TRIAC调光LED灯泡威廉希尔官方网站 板的设计指南

引言

LED照明是一种理想的照明光源，可以取代传统的照明系统，例如荧光灯和白炽灯。特别是在传统的TRIAC调光灯体系中，已经投入了大量的研究，试图开发一种兼容TRIAC调光器的LED灯泡。因为白炽灯光源消耗功率大，而且寿命短，所以LED灯泡便成为其理想的替代品，具有功耗非常低、寿命非常长等优势。

对于TRIAC调光LED灯泡，目前最大的问题在于调光器的兼容性。传统TRIAC调光器的原始设计是要处理数百瓦白炽灯泡消耗的功率。消耗功率小于20W的LED灯泡，会和采用由大功率开关器件构成的调光器产生相互影响。如果调光器和LED灯泡的相互影响不稳定，会出现可见闪烁。

为了防止闪烁，需要考虑一些特别的要求。TRIAC调光器需要在TRIAC触发后能够擎住电流，且在触发后的导通期间能够维持电流。如果不能满足这两种电流， TRIAC调光器会出现误触发和LED照明闪烁。图1 给出了TRIAC调光器和LED灯泡的接线图。图2 给出了在电源周期开始时，TRIAC调光器的威廉希尔官方网站 阻断电源，触发后接通输入电源和LED灯泡。如图3所示，如果流过调光器的擎住电流和维持电流不足，TRIAC调光器将会关断。

对于不同的调光器模型，擎住电流和维持电流也会不同。典型的擎住电流和维持电流范围大约为5~50mA。由于消耗较大的功率，采用白炽灯照明时，不会出现这些工作要求。单只LED灯泡的功率输出一般小于20W， 因此在整个电源周期中单只LED灯泡不能维持所需电流量。

本应用说明书提供了TRIAC调光LED灯泡威廉希尔官方网站 板设计的实用指南。在描述的无源和有源泄放设计指南中，详细地说明了如何保持擎住电流和维持电流，而不出现闪烁现象。由于减少了外部器件的数量，有源阻尼设计能够改善效率。针对功率因数（ PF ） 、总谐波畸变率（THD）以及 EMI等方面，输入滤波器设计一节讲述了滤波元件的滤波效果。

1. 无源泻放设计

设计无源泄放威廉希尔官方网站 是为了提供擎住电流和维持电流，消除误触发和闪烁。图4 给出了采用无源泄放威廉希尔官方网站 的威廉希尔官方网站 板原理。

所谓无源泄放器是由电阻（RB） 和电容（CB）构成。LF1 和 LF2为输入滤波电感。CIN 为输入滤波电容，RD 为阻尼电阻。在调光威廉希尔官方网站 板设计中，如果电容并联在电源线之间，电阻（ex. RB， RD）需要与电容（ex. CB， CIN）串联。如果不串联电阻，由于调光器触发时电容的快速充电作用，将会出现较高的电压和电流尖峰。电流尖峰将会破坏TRIAC调光器，特别当多个LED灯泡并联时尤为如此，因为来自每个LED灯泡的电流尖峰之和将会超过TRIAC调光器的额定电流。电流尖峰之后会出现电流振荡，由于振荡中会出现低于维持电流的负电流，还会引起调光灯误触发。电压尖峰如果超出额定击穿电压，将会破坏外部器件。

无源泄放威廉希尔官方网站 包括几百nF的电容（CB），用于提供擎住电流和维持电流。为了消除上述电压与电流尖峰，有必要采用泄放电阻（RB）阻尼该尖峰。

1.1 无源泄放电容 （CB）的选择

电容CB大小决定着保持TRIAC开通的泄放电流。对于TRIAC调光，电容CB越大，泄放电流较大，调光控制的稳定性越高。图5和图6给出了较小与较大泄放电容时的电源电流。输入电流（IIN）为来自二极管整流桥后的反激变换器的电流。在FL7730的功率因数校正作用下，IIN与电源电压同相位。IB为泄放电流，电源电流（ILINE）为IIN 与IB之和。

ILINE 应该高于擎住电流和维持电流，这是因为ILINE 直接流过TRIAC调光器。在图5中，触发时的ILINE 不是足够大，原因是CB较小。TRIAC 调光器将发生误触发，如图3所示。在图6中，在调光器触发时，ILINE 足够高，原因是CB较大，这样可以保持TRIAC正常的导通状态，如图2所示。因此，由于可以提供更高的IB，CB较大时的调光器触发效果优于CB较小时。

但是，CB较大时也有一个不足，对功率因数（PF）、总谐波畸变率（THD）和效率产生影响。表1 中给出了CB 在100nF～200nF之间变化时的性能比较。可见，CB对PF和RB功耗的影响较为严重。相比100nF CB，220nF CB 严重地降低了PF，增加了RB功耗，其原因是CB的充电与放电电流过大。

因此，对于无源泻放威廉希尔官方网站 ，在选择CB时，应该在TRIAC 调光控制和PF大小之间权衡利弊。尤其对于要求高功率因数的高压灯泡应用。权衡这两个因素，确定合理的CB 是一个挑战。在选择CB时，第一步是，检查调光器触发时的IB。通过改变CB大小，校验在调光器触发时是否出现由于IB不足引起的误触发。在调光器触发中没有出现工作异常的CB选择范围内，选择较小的CB，可以获得较高的PF和效率。EMI不受CB的影响，这是由于RB与之串联，阻断了CB对噪声的滤波。

1.2 无源泄放电阻 （RB）的选择

RB 起到阻尼作用，可以抑制由于触发时CB快速充电引起的尖峰电流。图7 给出了RB过大时的电源电流。太大的RB可以显著地阻尼IB，导致IB在触发时低于擎住电流，在受到触发后，TRIAC调光器会出现误触发，出现可见闪烁。

图8 给出了RB过小时的电源电流。RB过小，不能完全阻尼IB，发生电流振荡。振荡电流波动低于负的IB，引起TRIAC调光器的误触发，出现可见闪烁。

RB关于选择的另外一种考虑是功耗。表2中给出了采用两种不同泻放电阻时的系统性能比较。在系统的指标中，RB不影响PF和THD。可见，RB越大，引起自身的功耗就越大。

2. 有源泻放设计

保持TRIAC维持电流的另外一种方法是有源泻放技术。相比无源泻放威廉希尔官方网站 ，在电源输入周期中，有源泻放威廉希尔官方网站 可以覆盖更宽范围的TRIAC开通。该推荐有源泻放威廉希尔官方网站 能够通过调节输入电流保持TRIAC的维持电流，能够降低泻放威廉希尔官方网站 的功耗。

图9中，ILINE 为 IB （有源泻放电流） 和 IIN （反激变换器输入电流）之和。RSENSE 为检测电阻，负载检测电源电流ILINE。CFILTER 为滤波电容，负责滤除RSENSE上电压的开关噪声。QREG为分流调节器，例如KA431。在调光器触发时，较大的电流毛刺将会在RSENSE上，引起较大的电压降。ZDLIM 能够限制RSENSE上的电压，进而保护QREG 的参考威廉希尔官方网站 。驱动QBLEED （泻放MOSFET） 的偏置电流属于线性调节器，由辅助绕组供电。偏置威廉希尔官方网站 由DBIAS 和 CBIAS构成。QBLEED 的门极受控制于CBIAS偏置电压和QREG的阴极。驱动电流总量受限制于RSOURCE 和 RSINK。CCOMP 能够减缓调节环的响应。RCOMP用做负反馈电阻， 负责补偿控制环。RBLEED 为泻放电阻，同QBLEED一起， 消耗部分泻放功率。

工作原理如图10所示。在提出的有源泻放威廉希尔官方网站 中，当RSENSE 电压低于QREG的VREF时，QBLEED 的VGS （门极-源极电压） 增加，IB 升高。保持电流为：

在选择IHOLD时，需要在调光兼容性和系统效率之间做出折衷。如果IHOLD设计较高，则有源泻放威廉希尔官方网站 会与更多的调光器兼容。但是，IB 的增加，意味着泻放威廉希尔官方网站 的功耗更大。RSOURCE、RSINK、 CCOMP、RCOMP 和 CFILTER 与有源泻放威廉希尔官方网站 的反馈响应之间存在密切关系。（RSOURCE、RSINK、RCOMP）阻值和（CCOMP， CFILTER）容值较小时，能够加快反馈环的速度。如果反馈环过快，IB 将会大纹波地振荡。

有源泻放威廉希尔官方网站 的工作需要与控制芯片的工作周期同步。当控制芯片工况出现异常时，例如LED出现短路或开路，由于门极信号已经被封锁，不会出现IIN。如果在异常条件下，有源泻放威廉希尔官方网站 仍然处于活跃状态，在没有IIN 的情况下，该威廉希尔官方网站 应该保持维持电流，该威廉希尔官方网站 的功耗变得较高，QBLEED 发生热损坏。因此，偏置电流应来自辅助绕组。这样，当开关作用关闭后，有源泻放威廉希尔官方网站 也被迫停止。

有源泻放威廉希尔官方网站 消耗大量的功耗，特别当电源电压较高时更是如此。在高电源电压较时，IIN 降低，IB 应该补偿维持电流的缺失部分。在这种状况下， 如果没有RBLEED，QBLEED 温升较高。RBLEED的串联使用，可以分摊有源泻放威廉希尔官方网站 的部分功耗。然而，RBLEED 不能太大， 否则不能分摊功耗，其原因是，RBLEED 过大时，限制了IB ，很容易引起保持维持电流失败。

图11. 给出了一种有源泻放威廉希尔官方网站 的设计实例。其中，检测地连接到分流调节器（KA431）的VREF管脚。C1表示RSENSE 电压。C2 表示输入电压。C3 表示泻放MOSFET 的源极电压，该电压与泻放电流成正比。C4表示电源电流。

图12和图13给出了在高调光角和低调光角时有源泻放威廉希尔官方网站 的波形。在低调光角时，通过FL7730的调光作用，输出电流减少。由于IIN （C3）的减少，有源泻放威廉希尔官方网站 应该补偿更多的电流IB 。这就是有源泻放威廉希尔官方网站 的功耗处于中等调光角范围的原因。如果想要校验泻放威廉希尔官方网站 的最高温度，测试条件应该选择中等调光角和最大电源电压。

3. 有源阻尼设计

在调光器触发时，有必要采用与输入滤波电容串联的阻性阻尼。在调光器触发时，引起较大的电流尖峰，通过电源线路，为电容CIN快速充电。如果没有阻性阻尼， 该电流尖峰将引起电源电流振荡，大电流将引起调光器误触发，破坏TRIAC调光器。采用阻尼电阻可以抑制尖峰电流，阻尼电阻的功耗也会较高。阻尼电阻不仅能够阻尼尖峰电流，而且也能够处理来自反激变换器的输入电流。

鉴于此，飞兆半导体提出了一种有源阻尼威廉希尔官方网站 的专利线路，可以降低功耗，而且所需外围器件最少。在图14 中，RAD 为有源阻尼电阻，QAD为有源MOSFET，用以降低RAD的功耗。RD 和 CD 为延时威廉希尔官方网站 元件。DD 为复位二极管，用于泄放CD。

图15给出了有源阻尼的工作波形。按照顺序，给出不同模式分析如下：

M1：调光器关断时间；QAD 关断。

M2：调光器触发，出现尖峰电流。

在延时威廉希尔官方网站 （RD 和 CD）作用下，VGATE逐渐增加。

M3： 在充电VGATE 作用下，QAD开通。 VAD 被调节为QAD的阈值电压VTH

M4： 在DD 作用下，CD 放电。VGATE 得到复位，为下一个电源周期做好准备。放电电流的路径为DD - RAD - CD.

在M3阶段，QAD 将VAD 电压调节成为其阈值电压（VTH），由此显著地降低RAD的功耗。表3 给出了无源和有源阻尼威廉希尔官方网站 的功耗比较。有源阻尼威廉希尔官方网站 的功耗远远低于无源阻尼威廉希尔官方网站 的电阻功耗。在低电源电压（110VAC） 时，输入电流较高，阻尼电阻需要处理较大的电流。因此，在低电源电压（110VAC）时，强烈推荐采用有源阻尼威廉希尔官方网站 。

3.1 有源阻尼电阻（RAD）的选择

应该首先校验电压与电流尖峰。超过额定电压时，电压尖峰能够破坏MOSFET和滤波电容。在调光器触发时， 电流尖峰引起电流振荡。如图16所示，在触发时，如果RAD较小，出现IIN 振荡。该振荡电流使IIN下降，进而下降的IIN导致出现误触发和可见闪烁。另外，采用较小RAD时，过大的峰值电流尖峰，将会破坏TRIAC的调光器，尤其当调光LED灯泡并联时更为如此。因此，在选取RAD时，应该注意几个要点：。

电压尖峰（应该低于器件的击穿电压）

电流尖峰（应该低于TRIAC调光器的额定电流。如果考虑LED灯泡并联，电流尖峰的降低应与LED灯泡数量成反比）

电流振荡（校验触发时IIN的降低程度，判定是否足够高于TRIAC的维持电流）

完成上述事项的校验后，为了获得最大效率，选择最小的RAD值。

3.2 有源阻尼MOSFET （QAD）的选择

最大VAD 应该低于QAD的击穿电压。选择RAD之后，可以在90º调光角下校验最大VAD 。然后，选择击穿电压裕量合适的QAD。对于8W LED灯泡，选择1~2A的额定电流，电流裕量充足。如表3所示，具有较低阈值电压的逻辑电平MOSFET能够额外地降低损耗，原因是VAD已经被调节成QAD 的阈值电压。

3.3 有源阻尼二极管（DD）的选择

有源阻尼二极管对CD放电，用来复位VGATE。额定正向电流1A的二极管足够用来对CD放电。对QAD 的选择同样如此，在选择DD反向电压时，应该首先在90°调光角和最高输入电源电压时检验最大VAD。

3.4 有源阻尼延时威廉希尔官方网站 （RD， CD）的选择

在QAD 开通之前，延时威廉希尔官方网站 （RD， CD）应该产生一个足够长的延时时间，用于RAD 阻尼电流尖峰。对于尖峰电流，最坏的情况是调光角为90°。应该首先在调光角为90°时，对尖峰电流振荡进行校验，以便确定阻尼尖峰电流需要多长时间。然后，调节RD和 CD，保证足够的阻尼时间。推荐的RD和 CD值为几百nF和几十kΩ。如果CD过大和RD 非常小，在M4阶段，DD 不能完全对CD放电，如图15所示。

设计范例

图17给出了一个8W LED灯泡系统有源阻尼的设计范例。如图18和图19所示，80kΩ RD 与 100nF CD产生的延时大约为1ms。在延时期间，220Ω RAD 阻尼电压和电流尖峰时，没有出现电流振荡或调光器误触发。

4. FL7730 的特征

FL7730是一种适合采用单级反激拓扑的有源功率因数校正（PFC）控制器。采用模拟检测方式，实现调光控制， 没有闪烁。采用的原边调节和单级拓扑减少了外部器件数量，例如输入大电容和反馈威廉希尔官方网站 ，由此降低了成本。为了改善功率因数和THD，采用了内部误差放大器和低带宽的补偿器，实现了恒定导通时间。高精度恒流控制能够精确调节输出电流，克服输入电压和输出电压的波动。随着输出电压变化，工作频率成比例地调节，确保工作在DCM模式，由此带来较高的效率和简化的设计。FL7730拥有多种保护，例如，LED开路、LED短路和过温保护。

设计总结

图22给出了采用FL7730的TRIAC调光LED驱动器原理图。该原理图专用于较低电源电压供电情况（90~140VAC）。

实验验证

针对8W LED照明系统，给出了采用无源泻放威廉希尔官方网站 和有源阻尼威廉希尔官方网站 的设计实例。图24给出了在输入电压和输出电压变化时的恒流调节。在较宽输出电压范围10V 到 28V内，对于每种电源输入电压，恒流偏差率低于2.1%。在额定输出电压（22V） 时，电源调整率低于3.9%。

工作波形如图25、图26、图27所示。在该调光威廉希尔官方网站 板中，TRIAC的调光触发非常稳定，没有任何误触发。FL7730保持tON 恒定，使得VCS 与 VIN 同相。IIN 的最大尖峰电流仅为 1.2A。图28给出了调光曲线。输入电压有效值指示了TRIAC调光角大小。FL7730的调光功能和外部威廉希尔官方网站 能够平滑控制LED电流，其中外部威廉希尔官方网站 包括无源泻放威廉希尔官方网站 和有源阻尼威廉希尔官方网站 。表7 表明了该设计与常规调光器设计的兼容性，没有可见闪烁。最大与最小电流有所变化，这是因为调光器的每次最大与最小角度有所不同。

在较低输入电压（90 ~ 140VAC）时，系统效率范围为80.7% ～ 82.9%。有源阻尼有助于提升效率，而且设计紧凑，成本低廉。在较低电源范围90~140VAC内，表8 中给出了PF 和 THD。在FL7730的恒定tON和线性频率控制下，PF 大于 0.9，THD 低于30%，

本设计范例中得到了许多优异性能，充分显示出这是一种功能强大的LED照明解决方案，具有高精度的恒流调节、稳定的调光控制、高的效率、高的功率因数、低的THD和低的BOM成本等特征。