可調(diào)光的高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)電路分析

王朝馳 賀婭君 劉增鑫

【摘要】本文介紹了一款性能優(yōu)越的LED驅(qū)動(dòng)芯片，并利用這款芯片制作了LED驅(qū)動(dòng)電路，分析了其可調(diào)光和高功率因數(shù)的性能，并進(jìn)行了實(shí)際的測量。

【關(guān)鍵詞】LED驅(qū)動(dòng)芯片；調(diào)光；高功率因數(shù)

0.引言

LED作為一種全新的固態(tài)冷光源，和傳統(tǒng)的電光源相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如壽命長（可達(dá)6萬到10萬小時(shí)）、體積小、節(jié)能、環(huán)保。盡管有上述諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)卻不是一件簡單的事，因?yàn)長ED的本質(zhì)是PN結(jié)，它的伏安特性曲線具有非線性（變化趨勢很陡）和負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)，若采用恒壓源供電，當(dāng)電壓發(fā)生很小的變化時(shí)，就會(huì)引起很大的電流變化。并且，隨著LED溫度的升高，伏安特性曲線會(huì)向左移動(dòng)，若電壓恒定，那么流過LED的電流勢必會(huì)增大，如果散熱問題沒有解決好的話，這又會(huì)導(dǎo)致LED溫度的升高，如此便產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終造成LED的燒毀，所以，采用恒流源供電是一種不錯(cuò)的選擇。

現(xiàn)在，隨著LED光源的推廣，市面上也出現(xiàn)不少LED專用的驅(qū)動(dòng)電路或驅(qū)動(dòng)芯片，本文選擇了一款功能和性能都不錯(cuò)的芯片——LNK457DG進(jìn)行測試，這是Power Integrations推出的LED專用驅(qū)動(dòng)器。

1.芯片簡介

LNK457有三種封裝，圖1所示為D封裝，該芯片共有8個(gè)引腳，其中3號引腳沒有引出。1號引腳為FB引腳，通過感測電阻得到LED驅(qū)動(dòng)電流并反饋回芯片內(nèi)部；2號引腳為BP引腳，內(nèi)部產(chǎn)生5.85V電源，外部與旁路電容相連；4號引腳為D引腳，內(nèi)部與功率MOSFET的漏極相連，用于執(zhí)行漏極電流感測和相關(guān)聯(lián)的控制器功能；5、6、7、8號引腳為S引腳，內(nèi)部與功率MOSFET的源級相連，并作為BP和FB引腳的接地參考。

這款芯片的特點(diǎn)是它能夠以較少的外部元件實(shí)現(xiàn)無閃爍、透過相位控制的TRIAC調(diào)光，單極功率因數(shù)校正和精準(zhǔn)的定電流（CC）輸出，并且可以在較大的輸入電壓范圍（90V- 265V）下工作。

2.電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)該芯片的設(shè)計(jì)手冊，我們試制了一塊可調(diào)光的高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)電路板，電路原理圖如圖2所示。

該電路為反激式開關(guān)電源，主要由輸入整流濾波、輸出整流濾波、輸出采樣反饋、變壓器鉗位、主動(dòng)和被動(dòng)阻尼器、泄放器組成。輸入電壓由BR1進(jìn)行整流，并由L1和C4、L2和C5構(gòu)成的EMI濾波器濾波，R12、C7、R13、D2構(gòu)成RCD-R鉗位電路，D5、C11構(gòu)成輸出整流濾波部分，輸出電流經(jīng)感測電阻R18采樣反饋給FB引腳， R3、R4、C3、Q3、R7、R8構(gòu)成主動(dòng)阻尼器，R20構(gòu)成被動(dòng)阻尼器，R10、C6、R11構(gòu)成泄放器。RV1、F1為防止電路電壓或電流過大的保護(hù)電路，當(dāng)調(diào)光使用時(shí)需在輸入端接調(diào)光器。

3.TRAIC調(diào)光

3.1 調(diào)光器原理

我們這次使用的調(diào)光器的原理圖如圖3所示，該調(diào)光器屬于雙向可控硅前緣調(diào)光器，主要的工作方式是通過減小輸入電壓波形的導(dǎo)通角來減小輸入電壓的有效值，從而使輸出電流的有效值減小，來達(dá)到調(diào)節(jié)LED燈亮度的目的?；驹砣缦拢?/p>

當(dāng)AC半周期來臨時(shí)，輸入電壓從零開始增大，并對電容Ct開始充電。剛開始，Ct上的電壓較小，達(dá)不到雙向可控硅管DIAC的開啟電壓（一般為20～40V），DIAC處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)由于TRIAC的控制極沒有觸發(fā)信號也處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)Ct充電達(dá)到DIAC的開啟電壓時(shí)，DIAC導(dǎo)通，在TRIAC的控制極產(chǎn)生觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，此時(shí)Ct通過Rt放電，輸入電壓也通過TRIAC加到LED驅(qū)動(dòng)兩端。如果AC半周期結(jié)束或流過TRIAC的電流達(dá)不到維持TRIAC導(dǎo)通的維持電流（典型值為5～50mA），那么TRIAC將會(huì)再次進(jìn)入到關(guān)斷狀態(tài)。通過TRIAC的兩種工作狀態(tài)的切換，使得輸入電壓只有在達(dá)到一定的相位值時(shí)才會(huì)被傳輸?shù)捷敵龆?，這樣，在每個(gè)AC半周期，電壓波形就像被切掉了一部分一樣[1]。

因?yàn)門RIAC的導(dǎo)通起始時(shí)間是由Ct的充電時(shí)間決定的，而Ct的充電時(shí)間又由Rt決定，所以，我們可以通過調(diào)節(jié)Rt的值來改變輸入電壓的導(dǎo)通角從而改變輸出電流的大小。

3.2 無閃爍控制

在使用TRIAC進(jìn)行調(diào)光時(shí)，如果導(dǎo)通角比較小，那么輸出電流也比較小，可能達(dá)不到TRIAC的維持電流，這樣會(huì)導(dǎo)致LED 閃爍。輸入電容在TRIAC開啟時(shí)充電產(chǎn)生的浪涌電流會(huì)產(chǎn)生電流振蕩，這同樣會(huì)導(dǎo)致LED閃爍，理想的和導(dǎo)通不穩(wěn)定的波形分別如圖4、圖5所[2]。

為了解決這些問題，本設(shè)計(jì)中加入了三個(gè)電路模塊，即主動(dòng)和被動(dòng)阻尼器、泄放器。被動(dòng)阻尼器和主動(dòng)阻尼器配合能夠限制TRIAC開啟時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流，主動(dòng)阻尼器接在輸入整流器后，Q3在浪涌電流到來時(shí)利用串聯(lián)在電路中的R7和R8限制浪涌電流，延時(shí)一段時(shí)間后Q3開啟，此時(shí)R7和R8被短路，有利于減小功耗。泄放器能夠使TRIAC可靠導(dǎo)通，并提供導(dǎo)通所需的維持電流[3]。

4.功率因數(shù)校正

功率因數(shù)PF指有功功率P與總視在功率S的比值，功率因數(shù)越大表征電路對電能的利用率越高。對于開關(guān)電源，

其中，I1表示輸入電流中基波電流的有效值，In表示n次電流諧波的有效值，I表示輸入電流的有效值，?表示輸入電壓與基波電流的相位差。由于存在高次諧波，并且基波電流的相位與輸入電壓的相位不一致，開關(guān)電源的功率因數(shù)會(huì)變得很低，電能利用率也就很低。所以，需要引入功率因數(shù)校正技術(shù)。

自動(dòng)功率因數(shù)校正技術(shù)是APFC的一種，又稱之為電壓跟隨器方法。在圖2中，變壓器T1工作在反激式開關(guān)電路中，只有在初級關(guān)斷時(shí)，次級才會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，因此可以簡單的將T1的初級看成一個(gè)電感L，令流過L的電流為I，峰值電流為，平均電流為輸入電壓為Vin，根據(jù)電感兩端的電壓電流公式可得：

在功率MOSFET的一個(gè)導(dǎo)通周期T內(nèi)：

5.測試結(jié)果

電路實(shí)物如圖7所示，利用焊制的電路板，我們做了一些參數(shù)測試，測試結(jié)果如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在較大的電壓范圍內(nèi)，該電路都能維持很高的功率因數(shù)，最高可以達(dá)到99.3%，最低可以達(dá)到96%。并且，輸出電流基本不隨輸入電壓發(fā)生變化。在調(diào)光時(shí)，利用調(diào)光器能實(shí)現(xiàn)LED亮度的連續(xù)可調(diào)，并且沒有閃爍。

參考文獻(xiàn)

[1]郭津，葛良安，毛昭祺，馬皓.用于傳統(tǒng)雙向可控硅（TRIAC）調(diào)光器的LED驅(qū)動(dòng)方案比較[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011，04：65-70.

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[4]倪志紅.開關(guān)電源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.