基于PWM的可控硅非線性調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路

引言

近年來(lái)，高亮度LED照明以高光效、長(zhǎng)壽命、高可靠性和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源。在一些應(yīng)用中，希望在某些情況下可調(diào)節(jié)燈光的亮度，以便進(jìn)一步節(jié)能和提供舒適的照明。常見(jiàn)的調(diào)光有雙向可控硅調(diào)光、后沿調(diào)光、ON/OFF調(diào)光、遙控調(diào)光等。可控硅調(diào)光器在傳統(tǒng)的白熾燈等調(diào)光照明應(yīng)用已久，且不用改變接線，裝置成本較低，各品牌可控硅調(diào)光器的性能和規(guī)格相差不大，但是其直接應(yīng)用在LED驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合還存在著一系列問(wèn)題。

1 雙向可控硅TRIAC調(diào)光原理

市面上大多數(shù)可控硅調(diào)光器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下：當(dāng)交流電壓加雙向可控硅TRIAC兩端時(shí)，由于Rt、Ct組成的RC充電電路有一個(gè)充電時(shí)間，電容上的電壓是從0V開(kāi)始充電的，并且TRIAC的驅(qū)動(dòng)極串聯(lián)有一個(gè)DIAC(雙向觸發(fā)二極管，一般是30V左右)，因此TRIAC可靠截止。當(dāng)Ct上的電壓上升到30V時(shí)，DIAC觸發(fā)導(dǎo)通，TRIAC可靠導(dǎo)通，此時(shí)TRIAC兩端的電壓瞬間變?yōu)榱?，Ct通過(guò)Rt迅速放電，當(dāng)Ct電壓跌落到30V以下時(shí)，DIAC截止，如果TRIAC通過(guò)的電流大于其維持電流則繼續(xù)導(dǎo)通，如果低于其維持電流將會(huì)截止。電感L和電容C的作用是減小電流和電壓的變化率，以抑制電磁干擾EMI問(wèn)題。

可控硅前沿調(diào)光器若直接用于控制普通的LED驅(qū)動(dòng)器，LED燈會(huì)產(chǎn)生閃爍，更不能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)光控制。原因歸結(jié)如下：

(1)可控硅的維持電流問(wèn)題。目前市面上的可控硅調(diào)光器功率等級(jí)不同，維持電流一般是7～75mA(驅(qū)動(dòng)電流則是7～100mA)，導(dǎo)通后流過(guò)可控硅的電流必須要大于這個(gè)值才能繼續(xù)導(dǎo)通，否則會(huì)自行關(guān)斷。

(2)阻抗匹配問(wèn)題。當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，可控硅和驅(qū)動(dòng)電路的阻抗都發(fā)生變化，且驅(qū)動(dòng)電路由于有差模濾波電容的存在，呈容性阻抗，與可控硅調(diào)光器存在阻抗匹配的問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)一般需要使用較小的差模濾波電容。

(3)沖擊電流問(wèn)題。由于可控硅前沿?cái)夭ㄊ沟幂斎腚妷嚎赡芤恢碧幱诜逯蹈浇斎霝V波電容將承受大的沖擊電流，同時(shí)還可能使得可控硅意外截止，導(dǎo)致可控硅不斷重啟，所以一般需要在驅(qū)動(dòng)器輸入端串接電阻來(lái)減小沖擊。

(4)導(dǎo)通角較小時(shí)LED會(huì)出現(xiàn)閃爍。當(dāng)可控硅導(dǎo)通角較小時(shí)，由于此時(shí)輸入電壓和電流均較小，導(dǎo)致維持電流不夠或者芯片供電Vcc不夠，電路停止工作，使LED產(chǎn)生閃爍。

2 一種可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源

線性調(diào)光存在的問(wèn)題，即人眼在低亮度情況下對(duì)光線的細(xì)微變化很敏感;而在較亮?xí)r，由于人眼視覺(jué)的飽和，光線較大的變化卻不易被察覺(jué)。并提出了利用單片機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光信號(hào)和調(diào)光輸出的非線性關(guān)系(如指數(shù)、平方等關(guān)系)的方法，使得人眼感覺(jué)的調(diào)光是一個(gè)線性平穩(wěn)過(guò)程。

文中設(shè)計(jì)的電路利用RC充放電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。

圖2是一種利用普通的脈寬調(diào)制PWM芯片結(jié)合外圍電路來(lái)搭建可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電路框圖。維持電流補(bǔ)償電路通過(guò)檢測(cè)R1端電壓(即輸入電流)來(lái)控制流過(guò)維持電流補(bǔ)償電路的電流。當(dāng)輸入電流較小時(shí)，維持電流補(bǔ)償電路上流過(guò)較大的電流;當(dāng)輸入電流較大時(shí)，維持電流補(bǔ)償電路關(guān)斷，維持電流補(bǔ)償以恒流源的形式保證可控硅的維持電流。調(diào)光控制電路包括比較器、RC充放電電路和增益電路。實(shí)驗(yàn)中選用一款旋鈕行程和斬波角成正比的可控硅調(diào)光器，其最小導(dǎo)通角約為30°。

根據(jù)圖2中，RC充放電電路的輸出經(jīng)過(guò)增益電路后可得電流參考為：

式中k為增益，VC為RC充放電電路的輸入電壓，τ為RC的時(shí)間系數(shù)，θ為可控硅的導(dǎo)通角。

則在最小導(dǎo)通角對(duì)應(yīng)的輸出為零，即電路輸出的最大值對(duì)應(yīng)電流參考的最大值：

從式(1)和式(2)可得輸出電流表達(dá)式如式(3)所示，輸出電流在不同RC時(shí)間系數(shù)下隨可控硅導(dǎo)通角之間的關(guān)系如圖3a)所示。

在斬波角為θ時(shí)，電路對(duì)應(yīng)的輸入功率為：

式中Vp為輸入電壓峰值，Rin為等效輸入阻抗。

假設(shè)電路的變換效率為η，且電路的輸出功率為PO=IO·UO，則可得到電路的等效輸入阻抗如式(5)所示。

從式(5)可得電路的功率因數(shù)如式(6)所示，功率因數(shù)隨可控硅的導(dǎo)通角的關(guān)系如圖3b)所示。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)以上分析，本文設(shè)計(jì)一臺(tái)基于反激變換器的可控硅調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器，控制芯片為NCP1607;輸入交流電壓220V，最大輸出功率為25W，最大輸出電流為0.7A;以3串(每串10只0.8W的LED燈)相并聯(lián)作為負(fù)載;RC時(shí)間系數(shù)選擇0.5，增益為0.2。電路的實(shí)驗(yàn)波形和工作特性曲線如圖4所示。

圖4a)、b)、c)為可控硅導(dǎo)通角為115°時(shí)阻抗匹配開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓VZ、輸入電流Iin、輸入電壓Vin的波形，電路的輸出電流為470mA，功率因數(shù)為0.78。從圖中可看出，當(dāng)可控硅導(dǎo)通瞬間，由于驅(qū)動(dòng)器輸入端有差模濾波電容導(dǎo)致輸入電流有沖擊電流尖峰，而當(dāng)輸入電流小于一定值時(shí)，阻抗匹配開(kāi)關(guān)開(kāi)通以保證流過(guò)可控硅的電流大于其維持電流。

圖4d)為可控硅不同導(dǎo)通角對(duì)應(yīng)的輸出電流曲線，實(shí)際調(diào)試中可控硅導(dǎo)通角在150°之后就接近滿載輸出了。圖4e)為可控硅在不同導(dǎo)通角下對(duì)應(yīng)電路的cosφ曲線。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了現(xiàn)有可控硅調(diào)光器用于LED驅(qū)動(dòng)時(shí)存在的問(wèn)題，并根據(jù)人眼對(duì)光線反應(yīng)非線性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種利用普通PWM芯片結(jié)合外圍電路搭建的可控硅非線性調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路，分析了電路在調(diào)光過(guò)程中的工作特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)0～100%平穩(wěn)無(wú)閃爍調(diào)光。