基于英飛凌LED可控硅調光解決方案

可控硅調光的原理

圖1所示為典型的前沿可控硅調光器原理圖，以及它所產(chǎn)生的電壓和電流波形?；芈冯妷?電流是同相位的(負載是白熾燈)。

電位器RV2調整可控硅(TRIAC) 的相位角，當VC3超過(guò)DIAC的擊穿電壓時(shí)，可控硅會(huì )導通。當可控硅電流降到其維持電流(Iholding)以下時(shí)(如下圖2)，可控硅關(guān)斷，且必須等 到C3 在下個(gè)半周期重新充電后才能再次導通。燈泡燈絲中的電壓和電流與調光信號的相位角密切相關(guān)，相位角的變化范圍介于0度(接近0度)到180度之間(取決于 調光器)。

LED調光存在的問(wèn)題

LED 燈要想實(shí)現可調光，其電源必須能夠檢測可控硅控制器的可變相位角輸出，以便對流向LED的電流進(jìn)行調整。在維持調光器正常工作的同時(shí)做到這一點(diǎn)非常困難， 往往會(huì )導致性能不佳。問(wèn)題可以表現為閃爍及音訊噪聲等問(wèn)題。這些不良現象通常是由誤觸發(fā)或過(guò)早關(guān)斷可控硅等因素造成的。誤觸發(fā)的根本原因是在可控硅導通時(shí) 出現了電流振蕩。圖3以圖表形式對該影響進(jìn)行了說(shuō)明。

圖2.可控硅導通的工作條件

圖3 可控硅電流(可控硅多次觸發(fā)，但不能維持導通)

可控硅導通時(shí)，AC市電電壓幾乎瞬間施加到LED燈電源的LC輸入濾波器。施加到電感的電壓階躍會(huì )導致振蕩。如果調光器電流在振蕩期間低于可控硅維持電流， 可控硅將停止導通?？煽毓栌|發(fā)電路充電，然后再次導通可控硅。這種不規則的多次可控硅重啟動(dòng)(如圖3)，可使LED驅動(dòng)產(chǎn)生音訊噪聲或LED閃爍。設計更 為簡(jiǎn)單的 EMI濾波器有助于降低此類(lèi)不必要的振蕩。要想實(shí)現出色的調光功能，輸入EMI濾波器電感和電容須盡可能地小。

對于可控硅來(lái)說(shuō)，維持導通所需的維持電流通常介于8 mA到75 mA之間。白熾燈比較容易維持這種電流大小，但對于功耗僅為等效白熾燈10%的LED燈來(lái)說(shuō)，該電流可降低到可控硅維持電流以下，導致可控硅過(guò)早關(guān)斷。這樣就會(huì )造成閃爍或限制可調光范圍。

輕微閃爍問(wèn)題

表1 DIAC特性

從表1可見(jiàn)由于DIAC的特性描述了正反擊穿電壓存在誤差，擊穿電壓不對稱(chēng)會(huì )引起可控硅的正半周和負半周的導通角不一樣(見(jiàn)圖4A)，在低成本的調光器中尤其明顯，輸出電流也會(huì )跟隨輸入變化(如圖4b)，引起LED燈忽亮忽暗，尤其在低輸出時(shí)明顯。

英飛凌實(shí)用LED驅動(dòng)調光解決方案

基于以上問(wèn)題，英飛凌推出一種專(zhuān)為高效離線(xiàn)式 LED調光驅動(dòng)應用設計的準諧振 PWM 控制器--ICL8002G,可用作反激式變換器或降壓轉換器的設計與應用。其準諧振工作模式、 初級側控制、集成式 PFC 和切相調光控制、各種保護功能使其成為適用于可調光的 LED 球泡燈出色的系統解決方案。與 ICL8001G相比，新的 ICL8002G在調旋光性能和輸出電流穩定性方面有巨大改進(jìn)?？梢酝ㄟ^(guò)增加阻尼電路和泄放電路使它與基于 TRIAC 的切相調光器的兼容性得以改善，并通過(guò)額外的線(xiàn)性調整電路使輸出電流在很寬的輸入電壓范圍內保持穩定。

下表所示為ICL8002G演示板設計規格

原理圖

圖5 基于ICL8002G 12W可控硅調光LED球炮燈應用的原理圖

基于 TRIAC 的調光器的兼容性

基于TRIAC 的調光器可以完美用于白熾燈等阻性負載。當它們用于開(kāi)關(guān)式 LED驅動(dòng)器等非線(xiàn)性負載時(shí)，可能產(chǎn)生閃爍問(wèn)題，這主要是因維持電流不足(LED整個(gè)燈具所消耗電流小于可控硅的維持電流)以及電流振蕩--尤其是在 TRIAC 導通期間造成的。因此，為了提高與基于 TRIAC 的調光器的兼容性，通常在 LED 驅動(dòng)器中增加泄放電路和阻尼電路。此設計中包含的被動(dòng)式泄放電路(由 C1,C2,R4,R5 組成)可以使輸入電流大于 TRIAC 的維持電流閾值之上。R1、R2 這兩個(gè)電阻器被用于抑制振蕩及減小浪涌電流。輕微閃爍解決方法及實(shí)驗數據

圖 5中電路A由R6、R7、R8、C4、Q2、ZD1組成的電路網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)為深度調光及改善忽亮忽暗(輕微閃爍)，其中ZD1是一個(gè)保護二極管防止Q2的Vbe 過(guò)壓擊穿，R6、R7、R8組成了一個(gè)分壓檢測器，由于C4的容量較大，因此C4端是一個(gè)平滑電壓。下圖6A是在輸出電流較小時(shí)且未增加上述電路的C5電 壓波形(兩個(gè)相鄰半波輸入不對稱(chēng))。若增加此電路后，當C4端的電壓如下圖紅線(xiàn)的電壓時(shí)，C5的電壓會(huì )通過(guò)Q2被箝位得到一個(gè)較為均勻的電壓如圖6B所 示，同時(shí)由于VR端電壓的高低決定輸出電流大小，不均勻的VR端電壓會(huì )導致LED閃爍，相反較為均勻的VR端電壓將會(huì )改善輸出LED的輕微閃爍。C5的電 壓通過(guò)Q2跟隨C4端電壓的變化而變化，若在低導通角時(shí)C5端的電壓會(huì )通過(guò)Q2跟隨C4端電壓降到更低的電壓以達到減小輸出電流從而增加調光范圍實(shí)現深度調光。

圖7 所示為C4,C5實(shí)際的測試波形，其中棕黃色是C5端電壓，藍色線(xiàn)是C4端電壓。實(shí)測證明增加電路A后是可以改善VR端電壓不對稱(chēng)現象。

圖8A所示為L(cháng)ED輸出電流波形是沒(méi)有增加電路A,正負半周相差太大導致輸出會(huì )有忽亮忽暗的輕微閃爍，圖8B是增加了電路A的輸出LED的電流波形，可以看到增加此電路后LED的閃爍問(wèn)題會(huì )有所改善。

線(xiàn)性調整率

圖 9 顯示的是測得的 LED 電流與電源電壓的關(guān)系。在整個(gè)輸入電壓范圍內 (180Vac-265Vac)，最大電流偏差被限制為 ±3%.

圖9.輸入電壓VS 輸出電流

調光曲線(xiàn)

圖10顯示的是測得的LED調光范圍與可控硅導通角度的關(guān)系。調光范圍可以下降到1%以下。

圖10.LED調光曲線(xiàn)(LED調光范圍VS可控硅導通角)

保護功能

輸出開(kāi)路保護

在運行期間，如果輸出端為開(kāi)路狀態(tài)，輸出電壓會(huì )升高，于是 MOSFET 關(guān)斷時(shí)VCC繞組產(chǎn)生的電壓也會(huì )升高。ICL8002G的引腳 ZCV通過(guò)R15和R16檢測VCC繞組電壓， ZCV電壓一達到 OVP 閾值 (Vzcovp = 3.7V) 就會(huì )觸發(fā)輸出過(guò)壓保護，IC 將進(jìn)入鎖存關(guān)斷模式。另一方面，VCC繞組產(chǎn)生的電壓將為 Vcc 供電，如果 Vcc 達到閾值 (Vvccovp = 25V)，則會(huì )觸發(fā) Vcc 過(guò)壓保護。在此演示板設計中，當輸出端處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，ZCV腳電壓將會(huì )達到OVP閾值且被觸發(fā)，IC 也將進(jìn)入鎖存關(guān)斷模式。鎖存關(guān)斷模式下的功耗小于 0.5W.

輸出短路保護

如果輸出端短路，IC 將通過(guò) VCC 欠壓保護方式切換至自動(dòng)重啟模式。此模式下的總輸入功耗會(huì )保持在低于1W水平。