步步驚心 超完整LED調光電路設計（組圖）

　　最近美國國家半導體公司開(kāi)發(fā)直接連接雙向交流觸發(fā)三極體調光器，幾乎完全不會(huì )發(fā)生閃爍現象的LED驅動(dòng)IC LM3445與評鑒基板。接著(zhù)筆者組合評鑒基板與簡(jiǎn)易雙向交流觸發(fā)三極體調光電路，說(shuō)明LM3445的評基板鑒與電路設計的重點(diǎn)。

　　評鑒基板封裝LM3445、電源電路，以及周邊電路，評鑒基板使用雙向交流觸發(fā)三極體調光電路，輸入已經(jīng)受到位相控制的電壓，利用高頻切換器提供LED電流，LED驅動(dòng)器設有可以控制流入LED電流峰值的降壓轉換器，動(dòng)作時(shí)設定OFF時(shí)間超過(guò)一定值以上。動(dòng)作上首先接受雙向交流觸發(fā)三極體調光電路的輸出電壓，接著(zhù)檢測雙向交流觸發(fā)三極體的ON時(shí)段，再將此信號轉換成流入LED電流指令值，此時(shí)流入LED電流與雙向交流觸發(fā)三極體ON時(shí)間呈比例，就能夠沿用傳統白熱燈泡的調光電路。此外上記評鑒基板支持還主從結構，能夠以相同電流調光復數LED。

　　評鑒與電路整體架構

　　圖1(a)是評鑒電路方塊圖；圖1(b)是雙向交流觸發(fā)三極體的調光電路，由圖可知本電路采取“Anode fire”方式，使用雙向交流觸發(fā)三極體的兩端電壓當作驅動(dòng)電壓，通過(guò)可變電阻VR后，使電容器C1充正電壓或是負電壓，此時(shí)不論極性，電容器C1的電壓一旦超過(guò)一定程度，觸發(fā)二極管通電會(huì )使雙向交流觸發(fā)三極體點(diǎn)弧，流入雙向交流觸發(fā)三極體的電流，即使超過(guò)一值仍舊持續通電，電流則流入負載。

　　圖中的二極管D1～D4與15kΩ電阻，連接于雙向交流觸發(fā)三極體的兩端，主要目的不論極性都能夠使電容器C1的開(kāi)始充電電壓維持一定值，此外為避免受到商用電源極性影響，因此刻意將此整合成相同點(diǎn)弧位相的電路。由于雙向交流觸發(fā)三極體電路OFF時(shí)，不會(huì )完全遮斷電流，大約有15kΩ的阻抗值，為減少對評鑒基板的影響，本電路插入1kΩ的假電阻。圖1(c)是供應評鑒基板的電壓波形，取電源的正弦波。

　　圖2是評鑒基板的電路圖，根據圖1(c)的電壓波形可知，輸出調光LED的電流要求各種技巧，第1調光必需指定流入LED的電流，因此評鑒基板若能夠從雙向交流觸發(fā)三極體的ON時(shí)段獲得信息，理論上LED只要流入與該時(shí)段呈比例的電流，LED就能夠沿用傳統白熱燈泡的調光器進(jìn)行調光。

　　LM3445的ON時(shí)段在450至1350范圍，支持0%～100%的電流值指令，若以雙向交流觸發(fā)三極體的弧點(diǎn)角度θ表示，它相當于1350～450范圍。

　　第2是輸入評鑒基板的電源，使用雙向交流觸發(fā)三極體進(jìn)行位相控制，因此無(wú)電壓時(shí)段，即使使用高頻切換電路也無(wú)法消除閃爍問(wèn)題。上記電路為消除閃爍，未使用電容輸入型電路，改用填谷電路盡量減輕對電源的影響，因此本電路設置D4、D8、D9、C7、C9，以C7、C9串行電路使輸入的電壓峰值充電。

　　C7、C9相同容量時(shí)，各電容器的充電電壓是輸入電壓峰值的一半，換句話(huà)說(shuō)輸入電壓峰值變成一半時(shí)，各電容器開(kāi)始放電，輸入電壓峰值變成一半為止則以填谷電路動(dòng)作，如此一來(lái)轉換器的輸入電壓能夠維持一定，同時(shí)還可以高頻使LED點(diǎn)燈。圖3是填谷電路與輸出、入電壓波形。由圖可知輸入電壓波形是雙向交流觸發(fā)三極體輸出整流后的波雙向交流觸發(fā)三極體的ON時(shí)段(角度)，大于900時(shí)會(huì )變成一半，低于900時(shí)＝1/2×sin（180－ON時(shí)段）＝1/2×sinθ。

　　第3是LED的電流調整電路，并不是可以使降壓轉換器維持一定頻率方式，而是采用能夠使OFF時(shí)段維持一定的方式，因此設計上要求承受輸入電壓、LED電流大范圍變動(dòng)。雖然動(dòng)作頻率隨著(zhù)輸入電壓與負載改變，不過(guò)本電路可以完全忽略L(fǎng)ED的閃爍問(wèn)題，輕易設定頻率范圍。評鑒基板的基本設計與動(dòng)作方式，建立在上記3項設計核心技術(shù)，除此之外為設定條件，電路上還要求其它各種技巧。接著(zhù)以8個(gè)LED為范例，探討評鑒基板的電路定數。

　　降壓轉換部位的動(dòng)作

　　圖4是降壓轉換部位相關(guān)電路圖，由圖可知它是由切換用FET Tr2、電感L2、續流二極管D10構成降壓轉換部主要電路，除此之外電流復歸用電阻器R3、決定FET OFF時(shí)間的電容器C1、充電電路Tr3、R4、吸收波動(dòng)電流的電容器C12、LM3445的內部結構，鎖定轉換器的動(dòng)作，細節忽略不詳述。圖中的L5是磁珠電感，它可以抑制續流二極管D10的逆回復電流。

　　Tr2 ON時(shí)，流入L2的電流取決于輸入電壓Vbuck與LED電壓VLED兩者的電壓差，最差情況LED的順電壓下降為3.99V，8個(gè)LED串聯(lián)需要31.9V。流入Tr2的電流除了受到電流指令最大值750mA的限制之外，有關(guān)對短路等異常電流的保護，本電路備有電流限制器功能，不過(guò)Tr2正確動(dòng)作的代價(jià)是輸入電壓最大值有極限。

　　IC內部的起動(dòng)電路一旦開(kāi)始動(dòng)作，GATE信號變成H，就會(huì )使Tr2 ON進(jìn)入行程。LM63445即使ON，電流的檢測不會(huì )以一定時(shí)間進(jìn)行，IC內部的125ns延遲時(shí)間內，電流檢測電阻R3的電壓R3，利用內部FET持續限制在0V，PWM與I-LIN兩轉換器的輸入維持L狀態(tài)，這樣的設計主要目的是考慮Tr2 ON時(shí)，二極管D10的逆向回復電流很大，避免瞬間遷移至GATE信號變成OFF狀態(tài)，轉換器可能無(wú)法起動(dòng)。

　　延遲時(shí)間內Tr2 ON時(shí)電流的過(guò)渡變化，Tr2的電流與L2一旦相同，就進(jìn)入檢測L2電流變化的行程，該電流檢測功能有所謂無(wú)效時(shí)間，因此降壓轉換器的輸入電壓最大值時(shí)，為確實(shí)保障此延遲時(shí)間，如圖5所示要求最小200ns的ON時(shí)間。延遲時(shí)間之后隨著(zhù)直線(xiàn)上升的L2電壓，R3的電壓也直線(xiàn)上升，該電壓經(jīng)過(guò)電流感測端子ISNS輸入至PWM轉換器，一直到電壓到達電流指令值為止，GATE信號維持ON狀態(tài)。評鑒基板的電流檢測用電阻R3大約1.8Ω，PWM的電流指令值最大值，750mV時(shí)為417mA，延遲時(shí)間與溫度有依存關(guān)系，大約100～160ns。

　　PWM轉換器進(jìn)行IC內部產(chǎn)生的電流指令值與R3電壓比較，R3的電壓超過(guò)電流指令值，H的信號經(jīng)過(guò)內部控制電路使GATE信號OFF。此外本電路還設置PWM轉換器不動(dòng)作時(shí)的I-LIM轉換器，超過(guò)1.27V峰值會(huì )使GATE信號OFF抑制電流。Tr2 OFF時(shí)L2的電流移至D10，L2則以L(fǎng)ED的一定電壓開(kāi)始再設定(reset)，L2的電流呈直線(xiàn)性衰減，磁束則被再設定(reset)。評鑒基板的此OFF時(shí)間取決于LED的電壓，主要理由在動(dòng)作范圍，希望優(yōu)先正確進(jìn)行L2的磁束再設定。

　　決定OFF時(shí)間的電容器C11與定電流電路Tr3、R4，定電流電路利用LED的順向電壓，配合LED的電壓使電流流動(dòng)C11，C11的電壓呈直線(xiàn)性上升，利用該電壓與時(shí)間呈比例的特性。定電流電路的動(dòng)作非常簡(jiǎn)單，配合LED的順定下降電流流入R4，Tr3的基準電流配合Tr2的增幅率電流流動(dòng)，由于流入Tr3集極(collector)的電流與流入R4的電流幾乎相同，因此C11內部有一定電流流動(dòng)，該電壓呈直線(xiàn)性上升，C11的電壓被輸入至LM3445的COFF則進(jìn)入COFF的比較器(Comparator)，電壓一旦超過(guò)1.276V基準電壓，再度使GATE信號移轉至ON狀態(tài)，換言之OFF時(shí)間是與LED的電壓呈比例的值。

　　綜合上記結論可知，GATE信號ON時(shí)IC的COFF輸入，亦即C11在IC內部以33Ω的阻抗值短路，此時(shí)C11的電壓幾乎維持0V，一旦進(jìn)入OFF行程就開(kāi)始對C11定電流充電，亦即開(kāi)始時(shí)間計數。接著(zhù)以評鑒基板為例試算OFF時(shí)間。

　　假設：

　　由此可之電感L2的再設定時(shí)間大約3.2μs。電感L2的再設定電壓是LED的電壓VLED，它是一定值。電流直線(xiàn)性下降，持續到FET的下個(gè)ON為止。L