LED可控硅调光原理及问题要点.pdf

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1、LED可控硅调光原理及问题 2010年 11 月 10 日 17:48 本站整理作者：佚名用户评论（ 0） 关键字： LED(976)可控硅调光 (3) 1. 前言 如今， LED照明已成为一项主流技术。LED手电筒、交通信号灯和车灯比比皆是，各个国家正 在推动用 LED灯替换以主电源供电的住宅、商业和工业应用中的白炽灯和荧光灯。换用高能效LED 照明后，实现的能源节省量将会非常惊人。仅在中国，据政府*估计，如果三分之一的照明市场转 向 LED产品，他们每年将会节省1 亿度的用电量，并可减少2900 万吨的二氧化碳排放量。然而， 仍有一个障碍有待克服，那就是调光问题。 白炽灯使用简单、 低成本

2、的前沿可控硅调光器就可以很容易地实现调光。因此，这种调光器随 处可见。固态照明替换灯要想真正获得成功的话，就必须能够使用现有的控制器和线路实现调光。 白炽灯泡就非常适合进行调光。 具有讽刺意味的是， 正是它们的低效率和随之产生的高输入电 流，才是调光器工作良好的主要因素。白炽灯泡中灯丝的热惯性还有助于掩盖调光器所产生的任何 不稳定或振荡。 在尝试对 LED灯进行调光的过程中遇到了大量问题，常常会导致闪烁和其他意想不 到的情况。要想弄清原因，首先有必要了解可控硅调光器的工作原理、LED灯技术以及它们之间的 相互关系。 2. 可控硅调光 的原理 图 1 所示为典型的前沿可控硅调光器，以及它所产生的

3、电压和电流波形。 图 1 前沿可控硅调光器 电位计 R2调整可控硅 (TRIAC) 的相位角，当 VC2超过 DIAC的击穿电压时，可控硅会在每个 AC电压前沿导通。 当可控硅电流降到其维持电流(IH) 以下时，可控硅关断， 且必须等到 C2 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。 3.LED调光存在的问题 用于替换标准白炽灯的LED灯通常包含一个LED阵列，确保提供均匀的光照。 这些 LED以串联 方式连接在一起。每个LED的亮度由其电流决定， LED的正向电压降约为3.4 V ，

4、通常介于 2.8 V 到 4.2 V之间。 LED灯串应当由恒流电源提供驱动，必须对电流进行严格控制，以确保相邻LED灯 之间具有高匹配度。 LED灯要想实现可调光，其电源必须能够分析可控硅控制器的可变相位角输出，以便对流向 LED 的恒流进行单向调整。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。 问题可以表现为启动速度慢，闪烁、光照不均匀，或在调整光亮度时出现闪烁。此外，还存在元件 间不一致以及 LED灯发出不需要的音频噪声等问题。 这些负面情况通常是由误触发或过早关断可控 硅以及 LED电流控制不当等因素共同造成的。误触发的根本原因是在可控硅导通时出现了电流振 荡。图

5、 2 以图表形式对该影响进行了说明。 图 2 发生在 LED灯电源输入级的可控硅电流与电压振荡 可控硅导通时， AC市电电压几乎同时施加到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电流，可控硅将停止导电。 可控硅触发电 路充电，然后重新导通调光器。 这种不规则的多次可控硅重启动，可使 LED灯产生不需要的音频噪 声和闪烁。设计更为简单的 EMI 滤波器有助于降低此类不必要的振荡。要想实现成功调光，输入 EMI滤波器电感和电容还必须尽可能地小。 振荡的最差条件表现为90 度相位角 ( 这时，输入电压达到正弦波峰值，突然施加到LED灯的

6、输入端 ) ，并且为高输入电压 ( 这时，调光器的正向电流达到最低水平) 。当需要深度调光 ( 比如相位 角接近 180 度) 且为低输入电压时， 则会发生过早关断。 要可靠地调低光度， 可控硅必须单调导通， 并停留在 AC电压几乎降至零伏的点上。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 40 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。这样就会造成闪烁和/ 或限制可调光 范围。 在设计 LED照明电源时还有许多其他问题构成挑战。能源之星固态照明规范要求商业和工业应 用的最

7、小功率因数必须达到0.9 ，照明产品必须满足效率、输出电流容差和EMI的严格要求，并且 电源还必须在 LED负载发生短路或开路的情况下作出安全响应。 4.LED调光实用方案 Power Integrations (PI)最近所取得的技术进展为如何解决LED驱动和可控硅的兼容性问题 提供了参考范例。图3 是 PI 开发的可控硅调光的14 W LED驱动器的电路图。 图 3 隔离式可控硅调光的高功率因数通用输入14 W LED驱动器的电路图 本设计采用了 LinkSwitch-PH 系列器件 LNK406EG (U1) 。LinkSwitch-PH 系列 LED驱动器 IC 同时集成了一个725

8、V 功率 MOSFET 和一个连续导通模式初级侧PWM 控制器。控制器可实现单级主 动功率因数校正 (PFC)和恒流输出。 LinkSwitch-PH 系列器件所采用的初级侧控制技术可提供高精 度恒流控制 (性能远优于传统的初级侧控制技术) ， 省去了隔离反激式电源中常用的光耦器和辅助电 路( 即次级侧控制电路 )，同时控制器中的PFC部分还省去了大容量电解电容。 LinkSwitch-PH 系列器件可设置为调光或非调光模式。对于可控硅相位调光应用，可在参考 (REFERENCE)引脚上使用编程电阻 (R4) 和在电压监测 (VOLTAGE MONITOR)引脚上使用 4 M (R2+R3)

9、电阻，使输入电压和输出电流之间保持线性关系，从而扩大调光范围。 连续导通模式具有两大优势： 降低导通损耗 ( 从而提高效率 )和降低 EMI特征。 EMI特征降低后， 使用较小的输入EMI滤波器即可满足 EMI标准。可省去一个 X电容，并省去共模扼流圈或减小其尺 寸。LinkSwitch-PH 器件中内置的高压功率MOSFET 开关频率抖动功能还可进一步降低滤波要求。 输入 EMI滤波器尺寸减小意味着驱动电路的电阻性阻抗随之减小，其重要好处就是能大幅降低输入 电流振荡。由于 LinkSwitch-PH由其内部参考电源供电，因此可进一步增强稳定性。对于可调光 应用，增加主动衰减电路和泄放电路可确

10、保LED灯在极宽的调光范围内稳定工作，且无任何闪烁。 恒流控制允许有 25% 的电压摆幅，这样就无需根据正向电压降对LED进行编码，并且 5% 的 差异仍可确保一致的LED亮度。 5. 结束语 这个 14 W LED设计实现了与标准前沿可控硅AC调光器兼容、极宽调光范围 (1000:1 ， 500 mA:0.5 mA) 、高效率 ( 85%) 和高功率因数 ( 0.9)的目标。它说明与LED灯可控硅调光相关的问题是可以 克服的，甚至可以简化驱动器设计，使可调光LED灯更具成本效益，且达到一致和可靠的性能。 ICL8001G可控硅调光 LED驱动电路与应用 2011-08-30 12:01:02

11、 摘要：LED 照明具有发光效率高、节能等一系列优点，目前得到了广泛的应用。由于LED 可控硅调光具有使用方便、便于实现 和使用范围广等一系列优点，世界上一些半导体集成电路生产制造公司纷纷推出有关LED 可控硅调光控制集成电路。下面介绍由 英飞凌（Infineon）公司新推出的LED 可控硅（TRA IC ）调光控制集成电路ICL8001G的工作原理与典型应用。 1 LED照明与 LED 可控硅（TRAIC ）调光控制 自从 1968年第一批 LED 开始进入市场以来，至今已有 30 多年。随着新材料的开发和LED 生产工艺的改进，LED 趋于 高亮度化和全色化。氮化镓基底的蓝色LED 的出现

12、，更是扩展了LED 的应用领域。 LED 的发光原理就是将电能转换为光的过程，将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形 式释出，达到发光的效果。通过LED 的正向电流越大则LED 的发光亮度越高，同时，通过LED 发光电流的稳定性将影响LED 的发光稳定性。因此，在实用中应采用可以提供精确稳定电流的LED 驱动恒流源来为LED 供电。 LED 的调光可以进一步提高LED 的节能效果，而LED 的可控硅（TRAIC ）调光具有易于实现和使用方便等一系列优点， 世界上一些大的半导体集成电路生产和制造公司纷纷推出了LED 可控硅（TRAIC ）调光控制集成电路，例如：美国国

13、家半导 体公司（NS ） 推出的 LM3445 、 安森美公司（ Onsemi ）推出的 NCL30000、 NXP 公司推出的SSL2010T 和英飞凌（ Infineon） 公司推出的ICL8001G 等可控硅（ TRAIC ） 调光控制集成电路，PI 公司也推出了基于PI 产品的 LED 可控硅调光解决方案，它 们各具特色。下面介绍英飞凌（In fineon） 公司推出的ICL8001G 可控硅（TRAIC ）调光控制集成电路的工作原理、特点 和典型应用电路。 2 LED可控硅调光控制集成电路ICL8001G的特点 ICL8001G是一款工作于准谐振工作模式、用于离线LED 照明应用场合

14、的控制集成电路，特别适用于替代白炽灯照明应用 的 LED 可调光应用场合，精密的 PWM 控制可确保可靠地用于相位调光控制的初级侧控制电路结构，确保电路功率因数PF 值 98%, 可以显着地改善电路工作效率，使工作效率高达90% 。相对别的电路解决方案，ICL8001G 的 LED 供电工作电压范围 宽（高达 26 V ）、功耗低，保护功能齐全，使用 ICL8001G构成的 LED 可控硅调光控制电路具有性能优和电路简单的特点。 ICL8001G为 8 引脚 PG - DSO- 8封装，外形如图 1 所示，ICL8001G 的内部工作原理框图如图2 所示。 ICL8001G的主要技术特点如下：

15、 图 1 引脚图（PG - DSO- 8封装）（俯视图） 图 2 内部工作原理框图 1 ）在整个工作范围内具有高的工作效率和工作稳定性；2）可用于可控硅前沿或后沿的调光控制应用场合；3 ）用于初级侧的 PFC 和精密调光PWM 控制； 4 ）用于 VCC 引脚外接电容的恒电流预充电控制单元电路；5）内置数控软启动控制功能，折返式 控制和逐周期峰值电流控制；6 ） VCC 过/欠电压锁定输出；7）输出过电压保护的可调节锁定工作模式。 （1 ） ICL8001G 引脚功能 （3 ）可控硅调光的典型应用电路 可控硅调光的电路实现有许多种，可控硅调光的典型应用电路如图4 所示，在图 4 所示电路中，电

16、位器 1 用于设定内部失 调，电位器 2 用于外部控制，在电位器 1 和电位器 2 的共同作用下，阻值变化范围为2. 7 到 413 k 。 图 4 可控硅调光的典型应用电路 4 采用 ICL8001G的 LED 可控硅可调光典型应用电路 下面介绍采用ICL8001G 的 LED 可控硅调光典型应用电路评估电路板EVALLED 的特点与具体电路实现。 （ 1）电路简介 ICL8001G 的评估电路板EVAL-LED 演示了 ICL8001G控制集成电路在LED 可控硅调光的应用，ICL8001G为单级反激 控制集成电路，工作于准谐振、初级侧控制工作模式，集成了 APFC 和相控调光控制功能，适

17、用于 LED 可调光控制的应用场 合。 （ 2） ICL8001G 的评估电路板EVAL-LED ICL8001G的评估电路板EVAL-LED 焊接电路元器件后的PCB 电路板图俯视图和仰视图分别如图5 和图 6 所示。 图 5 EVAL-LED ICL8001G评估电路板的俯视图 图 6 EVAL-LED ICL8001G评估电路板的仰视图 （ 3）电路特点 EVAL-LED ICL8001G 评估电路板的电路特点如下： 1 ）在准谐振工作模式下，在整个宽的交流输入市电电压变化范围内具有稳定和高的工作效率；2）采用初级侧反激控制，具 有 APFC 功能和相控调光控制功能；3 ）在相控调光控制

18、下电路保持高的工作效率；4 ）在 ICL8001G 的内部具有对VCC 引脚外 接电容的恒电流充电控制功能；5） ICL8001G内含数控软启动控制功能；6） 具有折返式补偿和逐周期峰值电流限制功能；7） VCC 引脚的过电压和欠电压锁定输出控制功能；8）短路保护后的自动再启动；9 ）输出过电压保护的可调节锁定关断工作模式。 ICL8001G的引脚功能如表1 所示。 表 1 ICL8001G的引脚功能 （2 ） ICL8001G 的引脚功能简介 ZCV 引脚：过零检测引脚，来自辅助绕组的电压经延时电路延时一段时间后加到该引脚，通过内部电路该引脚接到了过 零检测器电路，用以决定外接功率开关管的导

19、通时间。同时，通过比较 VZC 和内部预设定的阈值电压可以实现输出过电压检测 功能。 VR 引脚： 电压检测引脚，通过该引脚检测交流输入市电整流后的输出电压，利用这个检测到的电压可以设定峰值电流控 制电路的峰值电流，并完成 APFC 和相控调光控制功能。 CS 引脚：电流检测引脚，该引脚接至一只用于决定初级侧电流检测的电流检测电阻，并和反馈电压一起用于决定PWM 控制信号发生器的脉冲关断时间，并且在主电源开关管导通时间内通过检测电压VCS 的电压来实现短路绕组的检测功能。 GD 引脚：栅极驱动输出引脚，该引脚输出信号用于驱动外接功率开关MOSFET 管。 HV 引脚：高电压输入引脚，该引脚连接

20、至外部总线电压，并通过外接总线电压为接至集成电路VCC 引脚的电容充电。 VCC 引脚：集成电路的电源供电引脚，供电电压范围为VV CCoff VVCCOVP。 GND 引脚：集成电路的地引脚。 （3 ） ICL8001G 的电路保护 ICL8001G具有如表 2 所示的保护功能。 表 2 保护特性 3 调光器的分类与工作原理 （ 1）调光器的分类 调光器按实现方式可以分为前切式及后切式相位调光，前切式及后切式相位调光输出的电压波形如图3 所示， 前切式相位调 光又叫可控硅前沿相位调光或可控硅调光。而后切式相位调光又叫后沿调光或晶体管调光。前切式相位调光的调光控制交流输入市 电的前沿变化较剧烈

21、，而后沿调光的调光控制交流输入市电的后沿变化较平缓，这可从图 3 所示波形看出。 相控调光器分类和特点如表3 所示。 表 3 相控调光器分类和特点 （ 2）相控调光器的工作原理 如图 3 波形所示，通过改变调光控制相控角的位置就可以改变输出交流电的平均值，达到改变输出功率的目的，从而达到 调光控制目的。但是，相控调光器的交流输出电压波形已严重偏离正弦波形，所以功率因数也严重小于1, 这也是相控调光的一 个缺点，相比较而言，后切式相位调光的波形失真较前切式相位调光的波形失真要小些。 图 3 前切式及后切式相位调光输出的电压波形 （ 4）技术指标 表 4 给出了 EVALLEDICL8001G 评

22、估电路板的有关技术指标，表 4 中输入电压表示未经相控调光的交流输入电压有效值 （ RMS） , 输出电压表示在给定的交流市电输入电压变化范围内的输出直流电压变化范围。 表 4 电路性能指标 （5 ）调光控制 通过可控硅的相控调光控制，可以改变加到LED 照明控制电路板上的LED 直流供电电流值，从而实现 LED 的调光控制。 1 ）电路板的加电 在集成电路ICL8001G 内部有一个启动单元电路，这个启动单元电路可以在不降低电路工作效率的前提下缩短电路的启动 时间，在 ICL8001G的 VCC 引脚外接电容C 15= 10 F 的条件下，电路启动时间大约为120m s 。 2 ） EVAL

23、-LED ICL8001G评估电路 PCB 板图 EVAL-LED ICL8001G 评估电路 PCB 板图分别如图7 和图 8 所示。 图 7 EVAL-LED ICL8001G评估电路板PCB 俯视图 图 8 EVAL-LED ICL8001G评估电路板PCB 仰视图 3 ） EVAL-LED ICL8001G评估电路电路原理图。 EVAL-LED ICL8001G 评估电路板电路原理图如图9 所示，电路元器件参数表如表5 所示。 图 9 ICL8001G评估电路板电路原理图 表 5 电路元器件参数表 5 小结 由于照明可控硅（TR IAC ）调光易于使用，符合人们的使用习惯，所以推广可控硅照明调光具有很好的市场前景，照明 可控硅（TR IAC ）调光在白炽灯调光中得到了很好的应用。但是，照明的可控硅（TR IAC ）调光在气体放电灯和LED 照明 调光的应用场合，可控硅（ TR IAC ）调光在电路的功率因数、调光闪烁等调光性能和造价等方面还需进一步做出努力，以扩大 可控硅（TR IAC ）调光在气体放电灯和LED 照明调光的应用范围。