FL7730應(yīng)用：TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)指南(獨(dú)家收錄）

引言

LED照明是一種理想的照明光源，可以取代傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)，例如熒光燈和白熾燈。特別是在傳統(tǒng)的TRIAC調(diào)光燈體系中，已經(jīng)投入了大量的研究，試圖開發(fā)一種兼容TRIAC調(diào)光器的LED燈泡。因?yàn)榘谉霟艄庠聪墓β蚀?，而且壽命短，所以LED燈泡便成為其理想的替代品，具有功耗非常低、壽命非常長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于TRIAC調(diào)光LED燈泡，目前最大的問題在于調(diào)光器的兼容性。傳統(tǒng)TRIAC調(diào)光器的原始設(shè)計(jì)是要處理數(shù)百瓦白熾燈泡消耗的功率。消耗功率小于20W的LED燈泡，會(huì)和采用由大功率開關(guān)器件構(gòu)成的調(diào)光器產(chǎn)生相互影響。如果調(diào)光器和LED燈泡的相互影響不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)可見閃爍。

為了防止閃爍，需要考慮一些特別的要求。TRIAC調(diào)光器需要在TRIAC觸發(fā)后能夠擎住電流，且在觸發(fā)后的導(dǎo)通期間能夠維持電流。如果不能滿足這兩種電流， TRIAC調(diào)光器會(huì)出現(xiàn)誤觸發(fā)和LED照明閃爍。圖1 給出了TRIAC調(diào)光器和LED燈泡的接線圖。圖2 給出了在電源周期開始時(shí)，TRIAC調(diào)光器的電路阻斷電源，觸發(fā)后接通輸入電源和LED燈泡。如圖3所示，如果流過調(diào)光器的擎住電流和維持電流不足，TRIAC調(diào)光器將會(huì)關(guān)斷。

對(duì)于不同的調(diào)光器模型，擎住電流和維持電流也會(huì)不同。典型的擎住電流和維持電流范圍大約為5~50mA。由于消耗較大的功率，采用白熾燈照明時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)這些工作要求。單只LED燈泡的功率輸出一般小于20W， 因此在整個(gè)電源周期中單只LED燈泡不能維持所需電流量。

本應(yīng)用說明書提供了TRIAC調(diào)光LED燈泡電路板設(shè)計(jì)的實(shí)用指南。在描述的無源和有源泄放設(shè)計(jì)指南中，詳細(xì)地說明了如何保持擎住電流和維持電流，而不出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。由于減少了外部器件的數(shù)量，有源阻尼設(shè)計(jì)能夠改善效率。針對(duì)功率因數(shù)（ PF ） 、總諧波畸變率（THD）以及 EMI等方面，輸入濾波器設(shè)計(jì)一節(jié)講述了濾波元件的濾波效果。

1. 無源瀉放設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)無源泄放電路是為了提供擎住電流和維持電流，消除誤觸發(fā)和閃爍。圖4 給出了采用無源泄放電路的電路板原理。

所謂無源泄放器是由電阻(RB) 和電容(CB)構(gòu)成。LF1 和 LF2為輸入濾波電感。CIN 為輸入濾波電容，RD 為阻尼電阻。在調(diào)光電路板設(shè)計(jì)中，如果電容并聯(lián)在電源線之間，電阻(ex. RB, RD)需要與電容(ex. CB, CIN)串聯(lián)。如果不串聯(lián)電阻，由于調(diào)光器觸發(fā)時(shí)電容的快速充電作用，將會(huì)出現(xiàn)較高的電壓和電流尖峰。電流尖峰將會(huì)破壞TRIAC調(diào)光器，特別當(dāng)多個(gè)LED燈泡并聯(lián)時(shí)尤為如此，因?yàn)閬碜悦總€(gè)LED燈泡的電流尖峰之和將會(huì)超過TRIAC調(diào)光器的額定電流。電流尖峰之后會(huì)出現(xiàn)電流振蕩，由于振蕩中會(huì)出現(xiàn)低于維持電流的負(fù)電流，還會(huì)引起調(diào)光燈誤觸發(fā)。電壓尖峰如果超出額定擊穿電壓，將會(huì)破壞外部器件。
無源泄放電路包括幾百nF的電容(CB)，用于提供擎住電流和維持電流。為了消除上述電壓與電流尖峰，有必要采用泄放電阻(RB)阻尼該尖峰。

1.1 無源泄放電容 (CB)的選擇

電容CB大小決定著保持TRIAC開通的泄放電流。對(duì)于TRIAC調(diào)光，電容CB越大，泄放電流較大，調(diào)光控制的穩(wěn)定性越高。圖5和圖6給出了較小與較大泄放電容時(shí)的電源電流。輸入電流(IIN)為來自二極管整流橋后的反激變換器的電流。在FL7730的功率因數(shù)校正作用下，IIN與電源電壓同相位。IB為泄放電流，電源電流(ILINE)為IIN 與IB之和。

ILINE 應(yīng)該高于擎住電流和維持電流，這是因?yàn)镮LINE 直接流過TRIAC調(diào)光器。在圖5中，觸發(fā)時(shí)的ILINE 不是足夠大，原因是CB較小。TRIAC 調(diào)光器將發(fā)生誤觸發(fā)，如圖3所示。在圖6中，在調(diào)光器觸發(fā)時(shí)，ILINE 足夠高，原因是CB較大，這樣可以保持TRIAC正常的導(dǎo)通狀態(tài)，如圖2所示。因此，由于可以提供更高的IB，CB較大時(shí)的調(diào)光器觸發(fā)效果優(yōu)于CB較小時(shí)。

但是，CB較大時(shí)也有一個(gè)不足，對(duì)功率因數(shù)（PF）、總諧波畸變率（THD）和效率產(chǎn)生影響。表1 中給出了CB 在100nF～200nF之間變化時(shí)的性能比較。可見，CB對(duì)PF和RB功耗的影響較為嚴(yán)重。相比100nF CB，220nF CB 嚴(yán)重地降低了PF，增加了RB功耗，其原因是CB的充電與放電電流過大。

因此，對(duì)于無源瀉放電路，在選擇CB時(shí)，應(yīng)該在TRIAC 調(diào)光控制和PF大小之間權(quán)衡利弊。尤其對(duì)于要求高功率因數(shù)的高壓燈泡應(yīng)用。權(quán)衡這兩個(gè)因素，確定合理的CB 是一個(gè)挑戰(zhàn)。在選擇CB時(shí)，第一步是，檢查調(diào)光器觸發(fā)時(shí)的IB。通過改變CB大小，校驗(yàn)在調(diào)光器觸發(fā)時(shí)是否出現(xiàn)由于IB不足引起的誤觸發(fā)。在調(diào)光器觸發(fā)中沒有出現(xiàn)工作異常的CB選擇范圍內(nèi)，選擇較小的CB，可以獲得較高的PF和效率。EMI不受CB的影響，這是由于RB與之串聯(lián)，阻斷了CB對(duì)噪聲的濾波。

1.2 無源泄放電阻 (RB)的選擇

RB 起到阻尼作用，可以抑制由于觸發(fā)時(shí)CB快速充電引起的尖峰電流。圖7 給出了RB過大時(shí)的電源電流。太大的RB可以顯著地阻尼IB，導(dǎo)致IB在觸發(fā)時(shí)低于擎住電流，在受到觸發(fā)后，TRIAC調(diào)光器會(huì)出現(xiàn)誤觸發(fā)，出現(xiàn)可見閃爍。

圖8 給出了RB過小時(shí)的電源電流。RB過小，不能完全阻尼IB，發(fā)生電流振蕩。振蕩電流波動(dòng)低于負(fù)的IB，引起TRIAC調(diào)光器的誤觸發(fā)，出現(xiàn)可見閃爍。

RB關(guān)于選擇的另外一種考慮是功耗。表2中給出了采用兩種不同瀉放電阻時(shí)的系統(tǒng)性能比較。在系統(tǒng)的指標(biāo)中，RB不影響PF和THD。可見，RB越大，引起自身的功耗就越大。

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在選擇RB時(shí)，應(yīng)該首先找出過大或過小的RB取值。然后，在可以獲得較高效率的合適取值范圍內(nèi)，挑選取值最小的RB。

2. 有源瀉放設(shè)計(jì)

保持TRIAC維持電流的另外一種方法是有源瀉放技術(shù)。相比無源瀉放電路，在電源輸入周期中，有源瀉放電路可以覆蓋更寬范圍的TRIAC開通。該推薦有源瀉放電路能夠通過調(diào)節(jié)輸入電流保持TRIAC的維持電流，能夠降低瀉放電路的功耗。

圖9中，ILINE 為 IB (有源瀉放電流) 和 IIN (反激變換器輸入電流)之和。RSENSE 為檢測(cè)電阻，負(fù)載檢測(cè)電源電流ILINE。CFILTER 為濾波電容，負(fù)責(zé)濾除RSENSE上電壓的開關(guān)噪聲。QREG為分流調(diào)節(jié)器，例如KA431。在調(diào)光器觸發(fā)時(shí)，較大的電流毛刺將會(huì)在RSENSE上，引起較大的電壓降。ZDLIM 能夠限制RSENSE上的電壓，進(jìn)而保護(hù)QREG 的參考電路。驅(qū)動(dòng)QBLEED (瀉放MOSFET) 的偏置電流屬于線性調(diào)節(jié)器，由輔助繞組供電。偏置電路由DBIAS 和 CBIAS構(gòu)成。QBLEED 的門極受控制于CBIAS偏置電壓和QREG的陰極。驅(qū)動(dòng)電流總量受限制于RSOURCE 和 RSINK。CCOMP 能夠減緩調(diào)節(jié)環(huán)的響應(yīng)。RCOMP用做負(fù)反饋電阻， 負(fù)責(zé)補(bǔ)償控制環(huán)。RBLEED 為瀉放電阻，同QBLEED一起， 消耗部分瀉放功率。

工作原理如圖10所示。在提出的有源瀉放電路中，當(dāng)RSENSE 電壓低于QREG的VREF時(shí)，QBLEED 的VGS (門極-源極電壓) 增加，IB 升高。保持電流為：

在選擇IHOLD時(shí)，需要在調(diào)光兼容性和系統(tǒng)效率之間做出折衷。如果IHOLD設(shè)計(jì)較高，則有源瀉放電路會(huì)與更多的調(diào)光器兼容。但是，IB 的增加，意味著瀉放電路的功耗更大。RSOURCE、RSINK、 CCOMP、RCOMP 和 CFILTER 與有源瀉放電路的反饋響應(yīng)之間存在密切關(guān)系。(RSOURCE、RSINK、RCOMP)阻值和(CCOMP, CFILTER)容值較小時(shí)，能夠加快反饋環(huán)的速度。如果反饋環(huán)過快，IB 將會(huì)大紋波地振蕩。

有源瀉放電路的工作需要與控制芯片的工作周期同步。當(dāng)控制芯片工況出現(xiàn)異常時(shí)，例如LED出現(xiàn)短路或開路，由于門極信號(hào)已經(jīng)被封鎖，不會(huì)出現(xiàn)IIN。如果在異常條件下，有源瀉放電路仍然處于活躍狀態(tài)，在沒有IIN 的情況下，該電路應(yīng)該保持維持電流，該電路的功耗變得較高，QBLEED 發(fā)生熱損壞。因此，偏置電流應(yīng)來自輔助繞組。這樣，當(dāng)開關(guān)作用關(guān)閉后，有源瀉放電路也被迫停止。

有源瀉放電路消耗大量的功耗，特別當(dāng)電源電壓較高時(shí)更是如此。在高電源電壓較時(shí)，IIN 降低，IB 應(yīng)該補(bǔ)償維持電流的缺失部分。在這種狀況下， 如果沒有RBLEED，QBLEED 溫升較高。RBLEED的串聯(lián)使用，可以分?jǐn)傆性礊a放電路的部分功耗。然而，RBLEED 不能太大， 否則不能分?jǐn)偣?，其原因是，RBLEED 過大時(shí)，限制了IB ，很容易引起保持維持電流失敗。

圖11. 給出了一種有源瀉放電路的設(shè)計(jì)實(shí)例。其中，檢測(cè)地連接到分流調(diào)節(jié)器(KA431)的VREF管腳。C1表示RSENSE 電壓。C2 表示輸入電壓。C3 表示瀉放MOSFET 的源極電壓，該電壓與瀉放電流成正比。C4表示電源電流。

圖12和圖13給出了在高調(diào)光角和低調(diào)光角時(shí)有源瀉放電路的波形。在低調(diào)光角時(shí)，通過FL7730的調(diào)光作用，輸出電流減少。由于IIN (C3)的減少，有源瀉放電路應(yīng)該補(bǔ)償更多的電流IB 。這就是有源瀉放電路的功耗處于中等調(diào)光角范圍的原因。如果想要校驗(yàn)瀉放電路的最高溫度，測(cè)試條件應(yīng)該選擇中等調(diào)光角和最大電源電壓。

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3. 有源阻尼設(shè)計(jì)

在調(diào)光器觸發(fā)時(shí)，有必要采用與輸入濾波電容串聯(lián)的阻性阻尼。在調(diào)光器觸發(fā)時(shí)，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(huì)較高。阻尼電阻不僅能夠阻尼尖峰電流，而且也能夠處理來自反激變換器的輸入電流。

鑒于此，飛兆半導(dǎo)體提出了一種有源阻尼電路的專利線路，可以降低功耗，而且所需外圍器件最少。在圖14 中，RAD 為有源阻尼電阻，QAD為有源MOSFET，用以降低RAD的功耗。RD 和 CD 為延時(shí)電路元件。DD 為復(fù)位二極管，用于泄放CD。

圖15給出了有源阻尼的工作波形。按照順序，給出不同模式分析如下：

M1：調(diào)光器關(guān)斷時(shí)間；QAD 關(guān)斷.

M2：調(diào)光器觸發(fā)，出現(xiàn)尖峰電流.

在延時(shí)電路(RD 和 CD)作用下，VGATE逐漸增加.

M3: 在充電VGATE 作用下，QAD開通. VAD 被調(diào)節(jié)為QAD的閾值電壓VTH

M4: 在DD 作用下，CD 放電。VGATE 得到復(fù)位，為下一個(gè)電源周期做好準(zhǔn)備。放電電流的路徑為DD - RAD - CD.

在M3階段，QAD 將VAD 電壓調(diào)節(jié)成為其閾值電壓(VTH)，由此顯著地降低RAD的功耗。表3 給出了無源和有源阻尼電路的功耗比較。有源阻尼電路的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無源阻尼電路的電阻功耗。在低電源電壓(110VAC) 時(shí)，輸入電流較高，阻尼電阻需要處理較大的電流。因此，在低電源電壓(110VAC)時(shí)，強(qiáng)烈推薦采用有源阻尼電路。

3.1 有源阻尼電阻(RAD)的選擇

應(yīng)該首先校驗(yàn)電壓與電流尖峰。超過額定電壓時(shí)，電壓尖峰能夠破壞MOSFET和濾波電容。在調(diào)光器觸發(fā)時(shí)， 電流尖峰引起電流振蕩。如圖16所示，在觸發(fā)時(shí)，如果RAD較小，出現(xiàn)IIN 振蕩。該振蕩電流使IIN下降，進(jìn)而下降的IIN導(dǎo)致出現(xiàn)誤觸發(fā)和可見閃爍。另外，采用較小RAD時(shí)，過大的峰值電流尖峰，將會(huì)破壞TRIAC的調(diào)光器，尤其當(dāng)調(diào)光LED燈泡并聯(lián)時(shí)更為如此。因此，在選取RAD時(shí)，應(yīng)該注意幾個(gè)要點(diǎn)：。

電壓尖峰（應(yīng)該低于器件的擊穿電壓）電流尖峰（應(yīng)該低于TRIAC調(diào)光器的額定電流。如果考慮LED燈泡并聯(lián)，電流尖峰的降低應(yīng)與LED燈泡數(shù)量成反比）電流振蕩（校驗(yàn)觸發(fā)時(shí)IIN的降低程度，判定是否足夠高于TRIAC的維持電流）

完成上述事項(xiàng)的校驗(yàn)后，為了獲得最大效率，選擇最小的RAD值。

3.2 有源阻尼MOSFET (QAD)的選擇

最大VAD 應(yīng)該低于QAD的擊穿電壓。選擇RAD之后，可以在90º調(diào)光角下校驗(yàn)最大VAD 。然后，選擇擊穿電壓裕量合適的QAD。對(duì)于8W LED燈泡，選擇1~2A的額定電流，電流裕量充足。如表3所示，具有較低閾值電壓的邏輯電平MOSFET能夠額外地降低損耗，原因是VAD已經(jīng)被調(diào)節(jié)成QAD 的閾值電壓。

3.3 有源阻尼二極管(DD)的選擇

有源阻尼二極管對(duì)CD放電，用來復(fù)位VGATE。額定正向電流1A的二極管足夠用來對(duì)CD放電。對(duì)QAD 的選擇同樣如此，在選擇DD反向電壓時(shí)，應(yīng)該首先在90°調(diào)光角和最高輸入電源電壓時(shí)檢驗(yàn)最大VAD。

3.4 有源阻尼延時(shí)電路(RD, CD)的選擇

在QAD 開通之前，延時(shí)電路(RD, CD)應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)足夠長(zhǎng)的延時(shí)時(shí)間，用于RAD 阻尼電流尖峰。對(duì)于尖峰電流，最壞的情況是調(diào)光角為90°。應(yīng)該首先在調(diào)光角為90°時(shí)，對(duì)尖峰電流振蕩進(jìn)行校驗(yàn)，以便確定阻尼尖峰電流需要多長(zhǎng)時(shí)間。然后，調(diào)節(jié)RD和 CD，保證足夠的阻尼時(shí)間。推薦的RD和 CD值為幾百nF和幾十kΩ。如果CD過大和RD 非常小，在M4階段，DD 不能完全對(duì)CD放電，如圖15所示。

設(shè)計(jì)范例

圖17給出了一個(gè)8W LED燈泡系統(tǒng)有源阻尼的設(shè)計(jì)范例。如圖18和圖19所示，80kΩ RD 與 100nF CD產(chǎn)生的延時(shí)大約為1ms。在延時(shí)期間，220Ω RAD 阻尼電壓和電流尖峰時(shí)，沒有出現(xiàn)電流振蕩或調(diào)光器誤觸發(fā)。

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4. FL7730 的特征

FL7730是一種適合采用單級(jí)反激拓?fù)涞挠性垂β室驍?shù)校正(PFC)控制器。采用模擬檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制， 沒有閃爍。采用的原邊調(diào)節(jié)和單級(jí)拓?fù)錅p少了外部器件數(shù)量，例如輸入大電容和反饋電路，由此降低了成本。為了改善功率因數(shù)和THD，采用了內(nèi)部誤差放大器和低帶寬的補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)了恒定導(dǎo)通時(shí)間。高精度恒流控制能夠精確調(diào)節(jié)輸出電流，克服輸入電壓和輸出電壓的波動(dòng)。隨著輸出電壓變化，工作頻率成比例地調(diào)節(jié)，確保工作在DCM模式，由此帶來較高的效率和簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)。FL7730擁有多種保護(hù)，例如，LED開路、LED短路和過溫保護(hù)。

設(shè)計(jì)總結(jié)

圖22給出了采用FL7730的TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器原理圖。該原理圖專用于較低電源電壓供電情況(90~140VAC)。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)8W LED照明系統(tǒng)，給出了采用無源瀉放電路和有源阻尼電路的設(shè)計(jì)實(shí)例。圖24給出了在輸入電壓和輸出電壓變化時(shí)的恒流調(diào)節(jié)。在較寬輸出電壓范圍10V 到 28V內(nèi)，對(duì)于每種電源輸入電壓，恒流偏差率低于2.1%。在額定輸出電壓(22V) 時(shí)，電源調(diào)整率低于3.9%。

工作波形如圖25、圖26、圖27所示。在該調(diào)光電路板中，TRIAC的調(diào)光觸發(fā)非常穩(wěn)定，沒有任何誤觸發(fā)。FL7730保持tON 恒定，使得VCS 與 VIN 同相。IIN 的最大尖峰電流僅為 1.2A。圖28給出了調(diào)光曲線。輸入電壓有效值指示了TRIAC調(diào)光角大小。FL7730的調(diào)光功能和外部電路能夠平滑控制LED電流，其中外部電路包括無源瀉放電路和有源阻尼電路。表7 表明了該設(shè)計(jì)與常規(guī)調(diào)光器設(shè)計(jì)的兼容性，沒有可見閃爍。最大與最小電流有所變化，這是因?yàn)檎{(diào)光器的每次最大與最小角度有所不同。

在較低輸入電壓(90 ~ 140VAC)時(shí)，系統(tǒng)效率范圍為80.7% ～ 82.9%。有源阻尼有助于提升效率，而且設(shè)計(jì)緊湊，成本低廉。在較低電源范圍90~140VAC內(nèi)，表8 中給出了PF 和 THD。在FL7730的恒定tON和線性頻率控制下，PF 大于 0.9，THD 低于30%，

本設(shè)計(jì)范例中得到了許多優(yōu)異性能，充分顯示出這是一種功能強(qiáng)大的LED照明解決方案，具有高精度的恒流調(diào)節(jié)、穩(wěn)定的調(diào)光控制、高的效率、高的功率因數(shù)、低的THD和低的BOM成本等特征。

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