基于反激式LED驅動(dòng)芯片的可控硅調光設計

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，受益于成本的降低及技術(shù)的更新，LED應用在近年取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。如果能夠兼容除了燈具以外的設備，將會(huì )節省很大的成本，使LED更快地取代當前的照明產(chǎn)品。當前照明用的調光器大部分為可控硅調光，因此所設計的LED驅動(dòng)芯片若能兼容可控硅調光，則具有重大的意義。由于LED驅動(dòng)是一門(mén)新興的技術(shù)，市場(chǎng)上能兼容可控硅調光的芯片還很少，因此本文的研究具有探索研究的意義。

1 TRIAC調光原理及簡(jiǎn)介
目前市場(chǎng)上主流的非節能調光器多為T(mén)RIAC調光方式，即三端雙向可控硅調光。TRIAC調光器也是目前應用最廣的調光器。
圖1為典型的雙向可控硅調光電路原理圖。將R及C連接成為RC電路,電源給C充電的時(shí)候，可以令TRIAC調光器延遲啟動(dòng)，直至C的電壓上升至觸及DIAC的觸發(fā)點(diǎn)電壓(一般為32 V)。調整電位計R的電阻可改變啟動(dòng)延遲時(shí)間，從而改變TRIAC調光器的“導通時(shí)間”，即改變其“導通角”。因此，負載獲得的平均供電便可改變。圖2顯示了典型的AC經(jīng)過(guò)TRIAC后的電壓波形。

2 調光的難點(diǎn)與需要解決的問(wèn)題
　TRIAC維持導通需要3個(gè)條件:觸發(fā)電流IG、鎖定電流IL和Hold電流IH：
　(1) IG是觸發(fā)TRIAC導通的條件，只有觸發(fā)了TRIAC導通，才能使雙向可控硅導通；
　(2) IL是指在NPNP放大的過(guò)程中,如果要使NPNP連續導通的所需的一個(gè)最小電流；
　(3) IH是指TRIAC正常工作之后，如果電流掉得太小，會(huì )導致TRIAC截止，所以鎖定電流就是維持導通所需要的最小電流。
　在LED驅動(dòng)電路中，由于傳導輻射EMI的要求，需要在全橋之前放置電感(圖3中的L1，L2)來(lái)防止外界的輻射干擾。同樣，由于大多數LED驅動(dòng)電路采用開(kāi)關(guān)電源架構[2]，為了防止初級變壓器的漏感導致的電壓尖峰，需要在主級加一個(gè)大電容(圖3中的C13)來(lái)緩沖電壓尖峰。這樣在母線(xiàn)電壓的電路中有電流流過(guò)時(shí)，由于LC振蕩會(huì )導致電流,使電流振蕩到Hold電流以下。在TRIAC導通的瞬間，相當于給LC電路一個(gè)階躍響應，使電路產(chǎn)生一個(gè)振蕩。
3 damping電阻防振蕩原理分析
　對電路列KVL,可得：

　如果沒(méi)有電阻，將產(chǎn)生振蕩波形；如果加入阻尼電阻，當(R/2L)2>1/LC時(shí)，可使阻尼振蕩減小。所以，如果在電路中加入damping電阻，可以使通過(guò)TRIAC的電流由振蕩變成了欠阻尼的情況，保證不使流過(guò)的電流低于Hold電流以下，從而保證連續的對LED調光。解決了振蕩的問(wèn)題。
4 動(dòng)態(tài)damping電阻功能實(shí)現
　前文提到需要在EMI電感與反激電容間加一個(gè)damping電阻來(lái)防止LC振蕩。但是由于這個(gè)電阻需要加在主回路之間，因此主電流在TRIAC開(kāi)通的時(shí)間內電流都會(huì )流過(guò)電阻，導致電阻消耗的功率過(guò)大，實(shí)測這個(gè)電阻會(huì )損失約10%的效率，而效率是電源產(chǎn)品首要考慮的因素，因此，設計了圖4所示的動(dòng)態(tài)電阻的電路。該電路可以在電壓導通的瞬間(1 ms以?xún)?導通,然后在1 ms后關(guān)閉。

　在TRIAC導通后，可得如下公式：
　
如圖5所示,母線(xiàn)通過(guò)R51給C50充電，選取適當的時(shí)間參數。達到M50的導通電壓Vth(2V)的時(shí)間約為1 ms。Q50的作用是，當導通電壓到了波谷時(shí),MOS下次仍能正常充電設計。當到了谷底時(shí)，Q60的E極的電壓高于B極，Q60導通，C50的電壓開(kāi)始放電。

　本文基于A(yíng)C-DC LED恒流驅動(dòng)芯片MT7920實(shí)現TRIAC調光。MT7920是一款基于flyback的高PFC恒流LED驅動(dòng)芯片[3]。要實(shí)現輸出高PFC的功能，需要一個(gè)STP PIN來(lái)調節輸出電流。這里通過(guò)給STP PIN進(jìn)行電流補償來(lái)提供低導通角時(shí)所需的電流，達到低導通角調光的目的。該補償電路同樣適用于其他需要TRIAC調光的芯片。
輸入電壓VACin為正弦波時(shí)，由一個(gè)40 V的鉗位二極管D60將第1點(diǎn)的電壓鉗制在40 V,相當于一個(gè)周期性的脈沖電壓。這個(gè)電壓到了第3點(diǎn)由于電阻分壓，變成20 V，第1點(diǎn)的電壓經(jīng)過(guò)R61、C62，相當于通過(guò)一個(gè)Low Pass Filter，得到一個(gè)直流分量,因此第2點(diǎn)的電壓為第1點(diǎn)的峰值乘以Duty。第3點(diǎn)的電壓與第4點(diǎn)C60上的電壓相差一個(gè)二極管正向壓降，取C60/C62的比例為2：1，這樣在全電壓下第2點(diǎn)的電壓大于第4點(diǎn)的電壓，當導通角低于90°時(shí)，第2點(diǎn)的電壓低于第4點(diǎn)的電壓，此時(shí)Q61導通，有電流流過(guò)，可以對芯片進(jìn)行補償，達到相位補償的功能。
　圖7顯示了該電路的實(shí)測波形，可以看到，在導通角大于90°時(shí)，第2點(diǎn)的電壓高于第4點(diǎn)電壓；當導通角低于90°時(shí)，第4點(diǎn)高于第2點(diǎn)，Q61導通。

測試結果顯示，電路在全電壓范圍內能正常工作，啟動(dòng)角度為30°左右，實(shí)測該角度的電流基本上到了5%以下，更低導通角的調光沒(méi)有太大的意義。
本文通過(guò)對TRIAC的理論研究，找到了TRIAC對LED進(jìn)行調光的問(wèn)題所在，加入了damping電阻解決了調光的問(wèn)題。在此基礎上設計了動(dòng)態(tài)電阻的電路，且有效地提高了效率?；贛T7920芯片，根據相位補償原理設計了在導通角低下的情況下，也能穩定地對TRIAC進(jìn)行調光的電路。經(jīng)過(guò)PCB設計后的電路實(shí)測，電路能達到穩定調光的功能。
參考文獻
[1] 韓良玉.雙向晶閘管4種導通方式優(yōu)缺點(diǎn)比較[J]. 開(kāi)封大學(xué)學(xué)報,1995(01):64.
[2] PRESSMAN A I.開(kāi)光電源設計[M].王志強,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.
[3] Maxictech, MT7920: low power, high PFC high precision off-line white LED driver[EB/OL].www.maxictech.com, 2010.