步步驚心 超完整LED調光電路設計(組圖)

　　傳統白熱燈泡的

調光

電路，大多使用簡易的雙向交流觸發三極體(Triac)位相控制方式。白熱燈泡利用鎢絲高溫發光，使用雙向交流觸發三極體的位相控制方式，因此無電壓時段也不會產生閃現象爍，反過來說光源變成

LED

方式時，相同的雙向交流觸發三極體位相控制電路，頻率是一般商用頻率2倍，受到無電壓時段影響，容易出現閃爍現象。

　　最近美國國家半導體公司開發直接連接雙向交流觸發三極體調光器，幾乎完全不會發生閃爍現象的LED驅動IC LM3445與評鑑基板。接著筆者組合評鑑基板與簡易雙向交流觸發三極體調光電路，說明LM3445的評基板鑑與電路設計的重點。

　　評鑑基板封裝LM3445、電源電路，以及周邊電路，評鑑基板使用雙向交流觸發三極體調光電路，輸入已經受到位相控制的電壓，利用高頻切換器提供LED電流，LED驅動器設有可以控制流入LED電流峰值的降壓轉換器，動作時設定OFF時間超過一定值以上。動作上首先接受雙向交流觸發三極體調光電路的輸出電壓，接著檢測雙向交流觸發三極體的ON時段，再將此信號轉換成流入LED電流指令值，此時流入LED電流與雙向交流觸發三極體ON時間呈比例，就能夠沿用傳統白熱燈泡的調光電路。此外上記評鑑基板支持還主從結構，能夠以相同電流調光複數LED。

　　評鑑與電路整體架構

　　圖1(a)是評鑑電路方塊圖；圖1(b)是雙向交流觸發三極體的調光電路，由圖可知本電路採取「Anode fire」方式，使用雙向交流觸發三極體的兩端電壓當作驅動電壓，通過可變電阻VR後，使電容器C1充正電壓或是負電壓，此時不論極性，電容器C1的電壓一旦超過一定程度，觸發二極體通電會使雙向交流觸發三極體點弧，流入雙向交流觸發三極體的電流，即使超過一值仍舊持續通電，電流則流入負載。

　　圖中的二極體D1～D4與15kΩ電阻，連接於雙向交流觸發三極體的兩端，主要目的不論極性都能夠使電容器C1的開始充電電壓維持一定值，此外為避免受到商用電源極性影響，因此刻意將此整合成相同點弧位相的電路。由於雙向交流觸發三極體電路OFF時，不會完全遮斷電流，大約有15kΩ的阻抗值，為減少對評鑑基板的影響，本電路插入1kΩ的假電阻。圖1(c)是供應評鑑基板的電壓波形，取電源的正弦波。

　　圖2是評鑑基板的電路圖，根據圖1(c)的電壓波形可知，輸出調光LED的電流要求各種技巧，第1調光必需指定流入LED的電流，因此評鑑基板若能夠從雙向交流觸發三極體的ON時段獲得信息，理論上LED只要流入與該時段呈比例的電流，LED就能夠沿用傳統白熱燈泡的調光器進行調光。

　　LM3445的ON時段在450至1350範圍，支持0%～100%的電流值指令，若以雙向交流觸發三極體的弧點角度θ表示，它相當於1350～450範圍。

　　第2是輸入評鑑基板的電源，使用雙向交流觸發三極體進行位相控制，因此無電壓時段，即使使用高頻切換電路也無法消除閃爍問題。上記電路為消除閃爍，未使用電容輸入型電路，改用填谷電路儘量減輕對電源的影響，因此本電路設置D4、D8、D9、C7、C9，以C7、C9串行電路使輸入的電壓峰值充電。

　　C7、C9相同容量時，各電容器的充電電壓是輸入電壓峰值的一半，換句話說輸入電壓峰值變成一半時，各電容器開始放電，輸入電壓峰值變成一半為止則以填谷電路動作，如此一來轉換器的輸入電壓能夠維持一定，同時還可以高頻使LED點燈。圖3是填谷電路與輸出、入電壓波形。由圖可知輸入電壓波形是雙向交流觸發三極體輸出整流後的波雙向交流觸發三極體的ON時段(角度)，大於900時會變成一半，低於900時＝1/2×sin（180－ON時段）＝1/2×sinθ。

　　第3是LED的電流調整電路，並不是可以使降壓轉換器維持一定頻率方式，而是採用能夠使OFF時段維持一定的方式，因此設計上要求承受輸入電壓、LED電流大範圍變動。雖然動作頻率隨著輸入電壓與負載改變，不過本電路可以完全忽略LED的閃爍問題，輕易設定頻率範圍。評鑑基板的基本設計與動作方式，建立在上記3項設計核心技術，除此之外為設定條件，電路上還要求其它各種技巧。接著以8個LED為範例，探討評鑑基板的電路定數。

　　降壓轉換部位的動作

　　圖4是降壓轉換部位相關電路圖，由圖可知它是由切換用FET Tr2、電感L2、續流二極體D10構成降壓轉換部主要電路，除此之外電流復歸用電阻器R3、決定FET OFF時間的電容器C1、充電電路Tr3、R4、吸收波動電流的電容器C12、LM3445的內部結構，鎖定轉換器的動作，細節忽略不詳述。圖中的L5是磁珠電感，它可以抑制續流二極體D10的逆回復電流。

　　Tr2 ON時，流入L2的電流取決於輸入電壓Vbuck與LED電壓VLED兩者的電壓差，最差情況LED的順電壓下降為3.99V，8個LED串聯需要31.9V。流入Tr2的電流除了受到電流指令最大值750mA的限制之外，有關對短路等異常電流的保護，本電路備有電流限制器功能，不過Tr2正確動作的代價是輸入電壓最大值有極限。

　　IC內部的起動電路一旦開始動作，GATE信號變成H，就會使Tr2 ON進入行程。LM63445即使ON，電流的檢測不會以一定時間進行，IC內部的125ns延遲時間內，電流檢測電阻R3的電壓R3，利用內部FET持續限制在0V，PWM與I-LIN兩轉換器的輸入維持L狀態，這樣的設計主要目的是考慮Tr2 ON時，二極體D10的逆向回復電流很大，避免瞬間遷移至GATE信號變成OFF狀態，轉換器可能無法起動。

　　延遲時間內Tr2 ON時電流的過渡變化，Tr2的電流與L2一旦相同，就進入檢測L2電流變化的行程，該電流檢測功能有所謂無效時間，因此降壓轉換器的輸入電壓最大值時，為確實保障此延遲時間，如圖5所示要求最小200ns的ON時間。延遲時間之後隨著直線上升的L2電壓，R3的電壓也直線上升，該電壓經過電流感測端子ISNS輸入至PWM轉換器，一直到電壓到達電流指令值為止，GATE信號維持ON狀態。評鑑基板的電流檢測用電阻R3大約1.8Ω，PWM的電流指令值最大值，750mV時為417mA，延遲時間與溫度有依存關係，大約100～160ns。

　　PWM轉換器進行IC內部產生的電流指令值與R3電壓比較，R3的電壓超過電流指令值，H的信號經過內部控制電路使GATE信號OFF。此外本電路還設置PWM轉換器不動作時的I-LIM轉換器，超過1.27V峰值會使GATE信號OFF抑制電流。Tr2 OFF時L2的電流移至D10，L2則以LED的一定電壓開始再設定(reset)，L2的電流呈直線性衰減，磁束則被再設定(reset)。評鑑基板的此OFF時間取決於LED的電壓，主要理由在動作範圍，希望優先正確進行L2的磁束再設定。

　　決定OFF時間的電容器C11與定電流電路Tr3、R4，定電流電路利用LED的順向電壓，配合LED的電壓使電流流動C11，C11的電壓呈直線性上升，利用該電壓與時間呈比例的特性。定電流電路的動作非常簡單，配合LED的順定下降電流流入R4，Tr3的基準電流配合Tr2的增幅率電流流動，由於流入Tr3集極(collector)的電流與流入R4的電流幾乎相同，因此C11內部有一定電流流動，該電壓呈直線性上升，C11的電壓被輸入至LM3445的COFF則進入COFF的比較器(Comparator)，電壓一旦超過1.276V基準電壓，再度使GATE信號移轉至ON狀態，換言之OFF時間是與LED的電壓呈比例的值。

　　綜合上記結論可知，GATE信號ON時IC的COFF輸入，亦即C11在IC內部以33Ω的阻抗值短路，此時C11的電壓幾乎維持0V，一旦進入OFF行程就開始對C11定電流充電，亦即開始時間計數。接著以評鑑基板為例試算OFF時間。

　　假設：

　　由此可之電感L2的再設定時間大約3.2μs。電感L2的再設定電壓是LED的電壓VLED，它是一定值。電流直線性下降，持續到FET的下個ON為止。L