基于英飛凌LED可控硅調光解決方案

可控硅調光的原理

圖1所示為典型的前沿可控硅調光器原理圖，以及它所產(chǎn)生的電壓和電流波形?；芈冯妷?電流是同相位的(負載是白熾燈)。

電位器RV2調整可控硅(TRIAC) 的相位角，當VC3超過DIAC的擊穿電壓時，可控硅會導通。當可控硅電流降到其維持電流(Iholding)以下時(如下圖2)，可控硅關斷，且必須等 到C3 在下個半周期重新充電后才能再次導通。燈泡燈絲中的電壓和電流與調光信號的相位角密切相關，相位角的變化范圍介于0度(接近0度)到180度之間(取決于 調光器)。

LED調光存在的問題

LED 燈要想實現(xiàn)可調光，其電源必須能夠檢測可控硅控制器的可變相位角輸出，以便對流向LED的電流進行調整。在維持調光器正常工作的同時做到這一點非常困難， 往往會導致性能不佳。問題可以表現(xiàn)為閃爍及音訊噪聲等問題。這些不良現(xiàn)象通常是由誤觸發(fā)或過早關斷可控硅等因素造成的。誤觸發(fā)的根本原因是在可控硅導通時 出現(xiàn)了電流振蕩。圖3以圖表形式對該影響進行了說明。

圖2.可控硅導通的工作條件

圖3 可控硅電流(可控硅多次觸發(fā)，但不能維持導通)

可控硅導通時，AC市電電壓幾乎瞬間施加到LED燈電源的LC輸入濾波器。施加到電感的電壓階躍會導致振蕩。如果調光器電流在振蕩期間低于可控硅維持電流， 可控硅將停止導通?？煽毓栌|發(fā)電路充電，然后再次導通可控硅。這種不規(guī)則的多次可控硅重啟動(如圖3)，可使LED驅動產(chǎn)生音訊噪聲或LED閃爍。設計更 為簡單的 EMI濾波器有助于降低此類不必要的振蕩。要想實現(xiàn)出色的調光功能，輸入EMI濾波器電感和電容須盡可能地小。

對于可控硅來說，維持導通所需的維持電流通常介于8 mA到75 mA之間。白熾燈比較容易維持這種電流大小，但對于功耗僅為等效白熾燈10%的LED燈來說，該電流可降低到可控硅維持電流以下，導致可控硅過早關斷。這樣就會造成閃爍或限制可調光范圍。

輕微閃爍問題

表1 DIAC特性

從表1可見由于DIAC的特性描述了正反擊穿電壓存在誤差，擊穿電壓不對稱會引起可控硅的正半周和負半周的導通角不一樣(見圖4A)，在低成本的調光器中尤其明顯，輸出電流也會跟隨輸入變化(如圖4b)，引起LED燈忽亮忽暗，尤其在低輸出時明顯。

英飛凌實用LED驅動調光解決方案

基于以上問題，英飛凌推出一種專為高效離線式 LED調光驅動應用設計的準諧振 PWM 控制器--ICL8002G,可用作反激式變換器或降壓轉換器的設計與應用。其準諧振工作模式、 初級側控制、集成式 PFC 和切相調光控制、各種保護功能使其成為適用于可調光的 LED 球泡燈出色的系統(tǒng)解決方案。與 ICL8001G相比，新的 ICL8002G在調旋光性能和輸出電流穩(wěn)定性方面有巨大改進?？梢酝ㄟ^增加阻尼電路和泄放電路使它與基于 TRIAC 的切相調光器的兼容性得以改善，并通過額外的線性調整電路使輸出電流在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

下表所示為ICL8002G演示板設計規(guī)格

原理圖

圖5 基于ICL8002G 12W可控硅調光LED球炮燈應用的原理圖

基于 TRIAC 的調光器的兼容性

基于TRIAC 的調光器可以完美用于白熾燈等阻性負載。當它們用于開關式 LED驅動器等非線性負載時，可能產(chǎn)生閃爍問題，這主要是因維持電流不足(LED整個燈具所消耗電流小于可控硅的維持電流)以及電流振蕩--尤其是在 TRIAC 導通期間造成的。因此，為了提高與基于 TRIAC 的調光器的兼容性，通常在 LED 驅動器中增加泄放電路和阻尼電路。此設計中包含的被動式泄放電路(由 C1,C2,R4,R5 組成)可以使輸入電流大于 TRIAC 的維持電流閾值之上。R1、R2 這兩個電阻器被用于抑制振蕩及減小浪涌電流。輕微閃爍解決方法及實驗數(shù)據(jù)

圖 5中電路A由R6、R7、R8、C4、Q2、ZD1組成的電路網(wǎng)絡專為深度調光及改善忽亮忽暗(輕微閃爍)，其中ZD1是一個保護二極管防止Q2的Vbe 過壓擊穿，R6、R7、R8組成了一個分壓檢測器，由于C4的容量較大，因此C4端是一個平滑電壓。下圖6A是在輸出電流較小時且未增加上述電路的C5電 壓波形(兩個相鄰半波輸入不對稱)。若增加此電路后，當C4端的電壓如下圖紅線的電壓時，C5的電壓會通過Q2被箝位得到一個較為均勻的電壓如圖6B所 示，同時由于VR端電壓的高低決定輸出電流大小，不均勻的VR端電壓會導致LED閃爍，相反較為均勻的VR端電壓將會改善輸出LED的輕微閃爍。C5的電 壓通過Q2跟隨C4端電壓的變化而變化，若在低導通角時C5端的電壓會通過Q2跟隨C4端電壓降到更低的電壓以達到減小輸出電流從而增加調光范圍實現(xiàn)深度調光。

圖7 所示為C4,C5實際的測試波形，其中棕黃色是C5端電壓，藍色線是C4端電壓。實測證明增加電路A后是可以改善VR端電壓不對稱現(xiàn)象。

圖8A所示為LED輸出電流波形是沒有增加電路A,正負半周相差太大導致輸出會有忽亮忽暗的輕微閃爍，圖8B是增加了電路A的輸出LED的電流波形，可以看到增加此電路后LED的閃爍問題會有所改善。

線性調整率

圖 9 顯示的是測得的 LED 電流與電源電壓的關系。在整個輸入電壓范圍內(nèi) (180Vac-265Vac)，最大電流偏差被限制為 ±3%.

圖9.輸入電壓VS 輸出電流

調光曲線

圖10顯示的是測得的LED調光范圍與可控硅導通角度的關系。調光范圍可以下降到1%以下。

圖10.LED調光曲線(LED調光范圍VS可控硅導通角)

保護功能

輸出開路保護

在運行期間，如果輸出端為開路狀態(tài)，輸出電壓會升高，于是 MOSFET 關斷時VCC繞組產(chǎn)生的電壓也會升高。ICL8002G的引腳 ZCV通過R15和R16檢測VCC繞組電壓， ZCV電壓一達到 OVP 閾值 (Vzcovp = 3.7V) 就會觸發(fā)輸出過壓保護，IC 將進入鎖存關斷模式。另一方面，VCC繞組產(chǎn)生的電壓將為 Vcc 供電，如果 Vcc 達到閾值 (Vvccovp = 25V)，則會觸發(fā) Vcc 過壓保護。在此演示板設計中，當輸出端處于開路狀態(tài)時，ZCV腳電壓將會達到OVP閾值且被觸發(fā)，IC 也將進入鎖存關斷模式。鎖存關斷模式下的功耗小于 0.5W.

輸出短路保護

如果輸出端短路，IC 將通過 VCC 欠壓保護方式切換至自動重啟模式。此模式下的總輸入功耗會保持在低于1W水平。