一种单绕组Triac调光LED驱动电路设计

李 强，李 欢，张 争，赵怀友

(南京理工大学自动化学院，江苏 南京 210094)

一种单绕组Triac调光LED驱动电路设计

李 强，李 欢，张 争，赵怀友

(南京理工大学自动化学院，江苏 南京 210094)

本文首先介绍了Triac调光器的工作原理；然后基于Buck-Boost拓扑分析了AL1696芯片的PF校正算法和恒流输出算法；接着设计了一个单绕组供电、可用于Triac调光的LED驱动电源，并计算了该电源的采样电阻和电感参数；最后实验测试了该电源的输出电压、输出电流、PF、THD、效率和调光曲线，并通过分析实验结果验证了该电源PF高于0.93，效率大于85%且具有良好的调光兼容性。

LED；Triac调光；AL1696

引言

近年来由于能源危机日益严重，节能减排已引起人们的高度重视。LED与传统照明相比，其光效高、寿命长(连续工作10 000 h以上)、耗能少。随着LED照明在性能、成本方面不断改善，LED照明逐渐成为21世纪最具发展前景的绿色照明产业，全球淘汰低效率白炽灯的趋势也日益明显。

然而，大部分白炽灯利用三端双向可控硅(Triac)相控调光器进行调光，因此，用LED代替白炽灯时，若要沿用原有照明设施，LED必须支持Triac调光器。

在进一步降低成本和具有较高的调光器兼容性的前提下，本文采用Diodes公司的调光芯片AL1696，基于其价格低，输出恒流控制简单的优点，设计了一款可用于Triac调光的原边恒流控制LED驱动电源。

1 Triac调光器基本原理

图1为Triac调光器的内部原理图，它由双向可控硅(Triac)、双向触发二极管(DIAC)、可变电阻R1，电阻R2、电容C1组成。

R1，R2和C1构成RC延迟电路，当调光器接入交流市电后，C1充电，直至C1电压上升至DIAC的击穿电压，C1电荷通过DIAC部分注入Triac，从而出发Triac导通，在电路中形成回路。在RC延迟电路中，可变电阻R1的阻值越大，启动时间越长，Triac的导通时间越短，即调光器的导通角越小[2]。所以，通过调节可变电阻R1阻值大小，就可以调节输入到负载的平均供电，从而达到调光的目的。输出电压有效值Uorms与导通角α之间的关系如式(1)所示。

图1 Triac调光器工作原理Fig.1 Principle of Triac dimmer

2 Triac调光LED驱动电路设计

本文基于Diodes公司的AL1696芯片，采用升-降压拓扑设计了一款LED驱动电路，电路框图如图2所示。

图2 电路框图Fig.2 Block of circuit

输入电路包括调光器和无源阻尼电路(抑制冲击电流)；主电路采用Buck-Boost拓扑，工作在BCM模式，有较高的PF和EMI兼容性；控制电路以AL1696为PWM控制器，控制方式为原边峰值电流控制；整流桥后加入了EMI滤波电路和Latch电路(无源泄放电路，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，而保证在Triac导通期间不会误关断引起LED闪烁)。

3 芯片AL1696工作原理

AL1696采用脉冲频率调制(PFM)技术，并使系统工作在BCM模式，本文以Buck-Boost拓扑为例[1]，阐述其工作原理。

3.1芯片引脚分布

芯片采用SOIC-7封装，引脚分布如图3所示。

1脚、2脚—未连接；3脚—CS，电流检测脚，设置流过MOS管的峰值电流，从而确定输出平均电流；4脚—GND；5脚—RT，设置初始导通时间；6脚—VCC，芯片供电引脚；7脚—D，MOS管Drian端[5]。图3 芯片引脚Fig.3 Pin assignments

AL1696芯片采用PFM技术对输出电流进行调节。为减小峰值电流，优化系统噪音问题，其CS设定电压为削顶波；削顶波的左边和右边为正弦包络，IC工作在恒导通时间模式；在中间削顶区域，IC控制流过MOS管的峰值电流恒定。

3.2功率因数校正

当MOS管关断，电感电流线性减小到零，关断时间toff(θ)计算为[2-3]

设定Ucs正弦包络中的恒定tonset是削顶部分中间位置ton(π/2)的n倍，可计算出ipeak为

式中Ucs为芯片CS脚内部参考电压，Rcs为CS脚对地串联电阻，θ1为正弦包络和削顶包络相交处的角度，sinθ1=1/n。

系统工作在BCM模式，整流桥输出电流iin(θ)计算为

最终计算得整流桥输出电流为

iin(θ)=

根据式(6)可得到图4的输入电流和输入电压波形，可见输入电流跟随输入电压近似呈正弦变化，实现功率因数校正[3]。

图4 输入电流、输入电压波形Fig.4 Waveforms of input voltage and current

3.3恒流输出控制

Buck-Boost拓扑中，系统的输出电流计算为

输出直流电流平均值计算为

根据上式，输入电压、输出电压，Rcs选定后，输出电流为一恒定值，实现恒流输出，维持流过LED负载电流不变。

4 参数计算

设计规格：AC输入电压，Uin=(108～132)V；输出电压：Uo=72 V；输出电流：Io=120 mA；效率η=85%。电路原理图如图5所示。

由式(8)可计算出Rcs为

式中Ucs=0.4 V，Uin_rms=120 V，n=1.3，计算得到Rcs=0.76 Ω。

由式(2)式(3)可知，在正弦包络时，开关管开关周期随uin(θ)增大而增大；在削顶包络时，开关管开关周期随uin(θ)增大而减小。所以在θ1时，可取得系统的最小工作频率fmin，电感L可计算为

令f(θ1)=55 kHz，ipeak(θ1)=Ucs/Rcs=0.526 A，计算得到电感L=1.6 mH。

根据法拉第电磁感应定律，电感匝数N可计算为[4]

驱动电源输出功率为8.64 W，采用EE13型磁芯，磁芯面积Ae=17.1 mm2；为避免变压器工作时发生饱和，设定变压器工作的电磁感应强度Bm=0.25 T，代入式(11)，计算得到电感匝数N=197。

图5 电路原理图Fig.5 Schematic of the circuit

电感绕组的最大工作电流密度为J，计算出线径d为

由式(4)可计算出电感峰值电流平均值Ipeak为

取J=8 A/mm2，计算得出Ipeak=0.389 A，d=0.25 mm。

5 结果分析

根据上一章的计算结果选定器件，绕制电感，根据图5制作PCB，完成驱动电源设计，连接LED负载进行测试。

5.1基本参数测试

120 VAC输入、电源满载工作时的输出电压、输出电流波形如图6所示。

图6 输出电压、输出电流Fig.6 Waveforms of output voltage and current

由图6可以看出输出电压平均值为71.57 V，输出电流平均值为120.5 mA，输出电流纹波为15.5 mA，小于10%。

输出接入72 V的LED负载，输入接入108 V到132 V的变化交流电压，测量相关数据如表1。

如表1所示，设计的这款LED电源PF高于0.93输出电流线性调整率7%，效率高于85%，满足设计要求。

表1 输入输出测量结果Table 1 Result of characteristic test

5.2Triac调光测试

电源交流输入端接入Triac调光器，调光过程中输入电压和输入电流波形如图7所示。

如图7所示，Triac正常工作，LED灯未出现闪烁现象。

图7 接入调光器后的输入电压输入电流波形Fig.7 Waveforms of input voltage and current with dimmer

选用3款调光器测的调光曲线如图8所示。可见，这款LED驱动电源具有较好的调光深度和平滑的调光曲线。

图8 调光曲线Fig.8 Curves of output current vs. conduction angle

6 结语

本文先分析了AL1696芯片基于Buck-Boost拓扑时的PF校正和恒流控制原理，然后设计了一款可用于Triac调光的LED驱动电源，计算了电源的采样电阻和电感等参数，最后制作了PCB，完成了电源系统焊接，连接到72 V的LED负载，测试了电源的输出电压、输出电流、PF、THD、效率和调光曲线，由此验证了该驱动电源具有高PF，高效率和良好的Triac调光器兼容性等特性。另外，电源采用单绕组电感，电路结构简单，成本低廉。

[1] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1998.

[2] 周志敏, 周纪海, 纪爱华. LED驱动电路设计与应用[M]. 北京:人民邮电出版, 2006.

[3] 杨恒.LED照明驱动器设计步骤详解[M].北京:中国电力出版社，2010.

[4] 文杰.带调光功能的LED日光灯驱动电源设计[D].上海:上海交通大学,2013.

[5] Application Notes of AL1696 System Solution, Diodes, www.diodes.com.

ASingleWindingLEDDriverBasedonTriacDimming

LI Qiang, LI Huan, ZHANG Zheng, ZHAO Huaiyou
(NanjingUniversityofScienceandTechnology,theSchoolofAutomation,Nanjing210094,China)

First,the principle of Triac dimmer was described.Then,based on Buck-Boost topology,the power factor correction and constant current output strategy of AL1696 was analyzed.Next,a LED driver, which can be used in Triac dimming, with single winding for power supply was designed. The sampling resistance and inductance parameter was calculated as well. Finally, the output voltage, output current, PF, THD, efficiency and dimming curve of the driver were tested, by means of analyzing the test data. It’s verified that the driver achieved high PF up to 0.93,high efficiency over 85%,and good Triac dimmer compatibility.

LED; Triac dimming; AL1696

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.009