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LED數位調光傳遞更好調光效果
消除浪費功耗洩流電阻

【作者: Scott Brown】   2016年11月18日 星期五

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雖然現今的LED燈具已進入大量生產銷售,但固態照明(SSL)產品的效能,特別是在調光方面,始終不及傳統燈泡。事實上,設計用於LED燈具的替代傳統驅動器,仍無法在可接受的價格內有令人滿意的調光表現、能效及穩定度。


不過現在驅動器電子產品的數位控制可以消除浪費功耗的洩流電阻(Bleeder Resistor,通常用於提升舊式TRIAC交流矽控整流器的穩定運作),還能讓無頻閃的調光降到低照度水平。


室內照明採用調光器已經變得普及,不僅可節省電力與電費,也有其舒適便利的考量。從效率的觀點來看,調光對於節能訴求的LED照明不是很重要。然而人們極欲利用照明來塑造氛圍,無論是在家中或是在餐廳、娛樂場所或會議等等。這麼一來就需要順暢、無閃爍的調光,並且可以涵蓋各種照明水準。


固態照明在許多應用上的思維僅是簡單升級,用相同外觀尺寸的LED燈取代白熾燈具。但事實上的LED燈具設計顯得複雜,因為使用者期望新燈具能與現有的調光器完美配合,可是呈現的結果可能會隨著現有調光器的種類及品質而不同。


調光器的運作

標準的TRIAC、切相調光器是設計用來驅動白熾燈泡的電阻負載(Resistive Load)。TRIAC調光器也被稱為前切式(Leading-Edge)調光器,其調光方式是使用TRIAC元件的特性來阻擋作用AC電壓信號的前沿(圖一)。延遲TRIAC的觸發角度能調整照明水準。



圖一 :  前切TRIAC調光器的前切式調光,週期稍晚時才啟動。
圖一 : 前切TRIAC調光器的前切式調光,週期稍晚時才啟動。

當觸發脈衝動作時,TRIAC會啟動,且在剩餘週期時間內都會維持啟動,使電流保持在這個裝置所指定的維持電流之上。如果是一個白熾燈泡的負載,要將電流保持在指定電流值之上很容易,如此就能讓TRIAC維持導通直到電流在週期結束。


然而,可用的調光範圍受到兩個因素限制,即使是白熾燈泡也會發生這種情況。調光器電路一般會結合一個電磁干擾(EMI)濾波器,包含了電感和電容元件,將振鈴雜訊(Ringing Noise)導入電流波形中。如果這個電感是低品質元件,那麼這個振鈴就足以在啟動後立刻造成電流突降至TRIAC維持電流之下,導致裝置關閉、燈具出現明顯的閃爍。類似的情況,如果採用維持電流極高的低成本TRIAC,則當電流低於TRIAC的維持電流時,調光器將無法維持調光水準。


圖二說明目前市面上五種常見的TRIAC調光器的不同最小負載電流。突波代表LED驅動器需自TRIAC汲取的最小電流,這個最小電流確保了無論在任何調光器條件下都能正常運作。



圖二 :  五種不同調光器的維持電流
圖二 : 五種不同調光器的維持電流

LED負載電流

當負載是LED替代燈泡時,低負載電流下的調光器運作面臨更大挑戰。LED不像白熾燈泡,並非單純的電阻性。它的阻抗會相應變化,阻止電流上升得比TRIAC的維持電流還高,讓裝置在觸發脈衝被移除後無法保持啟動。


低照明水準的調光也會難以達到,因為一般LED的耗電比白熾燈泡少,因此在最大調光程度所需的相位角度,通過TRIAC引出的電流會非常低。電流可能會低於TRIAC的最低保持電流,當調光針對低照明水準調整時,就可能會造成燈光閃爍或突然停止運作。


實際而言,調光器需達到的調光級別比一般人能感知到的來得更廣。因為人眼透過虹膜擴張來補償低照明水準,電子調光器的設定和感知到的調光效果之間並非線性的關係。


如果調光器調降到其最高測量水準的10%,人眼看到的約只有30%左右。為讓人眼辨識到調光程度為10%,則調光器需能夠將測量照明水準降至只有1%。由照明學會(Illuminating Engineering Society,IES)所出版的第十版《照明手冊》,以數學公式說明人眼感知及測量照明之間的關係:


感知照明=100×√(測量照明÷100)


LED替代燈泡的製造業者需保證燈泡能與不同品質及價格的TRIAC調光器一起運作,並且在低調光水準時的照明也毫無閃爍,以最大化顧客滿意度。


洩流電路維持電流流動

常見的解決方案增是增加一個洩流電路(Bleeder Circuits),讓TRIAC在低調光水準時能維持足夠的電流流量。這個洩流電路可能是一個使用電阻器的被動電路,或是一個使用功率電晶體的主動式洩流,用來阻擋洩流電阻器中不需要的電流。


使用被動式洩流有兩個缺點。由於連續電流通過電阻器,採用LED技術的效率優勢會逐漸衰退。也許更重要的是散熱效果對燈具生命週期的影響。散熱管理對於外觀尺寸受限於現有產業標準的LED燈具而言極為重要。


LED發射器本身的高溫運作壽命長達25,000至~50,000個小時,然而,大容量電解電容等周邊元件對操作溫度更敏感。操作溫度每上升攝氏10度,電解電容的壽命就減少一半。這樣的衰退會大幅降低LED燈具的使用壽命。為達到適當的生命週期,製造商可能要採取一些步驟來增加元件的壽命,例如採用灌膠(Potting)製程,不過這樣一來產品的製造成本也會隨之上漲。


如圖三所示,一個主動式洩流器有辦法減緩效率的流失與溫度的上升。不像被動式洩流,主動式電路唯有在LED電流低到無法保持TRIAC啟動時,才會汲取電流。這能避免被動式電路的連續性耗電所造成的負擔,如此一來能提升效率並降低散熱。



圖三 :  主動式洩流電路唯有在需要時才汲取電流,但需額外元件且難以控制。
圖三 : 主動式洩流電路唯有在需要時才汲取電流,但需額外元件且難以控制。

但另一方面,主動式洩流電路難以控制,而且需要相對多的外部元件,拉高整體成本。再者,雖然主動式洩流器的耗電比被動式電路低,但原則不變:太多的能量浪費都會減損改用LED照明所號稱的效率優勢。


數位控制的優點

一個更好的方法是再循環利用洩流器電流,而不是任能量逸散為熱能。要在類比電路中做到這點並不容易。然而,數位技術能採用複雜的動態控制方法,讓電力利用更聰明,讓傳統調光器的運作得當。


與傳統TRIAC調光器共同運作時,除必須避免頻閃或壓降外,適合的LED驅動器電路必須能處理AC週期的尖波電流,避免瞬間過載,並且最小化來自交流電源和內部磁性元件間的互動而造成的音頻雜訊,同時符合功率因素及電子雜訊(EMI)的規範標準。也必須盡可能的與各種類型的調光器相容。


圖4為應用電路,以Dialog Semiconductor iW3688控制器的非隔離型LED驅動器電路為例。這個控制器配備一個數位核心,提供相容於各種TRIAC調光器的低成本解決方案。



圖四 :  使用iW3688控制器實現的整流器、電流控制及LED驅動器電路。
圖四 : 使用iW3688控制器實現的整流器、電流控制及LED驅動器電路。

如圖所示,這個電路僅使用一個外部MOSFET。其可行性是因為此驅動IC使用相同的開關來保持TRIAC調光器運作得當,並且供應控制電路本身所需的電流。這樣的設計消除了主磁芯上的次級繞阻需求(通常用來供電給控制器)。這種方法讓設計人員可以針對非隔離型應用,選擇低成本的現成電阻器,或者選擇使用返馳式變壓器(Flyback Transformer)完成隔離的應用。這樣的架構有助於減少元件數量、節省能源,以及將散熱降至最低,完成簡化的散熱管理。


驅動器的運作

這個IC的數位電路會監控相關的電壓和電流,並允許控制器能動態調變主功率元件MOSFET,以達到所需的調光水準,並且在LED負載的需求極低時,仍能維持TRIAC啟動。任何TRIAC為保持運作所需的保持電流,將用於主要的電源轉換供IC使用,因此不會損失而轉換成熱能。


這款IC也整合了智慧功能,能夠根據調光器特性來動態調整阻抗。這樣的設計能與絕大多數的標準調光器一起運作,並且LED亮度能調至最大調光量的1%。相較於早先的驅動器電路低於5%或甚至10%的調光量,1%的低調光水準更能強烈為人眼所感知。


當運用於非調光時,供電予LED負載的主電源轉換器會運作於準諧振模式(Quasi-Resonant mode),以提供高功率效率及低EMI。功率因素也會被最佳化以提高效率,並能最小化AC線路上的電流諧波失真,以及符合全球各地的法規要求。


無論在調光或非調光模式,驅動器須符合近期新頒布的一些準則,用來規範照明,特別是固態照明所產生的的頻閃。這包括了今年稍早發佈的IEEE 1789議案。像能源之星(Energy Star)等其他組織,則正考慮引進頻閃標準。在IEEE 1789的提案之中,有一項是限制最大可接受的頻閃程度(請參考有關此議題的文章,進一步了解頻閃)。


節能照明的終端使用者期望能從現有照明技術無縫接軌至LED替代方案。替代燈泡必須符合現今業界的標準尺寸,並與現有的TRIAC調光器共同運作,擁有低調光的水準,以及符合最小頻閃量的規範。在此同時,新技術必須以極具競爭力的價格供應,同時盡可能提高能源效率及穩定度。相較於傳統類比電路及電阻洩流器,數位驅動器控制呈現了更優質的解決方案,讓製造業者得以符合以上的高度期望。


(本文作者為Dialog Semiconductor電源轉換事業群資深行銷總監)


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