可調光的高功率因數LED驅動電路分析

王朝馳 賀婭君 劉增鑫

【摘要】本文介紹了一款性能優越的LED驅動芯片，并利用這款芯片制作了LED驅動電路，分析了其可調光和高功率因數的性能，并進行了實際的測量。

【關鍵詞】LED驅動芯片；調光；高功率因數

0.引言

LED作為一種全新的固態冷光源，和傳統的電光源相比，具有許多優點，如壽命長（可達6萬到10萬小時）、體積小、節能、環保。盡管有上述諸多的優點，但是LED的驅動電路設計卻不是一件簡單的事，因為LED的本質是PN結，它的伏安特性曲線具有非線性（變化趨勢很陡）和負溫度系數的特點，若采用恒壓源供電，當電壓發生很小的變化時，就會引起很大的電流變化。并且，隨著LED溫度的升高，伏安特性曲線會向左移動，若電壓恒定，那么流過LED的電流勢必會增大，如果散熱問題沒有解決好的話，這又會導致LED溫度的升高，如此便產生惡性循環，最終造成LED的燒毀，所以，采用恒流源供電是一種不錯的選擇。

現在，隨著LED光源的推廣，市面上也出現不少LED專用的驅動電路或驅動芯片，本文選擇了一款功能和性能都不錯的芯片——LNK457DG進行測試，這是Power Integrations推出的LED專用驅動器。

1.芯片簡介

LNK457有三種封裝，圖1所示為D封裝，該芯片共有8個引腳，其中3號引腳沒有引出。1號引腳為FB引腳，通過感測電阻得到LED驅動電流并反饋回芯片內部；2號引腳為BP引腳，內部產生5.85V電源，外部與旁路電容相連；4號引腳為D引腳，內部與功率MOSFET的漏極相連，用于執行漏極電流感測和相關聯的控制器功能；5、6、7、8號引腳為S引腳，內部與功率MOSFET的源級相連，并作為BP和FB引腳的接地參考。

這款芯片的特點是它能夠以較少的外部元件實現無閃爍、透過相位控制的TRIAC調光，單極功率因數校正和精準的定電流（CC）輸出，并且可以在較大的輸入電壓范圍（90V- 265V）下工作。

2.電路結構

根據該芯片的設計手冊，我們試制了一塊可調光的高功率因數LED驅動電路板，電路原理圖如圖2所示。

該電路為反激式開關電源，主要由輸入整流濾波、輸出整流濾波、輸出采樣反饋、變壓器鉗位、主動和被動阻尼器、泄放器組成。輸入電壓由BR1進行整流，并由L1和C4、L2和C5構成的EMI濾波器濾波，R12、C7、R13、D2構成RCD-R鉗位電路，D5、C11構成輸出整流濾波部分，輸出電流經感測電阻R18采樣反饋給FB引腳， R3、R4、C3、Q3、R7、R8構成主動阻尼器，R20構成被動阻尼器，R10、C6、R11構成泄放器。RV1、F1為防止電路電壓或電流過大的保護電路，當調光使用時需在輸入端接調光器。

3.TRAIC調光

3.1 調光器原理

我們這次使用的調光器的原理圖如圖3所示，該調光器屬于雙向可控硅前緣調光器，主要的工作方式是通過減小輸入電壓波形的導通角來減小輸入電壓的有效值，從而使輸出電流的有效值減小，來達到調節LED燈亮度的目的。基本原理如下：

當AC半周期來臨時，輸入電壓從零開始增大，并對電容Ct開始充電。剛開始，Ct上的電壓較小，達不到雙向可控硅管DIAC的開啟電壓（一般為20～40V），DIAC處于關斷狀態，此時由于TRIAC的控制極沒有觸發信號也處于截止狀態。當Ct充電達到DIAC的開啟電壓時，DIAC導通，在TRIAC的控制極產生觸發脈沖使其導通，此時Ct通過Rt放電，輸入電壓也通過TRIAC加到LED驅動兩端。如果AC半周期結束或流過TRIAC的電流達不到維持TRIAC導通的維持電流（典型值為5～50mA），那么TRIAC將會再次進入到關斷狀態。通過TRIAC的兩種工作狀態的切換，使得輸入電壓只有在達到一定的相位值時才會被傳輸到輸出端，這樣，在每個AC半周期，電壓波形就像被切掉了一部分一樣[1]。

因為TRIAC的導通起始時間是由Ct的充電時間決定的，而Ct的充電時間又由Rt決定，所以，我們可以通過調節Rt的值來改變輸入電壓的導通角從而改變輸出電流的大小。

3.2 無閃爍控制

在使用TRIAC進行調光時，如果導通角比較小，那么輸出電流也比較小，可能達不到TRIAC的維持電流，這樣會導致LED 閃爍。輸入電容在TRIAC開啟時充電產生的浪涌電流會產生電流振蕩，這同樣會導致LED閃爍，理想的和導通不穩定的波形分別如圖4、圖5所[2]。

為了解決這些問題，本設計中加入了三個電路模塊，即主動和被動阻尼器、泄放器。被動阻尼器和主動阻尼器配合能夠限制TRIAC開啟時產生的浪涌電流，主動阻尼器接在輸入整流器后，Q3在浪涌電流到來時利用串聯在電路中的R7和R8限制浪涌電流，延時一段時間后Q3開啟，此時R7和R8被短路，有利于減小功耗。泄放器能夠使TRIAC可靠導通，并提供導通所需的維持電流[3]。

4.功率因數校正

功率因數PF指有功功率P與總視在功率S的比值，功率因數越大表征電路對電能的利用率越高。對于開關電源，

其中，I1表示輸入電流中基波電流的有效值，In表示n次電流諧波的有效值，I表示輸入電流的有效值，?表示輸入電壓與基波電流的相位差。由于存在高次諧波，并且基波電流的相位與輸入電壓的相位不一致，開關電源的功率因數會變得很低，電能利用率也就很低。所以，需要引入功率因數校正技術。

自動功率因數校正技術是APFC的一種，又稱之為電壓跟隨器方法。在圖2中，變壓器T1工作在反激式開關電路中，只有在初級關斷時，次級才會有感應電流產生，因此可以簡單的將T1的初級看成一個電感L，令流過L的電流為I，峰值電流為，平均電流為輸入電壓為Vin，根據電感兩端的電壓電流公式可得：

在功率MOSFET的一個導通周期T內：

5.測試結果

電路實物如圖7所示，利用焊制的電路板，我們做了一些參數測試，測試結果如表1所示。

從表1中的數據可以看出，在較大的電壓范圍內，該電路都能維持很高的功率因數，最高可以達到99.3%，最低可以達到96%。并且，輸出電流基本不隨輸入電壓發生變化。在調光時，利用調光器能實現LED亮度的連續可調，并且沒有閃爍。

參考文獻

[1]郭津，葛良安，毛昭祺，馬皓.用于傳統雙向可控硅（TRIAC）調光器的LED驅動方案比較[J].照明工程學報，2011，04：65-70.

[2]谷洪亮.LED相控調光與有關問題[J].今日電子，2013（3）：33-36.

[3]張永新，路秋生.LED 相控調光實現與有關技術要求[J].儀表技術，2013，5：004.

[4]倪志紅.開關電源功率因數校正技術的研究[D].南京：南京理工大學碩士學位論文，2003.