LED可控矽調光原理及問題解決方案

2020-12-06 電子產品世界

　　目前的調光方式主要有三種，分別是：模擬調光方式，PWM調光及可控矽調光。利用可控矽調光對LED替代燈調光，現有的調光器電路可以不作變動，故此調光方式普遍看好，於是出現了適合於可控矽調光的AC-DC控制晶片。英飛凌公司推出的ICL8002GLED驅動晶片可支持可控矽調光，並具有單級PFC和初級測控制功能。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/256025.htm

　　可控矽調光的原理

　　電位器RV2調整可控矽(TRIAC)的相位角，當VC3超過DIAC的擊穿電壓時，可控矽會導通。當可控矽電流降到其維持電流(Iholding)以下時(如下圖2)，可控矽關斷，且必須等到C3在下個半周期重新充電後才能再次導通。燈泡燈絲中的電壓和電流與調光信號的相位角密切相關，相位角的變化範圍介於0度(接近0度)到180度之間(取決於調光器)。

　　LED調光存在的問題

　　LED燈要想實現可調光，其電源必須能夠檢測可控矽控制器的可變相位角輸出，以便對流向LED的電流進行調整。在維持調光器正常工作的同時做到這一點非常困難，往往會導致性能不佳。問題可以表現為閃爍及音訊噪聲等問題。這些不良現象通常是由誤觸發或過早關斷可控矽等因素造成的。誤觸發的根本原因是在可控矽導通時出現了電流振蕩。圖3以圖表形式對該影響進行了說明。

　　可控矽導通時，AC市電電壓幾乎瞬間施加到LED燈電源的LC輸入濾波器。施加到電感的電壓階躍會導致振蕩。如果調光器電流在振蕩期間低於可控矽維持電流，可控矽將停止導通。可控矽觸發電路充電，然後再次導通可控矽。這種不規則的多次可控矽重啟動(如圖3)，可使LED驅動產生音訊噪聲或LED閃爍。設計更為簡單的EMI濾波器有助於降低此類不必要的振蕩。要想實現出色的調光功能，輸入EMI濾波器電感和電容須儘可能地小。

　　對於可控矽來說，維持導通所需的維持電流通常介於8mA到75mA之間。白熾燈比較容易維持這種電流大小，但對於功耗僅為等效白熾燈10%的LED燈來說，該電流可降低到可控矽維持電流以下，導致可控矽過早關斷。這樣就會造成閃爍或限制可調光範圍。

　　輕微閃爍問題

　　從表1可見由於DIAC的特性描述了正反擊穿電壓存在誤差，擊穿電壓不對稱會引起可控矽的正半周和負半周的導通角不一樣(見圖4A)，在低成本的調光器中尤其明顯，輸出電流也會跟隨輸入變化(如圖4b)，引起LED燈忽亮忽暗，尤其在低輸出時明顯。

　　英飛凌實用LED驅動調光解決方案

　　基於以上問題，英飛凌推出一種專為高效離線式LED調光碟機動應用設計的準諧振PWM控制器--ICL8002G，可用作反激式變換器或降壓轉換器的設計與應用。其準諧振工作模式、初級側控制、集成式PFC和切相調光控制、各種保護功能使其成為適用於可調光的LED球泡燈出色的系統解決方案。與ICL8001G相比，新的ICL8002G在調旋光性能和輸出電流穩定性方面有巨大改進。可以通過增加阻尼電路和洩放電路使它與基於TRIAC的切相調光器的兼容性得以改善，並通過額外的線性調整電路使輸出電流在很寬的輸入電壓範圍內保持穩定。

　　基於TRIAC的調光器的兼容性

　　基於TRIAC的調光器可以完美用於白熾燈等阻性負載。當它們用於開關式LED驅動器等非線性負載時，可能產生閃爍問題，這主要是因維持電流不足(LED整個燈具所消耗電流小於可控矽的維持電流)以及電流振蕩--尤其是在TRIAC導通期間造成的。因此，為了提高與基於TRIAC的調光器的兼容性，通常在LED驅動器中增加洩放電路和阻尼電路。此設計中包含的被動式洩放電路(由C1，C2，R4，R5組成)可以使輸入電流大於TRIAC的維持電流閾值之上。R1、R2這兩個電阻器被用於抑制振蕩及減小浪湧電流。

　　輕微閃爍解決方法及實驗數據

　　電路A由R6、R7、R8、C4、Q2、ZD1組成的電路網絡專為深度調光及改善忽亮忽暗(輕微閃爍)，其中ZD1是一個保護二極體防止Q2的Vbe過壓擊穿，R6、R7、R8組成了一個分壓檢測器，由於C4的容量較大，因此C4端是一個平滑電壓。在輸出電流較小時且未增加上述電路的C5電壓波形(兩個相鄰半波輸入不對稱)。若增加此電路後，當C4端的電壓如下圖紅線的電壓時，C5的電壓會通過Q2被箝位得到一個較為均勻的電壓如圖6B所示，同時由於VR端電壓的高低決定輸出電流大小，不均勻的VR端電壓會導致LED閃爍，相反較為均勻的VR端電壓將會改善輸出LED的輕微閃爍。C5的電壓通過Q2跟隨C4端電壓的變化而變化，若在低導通角時C5端的電壓會通過Q2跟隨C4端電壓降到更低的電壓以達到減小輸出電流從而增加調光範圍實現深度調光。

　　保護功能

　　輸出開路保護

　　在運行期間，如果輸出端為開路狀態，輸出電壓會升高，於是MOSFET關斷時VCC繞組產生的電壓也會升高。ICL8002G的引腳ZCV通過R15和R16檢測VCC繞組電壓，ZCV電壓一達到OVP閾值(Vzcovp=3.7V)就會觸發輸出過壓保護，IC將進入鎖存關斷模式。另一方面，VCC繞組產生的電壓將為Vcc供電，如果Vcc達到閾值(Vvccovp=25V)，則會觸發Vcc過壓保護。在此演示板設計中，當輸出端處於開路狀態時，ZCV腳電壓將會達到OVP閾值且被觸發，IC也將進入鎖存關斷模式。鎖存關斷模式下的功耗小於0.5W.

　　輸出短路保護

　　如果輸出端短路，IC將通過VCC欠壓保護方式切換至自動重啟模式。此模式下的總輸入功耗會保持在低於1W水平。

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