適于TRIAC 調(diào)光的非隔離LED 驅(qū)動器,是在電路中加入電容器網(wǎng)絡(luò)增加維持電流以保證TRIAC工作在線性周期,從而避免閃爍問題。但是,這種方法僅適用于半橋結(jié)構(gòu),需要外加電路來檢測TRIAC 的調(diào)光角。針對帶隔離輸出的TRIAC 調(diào)光的LED 驅(qū)動應(yīng)用提出的適于反激PFC 轉(zhuǎn)換器的前饋控制方案,輸出電流通過輸入功率控制,但輸出電流精度受到限制。由于TRIAC 與LED 兼容大部分行業(yè)的解決辦法效率都低( 觸發(fā)角檢測和TRIAC 維持電流需要虛擬負載),復(fù)雜的隔離反饋結(jié)構(gòu)或兩級轉(zhuǎn)換的高成本,因此,對于簡單高性能且適用于TRIAC 調(diào)光的LED 驅(qū)動器仍有必要。

本文設(shè)計原邊控制的單級反激變換器,適于TRIAC 調(diào)光且與LED 驅(qū)動器兼容的驅(qū)動方案。輸出電流由原邊檢測的信號精確地計算控制,在DCM 模式下操作轉(zhuǎn)換器,輸入電流將跟隨輸入電壓得到高功率因數(shù),使LED 驅(qū)動器與TRIAC 調(diào)光器很好地兼容。此外,使用原邊控制,使得輸出電流信號和TRIAC 調(diào)光信號在原邊獲得,簡化電路功能。輸出電流通過TRIAC 導(dǎo)通角的變化改變,得到近乎線性的調(diào)光曲線。

1、工作原理

由于TRIAC 調(diào)光很普遍,成本較低,因此,能夠與LED 驅(qū)動電源兼容的TRIAC 調(diào)光器很普遍。在實際應(yīng)用中,盡管由于輸入電流高度扭曲使得功率因數(shù)無關(guān)緊要,但在帶PFC 控制的調(diào)光中,使輸入電流跟隨輸入電壓仍具有意義。本文的控制方案使輸入電流跟隨電壓變化,得到較高的功率因數(shù)。

TRIAC 調(diào)光功能可以很容易實現(xiàn),關(guān)鍵是如何檢測調(diào)光角和改變基于調(diào)光角的輸出電流。

1. 1 TRIAC 調(diào)光器

圖1 給出了TRIAC 調(diào)光器經(jīng)整流后的波形圖。由圖可看出,TRIAC 在琢角時觸發(fā)導(dǎo)通,當(dāng)電壓過0 時關(guān)斷。此時觸發(fā)相位角的輸出電壓Vout由式(1)計算。 其中,Vout和Vin 分別是調(diào)光器輸出電壓和線電壓的有效值。VF 是LED 的閾值電壓。
此時功率因數(shù)可由式(2)表示。 在調(diào)光情況下,輸出電壓波形明顯發(fā)生畸變,且產(chǎn)生諧波。由式(2)可知,當(dāng)調(diào)光角由α逐漸接近π時,功率因數(shù)也隨著減小。因此,需要設(shè)計功率因數(shù)校正電路以提高功率因數(shù)。

1. 2 單級反激PFC 變換

為得到較高的功率因數(shù),反激變換器通常用于DCM 或CRM 模式。原邊控制的反激變換控制原理圖如圖2 所示。每個開關(guān)周期的輸出電流都由Io 計算模塊計算,然后累積輸出電流Io-est 與輸出參考電流Io-REF 比較,誤差信號Vea 反饋給乘法器。誤差放大器的頻帶寬度遠低于傳統(tǒng)PFC 控制器的線性頻率。乘法器的其他輸入是電流波形參考信號Vac(t),與整流器總線電壓Vd 有相同的波形。乘法器IREF輸出用來控制流經(jīng)原邊開關(guān)的峰值電流。

當(dāng)原邊開關(guān)Q1導(dǎo)通,變壓器磁化電流(isw)呈線性增加。當(dāng)isw達到參考電流IREF,開關(guān)Q1關(guān)斷,磁化電流傳輸?shù)礁边?。副邊二極管D1導(dǎo)通,磁化電流線性增加。一旦電流達到0,開關(guān)管Q1重新導(dǎo)通。 在DCM 模式下的穩(wěn)態(tài)波形如圖3 所示。

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2、電路設(shè)計及實現(xiàn)

針對TRIAC 調(diào)光中出現(xiàn)的尖峰電流及LED 燈閃爍問題,在電路中設(shè)計無源泄放電路和有源阻尼電路,主功率拓撲采用單級反激變換電路,工作于電流斷續(xù)模式。電路圖如圖4 所示。其中,輸入電壓范圍為90 Vac ~265 Vac,輸出功率:8 W;輸出直流電壓:22 V;輸出電流:350 mA;調(diào)光范圍:1% ~100%;調(diào)光過程穩(wěn)定無閃爍。

電路主要包括:無源泄放電路,有源阻尼電路,控制電路,單級反激變換電路。其中控制電路選用飛兆半導(dǎo)體的控制芯片F(xiàn)L7730。FL7730 是一款適合于單級反激拓撲的有源功率因數(shù)校正控制器,采用模擬檢測方式,可兼容傳統(tǒng)的TRIAC 調(diào)光,實現(xiàn)調(diào)光控制。本設(shè)計采用原邊控制簡化電路,降低成本,同時效率達到0. 8 以上。調(diào)光過程平穩(wěn)且LED 燈無閃爍,較好地實現(xiàn)線性頻率控制,實物圖如圖5 所示。

圖4 中,MOS 管電流有效值和耐壓值分別由式(5)、式(6)計算: 其中,IPKP是初級電流峰值,VPKmax是最大輸入交流電壓峰值,VR 是反射電壓,ΔV 是漏感電壓。

副邊輸出電流ILED由式(7)計算。 其中,TDIS 為開關(guān)關(guān)斷時間,T 是開關(guān)周期,VCS 是原邊電流檢測電壓。

2. 1 無源泄放電路的設(shè)計

無源泄放電路為TRIAC 提供維持電流和擎住電流,避免LED 的閃爍和誤觸發(fā)。在圖4 中由電阻R1和電容C1組成。電感L4為輸入濾波電感。其中,C1 的大小決定TRIAC 導(dǎo)通的泄放電流的大小。在調(diào)光中,泄放電流大,調(diào)光穩(wěn)定性越高。電阻R1在電路中起阻尼作用,抑制調(diào)光器觸發(fā)時電容C1快速充電引起的尖峰電流。

2. 2 有源阻尼電路設(shè)計

圖4 中左上部分為有源阻尼電路,電阻R2、R3,電容C3,二極管和MOS 管Q1 組成,用來抑制尖峰電壓。其電路工作波形圖如圖6 所示。在調(diào)光器觸發(fā)時,容易引起較大的電流尖峰,通過電源線路,為電容CIN快速充電。如果沒有阻性阻尼,該電流尖峰將引起電源電流振蕩,大電流將引起調(diào)光器誤觸發(fā),破壞TRIAC 調(diào)光器。采用阻尼電阻可以抑制尖峰電流,阻尼電阻的功耗也會較高。

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3、仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖7 給出了在不同導(dǎo)通角時整流橋輸出電壓的波形圖。由于調(diào)光器內(nèi)部RC 電路的延時作用,使得最大最小調(diào)光角受到限制。由圖中可看出,隨著控制角的增大,可調(diào)電壓的范圍逐漸變小。同時由于電路中加入有源阻尼,有效地抑制了尖峰電壓。

圖8搖調(diào)光曲線圖(調(diào)光角相對LED 電流的關(guān)系)圖8 所示是調(diào)光角與LED 輸出電流之間的關(guān)系,表1 給出了實驗數(shù)據(jù)。由圖8 可以看出,隨著調(diào)光比的減小,LED 電流平滑地下降,實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)光。這是由于調(diào)光角越小,可調(diào)電壓范圍越小,輸入電壓有效值也減小,因此輸出電流也減小。由表1 可知,電路的功率因數(shù)達到0. 9,效率在0. 8 以上。

結(jié)論

本文著重分析了TRIAC調(diào)光器和單級PFC反激變換器的工作原理。詳細解說了原邊控制帶TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動電源的設(shè)計方案。設(shè)計的有源阻尼電路及線性頻率控制電路,有效抑制尖峰電壓,解決閃爍等問題。本次設(shè)計的原邊控制使LED 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單,與現(xiàn)有照明系統(tǒng)兼容性好,效率高,成本低。能夠滿足人們對室內(nèi)LED驅(qū)動器的實際應(yīng)用。

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