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基于ICL8002G的LED可控硅调光电源方案

 2014-01-11

摘要 
如今,LED由于其发光效率高及长寿命等一系列的优点已成为照明市场的主流。换用高能效LED灯具后,将会实现可观的能源节约。仅在中国,据政府保守估计,如果三分之一的照明市场转向LED产品,每年将会节省1亿度的用电量,并可减少2900万吨的二氧化碳排放量。对住宅和商业照明附加调光功能后会使节能环保的LED光源更加节能。

引言
灯光是人为照明,在夜晚或自然光不足的场合提供足够的照度。但是灯光消耗电力,在不需要时关掉灯光可以节约能源。在有些时段和情况,如果可以把灯光调到较暗的程度 (25~50%),也可以大幅降低能源消耗(-50%~-75%)。许多公用建筑或场所,如机场、车站、码头、停车场、街道、公园、学校等,在夜晚不宜把灯光全部关掉,否则有行动不方便或治安的顾虑。因此,在照明设计中,可以考虑加装调光的功能以达到大幅度节能减排的目的。

目前的调光方式主要有三种,分别是:模拟调光方式,PWM调光及可控硅调光。利用可控硅调光对LED替代灯调光,现有的调光器电路可以不作变动,故此调光方式普遍看好,于是出现了适合于可控硅调光的AC-DC 控制芯片。英飞凌公司推出的ICL8002G LED驱动芯片可支持可控硅调光,并具有单级PFC和初级测控制功能。

可控硅调光的原理

图1所示为典型的前沿可控硅调光器原理图,以及它所产生的电压和电流波形。回路电压/电流是同相位的(负载是白炽灯)。


电位器RV2调整可控硅(TRIAC) 的相位角,当VC3超过DIAC的击穿电压时,可控硅会导通。当可控硅电流降到其维持电流(Iholding)以下时(如下图2),可控硅关断,且必须等到C3 在下个半周期重新充电后才能再次导通。灯泡灯丝中的电压和电流与调光信号的相位角密切相关,相位角的变化范围介于0度(接近0度)到180度之间(取决于调光器)。

LED调光存在的问题
LED灯要想实现可调光,其电源必须能够检测可控硅控制器的可变相位角输出,以便对流向LED的电流进行调整。在维持调光器正常工作的同时做到这一点非常困难,往往会导致性能不佳。问题可以表现为闪烁及音频噪声等问题。这些不良现象通常是由误触发或过早关断可控硅等因素造成的。误触发的根本原因是在可控硅导通时出现了电流振荡。图3以图表形式对该影响进行了说明。

2.可控硅导通的工作条件


3 可控硅电流(可控硅多次触发,但不能维持导通)



可控硅导通时,AC市电电压几乎瞬间施加到LED灯电源的LC输入滤波器。施加到电感的电压阶跃会导致振荡。如果调光器电流在振荡期间低于可控硅维持电流,可控硅将停止导通。可控硅触发电路充电,然后再次导通可控硅。这种不规则的多次可控硅重启动(如图3),可使LED驱动产生音频噪声或LED闪烁。设计更为简单的 EMI滤波器有助于降低此类不必要的振荡。要想实现出色的调光功能,输入EMI滤波器电感和电容须尽可能地小。

对于可控硅来说,维持导通所需的维持电流通常介于8 mA到75 mA之间。白炽灯比较容易维持这种电流大小,但对于功耗仅为等效白炽灯10%的LED灯来说,该电流可降低到可控硅维持电流以下,导致可控硅过早关断。这样就会造成闪烁或限制可调光范围。   

轻微闪烁问题

1 DIAC特性


从表1可见由于DIAC的特性描述了正反击穿电压存在误差,击穿电压不对称会引起可控硅的正半周和负半周的导通角不一样(见图4A),在低成本的调光器中尤其明显,输出电流也会跟随输入变化(如图4b),引起LED灯忽亮忽暗,尤其在低输出时明显。



英飞凌实用LED驱动调光解决方案
基于以上问题,英飞凌推出一种专为高效离线式 LED调光驱动应用设计的准谐振 PWM 控制器--ICL8002G,可用作反激式变换器或降压转换器的设计与应用。其准谐振工作模式、 初级侧控制、集成式 PFC 和切相调光控制、各种保护功能使其成为适用于可调光的 LED 球泡灯出色的系统解决方案。与 ICL8001G相比,新的 ICL8002G在调光性能和输出电流稳定性方面有巨大改进。可以通过增加阻尼电路和泄放电路使它与基于 TRIAC 的切相调光器的兼容性得以改善,并通过额外的线性调整电路使输出电流在很宽的输入电压范围内保持稳定。

下表所示为ICL8002G演示板设计规格



原理


图5 基于ICL8002G 12W可控硅调光LED球炮灯应用的原理图





基于 TRIAC 的调光器的兼容性
基于 TRIAC 的调光器可以完美用于白炽灯等阻性负载。当它们用于开关式 LED 驱动器等非线性负载时,可能产生闪烁问题,这主要是因维持电流不足(LED整个灯具所消耗电流小于可控硅的维持电流)以及电流振荡——尤其是在 TRIAC 导通期间造成的。因此,为了提高与基于 TRIAC 的调光器的兼容性,通常在 LED 驱动器中增加泄放电路和阻尼电路。此设计中包含的被动式泄放电路(由 C1,C2,R4,R5 组成)可以使输入电流大于 TRIAC 的维持电流阈值之上。R1、R2 这两个电阻器被用于抑制振荡及减小浪涌电流。




轻微闪烁解决方法及实验数据
图5中电路A由R6、R7、R8、C4、Q2、ZD1组成的电路网络专为深度调光及改善忽亮忽暗(轻微闪烁),其中ZD1是一个保护二极管防止Q2的Vbe过压击穿,R6、R7、R8组成了一个分压检测器,由于C4的容量较大,因此C4端是一个平滑电压。下图6A是在输出电流较小时且未增加上述电路的C5电压波形(两个相邻半波输入不对称)。若增加此电路后,当C4端的电压如下图红线的电压时,C5的电压会通过Q2被箝位得到一个较为均匀的电压如图6B所示,同时由于VR端电压的高低决定输出电流大小,不均匀的VR端电压会导致LED闪烁,相反较为均匀的VR端电压将会改善输出LED的轻微闪烁。C5的电压通过Q2跟随C4端电压的变化而变化,若在低导通角时C5端的电压会通过Q2跟随C4端电压降到更低的电压以达到减小输出电流从而增加调光范围实现深度调光。





图7 所示为C4,C5实际的测试波形,其中棕黄色是C5端电压,蓝色线是C4端电压。实测证明增加电路A后是可以改善VR端电压不对称现象。

图8A所示为LED输出电流波形是没有增加电路A,正负半周相差太大导致输出会有忽亮忽暗的轻微闪烁,图8B是增加了电路A的输出LED的电流波形,可以看到增加此电路后LED的闪烁问题会有所改善。



线性调整率
图 9 显示的是测得的 LED 电流与电源电压的关系。在整个输入电压范围内 (180Vac-265Vac),最大电流偏差被限制为 ±3%。

图9.输入电压VS 输出电流




调光曲线
图10显示的是测得的LED调光范围与可控硅导通角度的关系。调光范围可以下降到1%以下。

图10.LED调光曲线(LED调光范围VS可控硅导通角)


保护功能



输出开路保护
在运行期间,如果输出端为开路状态,输出电压会升高,于是 MOSFET 关断时VCC绕组产生的电压也会升高。ICL8002G的引脚 ZCV通过R15和R16检测VCC绕组电压, ZCV电压一达到 OVP 阈值 (Vzcovp = 3.7V) 就会触发输出过压保护,IC 将进入锁存关断模式。另一方面,VCC绕组产生的电压将为 Vcc 供电,如果 Vcc 达到阈值 (Vvccovp = 25V),则会触发 Vcc 过压保护。在此演示板设计中,当输出端处于开路状态时,ZCV脚电压将会达到OVP阈值且被触发,IC 也将进入锁存关断模式。锁存关断模式下的功耗小于 0.5W。

输出短路保护
如果输出端短路,IC 将通过 VCC 欠压保护方式切换至自动重启模式。此模式下的总输入功耗会保持在低于1W水平。

结论
本文阐述了LED可控硅调光的原理及相关问题,并介绍了基于ICL8002G的12W可控硅调光方案。此方案线路简单成本低廉,提供完善的保护特性,以及出色的调光性能及兼容性。

作者:
英飞凌科技(中国)有限公司电源管理及多元化市场部 梁晓军

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