引言：
调光是LED驱动技术发展的一大方向，在技术实现上有可控硅和PWM两种调光方式。
可控硅在替换方案中颇具优势，而PWM更符合人们对LED调光精度、效率以及效果的要求。
基于原理的不同，二者有着不同的设计考量。
孔文
调光是LED驱动技术发展的一大方向，在技术实现上有可控硅和PWM两种调光方式。可控硅在替换方案中颇具优势，而PWM更符合人们对LED调光精度、效率以及效果的要求。基于原理的不同，二者有着不同的设计考量。
LED应用市场正处于快速发展期。高品质体验带来的用户认可以及政府政策的推动，已经使得越来越多的人开始关注LED产业。由于该产业上游的晶片、封装等环节较为高端，且受到设备和原材料的制约，许多厂商选择从LED驱动环节切入，尤其是之前从事开关电源产品开发的厂商，几乎全体转入了LED驱动技术领域。调研机构iSuppli预计，2009~2013年间，中国LED驱动器将以
4.4%的年复合增长率增长，其中2010年年增长率达
9.6%，规模达
1.277亿美元，预计2013年中国LED市场规模将达到
1.39亿美元。
就LED照明驱动技术而言，电源部分多延用了原来的开关电源技术。“市面上的LED驱动基本上就是之前已经成熟应用的开关电源。如果是基于电压控制的IC，最多再加一个恒流的外围电路而已。”深圳长运通光电技术有限公司设计总监文茂强坦言道。所以，就LED驱动电源部分来说，各个公司的产品由于基于成熟的开关电源技术，差异并不大，要想突围而出就需要在驱动控制环节上多下功夫，其中调光技术作为LED照明驱动控制技术中最有发展前景的技术而
被普遍看好。“调光是LED照明驱动技术发展的大趋势。”PowerIntegrations(PI)高级应用主管郭春明表示。赞0
2010-12-1 09:45回复
bpsemi
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2楼
三大调光技术比较
“调光的需求分为三类：
一是功能型调节光线的需要，如进门的玄关、会议室等；二是家居生活中舒适性和生活格调的体现，灯光的明暗搭配既可以根据环境的需要进行调节，也可以起到烘托氛围的作用；三是环保节能的需要，同时也是能源之星提出的最新的需求。”晶门科技高级设计工程师潘俊解释道。他认为，驱使调光技术成为LED驱动技术未来发展方向的主要原因是节能。节能是LED最突出的优点之一，也是政府发布政策推动该技术应用的重要依据。在普通照明中，如果引入调光技术，可以更大地发挥LED照明的节能优势，如图2所示，白色的曲线是室外环境光的亮度，黑色曲线是室内灯光的亮度。“根据室外的光线调节室内的光线，可以节省约80%的能源。”潘俊指出。
目前市面上LED调光的方式主要有三种：
一是线性调光，二是可控硅调光，三是PWM调光。
三种调光技术各有优劣。
线性调光主要基于简单的分压原理，其优点是应用简单，不产生干扰，缺点在于不灵活、效率低下，而且在降低LED电流的时候，会引起白光LED向黄色光谱偏移，同时还会因为分压产生过多的热量。
可控硅调光是目前在白炽灯和节能灯应用中被普遍采用的一种调光方式。它的工作原理是将输入电压的波形通过导通角切波之后，产生一个切向的输出
电压波形。应用切向的原理，可减少输出电压的有效值，以此来降低普通负载(电阻负载)的功率。可控硅调光的优点在于工作效率较高，性能稳定。但是基于其工作原理，在应用时也存在一些设计缺陷，缺陷的根源在于可控硅导通后需要一个维持电流来保持导通，否则会恢复到截止状态。不同的可控硅维持电流不同，通常在几mA至几十mA之间，有的甚至达到50mA。而功率越大，需要的维持电流就越大，如果维持电流不够，则导通角不稳定，输出的波形也会不均匀，而且会产生颤动和尖峰，当将这样的不稳定输出加到LED上时就会出现闪烁。之前的白炽灯由于是线性负载，而且工作电流一般都会超过50mA，所以不会出现闪烁的现象，因此目前市面上适用于白炽灯的可控硅调光器不直接适用于LED产品，需要对其进行设计改进以符合LED的工作特性。
PWM调光技术目前被认为是最有前景的LED调光技术。在进行脉冲宽度PWM调光时，需要提供一个额外的脉冲宽度调节信号源。通过改变输入的脉冲信号占空比来调制LED驱动芯片对功率场效应管的栅极控制信号，从而达到调节通过LED电流大小的目的。这种调光技术的优点在于应用简单、效率高、精度高，且调光效果好，缺点是由于一般LED驱动器都基于开关电源原理，如果PWM调光的频率为200~20kHz之间时，LED驱动器周围的电感和输出电容容易产生人耳听得见的噪声。此外，在进行PWM调光时，调节信号的频率与LED驱动芯片对栅极控制信号的频率越接近，线性效果就越差。
2010-12-1 09:46回复
bpsemi
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3楼
替换方案青睐可控硅调光
虽然PWM调光技术前景被普遍看好，但是在目前LED照明替换市场潜力巨大的前提下，终端系统厂商多从替换灯具的可行性角度出发，更偏好可控硅调光技术。潘俊指出，线性调光和PWM调光在家用以及商业应用上都存在无法替换性改造现有灯具的问题。“将线性调光和PWM调光应用在家庭照明或者商业照明时，遇到的最大问题不是需要增加负载分压电路和提供脉冲控制信号的问
题，而是这两种方法都需要控制线路。由于传统的灯具只有两个电触点，如果要加上线性或者PWM调光功能，就需要改变灯具设计，增加控制线，因此也就无法顺畅地做到替换性改造了。LED灯具如果兼容现有的可控硅调光控制技术，则很容易实现替换性改造。只不过将可控硅调光器应用到LED上时，还需要做一些适应性的改变。”潘俊表示。
在潘俊看来，用可控硅进行LED调光设计时会出现四种设计问题，分别是100Hz频闪、稳定性差、负载过热、不同可控硅调光工作范围不一致。只有针对以上问题进行改进设计后，才能使可控硅调光技术更好地符合LED工作特性。他对这四种问题的解决方式分别进行了分析。
1.用频移解决100Hz频闪的问题。潘俊指出，电网的频率是50/60Hz，在进行整流后，可以得到一个100/120Hz的脉冲信号，当用此来作为调光信号时，一旦电流发生变化，就会影响到脉冲的占空比，从而出现一个100Hz左右的频闪。之前在白炽灯中没有这样的频闪，是因为灯泡钨丝有物理惰性。解决LED 照明中这种频闪的办法是将调制信号频移到更高的频段，使人肉眼看不出闪烁。“晶门科技的相关产品将调光信号调至几KHz，可以很好地解决LED照明中的频闪问题。”潘俊表示。
2.用虚拟负载解决调光的稳定性问题。可控硅调光需要有稳定的维持电流来保障其稳定工作。由于LED电源大多是非线性的开关电源，其所需的输入电流是变化的，因此可控硅的导通状态和触发电压也会随着LED输入电流的变化而发生变化。此外，由于LED节能的特性，灯具的功率不高，这也是导致可控硅工作不稳的因素之一。所以，当可控硅信号直接转换成脉冲宽度调节信号时，会因为LED电流的变化而造成灯光的闪烁。解决该问题的途径是在可控硅信号输入端之前加入虚拟负载，用一个稳定的10~30mA负载来改善可控硅的输出波形。
3.控制负载电流，采用滤波、平滑和锁定技术解决负载过热和闪烁的问题。用以稳定可控硅波形的虚拟负载会产生一定的功耗和热量，以250V输入电压为例，如果虚拟负载为10mA时，其带来的功耗为250V×10mA=
2.5W；如果虚拟负载为30mA时，其带来的功耗为250V×30mA=
7.5W。“在用LED照明作为替代性光源时，如果将一个带有
7.5W虚拟负载的电路放在直径仅为
2.7cm的E27球泡灯里显然是不可行的，效率也会很低。”潘俊指出，“目前解决负载过热的最好办法是尽量控制虚拟负载电流到足够低，这个电流至少应该在10mA以内。”
在为了控制负载过热而降低虚拟负载电流时，会出现两种不良状况。一是如何在尽量小的虚拟负载前提下，准确地解析出导通角信号。目前普遍采用的方法是通过信号滤波技术，把截取进来的信号进行整形滤波，以提高调光信号的可用性。另一种不良状况是负载不足时信号不稳，从而导致LED闪烁。潘俊指出可以通过加入信号平滑及锁相技术来解决该问题。“把相邻的两个导通角信号平滑锁定，就可以很好地减少闪烁的情况发生。”他表示。
4.用线性扩展和γ补偿解决可控硅调光工作范围不一致问题。在电路设计中，用来确定可控硅导通角的电阻和电容的不同搭配会产生不同的导通角开启和截止位置。潘俊指出：
“市面上不同型号调光器的导通角大小、宽窄各不一样，我们需要将可控硅较窄的导通角进行线性扩展，这样才能让大部分的LED灯具能够在不同的调光器下得到较为一致的调光效果。”据他介绍，晶门科技还在可控硅调光产品中引入了非线性的γ补偿，以使亮度调节更符合人眼的需要。
目前市面上基于可控硅技术的LED调光产品很多，除了潘俊提出的几个通用设计问题外，其他厂商的产品还从功率因素校正(PFC)、精确输出、宽范围、无闪烁等方面着手优化产品的设计。尽管市场不乏优秀的可控硅LED调光产品，文茂强还是认为该技术只是个过渡性的技术。“可控硅调光器本身是针对白炽灯而设计的，现在大家是用LED的特性来适应可控硅的特性，限制了调光技术的进一步发展，不是长久之计。”文茂强表示。
2010-12-1 09:47回复
bpsemi
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4楼
替换方案青睐可控硅调光
虽然PWM调光技术前景被普遍看好，但是在目前LED照明替换市场潜力巨大的前提下，终端系统厂商多从替换灯具的可行性角度出发，更偏好可控硅调光技术。潘俊指出，线性调光和PWM调光在家用以及商业应用上都存在无法替换性改造现有灯具的问题。“将线性调光和PWM调光应用在家庭照明或者商业照明时，遇到的最大问题不是需要增加负载分压电路和提供脉冲控制信号的问题，而是这两种方法都需要控制线路。由于传统的灯具只有两个电触点，如果要加上线性或者PWM调光功能，就需要改变灯具设计，增加控制线，因此也就无法顺畅地做到替换性改造了。LED灯具如果兼容现有的可控硅调光控制技术，则很容易实现替换性改造。只不过将可控硅调光器应用到LED上时，还需要做一些适应性的改变。”潘俊表示。
在潘俊看来，用可控硅进行LED调光设计时会出现四种设计问题，分别是100Hz频闪、稳定性差、负载过热、不同可控硅调光工作范围不一致。只有针对以上问题进行改进设计后，才能使可控硅调光技术更好地符合LED工作特性。他对这四种问题的解决方式分别进行了分析。
1.用频移解决100Hz频闪的问题。潘俊指出，电网的频率是50/60Hz，在进行整流后，可以得到一个100/120Hz的脉冲信号，当用此来作为调光信号时，一旦电流发生变化，就会影响到脉冲的占空比，从而出现一个100Hz左右的频闪。之前在白炽灯中没有这样的频闪，是因为灯泡钨丝有物理惰性。解决LED 照明中这种频闪的办法是将调制信号频移到更高的频段，使人肉眼看不出闪烁。“晶门科技的相关产品将调光信号调至几KHz，可以很好地解决LED照明中的频闪问题。”潘俊表示。
2.用虚拟负载解决调光的稳定性问题。可控硅调光需要有稳定的维持电流来保障其稳定工作。由于LED电源大多是非线性的开关电源，其所需的输入电流是变化的，因此可控硅的导通状态和触发电压也会随着LED输入电流的变化而发生变化。此外，由于LED节能的特性，灯具的功率不高，这也是导致可控硅工作不稳的因素之一。所以，当可控硅信号直接转换成脉冲宽度调节信号时，会因为LED电流的变化而造成灯光的闪烁。解决该问题的途径是在可控硅信号
输入端之前加入虚拟负载，用一个稳定的10~30mA负载来改善可控硅的输出波形。
3.控制负载电流，采用滤波、平滑和锁定技术解决负载过热和闪烁的问题。用以稳定可控硅波形的虚拟负载会产生一定的功耗和热量，以250V输入电压为例，如果虚拟负载为10mA时，其带来的功耗为250V×10mA=
2.5W；如果虚拟负载为30mA时，其带来的功耗为250V×30mA=
7.5W。“在用LED照明作为替代性光源时，如果将一个带有
7.5W虚拟负载的电路放在直径仅为
2.7cm的E27球泡灯里显然是不可行的，效率也会很低。”潘俊指出，“目前解决负载过热的最好办法是尽量控制虚拟负载电流到足够低，这个电流至少应该在10mA以内。”
在为了控制负载过热而降低虚拟负载电流时，会出现两种不良状况。一是如何在尽量小的虚拟负载前提下，准确地解析出导通角信号。目前普遍采用的方法是通过信号滤波技术，把截取进来的信号进行整形滤波，以提高调光信号的可用性。另一种不良状况是负载不足时信号不稳，从而导致LED闪烁。潘俊指出可以通过加入信号平滑及锁相技术来解决该问题。“把相邻的两个导通角信号平滑锁定，就可以很好地减少闪烁的情况发生。”他表示。
4.用线性扩展和γ补偿解决可控硅调光工作范围不一致问题。在电路设计中，用来确定可控硅导通角的电阻和电容的不同搭配会产生不同的导通角开启和截止位置。潘俊指出：
“市面上不同型号调光器的导通角大小、宽窄各不一样，我们需要将可控硅较窄的导通角进行线性扩展，这样才能让大部分的LED灯具能够在不同的调光器下得到较为一致的调光效果。”据他介绍，晶门科技还在可控硅调光产品中引入了非线性的γ补偿，以使亮度调节更符合人眼的需要。
目前市面上基于可控硅技术的LED调光产品很多，除了潘俊提出的几个通用设计问题外，其他厂商的产品还从功率因素校正(PFC)、精确输出、宽范围、无闪烁等方面着手优化产品的设计。尽管市场不乏优秀的可控硅LED调光产
品，文茂强还是认为该技术只是个过渡性的技术。“可控硅调光器本身是针对白炽灯而设计的，现在大家是用LED的特性来适应可控硅的特性，限制了调光技术的进一步发展，不是长久之计。”文茂强表示。
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PWM调光前景广阔
由于PWM LED调光技术前景被普遍看好，已经有许多厂商在跟进。美国国家半导体公司技术市场和系统应用经理SamehSarhan指出，使用PWM来设置周期和占空比是最简单的实现数字调光的方式，而且和常用的降压调节器(LED 电源驱动方式的一种)来配合，可以得到很好的性能。在他看来，与线性调光相比较，采用PWM调光主要有两点优势，一是白光LED色温会随着驱动电流的大小发生偏移，这是线性调光的软肋，而PWM则不会出现该问题；二是PWM的控制精度比线性调光要高很多。
据Sarhan介绍，在设计PWM调光电路的时候，反应延迟是一个设计挑战，这种延迟不仅会影响到对比度，同时还会影响到将LED调节到目标电平的时间。降压调节器由于是唯一一个能在控制开关打开的时候为输出供电的开关变换器，因此可以使得PWM有更快的反应速度。此外，降压调节器直接与输出相连，不需要输出电容，也就没有输出滞后的发生，可以很快地达到输出电压。“基于不同的实现原理，升压和升—降压拓扑都不适合PWM调光。”Sarhan 指出。因此，PWM调光设计时需要谨慎考虑LED驱动的拓扑，降压调节器则是最理想的选择。
除了调光技术以外，LED驱动控制技术还涉及到P
FC、隔离等。PFC强制设计涉及的区域范围已经越来越广，因此在LED驱动产品中添加PFC设计也是大势所趋。“PFC在小功率LED驱动设计中比较难，需
要平衡效率、体积、成本，以及PFC这四方因素对产品所带来的影响。”文茂强表示。而对于隔离LED驱动电源的设计，文茂强则认为并不必要。他指出：
“虽说隔离的电源会更安全，但是非隔离的电源可以通过采用陶瓷外壳、塑料网等设计来达到安全要求，如果电源和光源的设计分离，则需要隔离设计；如果电源和光源设计为一体，则非隔离的方式有成本优势。两种方式未来应该会并驾齐驱。”
（注：
本文原文刊载于《集成电路应用》2010年第11期，转载请注明出处。）