基于反激式LED驱动芯片的可控硅调光设计

    经过多年的发展，受益于成本的降低及技术的更新，LED应用在近年取得了突飞猛进的发展。如果能够兼容除了灯具以外的设备，将会节省很大的成本，使LED更快地取代当前的照明产品。当前照明用的调光器大部分为可控硅调光，因此所设计的LED驱动芯片若能兼容可控硅调光，则具有重大的意义。由于LED驱动是一门新兴的技术，市场上能兼容可控硅调光的芯片还很少，因此本文的研究具有探索研究的意义。

    1 TRIAC调光原理及简介
    目前市场上主流的非节能调光器多为TRIAC调光方式，即三端双向可控硅调光。TRIAC调光器也是目前应用最广的调光器。
    图1为典型的双向可控硅调光电路原理图。将R及C连接成为RC电路,电源给C充电的时候，可以令TRIAC调光器延迟启动，直至C的电压上升至触及DIAC的触发点电压(一般为32 V)。调整电位计R的电阻可改变启动延迟时间，从而改变TRIAC调光器的“导通时间”，即改变其“导通角”。因此，负载获得的平均供电便可改变。图2显示了典型的AC经过TRIAC后的电压波形。

2 调光的难点与需要解决的问题
　TRIAC维持导通需要3个条件:触发电流IG、锁定电流IL和Hold电流IH：
　(1) IG是触发TRIAC导通的条件，只有触发了TRIAC导通，才能使双向可控硅导通；
　(2) IL是指在NPNP放大的过程中,如果要使NPNP连续导通的所需的一个最小电流；
　(3) IH是指TRIAC正常工作之后，如果电流掉得太小，会导致TRIAC截止，所以锁定电流就是维持导通所需要的最小电流。
　在LED驱动电路中，由于传导辐射EMI的要求，需要在全桥之前放置电感(图3中的L1，L2)来防止外界的辐射干扰。同样，由于大多数LED驱动电路采用开关电源架构[2]，为了防止初级变压器的漏感导致的电压尖峰，需要在主级加一个大电容(图3中的C13)来缓冲电压尖峰。这样在母线电压的电路中有电流流过时，由于LC振荡会导致电流,使电流振荡到Hold电流以下。在TRIAC导通的瞬间，相当于给LC电路一个阶跃响应，使电路产生一个振荡。
3 damping电阻防振荡原理分析
　对电路列KVL,可得：

　如果没有电阻，将产生振荡波形；如果加入阻尼电阻，当(R/2L)2>1/LC时，可使阻尼振荡减小。所以，如果在电路中加入damping电阻，可以使通过TRIAC的电流由振荡变成了欠阻尼的情况，保证不使流过的电流低于Hold电流以下，从而保证连续的对LED调光。解决了振荡的问题。
4 动态damping电阻功能实现
　前文提到需要在EMI电感与反激电容间加一个damping电阻来防止LC振荡。但是由于这个电阻需要加在主回路之间，因此主电流在TRIAC开通的时间内电流都会流过电阻，导致电阻消耗的功率过大，实测这个电阻会损失约10%的效率，而效率是电源产品首要考虑的因素，因此，设计了图4所示的动态电阻的电路。该电路可以在电压导通的瞬间(1 ms以内)导通,然后在1 ms后关闭。

　在TRIAC导通后，可得如下公式：
　
    如图5所示,母线通过R51给C50充电，选取适当的时间参数。达到M50的导通电压Vth(2V)的时间约为1 ms。Q50的作用是，当导通电压到了波谷时,MOS下次仍能正常充电设计。当到了谷底时，Q60的E极的电压高于B极，Q60导通，C50的电压开始放电。

　本文基于AC-DC LED恒流驱动芯片MT7920实现TRIAC调光。MT7920是一款基于flyback的高PFC恒流LED驱动芯片[3]。要实现输出高PFC的功能，需要一个STP PIN来调节输出电流。这里通过给STP PIN进行电流补偿来提供低导通角时所需的电流，达到低导通角调光的目的。该补偿电路同样适用于其他需要TRIAC调光的芯片。
    输入电压VACin为正弦波时，由一个40 V的钳位二极管D60将第1点的电压钳制在40 V,相当于一个周期性的脉冲电压。这个电压到了第3点由于电阻分压，变成20 V，第1点的电压经过R61、C62，相当于通过一个Low Pass Filter，得到一个直流分量,因此第2点的电压为第1点的峰值乘以Duty。第3点的电压与第4点C60上的电压相差一个二极管正向压降，取C60/C62的比例为2：1，这样在全电压下第2点的电压大于第4点的电压，当导通角低于90°时，第2点的电压低于第4点的电压，此时Q61导通，有电流流过，可以对芯片进行补偿，达到相位补偿的功能。
　图7显示了该电路的实测波形，可以看到，在导通角大于90°时，第2点的电压高于第4点电压；当导通角低于90°时，第4点高于第2点，Q61导通。

    测试结果显示，电路在全电压范围内能正常工作，启动角度为30°左右，实测该角度的电流基本上到了5%以下，更低导通角的调光没有太大的意义。
    本文通过对TRIAC的理论研究，找到了TRIAC对LED进行调光的问题所在，加入了damping电阻解决了调光的问题。在此基础上设计了动态电阻的电路，且有效地提高了效率。基于MT7920芯片，根据相位补偿原理设计了在导通角低下的情况下，也能稳定地对TRIAC进行调光的电路。经过PCB设计后的电路实测，电路能达到稳定调光的功能。
参考文献
[1] 韩良玉.双向晶闸管4种导通方式优缺点比较[J]. 开封大学学报,1995(01):64.
[2] PRESSMAN A I.开光电源设计[M].王志强,译.北京:电子工业出版社,2005.
[3] Maxictech, MT7920: low power, high PFC high precision off-line white LED driver[EB/OL].www.maxictech.com, 2010.