TRIAC調光器與LED接口的高效方法

　　正相調光器

　　一個(gè)標準的正相調光器包含一個(gè)TRIAC、一個(gè)DIAC（二極管交流）和一個(gè)RC（電阻/電容）電路（圖1）。電位計調節電阻值，得到的RC時(shí)間常數用于控制TRIAC導通前的延遲量，或觸發(fā)角。當TRIAC導通時(shí)，時(shí)間部分就是導通角θ。得到的電壓波形就是一個(gè)切相的正弦曲線(xiàn)。

　　這種類(lèi)型的調光能很好地用于白熾燈，因為它們是簡(jiǎn)單的阻型負載。當導通角減小時(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光。

　　TRIAC還有一個(gè)對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)導通角上的開(kāi)啟。白熾燈負載很容易滿(mǎn)足這個(gè)條件，因為負載都有原生的功耗等級，例如：40W、60W和75W。

　　與LED的兼容性

　　糟糕的是，固態(tài)照明沒(méi)有相位調光方案的優(yōu)點(diǎn)。LED是一種半導體器件；控制其光輸出的方式是調節它的正向電流。高亮度LED可以流過(guò)數百毫安至數安電流，為保持系統效率，通常都采用一只開(kāi)關(guān)式轉換器。

　　對于一個(gè)標準的開(kāi)關(guān)轉換器，其輸出的調節與平均輸入電壓無(wú)關(guān)，這意味著(zhù)必須先對相位調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節的基準電壓。盡管這對功率電子設計者是相對簡(jiǎn)單的工作，但其背后隱藏著(zhù)更多的復雜性。

　　一個(gè)明顯的區別是，負載不再是純阻性的。實(shí)際上，轉換器對相位調光器可以看作一個(gè)電抗性負載，因為電路中同時(shí)包含有容性和感性元件。于是，一個(gè)標準轉換器在遇到斬相電壓的快速上升沿時(shí)就會(huì )出現問(wèn)題。設計人員一般采用標準的RC阻尼方法，減少這種上升沿所導致的問(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代LED的效率遠遠超過(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(zhù)，替代一只60W燈泡或燈具的LED功耗可以低至10W至12W。這種能量節省對消費者很重要，而對相位調光器則不然，因為它要求最低的保持電流。

　　當用TIRAC對一只LED燈具做調光時(shí)，它可能會(huì )瞎火（misfire），就是說(shuō)，不能為整個(gè)導通角提供足以維持導通的電流。由于瞎火情況通常與連續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。因為其頻率低，于是這種振蕩表現為光輸出的顫動(dòng)和閃爍。為防止這種可見(jiàn)的閃爍，轉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換器設計的主要目標相悖，原來(lái)的目標是提供高效、良好設計的高質(zhì)量電源處理。因此，設計者要做雙倍的工作：既要從交流電源為L(cháng)ED負載提供高效的電源轉換，又要確保相位調光功能的正常工作，同時(shí)盡量減少過(guò)多的功率損耗。

　　現在，對電源質(zhì)量的新規定要求很多LED系統中使用PFC（功率因數控制）。PF（功率因數）是對轉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LED系統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(zhù)當電壓與電流同時(shí)下降時(shí)，相位調光器經(jīng)常會(huì )導通角的末端瞎火（圖2）。這種瞎火會(huì )根據其發(fā)生的時(shí)點(diǎn)，產(chǎn)生一種不斷變化的導通角解碼。

　　初始方案

　　一種滿(mǎn)足保持電流要求的簡(jiǎn)單方法是加一個(gè)負載電阻，以確保設計在整個(gè)導通時(shí)間內，滿(mǎn)足最低的輸入電流條件。但這種方法效率太低。對于一個(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。

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

　　例如，對于一個(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)導通角上，TRIAC都能保持導通，就必須增加一個(gè)相當大的保持電流。由于這是一種通用設計，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。

　　動(dòng)態(tài)保持

　　獲得效率最大化的最佳方式是調節最低輸入電流。采用這種方法時(shí)，當輸入電流高于調節點(diǎn)時(shí)，不會(huì )拉出額外的保持電流。當輸入電流低于調節點(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地之間有一只檢測電阻，提供了一種輸入電流的檢測方法。通過(guò)電阻上檢測到的電壓，控制器就可以線(xiàn)性地從保持管腳拉出電流，以維持最小的調節輸入電流。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，這樣才能為轉換器提供精確的調光指令。想法是，防止TRIAC在解碼期間出現瞎火問(wèn)題，這樣導通角就不會(huì )出現偶發(fā)變化而造成閃爍。仔細觀(guān)察一下系統，實(shí)際并不需要在每個(gè)周期做角度解碼。一個(gè)采樣系統可以釋放出更多的效率。用這種方案，當發(fā)生解碼時(shí)，只有在采樣周期內才需要增加額外的保持電流。在非采樣周期內，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，動(dòng)態(tài)保持才有效。為驗證這個(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)保護電路，做了一個(gè)120V、15W的射燈應用（圖4）。在對20多種調光器的測試中，70 mA動(dòng)態(tài)保持法都確保了完整的調光區間，效率提高達6%。

　　采用這種方案的設計者有一個(gè)困難的挑戰。前面的分析忽略了轉換器上EMI（電磁干擾）輸入濾波器的影響。每個(gè)轉換器都需要濾波，才能通過(guò)有關(guān)傳導與輻射EMI的標準。不幸的是，整流橋交流端增加的電感元件會(huì )造成對直流端輸入電流測量的失真。這個(gè)問(wèn)題在導通角的末端變得更加嚴重，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，轉換器從EMI電容拉出大部分電流，而TRIAC傳導的電流小于預期。

　　為解決檢測的不精確問(wèn)題，應提高所調節的最小輸入電流，盡量減小EMI濾波器的電容。