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LED智能照明的电源控制系统设计

出处:电子发烧友 发布于:2019-02-20 13:51:32 | 307 次阅读

智能照明是智能家居的关键之一。无线电和网络控制可用于通过用户的直接控制,使用专用遥控器或在智能手机应用程序的帮助下或根据一天中的时间自动改变照明水平。然而,用于照明的LED功率控制需要特别考虑。为传统调光控制而开发的电路不能很好地满足固态照明的要求。

安装在家中的大多数调光器都是基于相切电路。这种类型电路的优点是设计非常简单并且坚固耐用。该电路通过在交流周期的一部分中简单地切断灯泡的电源来工作,从而降低了提供给灯丝的总电压。这反过来又降低了灯丝的光输出。由于灯丝加热和冷却所需的时间相对较长,因此除非可能在调光器的最低设置下,否则这种切换对用户来说并不明显。

然而,对于LED,它具有更短的响应时间,主电源的低开关频率意味着试图使用类似的策略来控制光输出将导致显着的闪烁。因此,LED需要专门的电源电路,可以提供更稳定的电压和电流输出,以提供最大限度减少闪烁的功率,同时不会影响效率。

尽管可以通过改变LED来控制LED的亮度。提供给它们的电流导致在较低电流水平下功率效率下降。功率LED在最高额定电流下提供最佳效率。因此,使用脉冲宽度调制(PWM)技术仍然可以最好地获得调光行为,在比传统的基于电源的调光器电路所支持的频率更高的频率下打开和关闭LED。

在PWM-基于功率转换器,反馈到控制器的参考信号用于确定向负载供电的晶体管是应该接通还是断开。将参考与斜坡发生器产生的周期信号进行比较。当参考信号高于斜坡时,晶体管导通。当参考信号低于斜坡时,晶体管关闭。因此,所传递的积分电流遵循参考信号的分布。可以使用各种技术来控制参考信号并因此操纵功率输出。对于智能家居使用,电源转换器可以集成额外的输入,根据首选的调光水平调整参考信号。

LED的电源转换器也可以设计用于处理不同的电源类型。例如,一个简单的改装灯泡,包括LED镇流器,调光控制和智能家庭网络的RF接口,通常可以使用50 Hz/60 Hz电源。但是,设计用于低压带和总线的灯泡电源转换器需要能够处理直流电源输入。

浪涌电流是LED照明设计中的一个重要考虑因素。 LED的电源向主电源提供容性负载,这导致当LED作为电容器周围的电容器接通时短时间内吸收大电流的可能性。因为该电流可能远高于稳态电流,所以当连接到一个电源电路的大量灯被激活时,它可能导致过载问题。限制启动时的浪涌电流提供了一种与家用电路具有更好兼容性的设计。

功率因数校正(PFC)是电源兼容性方面的进一步考虑因素。不应允许高效LED调光所需的开关模式技术将额外的谐波驱动到电源上。

对PFC的高效供电和支持的需求导致了Fairchild FL7701等部件的推出。飞兆半导体FL7701设计用于交流和直流电源,使用从高压电源传输到其低压VCC引脚的纹波电压作为检测手段。 VCC轨道上的纹波使用sigma-delta调制方案来为PWM开关电路提供参考信号。当施加直流输入时,VCC轨上没有纹波会产生适合于没有PFC的直流模式功率转换的参考信号。

LED智能照明的电源控制系统设计

图1:FL7701的框图。

为了支持远程控制,FL7701具有一个模拟输入引脚,通过使用电阻分压器可以支持0 V至10 V的调光控制。该信号被馈入数字控制器并用于确定数字 - 模拟转换器的输出,该转换器向PWM控制电路提供参考信号。微控制器可用于产生到LED镇流器的输入信号,可能从RF接口接收其命令。

LED智能照明的电源控制系统设计

图2:典型应用中的FL7701。

FL7701采用软启动功能来限制浪涌电流,对PWM电路使用的内部参考电压信号施加延迟,使其从初始启动开始缓慢上升。恩智浦的SSL4101T Greenchip III +提供了类似的软启动功能。在此器件上,软启动周期是通过选择外部电阻和电容来确定的。

能够使用传统的三端双向可控硅调光技术,因此支持需要处理混合光源的系统, SSL4101T旨在提供所有功率级别的高效率;使用各种PWM控制技术,以适应转换到所需的输出光级。该器件从高功率水平的准谐振工作转变为准谐振工作,谷值跳跃到低功率输出电平的降频工作,减少了提供给LED的电流,避免产生镇流器变压器的可听噪声。

LED智能照明的电源控制系统设计

图3:SSL4101的框图。

在准谐振模式下,下一个转换器行程在变压器去磁后启动应作为SSL4101T前端电路的一部分提供。这有助于最大限度地减少损耗,因为转换器仅在外部MOSFET两端的电压达到最小值时才会导通。为了降低在较低负载下的操作频率,准谐振操作变为具有谷值跳跃的不连续模式操作,其中开关频率由于EMI原因而受限制,通常为大约125kHz。同样,只有当MOSFET两端的电压达到最小值时,外部MOSFET才会导通。

在极低功耗和待机电平时,可以将频率降低到几乎为零通过压控振荡器(VCO)。在频率降低模式期间,主峰值电流保持在最大值的25%的最小值。在频率降低模式下,PFC控制器关闭,因为产生的谐波最小。为了防止PFC工作点周围的振荡,器件在控制引脚上支持大约50 mV的迟滞。

SSL4101T在待机模式下支持极低输入功率的能力消除了对用于为照明控制器或调光器供电的额外内务电源。

虽然LED智能照明的设计涉及比白炽灯的调光控制更复杂的电源转换,但FL7701和SSL4101T等集成设备可以减轻设计负担并实现高效率。

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