一种适用于TRIAC调光器的原边恒流控制LED驱动电路

郭 津，葛良安，毛昭祺 ，马 皓

(1.浙江大学电气工程学院，杭州 310027；2.英飞特电子（杭州），杭州 310053）

引言

在全球能源与环保的双重压力之下，节能的要求越来越高，而照明用电是能源消耗的一个重要部分。新型高亮度LED（HB LED）照明作为一种节能、绿色的照明方式将取代传统的气体放电灯和白炽灯[1]。

家用LED照明采用的调光方案主要有两种：PWM调光和直流电压模拟调光[2]。PWM调光需要在电路中增加一路PWM信号输出，而直流电压模拟调光需要通过调整电流检测电阻或用模拟电压驱动IC的某个调光功能引脚来完成，两种方法都需要增加很多功能电路或者使用专用芯片。而在家用照明中大量存在的双向可控硅（TRIAC）调光器若用于控制普通LED驱动器，LED灯串会产生闪烁，且不能实现较大的调光比。对此，世界各大芯片公司都已推出专用调光芯片以使LED驱动器能够适用于TRIAC调光器。专用芯片性能较强，调光比高，但成本较高。通用芯片本身不易实现TRIAC调光功能，若能通过添加简单的外围电路来解决TRIAC调光中容易出现的问题，就可以在满足性能的基础上降低成本。

本文选用通用电源管理芯片BCD AP3766，基于其价格较低，输出恒流控制较简单的优点，设计了一款可用于TRIAC调光器的小功率原边恒流控制LED驱动电路，通过增加相角检测控制电路和维持电流补偿电路，使调光器导通角度与电源输出电流建立对应关系，实现LED的TRIAC调光功能[3]，并对有关设计进行了探讨。与PWM调光和直流电压模拟调光相比，本文方案更适用于TRIAC调光器，且能满足有关家用LED驱动器的要求，结构简单，安全性高，并极大地降低了成本。

1 驱动电路的设计要求和原理

1.1 设计要求

输入电压176～265 VAC，标称值220 VAC，输出电压52 VDC，输出电流100 mA，调光范围1%～100%，调光时LED负载发光平稳变化且不闪烁。

1.2 电路框图与原理

整个电路划分为若干功能模块，确定其相互关系并进行设计得到电路框图，如图1所示。

输入电路：包括输入端EMI滤波器、冲击电流抑制电阻以及双向可控硅（TRIAC）调光器。

主功率拓扑：采用Flyback电路，工作在DCM模式，工作频率固定。为了达到能源之星（EnergyS-tar）标准中家用照明产品的功率因数最低需达到0.7的规定，本设计加入了填谷式PFC电路以提高功率因数。

输出电路：LED负载。

控制电路：以AP3766为PWM控制器，控制方式为原边峰值电流模式。电路还有输入欠压、输出过压、输入过流和热保护功能。

维持电流补偿电路：检测主电路输入电流，也就是流过TRIAC的电流，通过外加补偿电流的方式来保证流过TRIAC的电流大于其维持电流，从而保证在TRIAC导通阶段不会误关断而引起LED闪烁。

相角检测控制电路：检测整流桥输出电压波形，将经TRIAC切相后导通角度转化为对应大小的电平信号输入到原边电流控制芯片，从而改变输出电流大小。TRIAC调光的相角检测控制电路是整个设计的关键，在下节详细介绍。

2 相角检测控制电路的研究和设计

2.1 相角检测控制电路工作原理

文献[3]中提出的RMS检测电路采样输入电压后通过光耦转换及RC滤波，输出一个RMS电平信号来指示输入电压有效值，并输入到DC/DC级控制端。本文提出的相角检测控制电路的作用是将TRIAC调光器切相后的导通角度转化为相对应的电平信号。原边电流控制芯片将相角检测控制电路的输出电平信号与主电路中开关管的电流检测信号进行处理，根据处理结果输出PWM控制信号，以此改变输出电流，从而实现调光功能。相角检测控制电路较RMS检测电路更简单、可靠，且实用性较强。本文采用的相角检测控制电路如图2所示。

图2 所示相角检测控制电路包括：低电平检测电路、充放电及峰值保持电路、电压跟随电路。

（1）低电平检测电路，用于检测输入切相电压中的低电平，将导通角度转换成锯齿波脉冲信号，该锯齿波脉冲信号的峰值变化与输入切相电压的相位角变化一致；

（2）充放电及峰值保持电路，用于将锯齿波脉冲信号转换为电平信号，该电平信号的变化与锯齿波脉冲信号峰值的变化一致；

（3）电压跟随电路，用于将充放电及峰值保持电路与原边电流控制电路的阻抗相匹配。

2.2 调光特性曲线推导

相角检测控制电路各点波形如图3所示。可知，b点的电压Vb在半个工频周期（0.01 s）内与低电平持续时间t的关系为：

而在半个工频周期内，TRIAC调光器的导通角与t的关系如下：

将（2）式代入（1）式得 Vb在半个工频周期（0.01 s）内与导通角θ的关系：

Vb经过二极管D1，从电压跟随电路c点输出电压Vc如下：

上式中，VD1为二极管D1的正向压降，h为三极管Q1的放大倍数。

对于DCM模式下的Flyback电路来说，有如下能量关系[4]：

式中：ip为变压器原边峰值电流，通过原边电流检测电阻RCS得到；VCSth为芯片内部设定值，设为0.5 V，则可得到输出电流IO和导通角θ的关系式如下：

根据（6）式画出电路的调光特性曲线如图4所示。

图4 理论调光特性曲线

2.3 TRIAC调光的其他控制方法

本文所提出的TRIAC调光方案为闭环控制，将TRIAC切相后的导通角度转化为一定的电平信号传递到原边恒流控制电路中，从而改变主电路的控制信号以达到调节输出电流的目的。若LED驱动电路采用副边恒流控制，也可以将TRIAC切相波形信号经处理后传递到副边恒流控制电路中，以此改变闭环控制参数从而调节输出电流。此外，家用小功率LED照明的调光还可以采用开环调光控制，即在调光阶段令电路处于开环状态，这样输出电流就由输入的能量控制，即由TRIAC导通角控制。此类专用调光芯片有 NXP SSL2101/2102，ON NCL30000等。

3 维持电流补偿电路的研究和设计

维持电流补偿电路的主要作用是检测流过TRIAC调光器的电流，即输入电流，通过运放控制MOS管GS电压来控制MOS管，从而外加一个流过TRIAC调光器的补偿电流，将输入电流补偿到设定值。此设定值须大于TRIAC的维持电流，这样才能保证TRIAC导通时不会由于输入电流小于其维持电流而导致误关断从而引起LED闪烁。

4 实验参数与实验结果

4.1 实验参数

主要实验参数如下：主电路工作频率fSW=50 kHz，Flyback变压器原边励磁电感Lm=3.8 mH，原副边变比为1.6，副边输出电容C=82 μF，原边峰值电流检测电阻RCS=2.4 Ω。

4.2 调光波形

TRIAC调光波形如图5所示。

从图5可以看出，输入电压电流波形和输出电流波形随TRIAC调光器导通角的变化而变化，且波形稳定，输出电流稳定，LED负载不闪烁。图中输入电流波形是为提高电源功率因数而加入填谷式PFC电路后的电流波形。

图6 为相角检测控制电路各点波形。Vin为经TRIAC 调光器切相后的输入电压波形，Va，Vb，Vc分别为a，b，c点电压波形。可以看出，实验波形与理论波形一致，实验结果较好，调光效果达到预期目标。

4.3 恒流特性

在176～265VAC输入范围且输出满载时输出恒流特性曲线如图7所示，输入调整率约为4%，恒流特性较好。

整机不调光（满载）时效率达到78%，且功率因数在全电压范围内大于0.9，达到了能源之星（EnergyStar）标准中家用照明产品的功率因数（PF）最低需达到0.7的规定。

4.4 调光特性曲线

使用不同TRIAC调光器对本文设计LED调光方案进行测试，均有良好的调光效果，绘制出使用一款TRIAC调光器的调光特性曲线如图8所示。

从图8中可以看出，实际调光特性曲线与理论推导得出的调光特性曲线基本吻合。在30°～90°导通角时输出电流变化平稳缓慢；在90°～145°导通角时输出电流与导通角近似线性；导通角大于145°后输出恒流，调光效果较好。

5 结论

本文设计实现了一款基于通用PWM芯片AP3766的可用于家用TRIAC调光器的小功率原边恒流控制LED驱动电路，针对TRIAC调光的问题，增加相角检测控制电路和维持电流补偿模块实现了LED的TRIAC调光功能，并对有关设计进行了研究和探讨。本文方案满足有关家用LED驱动器的要求，结构简单，极大地降低了成本。

[1]Andre Tjokrorahardjo.Simple Triac Dimmable Compact Fluorescent Lamp Ballast and Light Emitting Diode Driver[C].25th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),2010,1352-1357.

[2]毛兴武.使用传统可控硅调光器的发光二极管驱动器[J].光源与照明,2009,4(12):1-4.

[3]Dustin Rand,Brad Lehman,Anatoly Shteynberg.Issues,Models and Solutions for Triac Modulated Phase Dimming of LED Lamps [C].Power Electronics Specialists Conference(PESC),2007:1398-1404.

[4]周源,孙耀杰.隔离式反激型LED驱动器的建模与调光设计 [J].光源与照明,2008,3(1):1-5.