原邊控制帶TRIAC調光的LED驅動電源的設計*

楊巍巍，史永勝，劉丹妮

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

原邊控制帶TRIAC調光的LED驅動電源的設計*

楊巍巍，史永勝*，劉丹妮

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

三端雙向可控硅(TRIAC)調光器是目前應用最為廣泛的調光器。針對TRIAC調光過程出現的閃爍、調光范圍小、效率低等問題，基于FL7730芯片設計一款基于TRIAC調光的原邊恒流控制的LED驅動電路;在電路中設計無源泄放電路為TRIAC提供維持電流和擎住電流，避免TRIAC誤觸發;設計有源阻尼電路抑制調光器導通時產生的尖峰電壓。實驗結果表明，調光驅動電源的功率因數高于0.9，效率在0.8以上，實現無閃爍調光。

LED驅動;可控硅調光;原邊控制;反激變換

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［1］。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［2］。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。

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［3］。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［3］，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［4］。

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［5-7］，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［8-10］。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α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。

其中，Vout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。

在調光情況下，輸出電壓波形明顯發生畸變，且產生諧波。由式(2)可知，當調光角由α逐漸接近π時，功率因數也隨著減小。因此，需要設計功率因數校正電路以提高功率因數。

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［11］。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［12］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［13］，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)

表1 實驗數據

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。

［1］張旭東，張波.LED照明中 TRIAC調光電路的研究與設計［J］.中國集成電路，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，何樂年.高壓、高效率白光LED驅動電路的研究與設計［J］.電子器件，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.一種適用于TRIAC調光器的原邊恒流控制LED驅動電路［J］.電源學報，2011(6):7-11.

［8］沙占友.LED照明驅動電源優化設計［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［9］姚云龍，吳建興.一種單級原邊控制LED驅動器設計［J］.電子器件，2012，35(4):447-452.

［10］毛興武.使用傳統可控硅調光器的發光二極管驅動器［J］.光源與照明，2009，4(12):1-4.

［11］程元奮，葛良安，姚曉莉，等.一種非線性可控硅調光的LED驅動電路［J］.電工電氣，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］陳浩，席光，劉勝.一種精確調光的LED電源設計［J］.電源技術，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 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0046-04

項目來源:陜西省教育廳基金項目(11JK0837，12JK0494);陜西科技大學博士專項基金項目(BJ08-07)

2013-05-06修改日期:2013-07-21

EEACC:4260D

楊巍巍(1988-)，女，在讀研究生，研究方向為LED驅動電源技術，Yangweiwei 19881@163.com;

史永勝(1964-)，男，漢族，陜西人，博士，教授，研究方向為LED驅動技術和平板顯示技術，shiys@sust.edu.cn。