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精确地计算控制,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是最大输入交流电压峰值,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,使得最大最小调光角受到限制。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)
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。
