LED多灯并联的调光电路设计

一、概述

　　LED灯泡具有卓越的能效和较长寿命，被市场共认为是白炽灯和紧凑型荧光灯的有力替代者。但目前，影响大规模采用的主要障碍来自于较为昂贵的采购费用，以及与紧凑型荧光灯一样的调光兼容性问题。对大多数消费者而言，目前购买LED灯泡是一个令人沮丧的体验。因为一旦你买回家就会发现，大多数的LED灯泡都不能用于多灯并联调光,而单个调光器连接多灯的情况在许多场合都有应用，例如酒店、商场、厨房等地方。目前，许多客户使用可调光芯片SSL2101/SSL2102/SSL2103来做可控硅调光LED驱动电路。考虑到多灯的调光兼容性有别于单灯，所以有必要找出影响多灯并联调光兼容性的因素，提供最简单易实现的解决方案。

　　本文选择了SSL2103 120vac GU10作为研究对象，力图解决上述问题。

　　1、10灯并调连接示意图
 

 

2、SSL2103 120Vac GU10原理图

  　该线路板使用较大的缓冲电容并且未使用WB_DRV管脚，因而没有弱泄放电流(对2101而言，一般会在WB上接一个较大的电阻,所以弱泻放电流较小),上述工作模式称为低纹波模式。许多客户都采用这种方案。

　　单个GU10电路未接调光器情况下接120V 60HZ交流输入，输入电流和电压的波形如下图。输出电流为345.3mA。

　　3、多灯并联调光原理及思路

　　对于可控硅调光器来说，在一个调光器连接多个LED灯的情况下，最为重要的是做到对于AC交流信号的阻尼(damping)，防止AC电流的震荡，以及合适的泻放电流。
下图为连接可控硅调光器的情况下，调光器输出的电压及电流波形。我们把其细分为三个阶段。

　　阶段1:前切可控硅调光器导通

      在该阶段中，对于调光器来说，负载的阻抗特性非常复杂，实际上并不是一个单纯的电阻特性，其中还会包含电容性。在该阶段，必须选择合适的电阻值以对AC信号进行阻尼，这点非常重要。同时为了防止AC电流震荡，必须选取合适的X电容值。

　　阶段2:前切可控硅调光器关断，弱泻法导通

      在该阶段中，调光器保持关断，负载的直流阻抗，即弱泻放电阻以及整流桥后PWMLIMIT的分压的上电阻非常重要。这两个电阻对于调光器来说都有弱的泻放作用。我们在多灯并联的情况下，希望调光器在该阶段一直保持关断，从而避免误触发。不合适的泻放电流(比如说几个毫安，但低于调光器的维持电流)会导致调光器的误触发或重新触发。这一点对于多灯并联下调光器的兼容性非常重要。

　　阶段3:强泻放导通

      在该阶段，强泻放保持导通，以使调光器能正确地过零点复位。

    二、测试及验证过程

　　通过调节输入阻尼电阻、输入X电容、整流桥输出端并联电阻(弱泻放电阻)、PWMLIMIT脚上的分压电阻等元器件的值，来观察调光器与LED驱动电路的兼容性。

　　1、调节输入电阻

　　在输入端并联4 . 7 n F ， W B _ D R V 浮空， 以及PWMLIMIT分压上电阻为1M情况下，通过调节R1+R4的值，发现R1+R4的阻值为100Ω情况下仅有一个调光器会有闪烁现象(共有11个调光器)，在150Ω情况下和100Ω情况基本相同。但是减小阻值会导致多个调光器不兼容。

　　具体如表1所示。

　　小结：当R1+R4的值为100Ω时，有10个调光器工作良好(共11个调光器)。进一步减小阻值，效果不太理想，会出现更多闪烁现象。

        表1

       2、调节输入X电容

　　在输入电阻为1 0 0 Ω ， W B － D R V 浮空， 以及PWMLIMIT分压上电阻为1M情况下，调节输入电容，观察不同容值下的调光情况。当容值从初始值4.7nF每次增加10nF过程中发现，电流波形会变得很差，调光效果也非常不理想。之后，又尝试将输入电容去掉，发现效果较好；当输入电容为2.2nF时，调节调光器，未闪烁。当输入电容增大时，输入电流的峰峰值会增大。具体如表2所示。

      表2

 

小结：输入X电容在2.2nF和4.7nF下，调光效果较好。增大电容会导致多个调光器不兼容。输入X电容越大，输入电流的最大峰峰值越大。

     表3 不同X电容值下输入电流的最大峰峰值

　　3、整流桥输出端并联电阻

　　在输入电容为4.7nF、输入电阻100Ω，WB－DRV浮空，以及PWMLIMIT分压上电阻为1M情况下，在整流桥输出端并联电阻，来产生弱泄放电流(对于SSL2101的方案，一直会有弱泄放电阻的)，观察在不同弱泄放电阻下调光器的表现。具体如表4所示。

表4

小结：在低纹波模式，弱泄放电阻对多灯调光有很大的影响。其阻值小于1M更容易闪烁。

　　4、改变BRIGHTNESS上的分压电阻

　　考虑到整流桥之后的分压电阻也会产生类似的弱泄放作用。因而尝试了改变PWMLIMIT和BRIGHTNESS脚上的分压电阻。在输入电容为4.7nF、输入电阻为100Ω的情况下，具体如表5所示。
 

　　小结：BRIGHTNESS和PWMLIMIT脚上的分压上电阻有弱泄放作用，R7阻值保持在大于1M左右，调光效果较好。5、附加测试

　　在输入电容为2.2nF，WB_DRV浮空，以及PWMLIMIT分压上电阻为1M，调节输入电阻(R1+R4)，100Ω电阻下可兼容所有调光器，90Ω和80Ω电阻下可兼容大部分调光器，进一步减小电阻效果就不太理想了。所以，在输入电容为2.2nF下，选择80Ω的电阻可以减小损耗，避免效率过低。这样就可以兼顾调光兼容性和效率。
 

　　三、总结

　　使用SSL210X系列搭建市电可控硅调光线路板时，在低纹波模式下(大缓冲电容、小弱泄放电流)，影响多灯调光兼容性的因素有：输入阻尼电阻、输入X电容、弱泄放电阻、PWMLIMIT和BRIGHTNESS脚上的分压电阻。

　　在120vac情况下，我们建议输入阻尼电阻100欧姆，X电容2.2n?4.7n，弱泻放电阻>1M，以及PWMLIMIT分压上电阻>1M。

四、附录

由上文知，要想调光器兼容性较好，则输入X电容得取得较小，但是这样就会影响EMI。为了应对EMI测试，我们提供2个电路供大家参考。

　　4.1 LC+PI滤波器

　　AC端使用一个LC滤波器(电容C和上述测试使用的X电容一致)，在整流桥之后使用一个PI滤波器。

　　4.2 两级差模电感+共模电感

　　两级结构主要应用在较大功率的板子上，一般大于10W。 
责任编辑；zl