一種單繞組Triac調光LED驅動電路設計

李 強，李 歡，張 爭，趙懷友

(南京理工大學自動化學院，江蘇 南京 210094)

一種單繞組Triac調光LED驅動電路設計

李 強，李 歡，張 爭，趙懷友

(南京理工大學自動化學院，江蘇 南京 210094)

本文首先介紹了Triac調光器的工作原理；然后基于Buck-Boost拓撲分析了AL1696芯片的PF校正算法和恒流輸出算法；接著設計了一個單繞組供電、可用于Triac調光的LED驅動電源，并計算了該電源的采樣電阻和電感參數；最后實驗測試了該電源的輸出電壓、輸出電流、PF、THD、效率和調光曲線，并通過分析實驗結果驗證了該電源PF高于0.93，效率大于85%且具有良好的調光兼容性。

LED；Triac調光；AL1696

引言

近年來由于能源危機日益嚴重，節能減排已引起人們的高度重視。LED與傳統照明相比，其光效高、壽命長(連續工作10 000 h以上)、耗能少。隨著LED照明在性能、成本方面不斷改善，LED照明逐漸成為21世紀最具發展前景的綠色照明產業，全球淘汰低效率白熾燈的趨勢也日益明顯。

然而，大部分白熾燈利用三端雙向可控硅(Triac)相控調光器進行調光，因此，用LED代替白熾燈時，若要沿用原有照明設施，LED必須支持Triac調光器。

在進一步降低成本和具有較高的調光器兼容性的前提下，本文采用Diodes公司的調光芯片AL1696，基于其價格低，輸出恒流控制簡單的優點，設計了一款可用于Triac調光的原邊恒流控制LED驅動電源。

1 Triac調光器基本原理

圖1為Triac調光器的內部原理圖，它由雙向可控硅(Triac)、雙向觸發二極管(DIAC)、可變電阻R1，電阻R2、電容C1組成。

R1，R2和C1構成RC延遲電路，當調光器接入交流市電后，C1充電，直至C1電壓上升至DIAC的擊穿電壓，C1電荷通過DIAC部分注入Triac，從而出發Triac導通，在電路中形成回路。在RC延遲電路中，可變電阻R1的阻值越大，啟動時間越長，Triac的導通時間越短，即調光器的導通角越小[2]。所以，通過調節可變電阻R1阻值大小，就可以調節輸入到負載的平均供電，從而達到調光的目的。輸出電壓有效值Uorms與導通角α之間的關系如式(1)所示。

圖1 Triac調光器工作原理Fig.1 Principle of Triac dimmer

2 Triac調光LED驅動電路設計

本文基于Diodes公司的AL1696芯片，采用升-降壓拓撲設計了一款LED驅動電路，電路框圖如圖2所示。

圖2 電路框圖Fig.2 Block of circuit

輸入電路包括調光器和無源阻尼電路(抑制沖擊電流)；主電路采用Buck-Boost拓撲，工作在BCM模式，有較高的PF和EMI兼容性；控制電路以AL1696為PWM控制器，控制方式為原邊峰值電流控制；整流橋后加入了EMI濾波電路和Latch電路(無源泄放電路，通過外加補償電流的方式來保證流過Triac的電流大于其維持電流，而保證在Triac導通期間不會誤關斷引起LED閃爍)。

3 芯片AL1696工作原理

AL1696采用脈沖頻率調制(PFM)技術，并使系統工作在BCM模式，本文以Buck-Boost拓撲為例[1]，闡述其工作原理。

3.1芯片引腳分布

芯片采用SOIC-7封裝，引腳分布如圖3所示。

1腳、2腳—未連接；3腳—CS，電流檢測腳，設置流過MOS管的峰值電流，從而確定輸出平均電流；4腳—GND；5腳—RT，設置初始導通時間；6腳—VCC，芯片供電引腳；7腳—D，MOS管Drian端[5]。圖3 芯片引腳Fig.3 Pin assignments

AL1696芯片采用PFM技術對輸出電流進行調節。為減小峰值電流，優化系統噪音問題，其CS設定電壓為削頂波；削頂波的左邊和右邊為正弦包絡，IC工作在恒導通時間模式；在中間削頂區域，IC控制流過MOS管的峰值電流恒定。

3.2功率因數校正

當MOS管關斷，電感電流線性減小到零，關斷時間toff(θ)計算為[2-3]

設定Ucs正弦包絡中的恒定tonset是削頂部分中間位置ton(π/2)的n倍，可計算出ipeak為

式中Ucs為芯片CS腳內部參考電壓，Rcs為CS腳對地串聯電阻，θ1為正弦包絡和削頂包絡相交處的角度，sinθ1=1/n。

系統工作在BCM模式，整流橋輸出電流iin(θ)計算為

最終計算得整流橋輸出電流為

iin(θ)=

根據式(6)可得到圖4的輸入電流和輸入電壓波形，可見輸入電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化，實現功率因數校正[3]。

圖4 輸入電流、輸入電壓波形Fig.4 Waveforms of input voltage and current

3.3恒流輸出控制

Buck-Boost拓撲中，系統的輸出電流計算為

輸出直流電流平均值計算為

根據上式，輸入電壓、輸出電壓，Rcs選定后，輸出電流為一恒定值，實現恒流輸出，維持流過LED負載電流不變。

4 參數計算

設計規格：AC輸入電壓，Uin=(108～132)V；輸出電壓：Uo=72 V；輸出電流：Io=120 mA；效率η=85%。電路原理圖如圖5所示。

由式(8)可計算出Rcs為

式中Ucs=0.4 V，Uin_rms=120 V，n=1.3，計算得到Rcs=0.76 Ω。

由式(2)式(3)可知，在正弦包絡時，開關管開關周期隨uin(θ)增大而增大；在削頂包絡時，開關管開關周期隨uin(θ)增大而減小。所以在θ1時，可取得系統的最小工作頻率fmin，電感L可計算為

令f(θ1)=55 kHz，ipeak(θ1)=Ucs/Rcs=0.526 A，計算得到電感L=1.6 mH。

根據法拉第電磁感應定律，電感匝數N可計算為[4]

驅動電源輸出功率為8.64 W，采用EE13型磁芯，磁芯面積Ae=17.1 mm2；為避免變壓器工作時發生飽和，設定變壓器工作的電磁感應強度Bm=0.25 T，代入式(11)，計算得到電感匝數N=197。

圖5 電路原理圖Fig.5 Schematic of the circuit

電感繞組的最大工作電流密度為J，計算出線徑d為

由式(4)可計算出電感峰值電流平均值Ipeak為

取J=8 A/mm2，計算得出Ipeak=0.389 A，d=0.25 mm。

5 結果分析

根據上一章的計算結果選定器件，繞制電感，根據圖5制作PCB，完成驅動電源設計，連接LED負載進行測試。

5.1基本參數測試

120 VAC輸入、電源滿載工作時的輸出電壓、輸出電流波形如圖6所示。

圖6 輸出電壓、輸出電流Fig.6 Waveforms of output voltage and current

由圖6可以看出輸出電壓平均值為71.57 V，輸出電流平均值為120.5 mA，輸出電流紋波為15.5 mA，小于10%。

輸出接入72 V的LED負載，輸入接入108 V到132 V的變化交流電壓，測量相關數據如表1。

如表1所示，設計的這款LED電源PF高于0.93輸出電流線性調整率7%，效率高于85%，滿足設計要求。

表1 輸入輸出測量結果Table 1 Result of characteristic test

5.2Triac調光測試

電源交流輸入端接入Triac調光器，調光過程中輸入電壓和輸入電流波形如圖7所示。

如圖7所示，Triac正常工作，LED燈未出現閃爍現象。

圖7 接入調光器后的輸入電壓輸入電流波形Fig.7 Waveforms of input voltage and current with dimmer

選用3款調光器測的調光曲線如圖8所示。可見，這款LED驅動電源具有較好的調光深度和平滑的調光曲線。

圖8 調光曲線Fig.8 Curves of output current vs. conduction angle

6 結語

本文先分析了AL1696芯片基于Buck-Boost拓撲時的PF校正和恒流控制原理，然后設計了一款可用于Triac調光的LED驅動電源，計算了電源的采樣電阻和電感等參數，最后制作了PCB，完成了電源系統焊接，連接到72 V的LED負載，測試了電源的輸出電壓、輸出電流、PF、THD、效率和調光曲線，由此驗證了該驅動電源具有高PF，高效率和良好的Triac調光器兼容性等特性。另外，電源采用單繞組電感，電路結構簡單，成本低廉。

[1] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

[2] 周志敏, 周紀海, 紀愛華. LED驅動電路設計與應用[M]. 北京:人民郵電出版, 2006.

[3] 楊恒.LED照明驅動器設計步驟詳解[M].北京:中國電力出版社，2010.

[4] 文杰.帶調光功能的LED日光燈驅動電源設計[D].上海:上海交通大學,2013.

[5] Application Notes of AL1696 System Solution, Diodes, www.diodes.com.

ASingleWindingLEDDriverBasedonTriacDimming

LI Qiang, LI Huan, ZHANG Zheng, ZHAO Huaiyou
(NanjingUniversityofScienceandTechnology,theSchoolofAutomation,Nanjing210094,China)

First,the principle of Triac dimmer was described.Then,based on Buck-Boost topology,the power factor correction and constant current output strategy of AL1696 was analyzed.Next,a LED driver, which can be used in Triac dimming, with single winding for power supply was designed. The sampling resistance and inductance parameter was calculated as well. Finally, the output voltage, output current, PF, THD, efficiency and dimming curve of the driver were tested, by means of analyzing the test data. It’s verified that the driver achieved high PF up to 0.93,high efficiency over 85%,and good Triac dimmer compatibility.

LED; Triac dimming; AL1696

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.009