TRIAC調(diào)光器與LED接口的高效方法

　　正相調(diào)光器

　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正相調(diào)光器包含一個(gè)TRIAC、一個(gè)DIAC（二極管交流）和一個(gè)RC（電阻/電容）電路（圖1）。電位計(jì)調(diào)節(jié)電阻值，得到的RC時(shí)間常數(shù)用于控制TRIAC導(dǎo)通前的延遲量，或觸發(fā)角。當(dāng)TRIAC導(dǎo)通時(shí)，時(shí)間部分就是導(dǎo)通角θ。得到的電壓波形就是一個(gè)切相的正弦曲線。

　　這種類(lèi)型的調(diào)光能很好地用于白熾燈，因?yàn)樗鼈兪呛?jiǎn)單的阻型負(fù)載。當(dāng)導(dǎo)通角減小時(shí)，燈絲電阻上時(shí)間平均的電壓也下降，從而提供了自然平滑的調(diào)光。

　　TRIAC還有一個(gè)對(duì)最小保持電流的要求。流經(jīng)TRIAC的電流必須保持在這個(gè)最小水平以上，才能確保在整個(gè)導(dǎo)通角上的開(kāi)啟。白熾燈負(fù)載很容易滿足這個(gè)條件，因?yàn)樨?fù)載都有原生的功耗等級(jí)，例如：40W、60W和75W。

　　與LED的兼容性

　　糟糕的是，固態(tài)照明沒(méi)有相位調(diào)光方案的優(yōu)點(diǎn)。LED是一種半導(dǎo)體器件；控制其光輸出的方式是調(diào)節(jié)它的正向電流。高亮度LED可以流過(guò)數(shù)百毫安至數(shù)安電流，為保持系統(tǒng)效率，通常都采用一只開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器。

　　對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，其輸出的調(diào)節(jié)與平均輸入電壓無(wú)關(guān)，這意味著必須先對(duì)相位調(diào)光器提供的斬相波形做解碼。解碼后的信息就可以控制用于輸出調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)電壓。盡管這對(duì)功率電子設(shè)計(jì)者是相對(duì)簡(jiǎn)單的工作，但其背后隱藏著更多的復(fù)雜性。

　　一個(gè)明顯的區(qū)別是，負(fù)載不再是純阻性的。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換器對(duì)相位調(diào)光器可以看作一個(gè)電抗性負(fù)載，因?yàn)殡娐分型瑫r(shí)包含有容性和感性元件。于是，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器在遇到斬相電壓的快速上升沿時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員一般采用標(biāo)準(zhǔn)的RC阻尼方法，減少這種上升沿所導(dǎo)致的問(wèn)題振鈴。不過(guò)，這種方案會(huì)帶來(lái)額外的功率損耗。

　　還有始料不及的更大問(wèn)題?，F(xiàn)代LED的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)白熾燈，后者會(huì)將光輸出的75%消耗在紅外頻譜上，成為熱量散失掉。而LED則將更多的光輸出提供在可見(jiàn)光頻譜上。最新高亮LED的效率是類(lèi)似白熾燈的五至六倍，這意味著，替代一只60W燈泡或燈具的LED功耗可以低至10W至12W。這種能量節(jié)省對(duì)消費(fèi)者很重要，而對(duì)相位調(diào)光器則不然，因?yàn)樗笞畹偷谋３蛛娏鳌?/font>

　　當(dāng)用TIRAC對(duì)一只LED燈具做調(diào)光時(shí)，它可能會(huì)瞎火（misfire），就是說(shuō)，不能為整個(gè)導(dǎo)通角提供足以維持導(dǎo)通的電流。由于瞎火情況通常與連續(xù)整流的交流周期不同步，因此解碼角可能會(huì)在兩個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)之間振蕩。因?yàn)槠漕l率低，于是這種振蕩表現(xiàn)為光輸出的顫動(dòng)和閃爍。為防止這種可見(jiàn)的閃爍，轉(zhuǎn)換器必須泵出更多電能，以確保TRIAC不會(huì)瞎火。

　　犧牲了效率

　　提供額外電能與電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)相悖，原來(lái)的目標(biāo)是提供高效、良好設(shè)計(jì)的高質(zhì)量電源處理。因此，設(shè)計(jì)者要做雙倍的工作：既要從交流電源為L(zhǎng)ED負(fù)載提供高效的電源轉(zhuǎn)換，又要確保相位調(diào)光功能的正常工作，同時(shí)盡量減少過(guò)多的功率損耗。

　　現(xiàn)在，對(duì)電源質(zhì)量的新規(guī)定要求很多LED系統(tǒng)中使用PFC（功率因數(shù)控制）。PF（功率因數(shù)）是對(duì)轉(zhuǎn)換器輸入端到輸出端能量傳輸品質(zhì)的一種度量。如果輸入電流沒(méi)有失真，并且與輸入電壓完美地同相，則PF為1。由于電抗元件造成的輸入電流任何相移或失真以及開(kāi)關(guān)噪聲等，都會(huì)使PF降低。

　　由于大多數(shù)LED系統(tǒng)都采用了某種形式的PFC，輸入電流通常能很好地追隨輸入電壓，這意味著當(dāng)電壓與電流同時(shí)下降時(shí)，相位調(diào)光器經(jīng)常會(huì)導(dǎo)通角的末端瞎火（圖2）。這種瞎火會(huì)根據(jù)其發(fā)生的時(shí)點(diǎn)，產(chǎn)生一種不斷變化的導(dǎo)通角解碼。

　　初始方案

　　一種滿足保持電流要求的簡(jiǎn)單方法是加一個(gè)負(fù)載電阻，以確保設(shè)計(jì)在整個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，滿足最低的輸入電流條件。但這種方法效率太低。對(duì)于一個(gè)100W的白熾射燈，僅需要用15W的LED作替換，而這種固定式保持電流會(huì)造成10%~20%的效率下降。

　　更復(fù)雜的方案是在每個(gè)周期中線性地增負(fù)載，即在導(dǎo)通角期間逐步地提升額外保持電流，直至在末端到達(dá)最大值。這種方法可以大大減少效率損失；不過(guò)，在寬的工作區(qū)間上，它有設(shè)計(jì)困難。

　　例如，對(duì)于一個(gè)85V~305V通用交流電源輸入的15W LED射燈，最差保持電流情況出現(xiàn)在305V 交流時(shí)，此時(shí)輸入電流為最小。為了保證在305V交流時(shí)的整個(gè)導(dǎo)通角上，TRIAC都能保持導(dǎo)通，就必須增加一個(gè)相當(dāng)大的保持電流。由于這是一種通用設(shè)計(jì)，因此在85V交流時(shí)加的保持電流就要比實(shí)際需要值高大約四倍，造成巨大的功率浪費(fèi)。

　　動(dòng)態(tài)保持

　　獲得效率最大化的最佳方式是調(diào)節(jié)最低輸入電流。采用這種方法時(shí)，當(dāng)輸入電流高于調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，不會(huì)拉出額外的保持電流。當(dāng)輸入電流低于調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，電路會(huì)拉出足夠的電流以維持最小的保持要求，LM3450控制器實(shí)現(xiàn)了這種方法，叫做動(dòng)態(tài)保持（圖3）。它在二極管橋回返以及系統(tǒng)地之間有一只檢測(cè)電阻，提供了一種輸入電流的檢測(cè)方法。通過(guò)電阻上檢測(cè)到的電壓，控制器就可以線性地從保持管腳拉出電流，以維持最小的調(diào)節(jié)輸入電流。這樣就確保了額外功耗處于最小值狀態(tài)。

　　最后，為了保證正確地解碼相位角，動(dòng)態(tài)保持是必需的，這樣才能為轉(zhuǎn)換器提供精確的調(diào)光指令。想法是，防止TRIAC在解碼期間出現(xiàn)瞎火問(wèn)題，這樣導(dǎo)通角就不會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)變化而造成閃爍。仔細(xì)觀察一下系統(tǒng)，實(shí)際并不需要在每個(gè)周期做角度解碼。一個(gè)采樣系統(tǒng)可以釋放出更多的效率。用這種方案，當(dāng)發(fā)生解碼時(shí)，只有在采樣周期內(nèi)才需要增加額外的保持電流。在非采樣周期內(nèi)，則不需要電流。

　　LM3450采用了這種采樣相位解碼器方法，因此只有在采樣周期內(nèi)，動(dòng)態(tài)保持才有效。為驗(yàn)證這個(gè)方案，同時(shí)用一個(gè)固定的20 mA保持電流和一個(gè)大得多的70 mA動(dòng)態(tài)保護(hù)電路，做了一個(gè)120V、15W的射燈應(yīng)用（圖4）。在對(duì)20多種調(diào)光器的測(cè)試中，70 mA動(dòng)態(tài)保持法都確保了完整的調(diào)光區(qū)間，效率提高達(dá)6%。

　　采用這種方案的設(shè)計(jì)者有一個(gè)困難的挑戰(zhàn)。前面的分析忽略了轉(zhuǎn)換器上EMI（電磁干擾）輸入濾波器的影響。每個(gè)轉(zhuǎn)換器都需要濾波，才能通過(guò)有關(guān)傳導(dǎo)與輻射EMI的標(biāo)準(zhǔn)。不幸的是，整流橋交流端增加的電感元件會(huì)造成對(duì)直流端輸入電流測(cè)量的失真。這個(gè)問(wèn)題在導(dǎo)通角的末端變得更加嚴(yán)重，此時(shí)輸入電壓的dV/dt（電壓變化率）為最大。在這個(gè)點(diǎn)上，轉(zhuǎn)換器從EMI電容拉出大部分電流，而TRIAC傳導(dǎo)的電流小于預(yù)期。

　　為解決檢測(cè)的不精確問(wèn)題，應(yīng)提高所調(diào)節(jié)的最小輸入電流，盡量減小EMI濾波器的電容。