一種適用于TRIAC調(diào)光器的原邊恒流控制LED驅(qū)動電路

郭 津，葛良安，毛昭祺 ，馬 皓

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027；2.英飛特電子（杭州），杭州 310053）

引言

在全球能源與環(huán)保的雙重壓力之下，節(jié)能的要求越來越高，而照明用電是能源消耗的一個重要部分。新型高亮度LED（HB LED）照明作為一種節(jié)能、綠色的照明方式將取代傳統(tǒng)的氣體放電燈和白熾燈[1]。

家用LED照明采用的調(diào)光方案主要有兩種：PWM調(diào)光和直流電壓模擬調(diào)光[2]。PWM調(diào)光需要在電路中增加一路PWM信號輸出，而直流電壓模擬調(diào)光需要通過調(diào)整電流檢測電阻或用模擬電壓驅(qū)動IC的某個調(diào)光功能引腳來完成，兩種方法都需要增加很多功能電路或者使用專用芯片。而在家用照明中大量存在的雙向可控硅（TRIAC）調(diào)光器若用于控制普通LED驅(qū)動器，LED燈串會產(chǎn)生閃爍，且不能實(shí)現(xiàn)較大的調(diào)光比。對此，世界各大芯片公司都已推出專用調(diào)光芯片以使LED驅(qū)動器能夠適用于TRIAC調(diào)光器。專用芯片性能較強(qiáng)，調(diào)光比高，但成本較高。通用芯片本身不易實(shí)現(xiàn)TRIAC調(diào)光功能，若能通過添加簡單的外圍電路來解決TRIAC調(diào)光中容易出現(xiàn)的問題，就可以在滿足性能的基礎(chǔ)上降低成本。

本文選用通用電源管理芯片BCD AP3766，基于其價格較低，輸出恒流控制較簡單的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款可用于TRIAC調(diào)光器的小功率原邊恒流控制LED驅(qū)動電路，通過增加相角檢測控制電路和維持電流補(bǔ)償電路，使調(diào)光器導(dǎo)通角度與電源輸出電流建立對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)LED的TRIAC調(diào)光功能[3]，并對有關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。與PWM調(diào)光和直流電壓模擬調(diào)光相比，本文方案更適用于TRIAC調(diào)光器，且能滿足有關(guān)家用LED驅(qū)動器的要求，結(jié)構(gòu)簡單，安全性高，并極大地降低了成本。

1 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)要求和原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

輸入電壓176～265 VAC，標(biāo)稱值220 VAC，輸出電壓52 VDC，輸出電流100 mA，調(diào)光范圍1%～100%，調(diào)光時LED負(fù)載發(fā)光平穩(wěn)變化且不閃爍。

1.2 電路框圖與原理

整個電路劃分為若干功能模塊，確定其相互關(guān)系并進(jìn)行設(shè)計(jì)得到電路框圖，如圖1所示。

輸入電路：包括輸入端EMI濾波器、沖擊電流抑制電阻以及雙向可控硅（TRIAC）調(diào)光器。

主功率拓?fù)洌翰捎肍lyback電路，工作在DCM模式，工作頻率固定。為了達(dá)到能源之星（EnergyS-tar）標(biāo)準(zhǔn)中家用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)最低需達(dá)到0.7的規(guī)定，本設(shè)計(jì)加入了填谷式PFC電路以提高功率因數(shù)。

輸出電路：LED負(fù)載。

控制電路：以AP3766為PWM控制器，控制方式為原邊峰值電流模式。電路還有輸入欠壓、輸出過壓、輸入過流和熱保護(hù)功能。

維持電流補(bǔ)償電路：檢測主電路輸入電流，也就是流過TRIAC的電流，通過外加補(bǔ)償電流的方式來保證流過TRIAC的電流大于其維持電流，從而保證在TRIAC導(dǎo)通階段不會誤關(guān)斷而引起LED閃爍。

相角檢測控制電路：檢測整流橋輸出電壓波形，將經(jīng)TRIAC切相后導(dǎo)通角度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)大小的電平信號輸入到原邊電流控制芯片，從而改變輸出電流大小。TRIAC調(diào)光的相角檢測控制電路是整個設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在下節(jié)詳細(xì)介紹。

2 相角檢測控制電路的研究和設(shè)計(jì)

2.1 相角檢測控制電路工作原理

文獻(xiàn)[3]中提出的RMS檢測電路采樣輸入電壓后通過光耦轉(zhuǎn)換及RC濾波，輸出一個RMS電平信號來指示輸入電壓有效值，并輸入到DC/DC級控制端。本文提出的相角檢測控制電路的作用是將TRIAC調(diào)光器切相后的導(dǎo)通角度轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的電平信號。原邊電流控制芯片將相角檢測控制電路的輸出電平信號與主電路中開關(guān)管的電流檢測信號進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果輸出PWM控制信號，以此改變輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。相角檢測控制電路較RMS檢測電路更簡單、可靠，且實(shí)用性較強(qiáng)。本文采用的相角檢測控制電路如圖2所示。

圖2 所示相角檢測控制電路包括：低電平檢測電路、充放電及峰值保持電路、電壓跟隨電路。

（1）低電平檢測電路，用于檢測輸入切相電壓中的低電平，將導(dǎo)通角度轉(zhuǎn)換成鋸齒波脈沖信號，該鋸齒波脈沖信號的峰值變化與輸入切相電壓的相位角變化一致；

（2）充放電及峰值保持電路，用于將鋸齒波脈沖信號轉(zhuǎn)換為電平信號，該電平信號的變化與鋸齒波脈沖信號峰值的變化一致；

（3）電壓跟隨電路，用于將充放電及峰值保持電路與原邊電流控制電路的阻抗相匹配。

2.2 調(diào)光特性曲線推導(dǎo)

相角檢測控制電路各點(diǎn)波形如圖3所示?？芍琤點(diǎn)的電壓Vb在半個工頻周期（0.01 s）內(nèi)與低電平持續(xù)時間t的關(guān)系為：

而在半個工頻周期內(nèi)，TRIAC調(diào)光器的導(dǎo)通角與t的關(guān)系如下：

將（2）式代入（1）式得 Vb在半個工頻周期（0.01 s）內(nèi)與導(dǎo)通角θ的關(guān)系：

Vb經(jīng)過二極管D1，從電壓跟隨電路c點(diǎn)輸出電壓Vc如下：

上式中，VD1為二極管D1的正向壓降，h為三極管Q1的放大倍數(shù)。

對于DCM模式下的Flyback電路來說，有如下能量關(guān)系[4]：

式中：ip為變壓器原邊峰值電流，通過原邊電流檢測電阻RCS得到；VCSth為芯片內(nèi)部設(shè)定值，設(shè)為0.5 V，則可得到輸出電流IO和導(dǎo)通角θ的關(guān)系式如下：

根據(jù)（6）式畫出電路的調(diào)光特性曲線如圖4所示。

圖4 理論調(diào)光特性曲線

2.3 TRIAC調(diào)光的其他控制方法

本文所提出的TRIAC調(diào)光方案為閉環(huán)控制，將TRIAC切相后的導(dǎo)通角度轉(zhuǎn)化為一定的電平信號傳遞到原邊恒流控制電路中，從而改變主電路的控制信號以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電流的目的。若LED驅(qū)動電路采用副邊恒流控制，也可以將TRIAC切相波形信號經(jīng)處理后傳遞到副邊恒流控制電路中，以此改變閉環(huán)控制參數(shù)從而調(diào)節(jié)輸出電流。此外，家用小功率LED照明的調(diào)光還可以采用開環(huán)調(diào)光控制，即在調(diào)光階段令電路處于開環(huán)狀態(tài)，這樣輸出電流就由輸入的能量控制，即由TRIAC導(dǎo)通角控制。此類專用調(diào)光芯片有 NXP SSL2101/2102，ON NCL30000等。

3 維持電流補(bǔ)償電路的研究和設(shè)計(jì)

維持電流補(bǔ)償電路的主要作用是檢測流過TRIAC調(diào)光器的電流，即輸入電流，通過運(yùn)放控制MOS管GS電壓來控制MOS管，從而外加一個流過TRIAC調(diào)光器的補(bǔ)償電流，將輸入電流補(bǔ)償?shù)皆O(shè)定值。此設(shè)定值須大于TRIAC的維持電流，這樣才能保證TRIAC導(dǎo)通時不會由于輸入電流小于其維持電流而導(dǎo)致誤關(guān)斷從而引起LED閃爍。

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：主電路工作頻率fSW=50 kHz，F(xiàn)lyback變壓器原邊勵磁電感Lm=3.8 mH，原副邊變比為1.6，副邊輸出電容C=82 μF，原邊峰值電流檢測電阻RCS=2.4 Ω。

4.2 調(diào)光波形

TRIAC調(diào)光波形如圖5所示。

從圖5可以看出，輸入電壓電流波形和輸出電流波形隨TRIAC調(diào)光器導(dǎo)通角的變化而變化，且波形穩(wěn)定，輸出電流穩(wěn)定，LED負(fù)載不閃爍。圖中輸入電流波形是為提高電源功率因數(shù)而加入填谷式PFC電路后的電流波形。

圖6 為相角檢測控制電路各點(diǎn)波形。Vin為經(jīng)TRIAC 調(diào)光器切相后的輸入電壓波形，Va，Vb，Vc分別為a，b，c點(diǎn)電壓波形?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)波形與理論波形一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好，調(diào)光效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4.3 恒流特性

在176～265VAC輸入范圍且輸出滿載時輸出恒流特性曲線如圖7所示，輸入調(diào)整率約為4%，恒流特性較好。

整機(jī)不調(diào)光（滿載）時效率達(dá)到78%，且功率因數(shù)在全電壓范圍內(nèi)大于0.9，達(dá)到了能源之星（EnergyStar）標(biāo)準(zhǔn)中家用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)（PF）最低需達(dá)到0.7的規(guī)定。

4.4 調(diào)光特性曲線

使用不同TRIAC調(diào)光器對本文設(shè)計(jì)LED調(diào)光方案進(jìn)行測試，均有良好的調(diào)光效果，繪制出使用一款TRIAC調(diào)光器的調(diào)光特性曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，實(shí)際調(diào)光特性曲線與理論推導(dǎo)得出的調(diào)光特性曲線基本吻合。在30°～90°導(dǎo)通角時輸出電流變化平穩(wěn)緩慢；在90°～145°導(dǎo)通角時輸出電流與導(dǎo)通角近似線性；導(dǎo)通角大于145°后輸出恒流，調(diào)光效果較好。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款基于通用PWM芯片AP3766的可用于家用TRIAC調(diào)光器的小功率原邊恒流控制LED驅(qū)動電路，針對TRIAC調(diào)光的問題，增加相角檢測控制電路和維持電流補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)了LED的TRIAC調(diào)光功能，并對有關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和探討。本文方案滿足有關(guān)家用LED驅(qū)動器的要求，結(jié)構(gòu)簡單，極大地降低了成本。

[1]Andre Tjokrorahardjo.Simple Triac Dimmable Compact Fluorescent Lamp Ballast and Light Emitting Diode Driver[C].25th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),2010,1352-1357.

[2]毛興武.使用傳統(tǒng)可控硅調(diào)光器的發(fā)光二極管驅(qū)動器[J].光源與照明,2009,4(12):1-4.

[3]Dustin Rand,Brad Lehman,Anatoly Shteynberg.Issues,Models and Solutions for Triac Modulated Phase Dimming of LED Lamps [C].Power Electronics Specialists Conference(PESC),2007:1398-1404.

[4]周源,孫耀杰.隔離式反激型LED驅(qū)動器的建模與調(diào)光設(shè)計(jì) [J].光源與照明,2008,3(1):1-5.