周壯麗

(上海亮碩光電子科技有限公司，上海 201112)

引言

作為新型高效光源，LED具有發(fā)光效率高、使用壽命長、節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于普通照明、汽車照明、景觀照明等領(lǐng)域。LED驅(qū)動器分為隔離型和非隔離型，非隔離型包括BUCK、BOOST、ZATA等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隔離型包括反激式、諧振式等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。

可控硅調(diào)光器亦稱TRIAC調(diào)光器(TRIode AC，三端雙向開關(guān))，最早用在白熾燈和鹵素?zé)舻恼{(diào)光，其工作原理是通過對輸入交流電波形進(jìn)行切割，改變輸入交流電的有效值，從而調(diào)節(jié)電網(wǎng)傳遞給負(fù)載的能量，改變輸出功率，從而調(diào)節(jié)白熾燈的亮度?？煽毓枵{(diào)光器具有巨大的節(jié)能效益，與TRIAC兼容的LED調(diào)光驅(qū)動技術(shù)目前成為了一個(gè)熱點(diǎn)[2]。

本文研究了LED可控硅調(diào)光驅(qū)動技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款支持常規(guī)TRIAC的7W反激式LED驅(qū)動器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電路具有良好的調(diào)光效果和較高的效率，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 可控硅調(diào)光器的工作原理

可控硅調(diào)光器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括雙向晶體管TRIAC，雙向觸發(fā)二極管DIAC，可調(diào)電阻RP，限流電阻R和電容C。設(shè)雙向觸發(fā)二極管DIAC的轉(zhuǎn)折電壓為UBO，交流電在正半周時(shí)通過電阻RP和R給電容C充電，當(dāng)電容C兩端電壓UC達(dá)到UBO時(shí)，雙向觸發(fā)二極管DIAC立即導(dǎo)通，觸發(fā)雙向晶體管TRIAC導(dǎo)通；交流電在負(fù)半周時(shí)，亦是通過給電容C充電觸發(fā)雙向晶體管TRIAC導(dǎo)通。如圖2所示，設(shè)從晶閘管開始承受正向電壓起到開始導(dǎo)通這一角度為控制角α，晶閘管導(dǎo)通的角度為導(dǎo)通角θ，θ=π-α。

因此，改變控制角α的大小即改變了負(fù)載上的電壓波形，就改變了整流輸出的直流平均電壓。在圖1電路中，設(shè)給電容C充電的電流為i，則：

(1)

式中，UAC為輸入交流電壓，RP為可調(diào)電阻，R為限流電阻，1/Cs為電容C的復(fù)阻抗。

(2)

根據(jù)公式(2)可知，RP增大，則Δt增大，即α=ω·Δt增大(0<α<π)。

圖1 可控硅調(diào)光器的電路原理Fig.1 typical circuit of TRIAC

圖2 TRIAC斬波后的交流電壓波形Fig.2 AC voltage curve after TRIAC

1.2 LED可控硅調(diào)光驅(qū)動電路

基于SSL2101T芯片設(shè)計(jì)了一款支持常規(guī)可控硅調(diào)光器的反激式LED驅(qū)動電路，電壓輸入為180V～240V，額定輸出電壓、電流為20V/350mA，額定負(fù)載為7W，用于驅(qū)動6個(gè)1W/350mA的大功率白光LED，電路基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

U1為整流橋，R1、R2和C3組成電阻分壓采樣電路，對斬波整流后的直流脈動電壓有效值進(jìn)行采樣，R6、R7為限流電阻。R3、R4為泄放電阻，R3可以在輸入電流較低時(shí)作為額外的電流回路，保持可控硅調(diào)光器的正常導(dǎo)通；R4用于調(diào)光器的過零重啟和可控硅鎖存。R5、R8和C4組成振蕩電路，用于設(shè)定開關(guān)頻率的上限和下限；R9、C5和D5組成RCD鉗位電路，吸收漏感電壓尖峰以保護(hù)開關(guān)管。T1為高頻開關(guān)變壓器，D6為輔助邊整流二極管，D7為輸出整流二極管，R14與R15為輸入電流采樣電阻；R17、R19為輸出電壓采樣電阻，與R16、R18、TL431和光耦PC817A組成輸出過壓保護(hù)電路。

圖3 LED可控硅調(diào)光驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 LED driving circuit for TRIAC

1.3 LED可控硅調(diào)光控制

LED可控硅調(diào)光控制常用的方法是，通過檢測整流橋后直流脈動電壓相位角或有效值的變化，來相應(yīng)地控制開關(guān)頻率或占空比的變化，以改變輸出電壓和電流。這里使用NXP公司的SSL2101T芯片，在圖3中R1、R2和C3組成調(diào)光檢測電路，檢測整流橋輸出的直流脈動電壓的平均值，將該電壓平均值轉(zhuǎn)化為一個(gè)平滑的的直流電壓信號作為亮度控制電壓(VBRIGHTNESS)送給芯片。

2 電路參數(shù)分析與設(shè)計(jì)

2.1 變壓器的設(shè)計(jì)

驅(qū)動電路的額定輸出功率為7W，額定輸出電壓20V，因此選擇PC40材質(zhì)的EE-20型變壓器磁芯，Bmax=0.275T，Ae=32mm2?？紤]到輸入電壓變化較大，輸出電流要保持穩(wěn)定，這里采用了SSL2101T芯片應(yīng)用手冊AN10754[3]給出的變壓器匝數(shù)比計(jì)算公式：

(3)

代入數(shù)據(jù)得：N=4.6。

設(shè)占空比為δ1，次級邊放電時(shí)間占開關(guān)周期比例δ2，次級邊峰值電流IS，原邊峰值電流IP，原邊電感LP，原邊線圈匝數(shù)NP，次級邊線圈匝數(shù)NS，輔助邊線圈匝數(shù)Naux，則根據(jù)計(jì)算公式(4)～(10)：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，Pin=Pout/η=7.0/0.8=8.75W為輸入功率，η=0.8為轉(zhuǎn)換效率；fconv=100kHz為額定工作頻率，fring=300kHz為振鈴頻率，Vbuff(avg)=265V為交流電整流濾波平均電壓，VD=0.7V為輸出整流二極管D7的正向壓降，ILED=350mA為輸出電流。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：δ1=25.3%，δ2=58.0%，IS=1.207A，IP=0.2624A，LP=2.56mH，NP=69，NS=15，Naux=22。

2.2 振蕩器的設(shè)計(jì)

外接振蕩器的頻率由電阻R5、R8和電容C4設(shè)定。計(jì)算公式為：

(11)

式中fosc為振蕩器頻率，tcharge為電容充電時(shí)間1μs。

設(shè)調(diào)光范圍為100%～5%，額定工作頻率為100kHz，則工作頻率范圍為100kHz～5kHz。把fosc=100kHz代入公式(10)得：RC=2.5714μs。取C=680pF，則R8=3.9kΩ；把fosc=5kHz代入公式(11)得R5=84kΩ。

2.3 原邊峰值電流的設(shè)定

電阻R15用于設(shè)定原邊峰值電流和最大輸入功率，閾值電壓為0.5V。計(jì)算公式如下：

(12)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：R15=1.91Ω。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)條件：輸入交流電壓180～240V，串聯(lián)接入可控硅調(diào)光器，負(fù)載為6個(gè)350mA/3.3V的LED燈珠串聯(lián)。

220V市電額定輸入下，輸出電壓為20.08V，輸出電流為347.7mA，電壓紋波為1.2V，還是較小的，如圖4所示。

圖4 輸出電壓波形截圖Fig.4 Output voltage curve

調(diào)節(jié)可控硅調(diào)光器旋鈕，位置5表示調(diào)光器導(dǎo)通角為最大(θ≈π)時(shí)，位置0表示調(diào)光器導(dǎo)通角為最小(θ≈0)時(shí)。由圖5可知，調(diào)光曲線近似對數(shù)曲線，調(diào)光范圍為0～347.7mA，調(diào)光過程無閃爍。

圖6示出不同輸入電壓下的輸出電流，當(dāng)輸入電壓從180V增加到240V時(shí)，輸出電流從200.2mA近似線性地增加到385.4mA。這是因?yàn)?，輸入電壓有效值的變化會引起亮度控制電壓VBRIGHTNESS變化，而VBRIGHTNESS的變化則會引起開關(guān)頻率和占空比同時(shí)變化，從而引起輸出電流的變化。在220V輸入電壓條件下，調(diào)節(jié)可控硅調(diào)光器旋鈕，改變亮度控制電壓VBRIGHTNESS，則VBRIGHTNESS與輸出電流Io的關(guān)系如圖7所示。

圖5 可控硅調(diào)光曲線Fig.5 Output current vs. tuning position

圖6 輸入交流電壓與輸出電流的關(guān)系Fig.6 Input AC voltage vs. output current

圖7 亮度控制電壓與輸出電流關(guān)系Fig.7 Control voltage for brightness vs. output current

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于SSL2101T的LED可控硅調(diào)光驅(qū)動電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在220V額定輸入時(shí)，使用外接可控硅調(diào)光器，輸出電流變化范圍為0～347.7mA，電流變化近似對數(shù)曲線，調(diào)光過程無閃爍，具有良好的調(diào)光效果，滿載時(shí)電路整體轉(zhuǎn)換

效率為73%，功率因數(shù)為0.762。此電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率和功率因數(shù)較好、支持常規(guī)可控硅調(diào)光器等優(yōu)點(diǎn)，適合作為替換型小功率LED驅(qū)動器。

[1] YU Liu,YANG Jinming.The Topologies of White LED Lamps’ Power Drivers[A]. 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications[C]. 2009:1-6.

[2] Dustin R, Brad L, Anatoly S. Issues, Models and Solutions for Triac Modulated Phase Dimming of LED Lamps[A]. IEEE 38th Annual Power Electronics Specialists Conference[C]. 2007:1398-1404.

[3] NXP Semiconductors N.V. AN10754 SSL2101 and SSL2102 dimmable mains LED driver[EB/OL].[2010-11-22].http://www.nxp.com/documents/application_note/AN10754.pdf.

[4] 郭津,葛良安,毛昭祺,等.用于傳統(tǒng)雙向可控硅(TRIAC)調(diào)光器的LED驅(qū)動方案比較[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(4)：65.

[5] 李慧,吳建德,鄧焰,等.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動LM3409HV的LED調(diào)光系統(tǒng)[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(4)：46.