基于控制器LM3445帶三端可控硅調(diào)光器的離線式LED驅(qū)動(dòng)器

0 引言
    基于控制器IC的可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器通常采用的調(diào)光方式有兩種，即數(shù)字PWM調(diào)光和模擬DC電壓調(diào)光。基于相位控制的TRIAC傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)?strong>調(diào)光器若用于LED的調(diào)光控制，會(huì)產(chǎn)生100Hz或120Hz的閃爍，而且調(diào)光范圍非常窄。最近美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)公司推出一種帶有TRIAC調(diào)光譯碼器的離線式AC／DC降壓(buck)恒流LED控制器LM3445，允許利用標(biāo)準(zhǔn)TRIAC調(diào)光器對(duì)LED進(jìn)行寬范圍的平穩(wěn)無(wú)閃爍調(diào)光，打破了傳統(tǒng)TRIAC調(diào)光器應(yīng)用與LED節(jié)能照明的一個(gè)瓶頸。

l LM3445的主要特點(diǎn)
    LM3445與先前的同類離線式AC／DC降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)器IC比較，其主要特點(diǎn)是在芯片上設(shè)計(jì)了TRIAC調(diào)光譯碼器電路，能傳感AC線路TRIAC調(diào)光波形，并將其轉(zhuǎn)換成控制LED電流的調(diào)光信號(hào)，幾乎能在從0％到100％的調(diào)光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍LED亮度調(diào)控。LM3445的其它特征主要有：
    (1)AC輸入電壓范圍為80～270V，適用于國(guó)際通用AC線路；
    (2)能夠控制大于1A的LED電流；
    (3)適合配置無(wú)源(被動(dòng)式)功率因數(shù)校正(PFC)電路，滿足能源之星固態(tài)照明(SSL)商業(yè)應(yīng)用要求；
    (4)支持主／從控制功能的多芯片解決方案，使用一個(gè)TRIAC調(diào)光器和一個(gè)主LM3445，便能控制多個(gè)基于LM3445的從屬降壓變換器驅(qū)動(dòng)的多串LED；
    (5)提供VCC欠鎖定、門限是165℃的熱關(guān)閉保護(hù)和電流限制；
    (6)固定關(guān)斷時(shí)間可編程，開關(guān)頻率可調(diào)節(jié)；
    (7)采用10引腳MSOP封裝，結(jié)溫范圍為一40℃～+125℃。

2 基于LM3445的TRIAC調(diào)光離線LED驅(qū)動(dòng)電路
    1)基本電路
    LM3445的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及由其組成的TRIAC調(diào)光離線式LED驅(qū)動(dòng)電路如圖l所示。這種AC—DC恒流LED驅(qū)動(dòng)電路主要含有五個(gè)部分，即TRIAC調(diào)光器、橋式整流器BR1、整流線路電壓檢測(cè)及調(diào)光譯碼器電路、無(wú)源功率因數(shù)校正(PFC)電路和降壓(buck)式DC／DC變換器電路，整個(gè)系統(tǒng)的核心是LM3445。
    2)電路工作原理
    (1)TRIAC調(diào)光器
    在圖1中，串聯(lián)在橋式整流器BR1輸入端的TRIAC調(diào)光器采用傳統(tǒng)基于相位控制的電路，如圖2所示。R1、R2和C1值決定C1上電壓達(dá)到雙向觸發(fā)二極管(DIAC)觸發(fā)電壓(約32V)之前的延遲時(shí)間。對(duì)于負(fù)載是白熾燈時(shí)，R1值減小，TRIAC的導(dǎo)通延遲縮短，導(dǎo)通角增加，燈亮度則增強(qiáng)；反之，若R1值增加，TRIAC導(dǎo)通角將減小，燈光則變暗。

    在圖1中，TRIAC調(diào)光器被串接在AC線路輸入端，通過(guò)LM3445的調(diào)光譯碼器電路，可以控制LED串的電流，實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)控。
    (2)TRIAC調(diào)光譯碼電路
    TRIAC調(diào)光譯碼電路由整流線路電壓感測(cè)電路、TRIAC導(dǎo)通角檢測(cè)電路和調(diào)光譯碼器電路三部分組成(見圖1)。[!--empirenews.page--]
    ①線路電壓感測(cè)
    位于橋式整流器之后的R1、15V的齊納二極管VD1和VT1組成一個(gè)串聯(lián)通路整流器，將整流的線路電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娖奖籌C(LM3445)的引腳BLDR感測(cè)。由于VT1源極未連接電容器，當(dāng)線路電壓降至15V以下時(shí)，允許IC引腳BLDR上的電壓隨整流電壓升高和降低。R5的作用有兩個(gè)：一是用作泄放IC引腳BLDR節(jié)點(diǎn)寄生電容的電荷；二是在小電流輸出上操作時(shí)，為調(diào)光器提供所需要的保持電流。
    二極管(肖特基型)VD2和電容C5的作用是，當(dāng)IC引腳BLDR上的電壓變低時(shí)，維持IC引腳VCC上的電壓，使IC能夠正常操作。
    ②角度檢測(cè)和調(diào)光譯碼器
    TRIAC導(dǎo)通角檢測(cè)電路利用一個(gè)門限為7．2V的比較器監(jiān)視IC引腳BLDR來(lái)確定TRIAC是導(dǎo)通或者關(guān)斷。比較器輸出經(jīng)4μs的延遲線控制一個(gè)泄放電路并驅(qū)動(dòng)一個(gè)緩沖器。緩沖器輸出(引腳ASNS)擺幅被限制在0～4V，經(jīng)R1和C3組成的低通濾波器濾波，通過(guò)IC引腳FLTRl輸入到斜坡比較器(反相端)，與斜坡產(chǎn)生器產(chǎn)生的5．88kHz、l～3V的鋸齒波相比較，斜坡比較器輸出驅(qū)動(dòng)引腳DIM和一個(gè)N溝道MOSFET。MOSFET漏極上的信號(hào)經(jīng)內(nèi)部370kΩ和IC引腳FLTR2上的電容C4組成的(第二個(gè))低通濾波器濾波，輸至內(nèi)部PWM比較器。調(diào)光譯碼器輸出一個(gè)幅度從0～750mV變化的DC電壓，相應(yīng)的調(diào)光器占空比是從25％到75%變化，TRIAC導(dǎo)通角范圍從45℃到135℃，從而直接控制LED的峰值電流，獲得幾乎從0％到100%的調(diào)光范圍。
    (3)無(wú)源PFC電路
    電容C7和C9以及二極管VD4、VD8、VD9組成部分濾波填谷式無(wú)源(即被動(dòng)式)PFC電路。用其替代一個(gè)傳統(tǒng)大容量濾波電容器，可以改善線路功率因數(shù)。電容C10(10nF)在C7和C9充電時(shí)，可以衰減電壓紋波。無(wú)源PFC電路輸出電壓Ubuck，作為降壓變換器的DC總線電壓。
    在沒(méi)有TRIAC調(diào)光器接入的情況下，當(dāng)AC線路電壓高于其峰值的1／2時(shí)，VD3和VD8導(dǎo)通，VD4和VD9截止，電容C7和C9以串聯(lián)方式被充電，并且電流會(huì)流入負(fù)載。當(dāng)AC線路電壓低于其峰值的l／2時(shí)，VD3和VD8反向偏置，而VD4和VD9正向偏置，C7和C9以并聯(lián)方式放電，電流流入負(fù)載。圖3所示為不帶TRIAC調(diào)光器時(shí)AC線路電壓UAC、整流電壓UBR1和PFC電路輸出電壓Ubuck波形。由圖3可知，雖然Ubuck波形很不平滑，但在AC線路半周期內(nèi)的電流導(dǎo)通角達(dá)120°(即從30°到150°)，線路功率因數(shù)達(dá)0．9以上。而只用單個(gè)大容量電容濾波雖然能獲得比較平滑的DC電壓，但電流流動(dòng)角僅約60°(即從60°到120°)，線路功率因數(shù)不超過(guò)0．6。

    加入TRIAC調(diào)光器時(shí)的相關(guān)電壓波形如圖4所示，其中θ為TRIAC的導(dǎo)通角。
    (4)DC—DC降壓變換器
    控制器LM3445、功率MOSFET(VT2)、電感器L2、二極管VD10、電阻R3和電容C12等，組成開關(guān)型DC—DC降壓變換器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED串。
    當(dāng)LM3445引腳GATE上的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)VT2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)L2和LED串的電流線性增加，并被R3感測(cè)。當(dāng)R3上的電壓等于在IC引腳FLTR2上的參考電壓時(shí)，VT2則關(guān)斷，L2釋放儲(chǔ)能，VD10導(dǎo)通，電流通過(guò)LED串和L2，并從其峰值線性減小。C12用作消除大部分電感L2的紋波電流，R4、C11和VT3為設(shè)置固定關(guān)斷時(shí)間提供一個(gè)線性電流斜坡信號(hào)。

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3 主要參數(shù)與元件值的計(jì)算
    LM3445可以在80～270VAC的通用AC線路上工作，現(xiàn)設(shè)輸入電壓范圍是90～135VAC，開關(guān)頻率fsw=250kHz，變換器效率η≥80％，LED正向壓降UF=3．6V，通過(guò)LED串的平均電流ILED=400mA，串聯(lián)LED的數(shù)量n=7，LED串的總電壓降則為ULED=nUF=7×3．6V=25．2V。因篇幅所限，在此我們僅重點(diǎn)介紹無(wú)源PFC電路和降壓變換器中主要元件的選擇。
    1)填谷式無(wú)源PFC電路元件的選擇
    在沒(méi)有TRIAC調(diào)光時(shí)，填谷式電路電壓Ubuck波形如圖5所示。對(duì)于60Hz的線路頻率，半周期時(shí)間是8．33ms。AC電壓在30°和150°上的值為峰值的1／2，保持時(shí)間tx為半周期的1／3，即8．33ms×(1／3)=2．78ms。在90VAC的低線路電壓上，Ubuck最小值為
    C7和C9的總電容量C可根據(jù)公式i=C(dU／dt)來(lái)計(jì)算。在電容中的電流為

    設(shè)在低線路電壓和滿載時(shí)的Ubuck降落dU=15V，由于dt=2．78ms，因此C7和C9并聯(lián)電容值為C=i·dt／dU=157．5mA×2．78ms／15V=29μF可以選擇C7=C9=22μF。
    由于Ubuck的最大值為C7和C9的額定電壓選擇200V是允許的。二極管VD4、VD8和VD9可選用200V、1A的RF07lM2S或等同器件。

    VD3選用與VD4、VD8、VD9相同的二極管，C10選用10nF／250V的薄膜電容器。
    2)降壓式變換器元件選擇
    有些元件值的計(jì)算都與變換器關(guān)斷時(shí)間tOFF有關(guān)。降壓變換器在理想情況下的占空因數(shù)可表示為：

    考慮到變換器效率η，占空比D為：

    由（1）式得到：

    將式（2）代入式（3）得：

   
    式中：η=80％，ULED=25.2V，fSW=250kHz。在110VAC輸入電壓上，填谷式電路的電壓根據(jù)式(4)可得：

    通過(guò)R4的電流ICOLL在50μA與100μA之間，選擇ICOLL=70μA，R4=ULED／ICOLL=25.2V／70μA=360kΩ。R4選用365kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻。
    根據(jù)公式i=C(dU／dt)，通過(guò)R4和C11的電流為ULEd/R4，電流進(jìn)入到C11產(chǎn)生一個(gè)線性充電特性，IC引腳COFF內(nèi)部比較器(見圖1)門限為1.276V，因此C11=(ULED／R4)(tOFF／1．276V)=(25．2V／365kΩ)(3μs／1．276V)=162pF
    C11選用120PF的標(biāo)準(zhǔn)電容值。
    電感器L2紋波電流△iL2按電感平均電流的30％來(lái)選取，△iL2則為ILED×30％=400mA。在關(guān)斷期間，L2上的電壓△UL2=ULED，△t=tOFF，根據(jù)公式△UL2=L2(△iL2／△t)得：
    L2=(ULED×tOFF)／△iL2=(25．2V×3μs)／120mA=630μH
    在非調(diào)光情況下和連續(xù)導(dǎo)電模式，iL2的峰值電流為
    iL2(PK)=IAVE+△iL2／2=ILED+120mA／2=460mA
    當(dāng)電感電流達(dá)到峰值時(shí)，IC內(nèi)控制MOSFET關(guān)斷，此時(shí)R3上的峰值感測(cè)電壓是750mV。因此，R3值為：
    R3=750mA／iL2(PK)=750mV／460mA=1．63Ω
    選擇R3=1．8Ω。
    C12選擇lμFl50V的電容，VD10選擇50V、1A的二極管。
    在圖1中，其他元件選擇如下：
    BRl選用400V、0．8A的HD04-T，VD1選用15V的DZX84C15LT1G，VD2選用40V、120mA的BAS40H，VT1和VT2選用400V、4A的FQD7N30TF，VT3選用100V、170mA的PNP晶體管，R2=100kΩ，R5=1kΩ，C5=22μF／50V，C3=470nF／16V，C4=100nF／16V。

4 結(jié)束語(yǔ)
    LM3445是含有TRIAC調(diào)光譯碼器的固定關(guān)斷時(shí)間AC／DC降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)器?；贚M3445的離線式LED照明電源，利用傳統(tǒng)白熾燈TRIAC調(diào)光器，能夠?qū)ED串進(jìn)行寬范圍平穩(wěn)無(wú)閃爍調(diào)光，實(shí)現(xiàn)100：1的調(diào)光比，從而解決了標(biāo)準(zhǔn)TRIAC調(diào)光器應(yīng)用于LED調(diào)光的瓶頸。