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LED 由于其高亮度、節能和長壽命成為第四代照明光源。節能型LED 調光是目前應用和研究的熱點之一。目前,LED 照明主要的調光方式有:模擬調光、脈寬調制(PWM)調光、可控硅(TRIAC)調光。而可控硅調光由于不需改變原有線路,是目前普遍采用的一種調光方式。 請參考：最新高能效LED照明解決方案。 適于TRIAC 調光的非隔離LED 驅動器,是在電路中加入電容器網絡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構,需要外加電路來檢測TRIAC 的調光角。針對帶隔離輸出的TRIAC 調光的LED 驅動應用提出的適于反激PFC 轉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 兼容大部分行業的解決辦法效率都低( 觸發角檢測和TRIAC 維持電流需要虛擬負載),復雜的隔離反饋結構或兩級轉換的高成本,因此,對于簡單高性能且適用于TRIAC 調光的LED 驅動器仍有必要。 本文設計原邊控制的單級反激變換器,適于TRIAC 調光且與LED 驅動器兼容的驅動方案。輸出電流由原邊檢測的信號精確地計算控制,在DCM 模式下操作轉換器,輸入電流將跟隨輸入電壓得到高功率因數,使LED 驅動器與TRIAC 調光器很好地兼容。此外,使用原邊控制,使得輸出電流信號和TRIAC 調光信號在原邊獲得,簡化電路功能。輸出電流通過TRIAC 導通角的變化改變,得到近乎線性的調光曲線。 1 工作原理 由于TRIAC 調光很普遍,成本較低,因此,能夠與LED 驅動電源兼容的TRIAC 調光器很普遍。在實際應用中,盡管由于輸入電流高度扭曲使得功率因數無關緊要,但在帶PFC 控制的調光中,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。 TRIAC 調光功能可以很容易實現,關鍵是如何檢測調光角和改變基于調光角的輸出電流。 1. 1 TRIAC 調光器 圖1 給出了TRIAC 調光器經整流后的波形圖。由圖可看出,TRIAC 在琢角時觸發導通,當電壓過0 時關斷。此時觸發相位角的輸出電壓Vout由式(1)計算。 out和Vin 分別是調光器輸出電壓和線電壓的有效值。VF 是LED 的閾值電壓。 此時功率因數可由式(2)表示。 圖1 TRIAC 調光器整流后波形 1. 2 單級反激PFC 變換 為得到較高的功率因數,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輸出用來控制流經原邊開關的峰值電流。 圖2 原邊控制的反激PFC 電路 當原邊開關Q1導通,變壓器磁化電流(isw)呈線性增加。當isw達到參考電流IREF,開關Q1關斷,磁化電流傳輸到副邊。副邊二極管D1導通,磁化電流線性增加。一旦電流達到0,開關管Q1重新導通。 在DCM 模式下的穩態波形如圖3 所示。 圖3 DCM 模式下原邊信號的穩態波形 2 電路設計及實現 針對TRIAC 調光中出現的尖峰電流及LED 燈閃爍問題,在電路中設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;調光范圍:1% ~100%;調光過程穩定無閃爍。 圖4 基于FL7730 的TRIAC 調光驅動器原理圖 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體的控制芯片FL7730。FL7730 是一款適合于單級反激拓撲的有源功率因數校正控制器,采用模擬檢測方式,可兼容傳統的TRIAC 調光,實現調光控制。本設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。調光過程平穩且LED 燈無閃爍,較好地實現線性頻率控制,實物圖如圖5 所示。 圖5 調光控制實物圖 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 為開關關斷時間,T 是開關周期,VCS 是原邊電流檢測電壓。 2. 1 無源泄放電路的設計 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。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 導通的泄放電流的大小。在調光中,泄放電流大,調光穩定性越高。電阻R1在電路中起阻尼作用,抑制調光器觸發時電容C1快速充電引起的尖峰電流。 2. 2 有源阻尼電路設計 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。在調光器觸發時,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,大電流將引起調光器誤觸發,破壞TRIAC 調光器。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 仿真結果及數據分析 圖7 給出了在不同導通角時整流橋輸出電壓的波形圖。由于調光器內部RC 電路的延時作用,使得最大最小調光角受到限制。由圖中可看出,隨著控制角的增大,可調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搖調光曲線圖(調光角相對LED 電流的關系)圖8 所示是調光角與LED 輸出電流之間的關系,表1 給出了實驗數據。由圖8 可以看出,隨著調光比的減小,LED 電流平滑地下降,實現平穩調光。這是由于調光角越小,可調電壓范圍越小,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 調光曲線圖(調光角相對LED 電流的關系) 4 結論 本文分析了TRIAC 調光器及單級PFC 反激變換器的工作原理, 基于飛兆半導體控制芯片FL7730,設計一款支持TRIAC 調光的原邊恒流控制的小功率LED 驅動電源。設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。該原邊控制的設計使LED 驅動電路結構簡單,與現有照明系統兼容性好,效率高,成本低。很好地滿足室內LED 驅動器的實際應用要求。 |
