美國新的聯邦能源法要求在2012年之前逐步淘汰現在常見的 60W~100W 白熾燈等低能效照明燈泡。家用照明系統將全面轉向熒光燈、LED等其他節能光源。在目前這段照明系統切換的過渡期，比較明智的辦法是令高效照明技術與現有的家用調光系統相兼容。本文重點介紹了目前LED 調光解決方案面臨的挑戰，并指導設計人員利用現有的三端雙向可控硅壁裝式調光器來對節能的離線 LED 電源進行調光。 

        在美國聯邦節能法的推動下，LED 技術將給商業和家用照明領域帶來全新的變革。LED 的功率僅為燈泡的幾分之一，比熒光燈的效率(流明/瓦)更高，使用壽命長，而且沒有汞排放等帶來的環境污染問題。

        如果要將低效的愛迪生白熾燈泡轉換為 LED照明系統，改裝方案必須能夠適應現在的建筑條件要求。

替換MR16 12V鹵素燈

        常見的MR16 20W-35 W的鹵素燈很容易被同等外形尺寸的 LED 燈所替換。在圖 1 的設計示例中，驅動高亮度LED的600mA恒流來自常規電子變壓器的 12V 交流電源。由于 LM3405A 驅動器的工作電壓范圍較寬，一個非常小的輸入電容器即可維持連續運行。高開關頻率內部設置為 ，允許使用極小的表面貼裝電感器和貼片電容器。所有這些因素都有助于壓縮 PCB 的整體尺寸，以滿足MR16外形規格對空間的嚴格限制。

圖1 使用LM3405控制器的MR16 LED燈設計

        使用電子變壓器分出 12V 交流電壓是MR16 鹵素燈的常見做法，該電壓整流為直流電壓后最多可以為三個串聯的LED提供電源，通過線性穩壓器或更高效的開關解決方案控制電流。

        不幸的是，一些低成本的電子變壓器只在使用純電阻負載（如鹵素燈）時才能正常工作，使用較低的LED 負載時可能出現不兼容，而且不能進行調光。

        220V 交流電燈泡的替換工作更為復雜。因為其輸入電壓很高，還需要遵守危險物品安全條例。

替換220V交流三端雙向可控硅燈

        采用LED 燈需要解決的一個難題：所需的恒流電源能夠兼容交流調光器的調光控制電路。

        調光器是一個能夠控制負載交流電壓的電子設備。壁裝式調光器通常用于室內照明。與“開/關”開關相比，壁裝式調光器可以提供更柔和的光線和更可控的照明。據家居控制聯盟 (HCA) 統計，在家用照明領域調光技術能夠平均節省 10% 的能耗。

        對燈進行調光是通過降低燈的功率實現的。早期的調光器使用串聯電阻，但這會產生大量的熱，并導致能源浪費。現在的電子調光器使用相位調制控制方案，使用半導體三端雙向可控硅來切割電源，以便只將交流電源每個半周期的一部分應用到負載上。對于其余部分，開關是斷開的。給負載提供的功率數額因此與交流電源的相位角成正比。這個簡單的低成本技術可以為各類白熾燈進行調光。

        LED 燈的調光方式則有所不同，通常有如下兩種方式：通過直接改變 LED 電流（模擬亮度控制），或通過以人眼無法察覺的更快速度開啟和關閉 LED 來間接控制（PWM調光）。PWM 調光的優點主要在于可以在較寬范圍內調節 LED 亮度，而不影響光線的主波長，因此可以很好地控制顏色和亮度。通過給恒流 LED 電源的專用引腳施加方波信號，可以實現 PWM 調光。

        不過，壁裝式交流調光器上使用的相位調制控制方案與大多數 LED 燈的調光方法不兼容。典型的 LED 燈通過三端雙向可控硅供電，會發出可以聽見的噪音，產生低頻閃爍光線，而且調光能力有限。

        傳統的三端雙向可控硅調光器通常被設計成連接電阻負載（鹵素燈或白熾燈泡）的接口。而現在的 LED 驅動器解決方案與標準的壁裝式調光器相連，要么產生 120 Hz 的 LED 閃爍信號，要么無法實現100:1 的調光。圖 2 顯示了使用美國國家半導體 LM3445 LED 驅動器的 220V 交流設計電路。

圖2 使用LM3445的離線LED驅動器

        LM3445 LED 驅動器可直接替換目前連接到三端雙向可控硅調光器的白熾燈或鹵素燈系統，無需再對其它設備做任何改變或者犧牲性能。該驅動器能夠解碼三端雙向可控硅切割的波形，然后將其轉換為可以對 LED 調光的信號，從而可以實現較寬的全范圍調光，而且不會出現閃爍。

        此外，使用這款新型三端雙向可控硅可調光 LED 驅動器時，工程師可以借助WEBENCH LED 設計工具輕松快速地完成設計。

WEBENCH LED 設計工具

        作為Simple Switcher穩壓器的電源設計工具，WEBENCH在線模擬工具于 2001 年問世。近期 WEBENCH具增強了交流離線 LED 設計功能，可以支持相關的白熾燈替換設計。

        WEBENCH LED在線設計遵循的流程與其它WEBENCH設計流程相同，只需簡單的四個主要步驟即可獲得精心優化的設計：

- 選擇合適的 LED 以及達到理想光照條件所需的 LED 數量

        目前市場上有來自多家廠商的各式 LED。LED 的選擇標準包括顏色、LED電流、光通量、角度和封裝。

圖3 虛擬旋鈕可以滿足設計取舍

- 選擇系統要求：輸入電壓、LED 數量、最大輸出電流、并聯和串聯

        交流電源輸入電壓110V~220Vrms，交流電源頻率 50Hz ~60Hz，環境溫度。

- 綜合平衡各項要求，優化物料清單

        虛擬旋鈕可以優化開關頻率，從而為更高效的設計與 PCB 封裝選擇物料清單。

- 工作值、系統性能和電路原理圖

        該軟件會生成完整的設計報告，具有詳細的性能分析、每個外部元件的功耗、輸入電流和系統效率。

        最后，離線設計的完整電路原理圖可以被呈現、修改并與其他設計人員共享。


圖4 最終設計的工作值報告，具有詳細的功耗分析

結論

        LED高效照明系統的改裝解決方案必須滿足現有的建筑條件要求。用LED直接替換白熾燈或鹵素燈系統時，需要將其連接到三端雙向可控硅調光器。改裝方案必須簡單可行，不能犧牲性能。