原邊控制帶TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)*

楊巍巍，史永勝，劉丹妮

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

原邊控制帶TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)*

楊巍巍，史永勝*，劉丹妮

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

三端雙向可控硅(TRIAC)調(diào)光器是目前應(yīng)用最為廣泛的調(diào)光器。針對(duì)TRIAC調(diào)光過(guò)程出現(xiàn)的閃爍、調(diào)光范圍小、效率低等問(wèn)題，基于FL7730芯片設(shè)計(jì)一款基于TRIAC調(diào)光的原邊恒流控制的LED驅(qū)動(dòng)電路;在電路中設(shè)計(jì)無(wú)源泄放電路為T(mén)RIAC提供維持電流和擎住電流，避免TRIAC誤觸發(fā);設(shè)計(jì)有源阻尼電路抑制調(diào)光器導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)光驅(qū)動(dòng)電源的功率因數(shù)高于0.9，效率在0.8以上，實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍調(diào)光。

LED驅(qū)動(dòng);可控硅調(diào)光;原邊控制;反激變換

LED由于其高亮度、節(jié)能和長(zhǎng)壽命成為第四代照明光源。節(jié)能型LED調(diào)光是目前應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)之一［1］。目前，LED照明主要的調(diào)光方式有:模擬調(diào)光、脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光、可控硅(TRIAC)調(diào)光［2］。而可控硅調(diào)光由于不需改變?cè)芯€(xiàn)路，是目前普遍采用的一種調(diào)光方式。

適于TRIAC調(diào)光的非隔離LED驅(qū)動(dòng)器，是在電路中加入電容器網(wǎng)絡(luò)增加維持電流以保證TRIAC工作在線(xiàn)性周期，從而避免閃爍問(wèn)題［3］。但是，這種方法僅適用于半橋結(jié)構(gòu)，需要外加電路來(lái)檢測(cè)TRIAC的調(diào)光角。針對(duì)帶隔離輸出的TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提出的適于反激PFC轉(zhuǎn)換器的前饋控制方案［3］，輸出電流通過(guò)輸入功率控制，但輸出電流精度受到限制。由于TRIAC與LED兼容大部分行業(yè)的解決辦法效率都低(觸發(fā)角檢測(cè)和TRIAC維持電流需要虛擬負(fù)載)，復(fù)雜的隔離反饋結(jié)構(gòu)或兩級(jí)轉(zhuǎn)換的高成本，因此，對(duì)于簡(jiǎn)單高性能且適用于TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器仍有必要［4］。

本文設(shè)計(jì)原邊控制的單級(jí)反激變換器，適于TRIAC調(diào)光且與LED驅(qū)動(dòng)器兼容的驅(qū)動(dòng)方案。輸出電流由原邊檢測(cè)的信號(hào)精確地計(jì)算控制，在DCM模式下操作轉(zhuǎn)換器［5-7］，輸入電流將跟隨輸入電壓得到高功率因數(shù)，使LED驅(qū)動(dòng)器與TRIAC調(diào)光器很好地兼容。此外，使用原邊控制，使得輸出電流信號(hào)和TRIAC調(diào)光信號(hào)在原邊獲得，簡(jiǎn)化電路功能。輸出電流通過(guò)TRIAC導(dǎo)通角的變化改變，得到近乎線(xiàn)性的調(diào)光曲線(xiàn)。

1 工作原理

由于TRIAC調(diào)光很普遍，成本較低，因此，能夠與LED驅(qū)動(dòng)電源兼容的TRIAC調(diào)光器很普遍。在實(shí)際應(yīng)用中，盡管由于輸入電流高度扭曲使得功率因數(shù)無(wú)關(guān)緊要，但在帶PFC控制的調(diào)光中，使輸入電流跟隨輸入電壓仍具有意義。本文的控制方案使輸入電流跟隨電壓變化，得到較高的功率因數(shù)［8-10］。TRIAC調(diào)光功能可以很容易實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是如何檢測(cè)調(diào)光角和改變基于調(diào)光角的輸出電流。

1.1 TRIAC調(diào)光器

圖1給出了TRIAC調(diào)光器經(jīng)整流后的波形圖。由圖可看出，TRIAC在α角時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)電壓過(guò)0時(shí)關(guān)斷。此時(shí)觸發(fā)相位角的輸出電壓Vout由式(1)計(jì)算。

其中，Vout和Vin分別是調(diào)光器輸出電壓和線(xiàn)電壓的有效值。VF是LED的閾值電壓。

此時(shí)功率因數(shù)可由式(2)表示。

在調(diào)光情況下，輸出電壓波形明顯發(fā)生畸變，且產(chǎn)生諧波。由式(2)可知，當(dāng)調(diào)光角由α逐漸接近π時(shí)，功率因數(shù)也隨著減小。因此，需要設(shè)計(jì)功率因數(shù)校正電路以提高功率因數(shù)。

圖1 TRIAC調(diào)光器整流后波形

1.2 單級(jí)反激PFC變換

為得到較高的功率因數(shù)，反激變換器通常用于DCM或CRM模式［11］。原邊控制的反激變換控制原理圖如圖2所示。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的輸出電流都由Io計(jì)算模塊計(jì)算，然后累積輸出電流Io-est與輸出參考電流Io-REF比較，誤差信號(hào)Vea反饋給乘法器。誤差放大器的頻帶寬度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)PFC控制器的線(xiàn)性頻率。乘法器的其他輸入是電流波形參考信號(hào)Vac(t)，與整流器總線(xiàn)電壓Vd有相同的波形。乘法器IREF輸出用來(lái)控制流經(jīng)原邊開(kāi)關(guān)的峰值電流。

圖2 原邊控制的反激PFC電路

當(dāng)原邊開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通，變壓器磁化電流(isw)呈線(xiàn)性增加。當(dāng)isw達(dá)到參考電流IREF，開(kāi)關(guān)Q1關(guān)斷，磁化電流傳輸?shù)礁边叀８边叾O管D1導(dǎo)通，磁化電流線(xiàn)性增加。一旦電流達(dá)到0，開(kāi)關(guān)管Q1重新導(dǎo)通。

在DCM模式下的穩(wěn)態(tài)波形如圖3所示。

圖3 DCM模式下原邊信號(hào)的穩(wěn)態(tài)波形

2 電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)TRIAC調(diào)光中出現(xiàn)的尖峰電流及LED燈閃爍問(wèn)題，在電路中設(shè)計(jì)無(wú)源泄放電路和有源阻尼電路，主功率拓?fù)洳捎脝渭?jí)反激變換電路，工作于電流斷續(xù)模式。電路圖如圖4所示。其中，輸入電壓范圍為90 Vac～265 Vac，輸出功率:8 W;輸出直流電壓:22 V;輸出電流:350 mA;調(diào)光范圍:1%～ 100%;調(diào)光過(guò)程穩(wěn)定無(wú)閃爍。

圖4 基于FL7730的TRIAC調(diào)光驅(qū)動(dòng)器原理圖

電路主要包括:無(wú)源泄放電路，有源阻尼電路，控制電路，單級(jí)反激變換電路。其中控制電路選用飛兆半導(dǎo)體的控制芯片F(xiàn)L7730。FL7730是一款適合于單級(jí)反激拓?fù)涞挠性垂β室驍?shù)校正控制器，采用模擬檢測(cè)方式，可兼容傳統(tǒng)的TRIAC調(diào)光，實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。本設(shè)計(jì)采用原邊控制簡(jiǎn)化電路，降低成本，同時(shí)效率達(dá)到0.8以上。調(diào)光過(guò)程平穩(wěn)且LED燈無(wú)閃爍，較好地實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性頻率控制，實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 調(diào)光控制實(shí)物圖

圖4中，MOS管電流有效值和耐壓值分別由式(5)、式(6)計(jì)算:

其中，IPKP是初級(jí)電流峰值，VPKmax是最大輸入交流電壓峰值，VR是反射電壓，ΔV是漏感電壓。

副邊輸出電流ILED由式(7)計(jì)算。

其中，TDIS為開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間，T是開(kāi)關(guān)周期，VCS是原邊電流檢測(cè)電壓。

2.1 無(wú)源泄放電路的設(shè)計(jì)

無(wú)源泄放電路［12］為T(mén)RIAC提供維持電流和擎住電流，避免LED的閃爍和誤觸發(fā)。在圖4中由電阻R1和電容C1組成。電感L4為輸入濾波電感。其中，C1的大小決定TRIAC導(dǎo)通的泄放電流的大小。在調(diào)光中，泄放電流大，調(diào)光穩(wěn)定性越高。電阻R1在電路中起阻尼作用，抑制調(diào)光器觸發(fā)時(shí)電容C1快速充電引起的尖峰電流。

2.2 有源阻尼電路設(shè)計(jì)

圖4中左上部分為有源阻尼電路，電阻R2、R3，電容C3，二極管和MOS管Q1組成，用來(lái)抑制尖峰電壓。其電路工作波形圖如圖6所示。

在調(diào)光器觸發(fā)時(shí)，容易引起較大的電流尖峰，通過(guò)電源線(xiàn)路，為電容CIN快速充電。如果沒(méi)有阻性阻尼［13］，該電流尖峰將引起電源電流振蕩，大電流將引起調(diào)光器誤觸發(fā)，破壞TRIAC調(diào)光器。采用阻尼電阻可以抑制尖峰電流，阻尼電阻的功耗也會(huì)較高。

圖6 阻尼電路工作波形

3 仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖7給出了在不同導(dǎo)通角時(shí)整流橋輸出電壓的波形圖。由于調(diào)光器內(nèi)部RC電路的延時(shí)作用，使得最大最小調(diào)光角受到限制。由圖中可看出，隨著控制角的增大，可調(diào)電壓的范圍逐漸變小。同時(shí)由于電路中加入有源阻尼，有效地抑制了尖峰電壓。

圖8所示是調(diào)光角與LED輸出電流之間的關(guān)系，表1給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖8可以看出，隨著調(diào)光比的減小，LED電流平滑地下降，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)光。這是由于調(diào)光角越小，可調(diào)電壓范圍越小，輸入電壓有效值也減小，因此輸出電流也減小。由表1可知，電路的功率因數(shù)達(dá)到0.9，效率在0.8以上。

圖7 不同控制角時(shí)輸入電壓的波形

圖8 調(diào)光曲線(xiàn)圖(調(diào)光角相對(duì)LED電流的關(guān)系)

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文分析了TRIAC調(diào)光器及單級(jí)PFC反激變換器的工作原理，基于飛兆半導(dǎo)體控制芯片F(xiàn)L7730，設(shè)計(jì)一款支持TRIAC調(diào)光的原邊恒流控制的小功率LED驅(qū)動(dòng)電源。設(shè)計(jì)的有源阻尼電路及線(xiàn)性頻率控制電路，有效抑制尖峰電壓，解決閃爍等問(wèn)題。該原邊控制的設(shè)計(jì)使LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有照明系統(tǒng)兼容性好，效率高，成本低。很好地滿(mǎn)足室內(nèi)LED驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)用要求。

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Design of LED Driver for Primary-Side Controlw ith TRIAC Dimm ing*

YANGWeiwei，SHIYongsheng*，LIU Danni
(College of Electric and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

The TRIAC dimmer is amost popular dimmer at present.To solve the problems such as flicker，the narrow dimmable range and low efficiency with TRIAC controller of LED lighting system，an LED driver with primary constant control and TRIAC dimming function based on the chip FL7730 is proposed.In the circuit，a passive discharge circuit is given to provide the hold current and latching current for TRIAC，and an active damper circuit to suppress the spike voltage when the dimmer turns on.As is verified through the experiment，the power factor of the dimming driver is higher than 0.9，the efficiency is over 0.8，and flicker-free dimming is implement.

LED driver;TRIAC dimming;primary-side control;flyback converter

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.012

TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0046-04

項(xiàng)目來(lái)源:陜西省教育廳基金項(xiàng)目(11JK0837，12JK0494);陜西科技大學(xué)博士專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(BJ08-07)

2013-05-06修改日期:2013-07-21

EEACC:4260D

楊巍巍(1988-)，女，在讀研究生，研究方向?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)，Yangweiwei 19881@163.com;

史永勝(1964-)，男，漢族，陜西人，博士，教授，研究方向?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)技術(shù)和平板顯示技術(shù)，shiys@sust.edu.cn。