原边控制带TRIAC调光的LED驱动电源的设计*

杨巍巍，史永胜，刘丹妮

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

原边控制带TRIAC调光的LED驱动电源的设计*

杨巍巍，史永胜*，刘丹妮

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

三端双向可控硅(TRIAC)调光器是目前应用最为广泛的调光器。针对TRIAC调光过程出现的闪烁、调光范围小、效率低等问题，基于FL7730芯片设计一款基于TRIAC调光的原边恒流控制的LED驱动电路;在电路中设计无源泄放电路为TRIAC提供维持电流和擎住电流，避免TRIAC误触发;设计有源阻尼电路抑制调光器导通时产生的尖峰电压。实验结果表明，调光驱动电源的功率因数高于0.9，效率在0.8以上，实现无闪烁调光。

LED驱动;可控硅调光;原边控制;反激变换

LED由于其高亮度、节能和长寿命成为第四代照明光源。节能型LED调光是目前应用和研究的热点之一［1］。目前，LED照明主要的调光方式有:模拟调光、脉宽调制(PWM)调光、可控硅(TRIAC)调光［2］。而可控硅调光由于不需改变原有线路，是目前普遍采用的一种调光方式。

适于TRIAC调光的非隔离LED驱动器，是在电路中加入电容器网络增加维持电流以保证TRIAC工作在线性周期，从而避免闪烁问题［3］。但是，这种方法仅适用于半桥结构，需要外加电路来检测TRIAC的调光角。针对带隔离输出的TRIAC调光的LED驱动应用提出的适于反激PFC转换器的前馈控制方案［3］，输出电流通过输入功率控制，但输出电流精度受到限制。由于TRIAC与LED兼容大部分行业的解决办法效率都低(触发角检测和TRIAC维持电流需要虚拟负载)，复杂的隔离反馈结构或两级转换的高成本，因此，对于简单高性能且适用于TRIAC调光的LED驱动器仍有必要［4］。

本文设计原边控制的单级反激变换器，适于TRIAC调光且与LED驱动器兼容的驱动方案。输出电流由原边检测的信号精确地计算控制，在DCM模式下操作转换器［5-7］，输入电流将跟随输入电压得到高功率因数，使LED驱动器与TRIAC调光器很好地兼容。此外，使用原边控制，使得输出电流信号和TRIAC调光信号在原边获得，简化电路功能。输出电流通过TRIAC导通角的变化改变，得到近乎线性的调光曲线。

1 工作原理

由于TRIAC调光很普遍，成本较低，因此，能够与LED驱动电源兼容的TRIAC调光器很普遍。在实际应用中，尽管由于输入电流高度扭曲使得功率因数无关紧要，但在带PFC控制的调光中，使输入电流跟随输入电压仍具有意义。本文的控制方案使输入电流跟随电压变化，得到较高的功率因数［8-10］。TRIAC调光功能可以很容易实现，关键是如何检测调光角和改变基于调光角的输出电流。

1.1 TRIAC调光器

图1给出了TRIAC调光器经整流后的波形图。由图可看出，TRIAC在α角时触发导通，当电压过0时关断。此时触发相位角的输出电压Vout由式(1)计算。

其中，Vout和Vin分别是调光器输出电压和线电压的有效值。VF是LED的阈值电压。

此时功率因数可由式(2)表示。

在调光情况下，输出电压波形明显发生畸变，且产生谐波。由式(2)可知，当调光角由α逐渐接近π时，功率因数也随着减小。因此，需要设计功率因数校正电路以提高功率因数。

图1 TRIAC调光器整流后波形

1.2 单级反激PFC变换

为得到较高的功率因数，反激变换器通常用于DCM或CRM模式［11］。原边控制的反激变换控制原理图如图2所示。每个开关周期的输出电流都由Io计算模块计算，然后累积输出电流Io-est与输出参考电流Io-REF比较，误差信号Vea反馈给乘法器。误差放大器的频带宽度远低于传统PFC控制器的线性频率。乘法器的其他输入是电流波形参考信号Vac(t)，与整流器总线电压Vd有相同的波形。乘法器IREF输出用来控制流经原边开关的峰值电流。

图2 原边控制的反激PFC电路

当原边开关Q1导通，变压器磁化电流(isw)呈线性增加。当isw达到参考电流IREF，开关Q1关断，磁化电流传输到副边。副边二极管D1导通，磁化电流线性增加。一旦电流达到0，开关管Q1重新导通。

在DCM模式下的稳态波形如图3所示。

图3 DCM模式下原边信号的稳态波形

2 电路设计及实现

针对TRIAC调光中出现的尖峰电流及LED灯闪烁问题，在电路中设计无源泄放电路和有源阻尼电路，主功率拓扑采用单级反激变换电路，工作于电流断续模式。电路图如图4所示。其中，输入电压范围为90 Vac～265 Vac，输出功率:8 W;输出直流电压:22 V;输出电流:350 mA;调光范围:1%～ 100%;调光过程稳定无闪烁。

图4 基于FL7730的TRIAC调光驱动器原理图

电路主要包括:无源泄放电路，有源阻尼电路，控制电路，单级反激变换电路。其中控制电路选用飞兆半导体的控制芯片FL7730。FL7730是一款适合于单级反激拓扑的有源功率因数校正控制器，采用模拟检测方式，可兼容传统的TRIAC调光，实现调光控制。本设计采用原边控制简化电路，降低成本，同时效率达到0.8以上。调光过程平稳且LED灯无闪烁，较好地实现线性频率控制，实物图如图5所示。

图5 调光控制实物图

图4中，MOS管电流有效值和耐压值分别由式(5)、式(6)计算:

其中，IPKP是初级电流峰值，VPKmax是最大输入交流电压峰值，VR是反射电压，ΔV是漏感电压。

副边输出电流ILED由式(7)计算。

其中，TDIS为开关关断时间，T是开关周期，VCS是原边电流检测电压。

2.1 无源泄放电路的设计

无源泄放电路［12］为TRIAC提供维持电流和擎住电流，避免LED的闪烁和误触发。在图4中由电阻R1和电容C1组成。电感L4为输入滤波电感。其中，C1的大小决定TRIAC导通的泄放电流的大小。在调光中，泄放电流大，调光稳定性越高。电阻R1在电路中起阻尼作用，抑制调光器触发时电容C1快速充电引起的尖峰电流。

2.2 有源阻尼电路设计

图4中左上部分为有源阻尼电路，电阻R2、R3，电容C3，二极管和MOS管Q1组成，用来抑制尖峰电压。其电路工作波形图如图6所示。

在调光器触发时，容易引起较大的电流尖峰，通过电源线路，为电容CIN快速充电。如果没有阻性阻尼［13］，该电流尖峰将引起电源电流振荡，大电流将引起调光器误触发，破坏TRIAC调光器。采用阻尼电阻可以抑制尖峰电流，阻尼电阻的功耗也会较高。

图6 阻尼电路工作波形

3 仿真结果及数据分析

图7给出了在不同导通角时整流桥输出电压的波形图。由于调光器内部RC电路的延时作用，使得最大最小调光角受到限制。由图中可看出，随着控制角的增大，可调电压的范围逐渐变小。同时由于电路中加入有源阻尼，有效地抑制了尖峰电压。

图8所示是调光角与LED输出电流之间的关系，表1给出了实验数据。由图8可以看出，随着调光比的减小，LED电流平滑地下降，实现平稳调光。这是由于调光角越小，可调电压范围越小，输入电压有效值也减小，因此输出电流也减小。由表1可知，电路的功率因数达到0.9，效率在0.8以上。

图7 不同控制角时输入电压的波形

图8 调光曲线图(调光角相对LED电流的关系)

表1 实验数据

4 结论

本文分析了TRIAC调光器及单级PFC反激变换器的工作原理，基于飞兆半导体控制芯片FL7730，设计一款支持TRIAC调光的原边恒流控制的小功率LED驱动电源。设计的有源阻尼电路及线性频率控制电路，有效抑制尖峰电压，解决闪烁等问题。该原边控制的设计使LED驱动电路结构简单，与现有照明系统兼容性好，效率高，成本低。很好地满足室内LED驱动器的实际应用要求。

［1］张旭东，张波.LED照明中 TRIAC调光电路的研究与设计［J］.中国集成电路，2011(149):67-71.

［2］Tjokrorahardjo A.Simple TRIAC Dimmable Compact Fluorescent Lamp Ballast and Light Emitting Diode Driver［C］//Proc IEEE Appl Power Electron Conf，2010.1352-1357.

［3］Xu L，Zeng H，Zhang J，et al.A Primary Side Controlled WLED Driver Compatible with TRIAC Dimmer［C］//IEEE Appl Power Electron Conf，2011.699-704.

［4］Zhang Junming，Zeng Hulong，Jiang Ting.A Primary-Side Control Scheme for High-Power-Factor LED Driver with TRIAC Dimming Capability［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，27 (11):4169-4629.

［5］潘文捷，葛康康，何乐年.高压、高效率白光LED驱动电路的研究与设计［J］.电子器件，2008，31(6):1899-1902.

［6］Hyunchul Eom，Chun-Ching Lee，Ta-Yung Yang，et al.Design Optimization of TRIAC-Dimmable AC-DC Converter in LED Lighting［J］.IEEE，2012:831-835.

［7］郭津，葛良安，毛昭祺，等.一种适用于TRIAC调光器的原边恒流控制LED驱动电路［J］.电源学报，2011(6):7-11.

［8］沙占友.LED照明驱动电源优化设计［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［9］姚云龙，吴建兴.一种单级原边控制LED驱动器设计［J］.电子器件，2012，35(4):447-452.

［10］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.

［11］程元奋，葛良安，姚晓莉，等.一种非线性可控硅调光的LED驱动电路［J］.电工电气，2011(2):30-32.

［12］Jiang Ting，Zeng Hulong，Zhang Junming，et al.A Primary Side Feedforward Control Scheme for Low Power LED Driver Compatible with Triac Dimmer［J］.IEEE，2012.

［13］陈浩，席光，刘胜.一种精确调光的LED电源设计［J］.电源技术，2012，35(2):218-220.

Design of LED Driver for Primary-Side Controlw ith TRIAC Dimm ing*

YANGWeiwei，SHIYongsheng*，LIU Danni
(College of Electric and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

The TRIAC dimmer is amost popular dimmer at present.To solve the problems such as flicker，the narrow dimmable range and low efficiency with TRIAC controller of LED lighting system，an LED driver with primary constant control and TRIAC dimming function based on the chip FL7730 is proposed.In the circuit，a passive discharge circuit is given to provide the hold current and latching current for TRIAC，and an active damper circuit to suppress the spike voltage when the dimmer turns on.As is verified through the experiment，the power factor of the dimming driver is higher than 0.9，the efficiency is over 0.8，and flicker-free dimming is implement.

LED driver;TRIAC dimming;primary-side control;flyback converter

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.012

TN86 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0046-04

项目来源:陕西省教育厅基金项目(11JK0837，12JK0494);陕西科技大学博士专项基金项目(BJ08-07)

2013-05-06修改日期:2013-07-21

EEACC:4260D

杨巍巍(1988-)，女，在读研究生，研究方向为LED驱动电源技术，Yangweiwei 19881@163.com;

史永胜(1964-)，男，汉族，陕西人，博士，教授，研究方向为LED驱动技术和平板显示技术，shiys@sust.edu.cn。