原边控制带TRIAC调光的LED驱动电源设计

caroline11

LED 由于其高亮度、节能和长寿命成为第四代照明光源。节能型LED 调光是目前应用和研究的热点之一。目前，LED 照明主要的调光方式有：模拟调光、脉宽调制（PWM）调光、可控硅（TRIAC）调光。而可控硅调光由于不需改变原有线路，是目前普遍采用的一种调光方式。

适于TRIAC 调光的非隔离LED 驱动器，是在电路中加入电容器网络增加维持电流以保证TRIAC工作在线性周期，从而避免闪烁问题。但是，这种方法仅适用于半桥结构，需要外加电路来检测TRIAC 的调光角。针对带隔离输出的TRIAC 调光的LED 驱动应用提出的适于反激PFC 转换器的前馈控制方案，输出电流通过输入功率控制，但输出电流精度受到限制。由于TRIAC 与LED 兼容大部分行业的解决办法效率都低（ 触发角检测和TRIAC 维持电流需要虚拟负载），复杂的隔离反馈结构或两级转换的高成本，因此，对于简单高性能且适用于TRIAC 调光的LED 驱动器仍有必要。

本文设计原边控制的单级反激变换器，适于TRIAC 调光且与LED 驱动器兼容的驱动方案。输出电流由原边检测的信号地计算控制，在DCM 模式下操作转换器，输入电流将跟随输入电压得到高功率因数，使LED 驱动器与TRIAC 调光器很好地兼容。此外，使用原边控制，使得输出电流信号和TRIAC 调光信号在原边获得，简化电路功能。输出电流通过TRIAC 导通角的变化改变，得到近乎线性的调光曲线。

1 工作原理
由于TRIAC 调光很普遍，成本较低，因此，能够与LED 驱动电源兼容的TRIAC 调光器很普遍。在实际应用中，尽管由于输入电流高度扭曲使得功率因数无关紧要，但在带PFC 控制的调光中，使输入电流跟随输入电压仍具有意义。本文的控制方案使输入电流跟随电压变化，得到较高的功率因数。
TRIAC 调光功能可以很容易实现，关键是如何检测调光角和改变基于调光角的输出电流。

1. 1 TRIAC 调光器
图1 给出了TRIAC 调光器经整流后的波形图。由图可看出，TRIAC 在琢角时触发导通，当电压过0 时关断。此时触发相位角的输出电压Vout由式（1）计算。

其中，Vout和Vin 分别是调光器输出电压和线电压的有效值。VF 是LED 的阈值电压。

此时功率因数可由式（2）表示。

在调光情况下，输出电压波形明显发生畸变，且产生谐波。由式（2）可知，当调光角由α逐渐接近π时，功率因数也随着减小。因此，需要设计功率因数校正电路以提高功率因数。

图1 TRIAC 调光器整流后波形

1. 2 单级反激PFC 变换
为得到较高的功率因数，反激变换器通常用于DCM 或CRM 模式。原边控制的反激变换控制原理图如图2 所示。每个开关周期的输出电流都由Io 计算模块计算，然后累积输出电流Io-est 与输出参考电流Io-REF 比较，误差信号Vea 反馈给乘法器。误差放大器的频带宽度远低于传统PFC 控制器的线性频率。乘法器的其他输入是电流波形参考信号Vac（t），与整流器总线电压Vd 有相同的波形。乘法器IREF输出用来控制流经原边开关的峰值电流。

图2 原边控制的反激PFC 电路

当原边开关Q1导通，变压器磁化电流（isw）呈线性增加。当isw达到参考电流IREF,开关Q1关断，磁化电流传输到副边。副边二极管D1导通，磁化电流线性增加。一旦电流达到0，开关管Q1重新导通。

在DCM 模式下的稳态波形如图3 所示。

图3 DCM 模式下原边信号的稳态波形

2 电路设计及实现
针对TRIAC 调光中出现的尖峰电流及LED 灯闪烁问题，在电路中设计无源泄放电路和有源阻尼电路，主功率拓扑采用单级反激变换电路，工作于电流断续模式。电路图如图4 所示。其中，输入电压范围为90 Vac ~265 Vac，输出功率：8 W；输出直流电压：22 V；输出电流：350 mA；调光范围：1% ~100%；调光过程稳定无闪烁。

图4 基于FL7730 的TRIAC 调光驱动器原理图

电路主要包括：无源泄放电路，有源阻尼电路，控制电路，单级反激变换电路。其中控制电路选用飞兆半导体的控制芯片FL7730.FL7730 是一款适合于单级反激拓扑的有源功率因数校正控制器，采用模拟检测方式，可兼容传统的TRIAC 调光，实现调光控制。本设计采用原边控制简化电路，降低成本，同时效率达到0. 8 以上。调光过程平稳且LED 灯无闪烁，较好地实现线性频率控制，实物图如图5 所示。

图5 调光控制实物图

图4 中，MOS 管电流有效值和耐压值分别由式（5）、式（6）计算：

其中，IPKP是初级电流峰值，VPKmax是输入交流电压峰值，VR 是反射电压，ΔV 是漏感电压。

副边输出电流ILED由式（7）计算。

其中，TDIS 为开关关断时间，T 是开关周期，VCS 是原边电流检测电压。

2. 1 无源泄放电路的设计
无源泄放电路为TRIAC 提供维持电流和擎住电流，避免LED 的闪烁和误触发。在图4 中由电阻R1和电容C1组成。电感L4为输入滤波电感。其中，C1 的大小决定TRIAC 导通的泄放电流的大小。在调光中，泄放电流大，调光稳定性越高。电阻R1在电路中起阻尼作用，抑制调光器触发时电容C1快速充电引起的尖峰电流。

2. 2 有源阻尼电路设计
图4 中左上部分为有源阻尼电路，电阻R2、R3,电容C3,二极管和MOS 管Q1 组成，用来抑制尖峰电压。其电路工作波形图如图6 所示。在调光器触发时，容易引起较大的电流尖峰，通过电源线路，为电容CIN快速充电。如果没有阻性阻尼，该电流尖峰将引起电源电流振荡，大电流将引起调光器误触发，破坏TRIAC 调光器。采用阻尼电阻可以抑制尖峰电流，阻尼电阻的功耗也会较高。

图6 阻尼电路工作波形

3 仿真结果及数据分析
图7 给出了在不同导通角时整流桥输出电压的波形图。由于调光器内部RC 电路的延时作用，使得调光角受到限制。由图中可看出，随着控制角的增大，可调电压的范围逐渐变小。同时由于电路中加入有源阻尼，有效地抑制了尖峰电压。

图8摇调光曲线图（调光角相对LED 电流的关系）图8 所示是调光角与LED 输出电流之间的关系，表1 给出了实验数据。由图8 可以看出，随着调光比的减小，LED 电流平滑地下降，实现平稳调光。这是由于调光角越小，可调电压范围越小，输入电压有效值也减小，因此输出电流也减小。由表1 可知，电路的功率因数达到0. 9，效率在0. 8 以上。

图7 不同控制角时输入电压的波形

图8 调光曲线图（调光角相对LED 电流的关系）

表1 实验数据

4 结论
本文分析了TRIAC 调光器及单级PFC 反激变换器的工作原理， 基于飞兆半导体控制芯片FL7730,设计一款支持TRIAC 调光的原边恒流控制的小功率LED 驱动电源。设计的有源阻尼电路及线性频率控制电路，有效抑制尖峰电压，解决闪烁等问题。该原边控制的设计使LED 驱动电路结构简单，与现有照明系统兼容性好，效率高，成本低。很好地满足室内LED 驱动器的实际应用要求。