帶調(diào)光功能的RCC電路分析

陳 燕（上海交通大學(xué)，200030）

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帶調(diào)光功能的RCC電路分析

陳 燕
（上海交通大學(xué)，200030）

摘要：RCC電路即自激式反激變換器，具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，常用于小功率開(kāi)關(guān)電源中。如今隨著LED照明的快速發(fā)展，RCC電路也被廣泛應(yīng)用于LED照明的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中。但很多LED照明應(yīng)用要求LED燈具有可調(diào)光的功能，而普通的RCC電路無(wú)法與調(diào)光器兼容，本文研究如何在RCC電路中加入可與調(diào)光器兼容的電路，并對(duì)其工作原理進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：RCC電路；TRIAC調(diào)光；RC無(wú)源泄放電路

0　引言

自激式反激變換器，通常稱為RCC電路，可實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，不需要外部時(shí)鐘，通過(guò)變壓器和開(kāi)關(guān)晶體管就可實(shí)現(xiàn)震蕩功能。隨著LED照明的快速發(fā)展，RCC電路也被廣泛應(yīng)用于LED照明燈的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中。由于傳統(tǒng)照明的很多應(yīng)用場(chǎng)合具有調(diào)光功能，而與原有的調(diào)光器相接的是白熾燈或鹵素?zé)暨@類電阻性負(fù)載，基于RCC電路的驅(qū)動(dòng)電源并不屬于電阻性負(fù)載，如果直接用TRIAC調(diào)光器來(lái)調(diào)節(jié)由RCC驅(qū)動(dòng)的LED燈的亮度，LED就容易出現(xiàn)閃爍的問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，可在RCC驅(qū)動(dòng)電路中加入無(wú)源泄放RC damper電路，由無(wú)源的阻容元器件R和C構(gòu)成。可確保TRIAC導(dǎo)通期間的所有相位角范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍調(diào)光。

1　基本原理

1.1調(diào)光器基本工作原理

目前市場(chǎng)上LED燈的調(diào)光方式大部分采用TRIAC調(diào)光，TRIAC調(diào)光器接入電源的輸入端，利用TRIAC調(diào)整輸入電壓的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光的功能。TRIAC有三個(gè)極----陽(yáng)極（A）、陰極（C）和控制極（G），管芯是P型導(dǎo)體和N型導(dǎo)體交迭組成的四層結(jié)構(gòu)，共有三個(gè)PN 結(jié)，把從陰極向上數(shù)的第一、二、三層看成是一只NPN型號(hào)晶體管，而二、三、四層組成另一只PNP型晶體管，其中第二、第三層為兩管交迭共用。當(dāng)在陽(yáng)極和陰極之間加上一個(gè)正向電壓E，又在控制極G和陰極C之間（相當(dāng)BG2的基一射間）輸入一個(gè)正的觸發(fā)信號(hào)，BG2將產(chǎn)生基極電流Ib2，經(jīng)放大，BG2將有一個(gè)放大了β2 倍的集電極電流IC2 。因?yàn)锽G2集電極與BG1基極相連，IC2又是BG1 的基極電流Ib1 。BG1又把Ib1 （Ib2） 放大了β1的集電極電流IC1送回BG2的基極放大。如此循環(huán)放大（正反饋），直到BG1、BG2完全導(dǎo)通，這時(shí)即使撤去柵極的驅(qū)動(dòng)電壓，晶閘管仍可繼續(xù)導(dǎo)通，直到陽(yáng)極到陰極的電壓小于0或者陽(yáng)極電流小于維持電流才截止。

調(diào)光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電源通過(guò)C2和R1給C1充電，當(dāng)C1上的電壓高于雙向觸發(fā)二極管D1的電壓后，D1 觸發(fā)可控硅雙向晶閘管Q1導(dǎo)通，Q1 導(dǎo)通后電源電壓經(jīng)由L1和Q1給輸出負(fù)載供電，同時(shí)C1重新放電到0，直道電源電壓過(guò)零Q1才截止，下半周期重復(fù)相同的工作。輸出到RCC驅(qū)動(dòng)電源上的電壓就是一個(gè)被切相的正弦波，通過(guò)調(diào)節(jié)R1來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的大小，RCC只有在有電壓通過(guò)的時(shí)候才會(huì)工作，因此RCC的輸出電流隨輸入電壓導(dǎo)通角大小的改變而改變，從而調(diào)節(jié)LED的亮度。

1.2二階網(wǎng)絡(luò)的階越響應(yīng)

二階振蕩網(wǎng)絡(luò)的原理，u（t）為階越信號(hào)時(shí)，電路的零狀態(tài)為；，當(dāng)t＞0時(shí)，根據(jù)KVL方程可以得到二階微分方程，解得該微分方程的通解為；，其中，將零狀態(tài)代入方程式，解得；， 將其代入方程的通解中，可得到電壓電流為，；。時(shí)，有兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)根，這是過(guò)阻尼情形，是一個(gè)非振蕩過(guò)程。

1.3RCC驅(qū)動(dòng)電源與調(diào)光器的匹配原理

如果調(diào)光器工作過(guò)程中，TRIAC在觸發(fā)導(dǎo)通后不能維持導(dǎo)通，輸出到RCC驅(qū)動(dòng)電源的電壓會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致RCC工作不正常，就會(huì)發(fā)生LED燈閃爍的現(xiàn)象。所以RCC驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)要確保調(diào)光器中的TRIAC在每一個(gè)相位角都能維持導(dǎo)通，直到下半周到來(lái)電壓過(guò)0才截止。維持可控硅的導(dǎo)通需要兩個(gè)條件，一是陽(yáng)極到陰極的電壓E大于0，二是陽(yáng)極電流大于維持電流。所以要求RCC驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)必須滿足在調(diào)光器工作中，輸入電流大于調(diào)光器的維持電流。

將調(diào)光器內(nèi)部的電感L4，保險(xiǎn)絲電阻RL，RCC驅(qū)動(dòng)電源中EMI濾波器的第一個(gè)電容C1等效為第一個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)，將RCC驅(qū)動(dòng)電源中的EMI電感L3和電容C2等效為第二個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)。在調(diào)光器導(dǎo)通瞬間，相當(dāng)于在第一個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)上加了一個(gè)階越信號(hào)，則第一個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)在調(diào)光器導(dǎo)通瞬間是一個(gè)階越響應(yīng)。針對(duì)北美市場(chǎng)的產(chǎn)品，由于北美市場(chǎng)的調(diào)光器的內(nèi)部電感L4的感量較小，一般在幾十微亨，調(diào)光器內(nèi)部電容C5上的電壓很快被放掉，所以第二個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓也相當(dāng)于一個(gè)階越信號(hào)，則第二個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)階越響應(yīng)。為了保證輸入電流大于調(diào)光器的維持電流，則要求兩個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)都工作在過(guò)阻尼模式。

第一個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)適當(dāng)選擇保險(xiǎn)絲電阻的阻值和RCC的EMI濾波器的第一個(gè)濾波電容的容值來(lái)使其工作在過(guò)阻尼模式。如假設(shè)調(diào)光器內(nèi)部電感感量為51uH，RCC驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)濾波電容的容值大小為82nf，則保險(xiǎn)絲電阻的阻值歐姆時(shí)，第一個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)就可工作在過(guò)阻尼模式。

第二個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)，由于RCC驅(qū)動(dòng)的EMI電感的感量較大，一般是mH級(jí)別，而RCC的EMI濾波器的第二個(gè)濾波電容的容值一般在100nf左右，若采用串聯(lián)一個(gè)電阻在EMI電感上的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)使第二個(gè)二階網(wǎng)絡(luò)工作在過(guò)阻尼狀態(tài)，假設(shè)EMI電感感量為4.7mH，EMI濾波器第二個(gè)濾波電容容值為100nf，則需要一個(gè)阻值歐姆的電阻，要求的電阻阻值太大，所以RCC驅(qū)動(dòng)正常工作時(shí)該電阻的損耗太大，導(dǎo)致該方法不能實(shí)際應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，所以通常采用接入RC damper的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)使第二個(gè)二階網(wǎng)絡(luò)工作于過(guò)阻尼模式 ，由C6和R1組成。其值的設(shè)計(jì)是要滿足，若忽略C2和后級(jí)電路的影響，假設(shè)電感感量為4.7mH，RC damper中電容C6的容值選擇220nf，則RC damper中電阻要求其阻值歐姆。將RC damper連接在EMI濾波電感后。

1.4仿真與分析

使用開(kāi)關(guān)管SW1 模擬調(diào)光器中的TRIAC。C1、L3、C2 是RCC驅(qū)動(dòng)中的EMI濾波器，RL為保險(xiǎn)絲電阻，C6和R1構(gòu)成無(wú)源泄放RC damper電路。這是一個(gè)BUCK-BOOST結(jié)構(gòu)的RCC電路，驅(qū)動(dòng)功率的大小可通過(guò)設(shè)計(jì)L1的值和工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)。

由前面的原理分析可知，對(duì)北美市場(chǎng)的產(chǎn)品，由于調(diào)光器內(nèi)部電感的感量較小，所以將RC damper接在EMI電感L3的后面，因?yàn)槿鐚C damper放在電感L3 之前，第二個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)上的電流就會(huì)是一個(gè)阻尼振蕩，L3上的振蕩電流會(huì)疊加到輸入電流中，也可能導(dǎo)致輸入電流小于TRIAC的維持電流，從而導(dǎo)致燈閃。分別是RC damper接在EMI電感前和EMI電感后所對(duì)應(yīng)的EMI電感上的電流波形，若將RC damper接在EMI電感的前面，第二個(gè)二階振蕩網(wǎng)絡(luò)工作在阻尼振蕩模式，其電流是一個(gè)按指數(shù)形式衰減的余弦曲線，這個(gè)振蕩電流會(huì)疊加到輸入電流中，導(dǎo)致輸入電流小于TRIAC的維持電流，這種連接方式不利于RCC驅(qū)動(dòng)電源與調(diào)光器的匹配。

2　測(cè)量與結(jié)論

為了讓RCC驅(qū)動(dòng)電源的工作能夠和調(diào)光器的工作相匹配，保證調(diào)光器正常的工作，LED不閃爍，需要保證調(diào)光器工作過(guò)程中有足夠的維持電流來(lái)維持TRIAC的導(dǎo)通。為了實(shí)現(xiàn)該目的，在設(shè)計(jì)RCC驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，需合理選擇保險(xiǎn)絲電阻的阻值和EMI濾波電容C1的容值，并在RCC電路中加入RC damper電路，對(duì)北美市場(chǎng)的產(chǎn)品，由于調(diào)光器內(nèi)部電感感量較小，將RC damper電路放在EMI濾波電感的后面。分別為RC damper接在EMI濾波電感前和后所對(duì)應(yīng)的輸入電流電流，可以看到RC damper接在EMI電感后面電流的振蕩會(huì)少，對(duì)保證調(diào)光器的維持電流更好，實(shí)測(cè)的輸入電流波形，其中藍(lán)色為RC damper接在EMI電感之前的電流，振蕩會(huì)比較多，與理論分析和仿真的結(jié)果是一致的。

參考文獻(xiàn)

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［2］ 沙占友，王彥朋，馬洪濤.LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)入門［M］. 北京：中國(guó)電力出版社，2011

Analysis of RCC circuit with dimming function

Chen Yan
（Chen Yan Shanghai Jiao Tong University，200030）

Abstract：The RCC circuit，which is a self excited flyback converter，has the advantages of simple circuit，low cost and so on，which is commonly used in the small power switch power supply.Nowadays with the rapid development of LED lighting，RCC circuit is also widely used in the design of LED lighting drive power supply.But many LED lighting application requirements LED lamp with dimming function，and ordinary RCC circuit cannot with dimmer compatibility， in this paper，we study how to in RCC circuit added can be compatible with a dimming device of the circuit and the principle were analyzed.

Keywords：RCC circuit；TRIAC dimming；RC passive release circuit

作者簡(jiǎn)介

陳燕，性別： 女，出生年月：1988.08.10，籍貫：貴州省遵義市，民族：漢，學(xué)歷：在職碩士，研究方向：電子與通信工程，所在單位：上海交通大學(xué)，職稱：無(wú)