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基于反激式LED驱动芯片的可控硅调光设计
来源:电子技术应用2011年第9期
李晓庆1,彭晓宏1,侯立刚1,郭越勇2,刘柳胜2
(1. 北京工业大学 集成电路与系统集成实验室, 北京100022; 2. 美芯晟科技(北京)有限公
摘要:分析了LED驱动电源设计中的可控硅调光。设计能兼容现行大多数调光器的LED电源是降低LED成本、迅速取代当前节能照明技术的关键。系统地分析了三端双向可控硅的工作原理和LED驱动电路调光的难点,提出了加入damping电阻解决可控硅调光与LED兼容问题的方案。该设计基于AC-DC电源芯片MT7920,并加入了一种相位补偿的电路,经过PCB板级实现,证实了电路能正常地工作。
中图分类号:TN431.1
文献标识码:A
文章编号: 0258-7998(2011)09-077-03
Design of TRIAC dimming based on the flyback LED driver
Li Xiaoqing1, Peng Xiaohong1, Hou ligang1,Guo Yueyong2, Liu Liusheng2
1. VLSI Lab Beijing University of Technology, Beijing 100022, China; 2. Maxic Technology Corporation, Beijing 100086, China
Abstract:This paper introduced the TRIAC dimming research in LED driver design. Design the LED driver that can be compatible of the TRIAC, is crucial for the cost down and replace current energy saving technology. This paper analyzed the TRIAC work theory, difficult of the LED drvier dimming, proposed a solution for TRIAC dimming used the damping resistor, based on power management chip MT7920, proposed a circuit of phase compensation, after the implementation on PCB, can be dimming for TRIAC.
Key words :LED driver; TRIAC dimming; phase compensation; dynamic damping resistor

摘 要:分析了LED驱动电源设计中的可控硅调光。设计能兼容现行大多数调光器的LED电源是降低LED成本、迅速取代当前节能照明技术的关键。系统地分析了三端双向可控硅的工作原理和LED驱动电路调光的难点,提出了加入damping电阻解决可控硅调光与LED兼容问题的方案。该设计基于AC-DC电源芯片MT7920,并加入了一种相位补偿的电路,经过PCB板级实现,证实了电路能正常地工作。
关键词:LED驱动;可控硅调光;相位补偿;动态damping电路

经过多年的发展,受益于成本的降低及技术的更新,LED应用在近年取得了突飞猛进的发展。如果能够兼容除了灯具以外的设备,将会节省很大的成本,使LED更快地取代当前的照明产品。当前照明用的调光器大部分为可控硅调光,因此所设计的LED驱动芯片若能兼容可控硅调光,则具有重大的意义。由于LED驱动是一门新兴的技术,市场上能兼容可控硅调光的芯片还很少,因此本文的研究具有探索研究的意义。
1 TRIAC调光原理及简介
目前市场上主流的非节能调光器多为TRIAC调光方式,即三端双向可控硅调光。TRIAC调光器也是目前应用最广的调光器。
图1为典型的双向可控硅调光电路原理图。将R及C连接成为RC电路,电源给C充电的时候,可以令TRIAC调光器延迟启动,直至C的电压上升至触及DIAC的触发点电压(一般为32 V)。调整电位计R的电阻可改变启动延迟时间,从而改变TRIAC调光器的“导通时间”,即改变其“导通角”。因此,负载获得的平均供电便可改变。图2显示了典型的AC经过TRIAC后的电压波形。

2 调光的难点与需要解决的问题
 TRIAC维持导通需要3个条件:触发电流IG、锁定电流IL和Hold电流IH:
 (1) IG是触发TRIAC导通的条件,只有触发了TRIAC导通,才能使双向可控硅导通;
 (2) IL是指在NPNP放大的过程中,如果要使NPNP连续导通的所需的一个最小电流;
 (3) IH是指TRIAC正常工作之后,如果电流掉得太小,会导致TRIAC截止,所以锁定电流就是维持导通所需要的最小电流。
 在LED驱动电路中,由于传导辐射EMI的要求,需要在全桥之前放置电感(图3中的L1,L2)来防止外界的辐射干扰。同样,由于大多数LED驱动电路采用开关电源架构[2],为了防止初级变压器的漏感导致的电压尖峰,需要在主级加一个大电容(图3中的C13)来缓冲电压尖峰。这样在母线电压的电路中有电流流过时,由于LC振荡会导致电流,使电流振荡到Hold电流以下。在TRIAC导通的瞬间,相当于给LC电路一个阶跃响应,使电路产生一个振荡。
3 damping电阻防振荡原理分析
 对电路列KVL,可得:

 如果没有电阻,将产生振荡波形;如果加入阻尼电阻,当(R/2L)2>1/LC时,可使阻尼振荡减小。所以,如果在电路中加入damping电阻,可以使通过TRIAC的电流由振荡变成了欠阻尼的情况,保证不使流过的电流低于Hold电流以下,从而保证连续的对LED调光。解决了振荡的问题。
4 动态damping电阻功能实现
 前文提到需要在EMI电感与反激电容间加一个damping电阻来防止LC振荡。但是由于这个电阻需要加在主回路之间,因此主电流在TRIAC开通的时间内电流都会流过电阻,导致电阻消耗的功率过大,实测这个电阻会损失约10%的效率,而效率是电源产品首要考虑的因素,因此,设计了图4所示的动态电阻的电路。该电路可以在电压导通的瞬间(1 ms以内)导通,然后在1 ms后关闭。

 在TRIAC导通后,可得如下公式:

如图5所示,母线通过R51给C50充电,选取适当的时间参数。达到M50的导通电压Vth(2V)的时间约为1 ms。Q50的作用是,当导通电压到了波谷时,MOS下次仍能正常充电设计。当到了谷底时,Q60的E极的电压高于B极,Q60导通,C50的电压开始放电。

 本文基于AC-DC LED恒流驱动芯片MT7920实现TRIAC调光。MT7920是一款基于flyback的高PFC恒流LED驱动芯片[3]。要实现输出高PFC的功能,需要一个STP PIN来调节输出电流。这里通过给STP PIN进行电流补偿来提供低导通角时所需的电流,达到低导通角调光的目的。该补偿电路同样适用于其他需要TRIAC调光的芯片。
输入电压VACin为正弦波时,由一个40 V的钳位二极管D60将第1点的电压钳制在40 V,相当于一个周期性的脉冲电压。这个电压到了第3点由于电阻分压,变成20 V,第1点的电压经过R61、C62,相当于通过一个Low Pass Filter,得到一个直流分量,因此第2点的电压为第1点的峰值乘以Duty。第3点的电压与第4点C60上的电压相差一个二极管正向压降,取C60/C62的比例为2:1,这样在全电压下第2点的电压大于第4点的电压,当导通角低于90°时,第2点的电压低于第4点的电压,此时Q61导通,有电流流过,可以对芯片进行补偿,达到相位补偿的功能。
 图7显示了该电路的实测波形,可以看到,在导通角大于90°时,第2点的电压高于第4点电压;当导通角低于90°时,第4点高于第2点,Q61导通。

测试结果显示,电路在全电压范围内能正常工作,启动角度为30°左右,实测该角度的电流基本上到了5%以下,更低导通角的调光没有太大的意义。
本文通过对TRIAC的理论研究,找到了TRIAC对LED进行调光的问题所在,加入了damping电阻解决了调光的问题。在此基础上设计了动态电阻的电路,且有效地提高了效率。基于MT7920芯片,根据相位补偿原理设计了在导通角低下的情况下,也能稳定地对TRIAC进行调光的电路。经过PCB设计后的电路实测,电路能达到稳定调光的功能。
参考文献
[1] 韩良玉.双向晶闸管4种导通方式优缺点比较[J]. 开封大学学报,1995(01):64.
[2] PRESSMAN A I.开光电源设计[M].王志强,译.北京:电子工业出版社,2005.
[3] Maxictech, MT7920: low power, high PFC high precision off-line white LED driver[EB/OL].www.maxictech.com, 2010.

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