基于反激式LED驅(qū)動芯片的可控硅調(diào)光設(shè)計(jì)

經(jīng)過多年的發(fā)展，受益于成本的降低及技術(shù)的更新，LED應(yīng)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(shè)備，將會節(jié)省很大的成本，使LED更快地取代當(dāng)前的照明產(chǎn)品。當(dāng)前照明用的調(diào)光器大部分為可控硅調(diào)光，因此所設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動芯片若能兼容可控硅調(diào)光，則具有重大的意義。由于LED驅(qū)動是一門新興的技術(shù)，市場上能兼容可控硅調(diào)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(diào)光原理及簡介
目前市場上主流的非節(jié)能調(diào)光器多為TRIAC調(diào)光方式，即三端雙向可控硅調(diào)光。TRIAC調(diào)光器也是目前應(yīng)用最廣的調(diào)光器。
圖1為典型的雙向可控硅調(diào)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(diào)光器延遲啟動，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(diào)整電位計(jì)R的電阻可改變啟動延遲時(shí)間，從而改變TRIAC調(diào)光器的“導(dǎo)通時(shí)間”，即改變其“導(dǎo)通角”。因此，負(fù)載獲得的平均供電便可改變。圖2顯示了典型的AC經(jīng)過TRIAC后的電壓波形。

2 調(diào)光的難點(diǎn)與需要解決的問題
　TRIAC維持導(dǎo)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(dǎo)通的條件，只有觸發(fā)了TRIAC導(dǎo)通，才能使雙向可控硅導(dǎo)通；
　(2) IL是指在NPNP放大的過程中,如果要使NPNP連續(xù)導(dǎo)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，會導(dǎo)致TRIAC截止，所以鎖定電流就是維持導(dǎo)通所需要的最小電流。
　在LED驅(qū)動電路中，由于傳導(dǎo)輻射EMI的要求，需要在全橋之前放置電感(圖3中的L1，L2)來防止外界的輻射干擾。同樣，由于大多數(shù)LED驅(qū)動電路采用開關(guān)電源架構(gòu)[2]，為了防止初級變壓器的漏感導(dǎo)致的電壓尖峰，需要在主級加一個(gè)大電容(圖3中的C13)來緩沖電壓尖峰。這樣在母線電壓的電路中有電流流過時(shí)，由于LC振蕩會導(dǎo)致電流,使電流振蕩到Hold電流以下。在TRIAC導(dǎo)通的瞬間，相當(dāng)于給LC電路一個(gè)階躍響應(yīng)，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：

　如果沒有電阻，將產(chǎn)生振蕩波形；如果加入阻尼電阻，當(dāng)(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TRIAC的電流由振蕩變成了欠阻尼的情況，保證不使流過的電流低于Hold電流以下，從而保證連續(xù)的對LED調(diào)光。解決了振蕩的問題。
4 動態(tài)damping電阻功能實(shí)現(xiàn)
　前文提到需要在EMI電感與反激電容間加一個(gè)damping電阻來防止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開通的時(shí)間內(nèi)電流都會流過電阻，導(dǎo)致電阻消耗的功率過大，實(shí)測這個(gè)電阻會損失約10%的效率，而效率是電源產(chǎn)品首要考慮的因素，因此，設(shè)計(jì)了圖4所示的動態(tài)電阻的電路。該電路可以在電壓導(dǎo)通的瞬間(1 ms以內(nèi))導(dǎo)通,然后在1 ms后關(guān)閉。

　在TRIAC導(dǎo)通后，可得如下公式：
　
如圖5所示,母線通過R51給C50充電，選取適當(dāng)?shù)臅r(shí)間參數(shù)。達(dá)到M50的導(dǎo)通電壓Vth(2V)的時(shí)間約為1 ms。Q50的作用是，當(dāng)導(dǎo)通電壓到了波谷時(shí),MOS下次仍能正常充電設(shè)計(jì)。當(dāng)?shù)搅斯鹊讜r(shí)，Q60的E極的電壓高于B極，Q60導(dǎo)通，C50的電壓開始放電。

　本文基于AC-DC LED恒流驅(qū)動芯片MT7920實(shí)現(xiàn)TRIAC調(diào)光。MT7920是一款基于flyback的高PFC恒流LED驅(qū)動芯片[3]。要實(shí)現(xiàn)輸出高PFC的功能，需要一個(gè)STP PIN來調(diào)節(jié)輸出電流。這里通過給STP PIN進(jìn)行電流補(bǔ)償來提供低導(dǎo)通角時(shí)所需的電流，達(dá)到低導(dǎo)通角調(diào)光的目的。該補(bǔ)償電路同樣適用于其他需要TRIAC調(diào)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(dāng)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R61、C62，相當(dāng)于通過一個(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(dāng)導(dǎo)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(dǎo)通，有電流流過，可以對芯片進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到相位補(bǔ)償的功能。
　圖7顯示了該電路的實(shí)測波形，可以看到，在導(dǎo)通角大于90°時(shí)，第2點(diǎn)的電壓高于第4點(diǎn)電壓；當(dāng)導(dǎo)通角低于90°時(shí)，第4點(diǎn)高于第2點(diǎn)，Q61導(dǎo)通。

測試結(jié)果顯示，電路在全電壓范圍內(nèi)能正常工作，啟動角度為30°左右，實(shí)測該角度的電流基本上到了5%以下，更低導(dǎo)通角的調(diào)光沒有太大的意義。
本文通過對TRIAC的理論研究，找到了TRIAC對LED進(jìn)行調(diào)光的問題所在，加入了damping電阻解決了調(diào)光的問題。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了動態(tài)電阻的電路，且有效地提高了效率?；贛T7920芯片，根據(jù)相位補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)了在導(dǎo)通角低下的情況下，也能穩(wěn)定地對TRIAC進(jìn)行調(diào)光的電路。經(jīng)過PCB設(shè)計(jì)后的電路實(shí)測，電路能達(dá)到穩(wěn)定調(diào)光的功能。
參考文獻(xiàn)
[1] 韓良玉.雙向晶閘管4種導(dǎo)通方式優(yōu)缺點(diǎn)比較[J]. 開封大學(xué)學(xué)報(bào),1995(01):64.
[2] PRESSMAN A I.開光電源設(shè)計(jì)[M].王志強(qiáng),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.