基于反激式LED驅動芯片的可控硅調光設計*

李曉慶 ，彭曉宏 ，侯立剛 ，郭越勇 ，劉柳勝

(1.北京工業(yè)大學 集成電路與系統(tǒng)集成實驗室，北京100022;2.美芯晟科技(北京)有限公司，北京 100086)

經過多年的發(fā)展，受益于成本的降低及技術的更新，LED應用在近年取得了突飛猛進的發(fā)展。如果能夠兼容除了燈具以外的設備，將會節(jié)省很大的成本，使LED更快地取代當前的照明產品。當前照明用的調光器大部分為可控硅調光，因此所設計的LED驅動芯片若能兼容可控硅調光，則具有重大的意義。由于LED驅動是一門新興的技術，市場上能兼容可控硅調光的芯片還很少，因此本文的研究具有探索研究的意義。

1 TRIAC調光原理及簡介

目前市場上主流的非節(jié)能調光器多為TRIAC調光方式，即三端雙向可控硅調光。TRIAC調光器也是目前應用最廣的調光器。

圖1為典型的雙向可控硅調光電路原理圖。將R及C連接成為RC電路,電源給C充電的時候，可以令TRIAC調光器延遲啟動，直至C的電壓上升至觸及DIAC的觸發(fā)點電壓(一般為32 V)。調整電位計R的電阻可改變啟動延遲時間，從而改變TRIAC調光器的“導通時間”，即改變其“導通角”。因此，負載獲得的平均供電便可改變。圖2顯示了典型的AC經過TRIAC后的電壓波形。

2 調光的難點與需要解決的問題

TRIAC維持導通需要3個條件:觸發(fā)電流 IG、鎖定電流IL和Hold電流IH：

(1)IG是觸發(fā)TRIAC導通的條件，只有觸發(fā)了TRIAC導通，才能使雙向可控硅導通；

(2)IL是指在NPNP放大的過程中,如果要使NPNP連續(xù)導通的所需的一個最小電流；

(3)IH是指TRIAC正常工作之后，如果電流掉得太小，會導致TRIAC截止，所以鎖定電流就是維持導通所需要的最小電流。

在LED驅動電路中，由于傳導輻射EMI的要求，需要在全橋之前放置電感(圖 3中的 L1，L2)來防止外界的輻射干擾。同樣，由于大多數LED驅動電路采用開關電源架構[2]，為了防止初級變壓器的漏感導致的電壓尖峰，需要在主級加一個大電容 (圖3中的C13)來緩沖電壓尖峰。這樣在母線電壓的電路中有電流流過時，由于LC振蕩會導致電流,使電流振蕩到Hold電流以下。在TRIAC導通的瞬間，相當于給LC電路一個階躍響應，使電路產生一個振蕩。

3 damping電阻防振蕩原理分析

對電路列KVL,可得：

如果沒有電阻，將產生振蕩波形；如果加入阻尼電阻，當(R/2L)2＞1/LC時，可使阻尼振蕩減小。所以，如果在電路中加入damping電阻，可以使通過TRIAC的電流由振蕩變成了欠阻尼的情況，保證不使流過的電流低于Hold電流以下，從而保證連續(xù)的對LED調光。解決了振蕩的問題。

4 動態(tài)damping電阻功能實現

前文提到需要在EMI電感與反激電容間加一個damping電阻來防止LC振蕩。但是由于這個電阻需要加在主回路之間，因此主電流在TRIAC開通的時間內電流都會流過電阻，導致電阻消耗的功率過大，實測這個電阻會損失約10%的效率，而效率是電源產品首要考慮的因素，因此，設計了圖4所示的動態(tài)電阻的電路。該電路可以在電壓導通的瞬間(1 ms以內)導通,然后在 1 ms后關閉。

在TRIAC導通后，可得如下公式：

如圖 5所示,母線通過 R51給 C50充電，選取適當的時間參數。達到M50的導通電壓 Vth(2V)的時間約為1 ms。Q50的作用是，當導通電壓到了波谷時,MOS下次仍能正常充電設計。當到了谷底時，Q60的E極的電壓高于B極，Q60導通，C50的電壓開始放電。經過實測，設計好的動態(tài)電阻能將LED的效率由70%提高到80%。而且這1 ms的導通時間能有效地避免LC的震蕩區(qū)間，達到防止TRIC關斷的目的。

5 相位補償電路

在TRIAC導通期間，當相位角導通到了最低的角度時，流過TRIAC的電流已經非常小。例如在實際的設計中，調光到30°下就已經出現閃爍，這顯然不滿足照明標準的要求。為此設計了圖6所示的電流補償電路。

本文基于AC-DC LED恒流驅動芯片MT7920實現TRIAC調光。MT7920是一款基于flyback的高PFC恒流LED驅動芯片[3]。要實現輸出高PFC的功能，需要一個STP PIN來調節(jié)輸出電流。這里通過給STP PIN進行電流補償來提供低導通角時所需的電流，達到低導通角調光的目的。該補償電路同樣適用于其他需要TRIAC調光的芯片。

輸入電壓VACin為正弦波時，由一個40 V的鉗位二極管D60將第1點的電壓鉗制在40 V,相當于一個周期性的脈沖電壓。這個電壓到了第3點由于電阻分壓，變成 20 V，第1點的電壓經過 R61、C62，相當于通過一個Low Pass Filter，得到一個直流分量,因此第 2點的電壓為第1點的峰值乘以Duty。第3點的電壓與第4點C60上的電壓相差一個二極管正向壓降，取C60/C62的比例為2：1，這樣在全電壓下第 2點的電壓大于第 4點的電壓，當導通角低于90°時，第2點的電壓低于第4點的電壓，此時Q61導通，有電流流過，可以對芯片進行補償，達到相位補償的功能。

圖7顯示了該電路的實測波形，可以看到，在導通角大于90°時，第2點的電壓高于第4點電壓；當導通角低于90°時，第 4點高于第 2點，Q61導通。

6 測試結果及相關波形

基于AC-DC LED恒流驅動芯片MT7920，設計了如下PCB板，并且在180 V～265 V電壓下測試了電路的工作狀態(tài)，測試的結果如圖8所示。

測試結果顯示，電路在全電壓范圍內能正常工作，啟動角度為30°左右，實測該角度的電流基本上到了5%以下，更低導通角的調光沒有太大的意義。

本文通過對TRIAC的理論研究，找到了TRIAC對LED進行調光的問題所在，加入了damping電阻解決了調光的問題。在此基礎上設計了動態(tài)電阻的電路，且有效地提高了效率。基于MT7920芯片，根據相位補償原理設計了在導通角低下的情況下，也能穩(wěn)定地對TRIAC進行調光的電路。經過PCB設計后的電路實測，電路能達到穩(wěn)定調光的功能。

[1]韓良玉.雙向晶閘管4種導通方式優(yōu)缺點比較[J].開封大學學報,1995(01):64.

[2]PRESSMAN A I.開光電源設計[M].王志強,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3]Maxictech,MT7920:low power,high PFC high precision off-line white LED driver[EB/OL].www.maxictech.com,2010.