帶調光功能的RCC電路分析

陳 燕（上海交通大學，200030）

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帶調光功能的RCC電路分析

陳 燕
（上海交通大學，200030）

摘要：RCC電路即自激式反激變換器，具有電路簡單、成本低廉等優點，常用于小功率開關電源中。如今隨著LED照明的快速發展，RCC電路也被廣泛應用于LED照明的驅動電源設計中。但很多LED照明應用要求LED燈具有可調光的功能，而普通的RCC電路無法與調光器兼容，本文研究如何在RCC電路中加入可與調光器兼容的電路，并對其工作原理進行分析。

關鍵詞：RCC電路；TRIAC調光；RC無源泄放電路

0　引言

自激式反激變換器，通常稱為RCC電路，可實現最簡單的開關穩壓器，不需要外部時鐘，通過變壓器和開關晶體管就可實現震蕩功能。隨著LED照明的快速發展，RCC電路也被廣泛應用于LED照明燈的驅動電源設計中。由于傳統照明的很多應用場合具有調光功能，而與原有的調光器相接的是白熾燈或鹵素燈這類電阻性負載，基于RCC電路的驅動電源并不屬于電阻性負載，如果直接用TRIAC調光器來調節由RCC驅動的LED燈的亮度，LED就容易出現閃爍的問題。為了解決該問題，可在RCC驅動電路中加入無源泄放RC damper電路，由無源的阻容元器件R和C構成。可確保TRIAC導通期間的所有相位角范圍內，實現無閃爍調光。

1　基本原理

1.1調光器基本工作原理

目前市場上LED燈的調光方式大部分采用TRIAC調光，TRIAC調光器接入電源的輸入端，利用TRIAC調整輸入電壓的導通角來實現調光的功能。TRIAC有三個極----陽極（A）、陰極（C）和控制極（G），管芯是P型導體和N型導體交迭組成的四層結構，共有三個PN 結，把從陰極向上數的第一、二、三層看成是一只NPN型號晶體管，而二、三、四層組成另一只PNP型晶體管，其中第二、第三層為兩管交迭共用。當在陽極和陰極之間加上一個正向電壓E，又在控制極G和陰極C之間（相當BG2的基一射間）輸入一個正的觸發信號，BG2將產生基極電流Ib2，經放大，BG2將有一個放大了β2 倍的集電極電流IC2 。因為BG2集電極與BG1基極相連，IC2又是BG1 的基極電流Ib1 。BG1又把Ib1 （Ib2） 放大了β1的集電極電流IC1送回BG2的基極放大。如此循環放大（正反饋），直到BG1、BG2完全導通，這時即使撤去柵極的驅動電壓，晶閘管仍可繼續導通，直到陽極到陰極的電壓小于0或者陽極電流小于維持電流才截止。

調光器內部結構，電源通過C2和R1給C1充電，當C1上的電壓高于雙向觸發二極管D1的電壓后，D1 觸發可控硅雙向晶閘管Q1導通，Q1 導通后電源電壓經由L1和Q1給輸出負載供電，同時C1重新放電到0，直道電源電壓過零Q1才截止，下半周期重復相同的工作。輸出到RCC驅動電源上的電壓就是一個被切相的正弦波，通過調節R1來調節導通角的大小，RCC只有在有電壓通過的時候才會工作，因此RCC的輸出電流隨輸入電壓導通角大小的改變而改變，從而調節LED的亮度。

1.2二階網絡的階越響應

二階振蕩網絡的原理，u（t）為階越信號時，電路的零狀態為；，當t＞0時，根據KVL方程可以得到二階微分方程，解得該微分方程的通解為；，其中，將零狀態代入方程式，解得；， 將其代入方程的通解中，可得到電壓電流為，；。時，有兩個不相等的負實根，這是過阻尼情形，是一個非振蕩過程。

1.3RCC驅動電源與調光器的匹配原理

如果調光器工作過程中，TRIAC在觸發導通后不能維持導通，輸出到RCC驅動電源的電壓會發生畸變，導致RCC工作不正常，就會發生LED燈閃爍的現象。所以RCC驅動電源的設計要確保調光器中的TRIAC在每一個相位角都能維持導通，直到下半周到來電壓過0才截止。維持可控硅的導通需要兩個條件，一是陽極到陰極的電壓E大于0，二是陽極電流大于維持電流。所以要求RCC驅動電源的設計必須滿足在調光器工作中，輸入電流大于調光器的維持電流。

將調光器內部的電感L4，保險絲電阻RL，RCC驅動電源中EMI濾波器的第一個電容C1等效為第一個二階振蕩網絡，將RCC驅動電源中的EMI電感L3和電容C2等效為第二個二階振蕩網絡。在調光器導通瞬間，相當于在第一個二階振蕩網絡上加了一個階越信號，則第一個二階振蕩網絡在調光器導通瞬間是一個階越響應。針對北美市場的產品，由于北美市場的調光器的內部電感L4的感量較小，一般在幾十微亨，調光器內部電容C5上的電壓很快被放掉，所以第二個二階振蕩網絡的輸入電壓也相當于一個階越信號，則第二個二階振蕩網絡也是一個階越響應。為了保證輸入電流大于調光器的維持電流，則要求兩個二階振蕩網絡都工作在過阻尼模式。

第一個二階振蕩網絡，可通過適當選擇保險絲電阻的阻值和RCC的EMI濾波器的第一個濾波電容的容值來使其工作在過阻尼模式。如假設調光器內部電感感量為51uH，RCC驅動的第一個濾波電容的容值大小為82nf，則保險絲電阻的阻值歐姆時，第一個二階振蕩網絡就可工作在過阻尼模式。

第二個二階振蕩網絡，由于RCC驅動的EMI電感的感量較大，一般是mH級別，而RCC的EMI濾波器的第二個濾波電容的容值一般在100nf左右，若采用串聯一個電阻在EMI電感上的方法來實現使第二個二階網絡工作在過阻尼狀態，假設EMI電感感量為4.7mH，EMI濾波器第二個濾波電容容值為100nf，則需要一個阻值歐姆的電阻，要求的電阻阻值太大，所以RCC驅動正常工作時該電阻的損耗太大，導致該方法不能實際應用于設計中，所以通常采用接入RC damper的方法，來實現使第二個二階網絡工作于過阻尼模式 ，由C6和R1組成。其值的設計是要滿足，若忽略C2和后級電路的影響，假設電感感量為4.7mH，RC damper中電容C6的容值選擇220nf，則RC damper中電阻要求其阻值歐姆。將RC damper連接在EMI濾波電感后。

1.4仿真與分析

使用開關管SW1 模擬調光器中的TRIAC。C1、L3、C2 是RCC驅動中的EMI濾波器，RL為保險絲電阻，C6和R1構成無源泄放RC damper電路。這是一個BUCK-BOOST結構的RCC電路，驅動功率的大小可通過設計L1的值和工作頻率來調節。

由前面的原理分析可知，對北美市場的產品，由于調光器內部電感的感量較小，所以將RC damper接在EMI電感L3的后面，因為如將RC damper放在電感L3 之前，第二個二階振蕩網絡上的電流就會是一個阻尼振蕩，L3上的振蕩電流會疊加到輸入電流中，也可能導致輸入電流小于TRIAC的維持電流，從而導致燈閃。分別是RC damper接在EMI電感前和EMI電感后所對應的EMI電感上的電流波形，若將RC damper接在EMI電感的前面，第二個二階振蕩網絡工作在阻尼振蕩模式，其電流是一個按指數形式衰減的余弦曲線，這個振蕩電流會疊加到輸入電流中，導致輸入電流小于TRIAC的維持電流，這種連接方式不利于RCC驅動電源與調光器的匹配。

2　測量與結論

為了讓RCC驅動電源的工作能夠和調光器的工作相匹配，保證調光器正常的工作，LED不閃爍，需要保證調光器工作過程中有足夠的維持電流來維持TRIAC的導通。為了實現該目的，在設計RCC驅動電源時，需合理選擇保險絲電阻的阻值和EMI濾波電容C1的容值，并在RCC電路中加入RC damper電路，對北美市場的產品，由于調光器內部電感感量較小，將RC damper電路放在EMI濾波電感的后面。分別為RC damper接在EMI濾波電感前和后所對應的輸入電流電流，可以看到RC damper接在EMI電感后面電流的振蕩會少，對保證調光器的維持電流更好，實測的輸入電流波形，其中藍色為RC damper接在EMI電感之前的電流，振蕩會比較多，與理論分析和仿真的結果是一致的。

參考文獻

［1］ 戶川治郎. 實用電源電路設計［M］.北京：科學出版社，2006

［2］ 沙占友，王彥朋，馬洪濤.LED驅動電源設計入門［M］. 北京：中國電力出版社，2011

Analysis of RCC circuit with dimming function

Chen Yan
（Chen Yan Shanghai Jiao Tong University，200030）

Abstract：The RCC circuit，which is a self excited flyback converter，has the advantages of simple circuit，low cost and so on，which is commonly used in the small power switch power supply.Nowadays with the rapid development of LED lighting，RCC circuit is also widely used in the design of LED lighting drive power supply.But many LED lighting application requirements LED lamp with dimming function，and ordinary RCC circuit cannot with dimmer compatibility， in this paper，we study how to in RCC circuit added can be compatible with a dimming device of the circuit and the principle were analyzed.

Keywords：RCC circuit；TRIAC dimming；RC passive release circuit

作者簡介

陳燕，性別： 女，出生年月：1988.08.10，籍貫：貴州省遵義市，民族：漢，學歷：在職碩士，研究方向：電子與通信工程，所在單位：上海交通大學，職稱：無