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探讨可控硅调光LED驱动器设计
作者: 恩智浦半导体孙中华 高级应用工程师

 2014-01-11

摘要:
调光LED照明替代传统白炽灯的应用已越来越多,而为其提供稳定和高效的电气特性来让LED单元发光的电源驱动器也变得越来越重要,高效率和高可靠的调光器兼容性已成为调光驱动器必备的性能。本文将讨论LED驱动器配合不同调光器设计时需要注意的重点,并用实例设计了一个8W/120Vac 应用的调光驱动器方案。

随着LED技术在各种领域上的突飞猛进发展,譬如城市照明,酒店,商场照明及家居照明市场,LED照明产品已成为用户的首选,可以想象,LED照明必将会改变每个人的生活,成为照明设计的一次变革。当然,提到LED照明,不得不说可控硅调光LED技术,许多工程师会疑惑,这种应用价格高,设计也不简单,为什么LED灯要兼容可控硅(TRIAC)调光呢?其实,最初的原因还是由调光白炽灯的需求引起的,早前人们喜欢灯光亮度能根据环境的变化和个人的喜好能自由地调节,同时还能节省用电消耗。像美国和欧洲国家的家庭里大多都已配置有调光器,所以,当LED灯要替代传统调光白炽灯市场时,就必须兼顾原已安装有调光器的家庭用户,让用户感觉使用LED灯也像用白炽灯一样,LED灯的亮度能被随意地调节,而且调光过程不会出现任何异常。本文将讨论设计可控硅调光LED驱动器设计时,要注意的环节并实例设计了一款高功率因数,高调光兼容性的LED驱动器。

调光器的原理
调光器在各个国家市面上销售的种类繁多,价格也相差几倍到好几十倍不等,如果把调光器从调节形式上来分,可分为传统直推和旋钮式调光器,数字式控制调光器和触摸式调光器。绝大多数调光器的工作原理主要分为两种:前沿斩波式和后沿斩波式调节控制,也简称前切式(leading edge)和后切式(Trailing edge)调光器。图1是美国Lutron公司生产的一种前切式调光器的内部原理图,U2是双向可控硅(TRIAC),C2,R2,R3,R5,R4组成分压回路,通过滑动电阻器R5来调整可控硅U2触发极的开启角度。当可变电阻R5从3欧姆到80K欧姆变化时,通过可控硅的电压导通角也相应地由130度到90度之间变化,图1有其仿真波形图。调光器内主要关键元件就是可控硅U2,不同的型号,对应的输出功率和工作特性也会不一样。所以,在实际调光LED驱动器设计时,困难之处就是怎样提高驱动器对各种调光器的兼容能力,以满足其不同可控硅的工作特性要求。

图1 前切式调光器原理图及输出波形仿真图


双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的,它不仅结合了两只反极性并联的可控硅,而且仅需一个触发电路,是比较理想的交流开关器件,其英文名称TRIAC即三端双向交流半导体开关。下面再来说一说可控硅的特性,图2是恩智浦公司的一款双向可控硅BTA216的几项主要静态参数,IGT是指门极触发电流参数,IL是挚住电流,是晶闸管从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最小电流。IH是维持电流,是维持可控硅通态所必需的最小电流,它与接温有关系,结温越高,IH则越小。白炽灯是一个纯阻性负载,一般功率范围在25W到100W,很容易就能满足可控硅IL和IH的工作条件,所以不会遇到挚住电流或维持电流不够的问题,而LED驱动器功率一般都小于20W,另外驱动器里有电容和电感储能元件,驱动器整个周期内没有一直消耗输入能量,这也是LED驱动器高效率的特点,但是又很容易造成挚住电流或维持电流不够,而造成闪烁,所以实际调试时,要仔细判别是哪项参数配置不合理而造成调光器的不正常动作。

图2可控硅部分规格参数表


后切调光器顾名思义,就是调光器输出电压的角度调整是在后沿进行控制的,相比前切调光器,它没有开启冲击电流和触发电流IL 的问题,配合后切调光器做LED驱动器设计时,要特别地注意最小维持电流IH,一般来说,驱动器提供的维持电流越大,调光器兼容性会好,但相应地会降低效率,所以实际设计时要根据实际需要来平衡好兼容性和效率之间的关系。

调光LED驱动器解决方案
恩智浦公司的SSL2101是最早推向调光LED驱动器芯片,其主要特点是其独特的调光功能和高集成度的应用设计。DC/DC部分采用了准谐振反激式控制,以降低导通时的开关损耗,提高转换效率。SSL2101内部集成了三颗高压开关管,非常适合小型化球泡灯应用。芯片的调光控制主要分为两部分:维持调光器稳定运行的泄放电路和侦测调光角度的调光回路。图3是SSL2101芯片内部泄放控制功能模块示意图,图中SBLEED回路通过芯片管脚1接一颗电阻到整流后的正电压,以提供调光器内可控硅导通时需要的挚住电流和关断后的过零复位负载。WBLEED回路也通过芯片管脚2接一个电阻到桥堆整流后的正电压,以提供维持电流。SBLEED和WBLEED回路都是由芯片内部逻辑功能块来控制其交替导通,当检测到整流后的电压低于52V时,连接SBLEED的内部开关M1会导通,反之截止;当ISENSE脚检测到电压高于-100mV时,连接WBLEED的内部开关M2导通,当电压低于-250mv时M2停止导通,另外,开关M1和M2不会同时导通工作,图4 示意了SBLEED和WBLEED回路与驱动器的输入电压和工作电流相对应的关系,红色代表SBLEED的电流,在每个周期开始时和输入电压低于52V时工作,绿色代表WBLEED的电流,在驱动电流小于预设的值后导通和在SBLEED工作后截止。

图3  SBLEED,WBLEED内部框图和工作状态图



SSL2101的调光功能主要由管脚BRIGHTNESS和PWMLIMIT来控制,BRIGHTNESS控制工作频率,管脚RC2上的电阻R2和C1确定芯片最高工作频率,R1和电容C1确定芯片最低频率,如图4所示,当 BRIGHTNESS管脚上的电平降低时,芯片内部RC_threshold阀值会逐渐升高,这样,芯片内部连接RC2的开关管的开通时间也会相应减少,造成R1和C1的放电时间变长,故工作频率降低,内部框图4 BRIGHTNESS上的电压到内部比较器之间有一个电压到电压转换,使BRIGHTNESS脚上电压与工作频率的变化呈指数关系。

图4  BRIGHTNESS内部框图和工作示意图


芯片PWMLIMIT管脚控制主开关管的导通时间,芯片预设的最大导通时间是76%,在反激式变换器设计中,最大导通时间主要是由变压器的原副边的圈数比来确定,而降压式变换器是由输入和输出间的电压比决定的。如图5所示,当PWMLIMIT输入端的电压降低时,芯片内部PWM_threshold阀值升高,这样主开关管的导通时间被减小,反应到输出电流也随之减小。另外,芯片内部PWMLIMIT的电平转换与导通时间的关系也是呈指数变化的。在调光角度调到一定值时,BRIGHTNESS和PWMLIMIT同时参与调节,即导通时间和工作频率依照调光器的角度同时降低,这样调光范围可以实现从100%到0%的性能,整个调光曲线更接近于自然调光,后面实例中有介绍其调光曲线的调试结果。

图5  PWMLIMIT内部框图和工作示意图


8W 调光LED驱动设计实例
本实例里用恩智浦公司的控制芯片SSL2101设计了一款输入功率为8W,输入电压120VAC/60Hz,输出LED电压39V,电流170mA的驱动器,线路图如图6所示,可以看到这个线路采用的是非隔离的降压式拓扑,整个设计所用的外围元件不多,非常适合紧凑性调光球泡灯应用,如GU10,蜡烛灯。线路里主电感TX1是EE10型磁芯,感量为1mH,开关频率在50KHz左右。输入保险电阻FR1有限制带前切调光器时每个周期开始时的最大充电电流和提供一部分维持电流的作用,同时也能抑制调光器内和输入电路上的电感和电容由于过高的充电电流而产生的震荡,避免调光器多次点火和损坏。这样,FR1也相应地带来损耗,应用里为了提高效率,采用了主动阻尼抑制方式,就是在调光器正负导通的前1~2ms内,输入电流经过FR1电阻,后面的时间电流通过并联在电阻上的开关管,以减小电阻FR1的损耗,实际测试驱动器整体转换效率(不带调光器)达到了85%以上。

图6  调光LED驱动器应用图


图7是驱动器带上调光器后的工作波形,紫色通道是输入电压,浅蓝色是输入电流,黄色和绿色分别是SBLEED和WBLEED电阻R2电压,R4的电流,可以看到调光器调节在最大角度时,SBLEED和WBLEED对应输入电压和电流的工作状态。因为120Vac应用比较少需要兼容后沿型调光器,所以R4有时候会选择1M阻值,流过的电流不到1mA,基本可以忽略掉这个损耗,本应用中R4为4.4K,当调光器调到比较小的角度时,还可以在提供10mA左右的维持电流给调光器,所以,调光兼容性非常好。

图7   实验工作波形和输入测试参数


 美国能源部支持的能源之星1.1版本规范了商用和家用LED照明的功率因数必须大于0.9和0.7的要求,图7输入测试结果显示该实例驱动器的功率因数达到0.97,电流谐波因数17.8%,因此能完全能满足相关功率因数的需求。另外,实际调试此实例驱动器能兼容大多数120Vac的前沿型调光器,图8列示了其中几款具有代表性的调光器型号。



图9是实例里驱动器的输出调光曲线,可以看到不同的BRIGHTNESS电平配置,所对应的调光曲线也是不一样的,调光曲线1相比曲线2,要更平稳柔和些,即输出电流与调光器角度的变化更接近指数特性,实际设计时可以根据调光曲线要求来选择合适的调光器角度侦测回路上电阻R3,R11,R16的阻值,也可以看到输出电流可以从100%调到0%。

总结:
本文针对调光LED驱动器的设计做了相关讨论,主要解释说明了影响调光器稳定工作的几个主要因素,设计了一款高功率因数,高效率和宽调光器兼容性的8W LED球泡灯驱动器,并对方案里的几项调光性能的调试做了相关说明。

参考资料
[1]  AN10829 SSL2101 dimmable high efficiency flyback design, NXP semiconductor

作者:
恩智浦半导体 孙中华 高级应用工程师

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