一種單繞組Triac調(diào)光LED驅(qū)動電路設(shè)計

李 強，李 歡，張 爭，趙懷友

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

一種單繞組Triac調(diào)光LED驅(qū)動電路設(shè)計

李 強，李 歡，張 爭，趙懷友

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

本文首先介紹了Triac調(diào)光器的工作原理；然后基于Buck-Boost拓撲分析了AL1696芯片的PF校正算法和恒流輸出算法；接著設(shè)計了一個單繞組供電、可用于Triac調(diào)光的LED驅(qū)動電源，并計算了該電源的采樣電阻和電感參數(shù)；最后實驗測試了該電源的輸出電壓、輸出電流、PF、THD、效率和調(diào)光曲線，并通過分析實驗結(jié)果驗證了該電源PF高于0.93，效率大于85%且具有良好的調(diào)光兼容性。

LED；Triac調(diào)光；AL1696

引言

近年來由于能源危機日益嚴(yán)重，節(jié)能減排已引起人們的高度重視。LED與傳統(tǒng)照明相比，其光效高、壽命長(連續(xù)工作10 000 h以上)、耗能少。隨著LED照明在性能、成本方面不斷改善，LED照明逐漸成為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的綠色照明產(chǎn)業(yè)，全球淘汰低效率白熾燈的趨勢也日益明顯。

然而，大部分白熾燈利用三端雙向可控硅(Triac)相控調(diào)光器進行調(diào)光，因此，用LED代替白熾燈時，若要沿用原有照明設(shè)施，LED必須支持Triac調(diào)光器。

在進一步降低成本和具有較高的調(diào)光器兼容性的前提下，本文采用Diodes公司的調(diào)光芯片AL1696，基于其價格低，輸出恒流控制簡單的優(yōu)點，設(shè)計了一款可用于Triac調(diào)光的原邊恒流控制LED驅(qū)動電源。

1 Triac調(diào)光器基本原理

圖1為Triac調(diào)光器的內(nèi)部原理圖，它由雙向可控硅(Triac)、雙向觸發(fā)二極管(DIAC)、可變電阻R1，電阻R2、電容C1組成。

R1，R2和C1構(gòu)成RC延遲電路，當(dāng)調(diào)光器接入交流市電后，C1充電，直至C1電壓上升至DIAC的擊穿電壓，C1電荷通過DIAC部分注入Triac，從而出發(fā)Triac導(dǎo)通，在電路中形成回路。在RC延遲電路中，可變電阻R1的阻值越大，啟動時間越長，Triac的導(dǎo)通時間越短，即調(diào)光器的導(dǎo)通角越小[2]。所以，通過調(diào)節(jié)可變電阻R1阻值大小，就可以調(diào)節(jié)輸入到負載的平均供電，從而達到調(diào)光的目的。輸出電壓有效值Uorms與導(dǎo)通角α之間的關(guān)系如式(1)所示。

圖1 Triac調(diào)光器工作原理Fig.1 Principle of Triac dimmer

2 Triac調(diào)光LED驅(qū)動電路設(shè)計

本文基于Diodes公司的AL1696芯片，采用升-降壓拓撲設(shè)計了一款LED驅(qū)動電路，電路框圖如圖2所示。

圖2 電路框圖Fig.2 Block of circuit

輸入電路包括調(diào)光器和無源阻尼電路(抑制沖擊電流)；主電路采用Buck-Boost拓撲，工作在BCM模式，有較高的PF和EMI兼容性；控制電路以AL1696為PWM控制器，控制方式為原邊峰值電流控制；整流橋后加入了EMI濾波電路和Latch電路(無源泄放電路，通過外加補償電流的方式來保證流過Triac的電流大于其維持電流，而保證在Triac導(dǎo)通期間不會誤關(guān)斷引起LED閃爍)。

3 芯片AL1696工作原理

AL1696采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)技術(shù)，并使系統(tǒng)工作在BCM模式，本文以Buck-Boost拓撲為例[1]，闡述其工作原理。

3.1芯片引腳分布

芯片采用SOIC-7封裝，引腳分布如圖3所示。

1腳、2腳—未連接；3腳—CS，電流檢測腳，設(shè)置流過MOS管的峰值電流，從而確定輸出平均電流；4腳—GND；5腳—RT，設(shè)置初始導(dǎo)通時間；6腳—VCC，芯片供電引腳；7腳—D，MOS管Drian端[5]。圖3 芯片引腳Fig.3 Pin assignments

AL1696芯片采用PFM技術(shù)對輸出電流進行調(diào)節(jié)。為減小峰值電流，優(yōu)化系統(tǒng)噪音問題，其CS設(shè)定電壓為削頂波；削頂波的左邊和右邊為正弦包絡(luò)，IC工作在恒導(dǎo)通時間模式；在中間削頂區(qū)域，IC控制流過MOS管的峰值電流恒定。

3.2功率因數(shù)校正

當(dāng)MOS管關(guān)斷，電感電流線性減小到零，關(guān)斷時間toff(θ)計算為[2-3]

設(shè)定Ucs正弦包絡(luò)中的恒定tonset是削頂部分中間位置ton(π/2)的n倍，可計算出ipeak為

式中Ucs為芯片CS腳內(nèi)部參考電壓，Rcs為CS腳對地串聯(lián)電阻，θ1為正弦包絡(luò)和削頂包絡(luò)相交處的角度，sinθ1=1/n。

系統(tǒng)工作在BCM模式，整流橋輸出電流iin(θ)計算為

最終計算得整流橋輸出電流為

iin(θ)=

根據(jù)式(6)可得到圖4的輸入電流和輸入電壓波形，可見輸入電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化，實現(xiàn)功率因數(shù)校正[3]。

圖4 輸入電流、輸入電壓波形Fig.4 Waveforms of input voltage and current

3.3恒流輸出控制

Buck-Boost拓撲中，系統(tǒng)的輸出電流計算為

輸出直流電流平均值計算為

根據(jù)上式，輸入電壓、輸出電壓，Rcs選定后，輸出電流為一恒定值，實現(xiàn)恒流輸出，維持流過LED負載電流不變。

4 參數(shù)計算

設(shè)計規(guī)格：AC輸入電壓，Uin=(108～132)V；輸出電壓：Uo=72 V；輸出電流：Io=120 mA；效率η=85%。電路原理圖如圖5所示。

由式(8)可計算出Rcs為

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

由式(2)式(3)可知，在正弦包絡(luò)時，開關(guān)管開關(guān)周期隨uin(θ)增大而增大；在削頂包絡(luò)時，開關(guān)管開關(guān)周期隨uin(θ)增大而減小。所以在θ1時，可取得系統(tǒng)的最小工作頻率fmin，電感L可計算為

令f(θ1)=55 kHz，ipeak(θ1)=Ucs/Rcs=0.526 A，計算得到電感L=1.6 mH。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電感匝數(shù)N可計算為[4]

驅(qū)動電源輸出功率為8.64 W，采用EE13型磁芯，磁芯面積Ae=17.1 mm2；為避免變壓器工作時發(fā)生飽和，設(shè)定變壓器工作的電磁感應(yīng)強度Bm=0.25 T，代入式(11)，計算得到電感匝數(shù)N=197。

圖5 電路原理圖Fig.5 Schematic of the circuit

電感繞組的最大工作電流密度為J，計算出線徑d為

由式(4)可計算出電感峰值電流平均值Ipeak為

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

5 結(jié)果分析

根據(jù)上一章的計算結(jié)果選定器件，繞制電感，根據(jù)圖5制作PCB，完成驅(qū)動電源設(shè)計，連接LED負載進行測試。

5.1基本參數(shù)測試

120 VAC輸入、電源滿載工作時的輸出電壓、輸出電流波形如圖6所示。

圖6 輸出電壓、輸出電流Fig.6 Waveforms of output voltage and current

由圖6可以看出輸出電壓平均值為71.57 V，輸出電流平均值為120.5 mA，輸出電流紋波為15.5 mA，小于10%。

輸出接入72 V的LED負載，輸入接入108 V到132 V的變化交流電壓，測量相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

如表1所示，設(shè)計的這款LED電源PF高于0.93輸出電流線性調(diào)整率7%，效率高于85%，滿足設(shè)計要求。

表1 輸入輸出測量結(jié)果Table 1 Result of characteristic test

5.2Triac調(diào)光測試

電源交流輸入端接入Triac調(diào)光器，調(diào)光過程中輸入電壓和輸入電流波形如圖7所示。

如圖7所示，Triac正常工作，LED燈未出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

圖7 接入調(diào)光器后的輸入電壓輸入電流波形Fig.7 Waveforms of input voltage and current with dimmer

選用3款調(diào)光器測的調(diào)光曲線如圖8所示。可見，這款LED驅(qū)動電源具有較好的調(diào)光深度和平滑的調(diào)光曲線。

圖8 調(diào)光曲線Fig.8 Curves of output current vs. conduction angle

6 結(jié)語

本文先分析了AL1696芯片基于Buck-Boost拓撲時的PF校正和恒流控制原理，然后設(shè)計了一款可用于Triac調(diào)光的LED驅(qū)動電源，計算了電源的采樣電阻和電感等參數(shù)，最后制作了PCB，完成了電源系統(tǒng)焊接，連接到72 V的LED負載，測試了電源的輸出電壓、輸出電流、PF、THD、效率和調(diào)光曲線，由此驗證了該驅(qū)動電源具有高PF，高效率和良好的Triac調(diào)光器兼容性等特性。另外，電源采用單繞組電感，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

[1] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[2] 周志敏, 周紀(jì)海, 紀(jì)愛華. LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京:人民郵電出版, 2006.

[3] 楊恒.LED照明驅(qū)動器設(shè)計步驟詳解[M].北京:中國電力出版社，2010.

[4] 文杰.帶調(diào)光功能的LED日光燈驅(qū)動電源設(shè)計[D].上海:上海交通大學(xué),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