種單向電流型固態半導體發光元件，它是傳統二極體的一個分支，因此具有二極體的特性；同時LED照明還具有其它特性。
1) 照明要求：
a. 電流的調節精密度要高；
b. 沒有閃爍和眩光；
c. 電流的紋波要穩定。
2) 散熱設計要點：
a. 非隔離驅動器便於散熱器的設計和成本控制；
b. 高效率的驅動器，減少功率耗散；
c. 過熱調節，當溫度超過安全結溫時調節輸出光通量。
3) 安全可靠性要點：
a. 任一元件產生故障(短路、開路、浮動)均應導致LED照明的切斷保護；
b. 可靠的過熱過流保護；
c. LED開路和短路保護。
要普及LED照明到千家萬戶，成本是最重要的考慮因素，LED產品既要可靠還要體積小巧，並且高效、低成本。
LED調光照明應用中的難點
傳統的調光器用於驅動純電阻負載，調光器種類繁多，包括前端切相調光器、後沿切相調光器、智慧調光等等。針對可控矽切相調光器，憑借簡單的泄放電路(BLEEDER)去配合規格各異的可控矽調光器工作，很難讓人滿意。傳統調光器功率都比較大(200W~600W)，可控矽需要一定的保持電流維持其導通，而在小功率的LED驅動應用上，一般不能保證有足夠大的輸入電流去維持可控矽穩定工作。這樣就有可能出現多次導通，因而供給LED驅動的電壓及切相訊號就不穩定，如果調光訊號處理不好則會造成LED閃爍。
由於後沿切相的調光器需要和電容性的電子變壓器匹配，它的設計和製程較普通的可控矽調光器更為複雜，內部有精準的時間常數電路去控制場效應管的切斷而達到後沿切相的效果，還需要穩定的電壓供這些電路工作；因為這種調光器中使用的開關元件是場效應管，一般都會並聯上較大值的X電容以保護場效應管，這樣就加大了在正弦波下降沿切相時的檢測難度。因此，針對後沿切相調光器設計LED驅動，既要能夠在任何切相位置保證調光器內部電路工作，又要能夠提供很低的阻抗去準確檢測切相位置，而且不能影響LED驅動的轉換效率。
智慧數位調光控制器
iWatt公司推出的數位調光控制晶片採用高精密度的初級恆流控制方式，無需光藕合器和元件繁多的次級反饋控制元件；功率轉化作業頻率200kHz，可用於小體積高功率密度設計；特有的斬波式調光器的檢測技術，也改善了功率因子和諧波電流；輸出紋波電流小，最佳化了LED的發光效率；內建多重保護，外部NTC的程式化過溫保護。
iW3610的斬波電路就是針對可控矽和場效應管調光器的特性而設計。如圖4所示，RcLcQcD1D2組成的電路既可以使調光器穩定工作，又可以透過升壓電路改善功率因子，IC內部的數位電路透過檢測電壓的變化率判斷切相訊號的類別，因而智慧化判斷其所配合的調光器。
當iW3610檢測到可控矽切相的調光訊號後，將工作在前端切相模式。如圖5所示，當可控矽切斷時，IC的Output_TR是高電位，使MOSFET導通，相當於把BLEEDER電阻連接在調光器的輸出端，因為BLEEDER的阻抗大小與常規的鎢絲燈相當；當可控矽導通時，Ouput_TR會輸出一組高頻的控制訊號，斬波電路工作在高頻開關狀態，斬波電路從輸入端吸取較多的電流，以維持可控矽工作；吸取的能量大部份透過升壓電路傳遞給初級電容。IC針對不同的輸入切相訊號調整斬波電路的工作時間，避免了可控矽的多次導通。
當iW3610檢測到場效應管調光器時會工作在後沿切相模式。如圖6所示，當調光器內部的場效應三極管導通時，IC的Output_TR給出的是一組高頻控制脈衝訊號，斬波電路工作在升壓狀態，當IC檢測到調光器內的場效應三極管截止時，Output_TR會跳變成高電平訊號，斬波電路中的Qc導通，LED驅動呈低輸入阻抗以還原交流輸入的切相波形。
當IC檢測到輸入的電壓是完整的交流訊號，沒有接調光器時，它會選擇高功率因子位類比式。iWatt特有的固定VinTon控制方式[u1]既可以確保升壓電路輸出電壓不會失控，又能盡量拓展輸入電流的導通角度，提高功率因子。
因此，針對不同輸入電壓不同輸出功率的驅動設計要求，只需合理地設置斬波電路中Rc阻值和Qc的電感量，就可以得到最佳化的驅動設計，既能滿足切相檢測，又能改善驅動的功率因子，減少輸入電流的諧波。因為BLEEDER電阻是動態導通，而且升壓電路的加入把大部份的能量傳遞給初級電容，減少了損耗，因此整個驅動能保持很高的轉化效率。
iW3610將相位檢測和調光控制透過數位控制的方式整合在IC內部，檢測到的切相訊號在IC內部就轉化成調光控制訊號，去控制輸出部份的反激變換器，與iWatt的精準的初級恆流控制技術完美結合，LED的電流就受控於輸入電壓的切相訊號了。
當然，為了迎合LED照明產品的需求，iW3610也具備了更多新的控制性能。它支援高達200KHz的工作頻率，可使設計人員更容易研發高功率密度的LED驅動，滿足燈具小型化的趨勢；波谷導通的準諧振(Quasi-resonant)模式也可以盡可能提高效率，簡化EMI對策，其特有的自適應過溫保護控制方式更受LED應用工程師青睞。
iW3610透過簡單的NTC保護電路實現了複雜的程式化保護。
典型應用案例分析
圖7是一個7W調光方案線路圖。iWatt方案實現初級恆流控制，其恆流控制精密度達5%。反激式變換器中的電流訊號是三角波，三角波電流有效值是峰值電流的1/2再乘以占空比。初級側電流與次級側峰值的比值就是變壓器圈比。
iWatt的恆流控制方式就是透過檢測初級側電流的峰值、工作頻率，檢測變壓器的磁重置時間來獲取輸出電流的大小，因而控制Isense基準電壓。
設計步驟
1) 設定Vin的電阻。(圖7中R7/R8的阻值)
Vin電阻有多重作用，用於起機，用於檢測輸入電壓的高低以判斷相位。iW3610內部默認一個係數KVin，高壓輸入時為0.0043，低壓時為0.0086。根據這個比值，在一個120V輸入的設計中，RVin推薦為290~300K?；高壓230V輸入時，RVin電阻應該是560~600K?。
2) 確定BLEEDER電阻。
BLEEDER電阻的大小與調光的性能、效率、功率因子有關。經過確認，我們推薦選用以下的設置：
Vin100~120Vac：270~390?
Vin220~240Vac：470~560?
該電阻需要2W的額定功率。
3) 選擇斬波電路的電感Qc-L3。
L3的大小與效率、功率因子和EMI有關。電感越小，功率因子越高；功率因子過高，對效率和EMI也有影響。一般情況下，對於5~6W的設計，功率因子可達到0.8~0.9。
變壓器設計
變壓器的選擇與功率大小、驅動的體積大小有關；與期望的效率和成本也有關。一般情況下，功率越大，體積越大；同樣的功率，體積越大，磁芯的結構越複雜，效率越高，當然成本也越高。合適的磁芯可以使變壓器漏感小，線圈結構最佳化。
確定變壓器大小之後，再考慮變壓器的圈數和圈比。圈比與輸出功率輸出電流大小有關。還要合成考慮輸出整流管的大小、其反向耐電壓的高低，並且要預留一定的餘量。一般情況下，圈比越小，次級側二極體裡流過的電流峰值越小，但是它所承受的反向電壓越高。在確定變壓器初級繞組的圈數和電感時，要考慮變壓器工作的最大磁通量，一般在250mT到320mT之間。
確定了變壓器之後接就是確定電流取樣電阻，根據iWatt初級恆流控制原理，可以得出以下運算公式：
接下來確定VCC繞組的圈數和電壓反饋電阻的大小。推薦將VCC設定在12~15V之間，根據輸出電壓的高低和VCC的範圍，就可以運算確定VCC繞組的圈數。
然後確定反饋電阻，在正常工作的條件下，把Vsense電壓設定在1.3~1.4V，不要高於1.538V，這時還要考慮過壓保護(OVP)的大小。當Vsense電壓達到1.7V左右時，會產生過壓保護，IC將鎖定不工作。切斷輸入電壓，IC重置之後，則又可以重新啟動。
鄭俊杰 技術市場副總裁
陳保榮 應用經理
iWatt公司
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