原邊控制帶TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動電源設(shè)計

　　LED 由于其高亮度、節(jié)能和長壽命成為第四代照明光源。節(jié)能型LED 調(diào)光是目前應(yīng)用和研究的熱點之一。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。而可控硅調(diào)光由于不需改變原有線路，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工作在線性周期，從而避免閃爍問題。但是，這種方法僅適用于半橋結(jié)構(gòu)，需要外加電路來檢測TRIAC 的調(diào)光角。針對帶隔離輸出的TRIAC 調(diào)光的LED 驅(qū)動應(yīng)用提出的適于反激PFC 轉(zhuǎn)換器的前饋控制方案，輸出電流通過輸入功率控制，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)角檢測和TRIAC 維持電流需要虛擬負載)，復(fù)雜的隔離反饋結(jié)構(gòu)或兩級轉(zhuǎn)換的高成本，因此，對于簡單高性能且適用于TRIAC 調(diào)光的LED 驅(qū)動器仍有必要。

　　本文設(shè)計原邊控制的單級反激變換器，適于TRIAC 調(diào)光且與LED 驅(qū)動器兼容的驅(qū)動方案。輸出電流由原邊檢測的信號精確地計算控制，在DCM 模式下操作轉(zhuǎn)換器，輸入電流將跟隨輸入電壓得到高功率因數(shù)，使LED 驅(qū)動器與TRIAC 調(diào)光器很好地兼容。此外，使用原邊控制，使得輸出電流信號和TRIAC 調(diào)光信號在原邊獲得，簡化電路功能。輸出電流通過TRIAC 導(dǎo)通角的變化改變，得到近乎線性的調(diào)光曲線。

　　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)動電源兼容的TRIAC 調(diào)光器很普遍。在實際應(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)。

　　TRIAC 調(diào)光功能可以很容易實現(xiàn)，關(guān)鍵是如何檢測調(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 在琢角時觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)電壓過0 時關(guān)斷。此時觸發(fā)相位角的輸出電壓Vout由式(1)計算。

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

　　此時功率因數(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，功率因數(shù)也隨著減小。因此，需要設(shè)計功率因數(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。原邊控制的反激變換控制原理圖如圖2 所示。每個開關(guān)周期的輸出電流都由Io 計算模塊計算，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Vea 反饋給乘法器。誤差放大器的頻帶寬度遠低于傳統(tǒng)PFC 控制器的線性頻率。乘法器的其他輸入是電流波形參考信號Vac(t)，與整流器總線電壓Vd 有相同的波形。乘法器IREF輸出用來控制流經(jīng)原邊開關(guān)的峰值電流。

　　圖2 原邊控制的反激PFC 電路

　　當(dāng)原邊開關(guān)Q1導(dǎo)通，變壓器磁化電流(isw)呈線性增加。當(dāng)isw達到參考電流IREF,開關(guān)Q1關(guān)斷，磁化電流傳輸?shù)礁边叀８边叾O管D1導(dǎo)通，磁化電流線性增加。一旦電流達到0，開關(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 模式下原邊信號的穩(wěn)態(tài)波形

　　2 電路設(shè)計及實現(xiàn)

　　針對TRIAC 調(diào)光中出現(xiàn)的尖峰電流及LED 燈閃爍問題，在電路中設(shè)計無源泄放電路和有源阻尼電路，主功率拓撲采用單級反激變換電路，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)光過程穩(wěn)定無閃爍。

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

　　電路主要包括：無源泄放電路，有源阻尼電路，控制電路，單級反激變換電路。其中控制電路選用飛兆半導(dǎo)體的控制芯片F(xiàn)L7730.FL7730 是一款適合于單級反激拓撲的有源功率因數(shù)校正控制器，采用模擬檢測方式，可兼容傳統(tǒng)的TRIAC 調(diào)光，實現(xiàn)調(diào)光控制。本設(shè)計采用原邊控制簡化電路，降低成本，同時效率達到0. 8 以上。調(diào)光過程平穩(wěn)且LED 燈無閃爍，較好地實現(xiàn)線性頻率控制，實物圖如圖5 所示。

　　圖5 調(diào)光控制實物圖

　　圖4 中，MOS 管電流有效值和耐壓值分別由式(5)、式(6)計算：

　　其中，IPKP是初級電流峰值，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)計算。

　　其中，TDIS 為開關(guān)關(guān)斷時間，T 是開關(guān)周期，VCS 是原邊電流檢測電壓。

　　2. 1 無源泄放電路的設(shè)計

　　無源泄放電路為TRIAC 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

　　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，容易引起較大的電流尖峰，通過電源線路，為電容CIN快速充電。如果沒有阻性阻尼，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。同時由于電路中加入有源阻尼，有效地抑制了尖峰電壓。

　　圖8搖調(diào)光曲線圖(調(diào)光角相對LED 電流的關(guān)系)圖8 所示是調(diào)光角與LED 輸出電流之間的關(guān)系，表1 給出了實驗數(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)達到0. 9，效率在0. 8 以上。

　　圖7 不同控制角時輸入電壓的波形

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

　　表1 實驗數(shù)據(jù)

　　4 結(jié)論

　　本文分析了TRIAC 調(diào)光器及單級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)計一款支持TRIAC 調(diào)光的原邊恒流控制的小功率LED 驅(qū)動電源。設(shè)計的有源阻尼電路及線性頻率控制電路，有效抑制尖峰電壓，解決閃爍等問題。該原邊控制的設(shè)計使LED 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有照明系統(tǒng)兼容性好，效率高，成本低。很好地滿足室內(nèi)LED 驅(qū)動器的實際應(yīng)用要求。