突破TRIAC技術　LED照明調光設計更精簡

現今市場上的一些照明設備對於可調光的範圍都有嚴格的限制，甚至會出現閃爍的現象，因此業者已共同合作推出新的解決方案，該方案將可以使傳統相位截斷調光器實現固態照明之有效的調光。

外型/尺寸/功率環環相扣
 

新款實現固態照明有效調光的方案是以LED驅動器將90～135VRMS之交流電源輸入(牆壁插頭電源)轉換為350毫安培的直流穩定電流源，以便驅動高功率的Cree白色 LED。使用常見於住宅、商用和工業建築中的標準壁掛式調光器，交流電可能會被相位截斷或是斬波，以減少LED的燈光輸出。如圖1的電路設計，能確保用戶不會無意中接觸電路中的高電壓。圖1所示，該電路為非絕緣電路。這表示電流會直接從輸入端(交流電源)流往LED輸出端。
 

圖1　非絕緣之LED驅動器電路圖

而眾所皆知，絕緣解決方案須要使用變壓器將電流絕緣。無論是絕緣或是非絕緣兩類型的電路都各有利弊。絕緣解決方案因為須要使用到變壓器及可能使用輸出回饋的光電耦合器，往往會需要更大的體積，而且效率也比較低，但如此一來，由於在交流電源和用戶之間提供與生俱來的安全保護，便能輕易通過安全法規UL60950的規範。相反地，非絕緣機制的解決方案雖然擁有較小體積的優勢，因此更可能適合燈泡改型應用所需的小尺寸，但仍須藉由燈泡材料和結構的機械絕緣機制改良才能通過安全法規的規範。
 

文中的LED驅動器同時應用於絕緣及非絕緣的解決方案中，並提供多種外形、尺寸和功率級別，但並非所有外形、尺寸和功率級別的產品都可以在一般的通路中購得，有些產品必須特別訂購。
 

功率因數校正技術提升電路功率
 

當經由牆面之交流電源供電時，有時會在輸入電流和電壓或者在輸入電流波形的波峰和波谷之間產生相位平移。最簡單的例子就是在交流電源上直接放置一個高電壓電容器。假定在理想設備中，輸入電壓對設備充電和放電時，電荷雖然傳入和傳出電容器，但是沒有真正的輸出功率被傳輸至該「負載」。這是因為輸入電壓和電流偏離了90度相位。電力公司並不喜歡這樣的狀況，因為即使能量正在「返回」電網的時候，在傳輸和變壓器轉換中也會發生能量的損耗。最佳的情況就是100%的傳輸電能都被負載使用。實際功率和表現功率的比值稱為功率因數，以0(無實際功率傳輸，所有能量都在電容器中)和1(100%的傳輸電能被負載消耗，如電阻器)之間的數字表示。對於商業固態照明應用而言，能源之星(Energy Star)要求0.9以上的功率因數。當輸入電壓的諧波成分如通常假設一樣為很低或為0時，功率因數計算如下方程式1：

方程式1

第一項須要考慮因為不連續(波峰和波谷)而導致電流中的諧波成分，第二項餘弦項考慮電壓和電流之間的相位平移。
 

圖2　雙級填谷式電路操作示意圖

目前有許多不同的技術可以提升電路中的功率因素，這些技術往往都具有高諧波成分或相位平移，其中一個稱為功率因數校正(PFC)。PFC技術主要分為主動式及被動式兩種類型。主動式PFC使用電子驅動技術以形成輸入電流波形並且過濾掉暫態波峰和波谷；而被動式PFC使用如電感器和電容器等元件已達到相同的效果。文中範例的驅動系統可使用在主動式和被動式的PFC，而目前也有相當多的電路板已經開發完成。本文所介紹的解決方案係採用被動式PFC技術的非絕緣設計，稱之為「填谷式」電路，其電路和操作如圖2所示。
 

當輸入電壓大於先前峰值電壓除以「填谷」級數(為電容器的數量)時，負載將會直接從線路傳輸。除此之外，作為二極體配置的結果，電容器以串聯方式進行充電，該方式導致它們以串聯電容器數量均分電壓。當輸入電壓低於其峰值除以級數時，電容器被迫(同樣因為二極體配置)在該放電階段以並行方式為負載供電。
 

該「保持」電壓為先前的輸入峰值電壓除以「填谷」級數。該展示平台電路使用了雙級「填谷式」電路。由於許多原因，該「填谷式」電路非常重要。首先，它提供PFC，因為在工作週期之內，電路中負載的功率頻繁地來自於輸入端。其次，電容器在平行放電中提供能量儲存，所以LED電流中沒有120Hz漣波。最後，因為它迫使由輸入線路中得到大部分的電流，因此調光器開關僅接收使用於無閃爍操作中所需之電流。
 

相位調光應用需求殷　LED驅動器設計難度日增
 

由相位截斷調光器進行調光已成為各種非鎢絲照明技術的難題，因為相位調光器比較適用於如白熾燈或鹵素燈所提供的電阻負載。相位截斷調光器可以分為順向和逆向兩類(圖3)。相位調光器須要「洩放」電流以允許內部定時電路得以適當操作，許多調光器需要另外的「保持」電流以維持整個電路週期的適當工作。本文提到的LED 驅動器的BLDR接腳提供洩放電流，而外部電阻器R5在必要時提供保持電流。美國國家半導體(NS)可提供其他展示電路板，包含額外的電路以調節改變調光範圍和增加效率的交流120Hz電路週期的保持電流。
 

圖3　全波、順向以及逆向調光器波形

對於較大的調光範圍，此LED驅動器解釋了相位調光器的傳導角或是點弧角，並將其轉換至適當的LED電流量，以最小100：1的調光比例從最大值到最小值。

一些更佳的調光器可能提供更高的範圍，但是對大多數應用而言並不需要。此驅動器使用低端驅動降壓穩壓器調節LED電流。
 

峰值電流在ISNS接腳處測量，漣波保持恆定以保持平均電流恆定。漣波通過與輸出電壓VLED成反比的假恆定關閉時間的實施保持恆定。
 

該方法藉由提供保持漣波電流恆定以保持LED堆疊的平均電流恆定而毋須考慮輸入和輸出電壓變化的簡單方法。主要的原因為電感器固有的基本操作原理。下列的方程式2標示出眾所皆知的標準電感器中電壓、電流、電感和時間之間的關係，同時也顯示了與代表任何降壓穩壓器在關閉狀態下適當替代物的相同關係。
 

簡單來說，續流二極體的順向電壓與LED堆疊電壓相比較，就會顯得非常小。方程式中假設電感(L)是固定的，合理地假設核心飽和可以避免，如果tOFF與VLED成反比，電感器中的漣波電流也是恆定的。恆定峰值電流與恆定漣波結合得到所需的恆定平均電流。

方程式2

設計LED驅動器，尤其是對於相位可調光式應用將是非常艱鉅的挑戰。為了協助設計人員，業者也開發了線上設計環境，可以直接使用LED的電子模型在特定的電路上進行設計工作。藉此提供基礎設計的工作，但是相位調光有許多其他因素會使得設計變得複雜，例如電磁相容性的問題等。常用模式和差動模式濾波器通常用在離線電路的輸入端，可與順向和逆向相位調光器中所見的多種電路配置相互作用。安裝在電路中的濾波器元件雖然已經過多種順向以及逆向相位調光器的測試，但是仍有可能與未測試到的調光器會有不良反應。
 

整體而言，文中使用的LED驅動器、高功率Cree LED和線上開發工具，使得設計人員可以快速開發相位可調光式固態照明系統，並讓該系統具備高效能、可靠和美觀。
 

(本文作者為美國國家半導體照明事業部總監)