基于控制器LM3445帶三端可控硅調(diào)光器的離線式LED驅動器

　0 引言

　　基于控制器IC的可調(diào)光LED驅動器通常采用的調(diào)光方式有兩種，即數(shù)字PWM調(diào)光和模擬DC電壓調(diào)光。基于相位控制的TRIAC傳統(tǒng)白熾燈和鹵素燈調(diào)光器若用于LED的調(diào)光控制，會產(chǎn)生100Hz或120Hz的閃爍，而且調(diào)光范圍非常窄。最近美國國家半導體(NS)公司推出一種帶有TRIAC調(diào)光譯碼器的離線式AC／DC降壓(buck)恒流LED控制器LM3445，允許利用標準TRIAC調(diào)光器對LED進行寬范圍的平穩(wěn)無閃爍調(diào)光，打破了傳統(tǒng)TRIAC調(diào)光器應用與LED節(jié)能照明的一個瓶頸。

　　l LM3445的主要特點

　　LM3445與先前的同類離線式AC／DC降壓恒流LED驅動器IC比較，其主要特點是在芯片上設計了TRIAC調(diào)光譯碼器電路，能傳感AC線路TRIAC調(diào)光波形，并將其轉換成控制LED電流的調(diào)光信號，幾乎能在從0％到100％的調(diào)光范圍內(nèi)實現(xiàn)無閃爍LED亮度調(diào)控。LM3445的其它特征主要有：

　　(1)AC輸入電壓范圍為80～270V，適用于國際通用AC線路；

　　(2)能夠控制大于1A的LED電流；

　　(3)適合配置無源(被動式)功率因數(shù)校正(PFC)電路，滿足能源之星固態(tài)照明(SSL)商業(yè)應用要求；

　　(4)支持主／從控制功能的多芯片解決方案，使用一個TRIAC調(diào)光器和一個主LM3445，便能控制多個基于LM3445的從屬降壓變換器驅動的多串LED；

　　(5)提供VCC欠鎖定、門限是165℃的熱關閉保護和電流限制；

　　(6)固定關斷時間可編程，開關頻率可調(diào)節(jié)；

　　(7)采用10引腳MSOP封裝，結溫范圍為一40℃～+125℃。

　　2 基于LM3445的TRIAC調(diào)光離線LED驅動電路

　　1)基本電路

　　LM3445的內(nèi)部結構及由其組成的TRIAC調(diào)光離線式LED驅動電路如圖l所示。這種AC—DC恒流LED驅動電路主要含有五個部分，即TRIAC調(diào)光器、橋式整流器BR1、整流線路電壓檢測及調(diào)光譯碼器電路、無源功率因數(shù)校正(PFC)電路和降壓(buck)式DC／DC變換器電路，整個系統(tǒng)的核心是LM3445。

　　2)電路工作原理

　　(1)TRIAC調(diào)光器

　　在圖1中，串聯(lián)在橋式整流器BR1輸入端的TRIAC調(diào)光器采用傳統(tǒng)基于相位控制的電路，如圖2所示。R1、R2和C1值決定C1上電壓達到雙向觸發(fā)二極管(DIAC)觸發(fā)電壓(約32V)之前的延遲時間。對于負載是白熾燈時，R1值減小，TRIAC的導通延遲縮短，導通角增加，燈亮度則增強；反之，若R1值增加，TRIAC導通角將減小，燈光則變暗。

　　在圖1中，TRIAC調(diào)光器被串接在AC線路輸入端，通過LM3445的調(diào)光譯碼器電路，可以控制LED串的電流，實現(xiàn)亮度調(diào)控。

　　(2)TRIAC調(diào)光譯碼電路

　　TRIAC調(diào)光譯碼電路由整流線路電壓感測電路、TRIAC導通角檢測電路和調(diào)光譯碼器電路三部分組成(見圖1)。

　?、倬€路電壓感測

　　位于橋式整流器之后的R1、15V的齊納二極管VD1和VT1組成一個串聯(lián)通路整流器，將整流的線路電壓轉換為一個適當?shù)碾娖奖籌C(LM3445)的引腳BLDR感測。由于VT1源極未連接電容器，當線路電壓降至15V以下時，允許IC引腳BLDR上的電壓隨整流電壓升高和降低。R5的作用有兩個：一是用作泄放IC引腳BLDR節(jié)點寄生電容的電荷；二是在小電流輸出上操作時，為調(diào)光器提供所需要的保持電流。

　　二極管(肖特基型)VD2和電容C5的作用是，當IC引腳BLDR上的電壓變低時，維持IC引腳VCC上的電壓，使IC能夠正常操作。

　?、诮嵌葯z測和調(diào)光譯碼器

　　TRIAC導通角檢測電路利用一個門限為7．2V的比較器監(jiān)視IC引腳BLDR來確定TRIAC是導通或者關斷。比較器輸出經(jīng)4μs的延遲線控制一個泄放電路并驅動一個緩沖器。緩沖器輸出(引腳ASNS)擺幅被限制在0～4V，經(jīng)R1和C3組成的低通濾波器濾波，通過IC引腳FLTRl輸入到斜坡比較器(反相端)，與斜坡產(chǎn)生器產(chǎn)生的5．88kHz、l～3V的鋸齒波相比較，斜坡比較器輸出驅動引腳DIM和一個N溝道MOSFET。MOSFET漏極上的信號經(jīng)內(nèi)部370kΩ和IC引腳FLTR2上的電容C4組成的(第二個)低通濾波器濾波，輸至內(nèi)部PWM比較器。調(diào)光譯碼器輸出一個幅度從0～750mV變化的DC電壓，相應的調(diào)光器占空比是從25％到75%變化，TRIAC導通角范圍從45℃到135℃，從而直接控制LED的峰值電流，獲得幾乎從0％到100%的調(diào)光范圍。

　(3)無源PFC電路

　　電容C7和C9以及二極管VD4、VD8、VD9組成部分濾波填谷式無源(即被動式)PFC電路。用其替代一個傳統(tǒng)大容量濾波電容器，可以改善線路功率因數(shù)。電容C10(10nF)在C7和C9充電時，可以衰減電壓紋波。無源PFC電路輸出電壓Ubuck，作為降壓變換器的DC總線電壓。

　　在沒有TRIAC調(diào)光器接入的情況下，當AC線路電壓高于其峰值的1／2時，VD3和VD8導通，VD4和VD9截止，電容C7和C9以串聯(lián)方式被充電，并且電流會流入負載。當AC線路電壓低于其峰值的l／2時，VD3和VD8反向偏置，而VD4和VD9正向偏置，C7和C9以并聯(lián)方式放電，電流流入負載。圖3所示為不帶TRIAC調(diào)光器時AC線路電壓UAC、整流電壓UBR1和PFC電路輸出電壓Ubuck波形。由圖3可知，雖然Ubuck波形很不平滑，但在AC線路半周期內(nèi)的電流導通角達120°(即從30°到150°)，線路功率因數(shù)達0．9以上。而只用單個大容量電容濾波雖然能獲得比較平滑的DC電壓，但電流流動角僅約60°(即從60°到120°)，線路功率因數(shù)不超過0．6。

　　加入TRIAC調(diào)光器時的相關電壓波形如圖4所示，其中θ為TRIAC的導通角。

　　(4)DC—DC降壓變換器

　　控制器LM3445、功率MOSFET(VT2)、電感器L2、二極管VD10、電阻R3和電容C12等，組成開關型DC—DC降壓變換器，用來驅動LED串。

　　當LM3445引腳GATE上的PWM信號驅動VT2導通時，通過L2和LED串的電流線性增加，并被R3感測。當R3上的電壓等于在IC引腳FLTR2上的參考電壓時，VT2則關斷，L2釋放儲能，VD10導通，電流通過LED串和L2，并從其峰值線性減小。C12用作消除大部分電感L2的紋波電流，R4、C11和VT3為設置固定關斷時間提供一個線性電流斜坡信號。

　　3 主要參數(shù)與元件值的計算

　　LM3445可以在80～270VAC的通用AC線路上工作，現(xiàn)設輸入電壓范圍是90～135VAC，開關頻率fsw=250kHz，變換器效率η≥80％，LED正向壓降UF=3．6V，通過LED串的平均電流ILED=400mA，串聯(lián)LED的數(shù)量n=7，LED串的總電壓降則為ULED=nUF=7×3．6V=25．2V。因篇幅所限，在此我們僅重點介紹無源PFC電路和降壓變換器中主要元件的選擇。

　　1)填谷式無源PFC電路元件的選擇

　　在沒有TRIAC調(diào)光時，填谷式電路電壓Ubuck波形如圖5所示。對于60Hz的線路頻率，半周期時間是8．33ms。AC電壓在30°和150°上的值為峰值的1／2，保持時間tx為半周期的1／3，即8．33ms×(1／3)=2．78ms。在90VAC的低線路電壓上，Ubuck最小值為

　　C7和C9的總電容量C可根據(jù)公式i=C(dU／dt)來計算。在電容中的電流為

　　設在低線路電壓和滿載時的Ubuck降落dU=15V，由于dt=2．78ms，因此C7和C9并聯(lián)電容值為C=i·dt／dU=157．5mA×2．78ms／15V=29μF可以選擇C7=C9=22μF。

　　由于Ubuck的最大值為C7和C9的額定電壓選擇200V是允許的。二極管VD4、VD8和VD9可選用200V、1A的RF07lM2S或等同器件。

　　VD3選用與VD4、VD8、VD9相同的二極管，C10選用10nF／250V的薄膜電容器。

　　2)降壓式變換器元件選擇

　　有些元件值的計算都與變換器關斷時間tOFF有關。降壓變換器在理想情況下的占空因數(shù)可表示為：

　　考慮到變換器效率η，占空比D為：

　　由（1）式得到：

　　將式（2）代入式（3）得：

　　式中：η=80％，ULED=25.2V，fSW=250kHz。在110VAC輸入電壓上，填谷式電路的電壓根據(jù)式(4)可得：

　通過R4的電流ICOLL在50μA與100μA之間，選擇ICOLL=70μA，R4=ULED／ICOLL=25.2V／70μA=360kΩ。R4選用365kΩ的標準電阻。

　　根據(jù)公式i=C(dU／dt)，通過R4和C11的電流為ULEd/R4，電流進入到C11產(chǎn)生一個線性充電特性，IC引腳COFF內(nèi)部比較器(見圖1)門限為1.276V，因此C11=(ULED／R4)(tOFF／1．276V)=(25．2V／365kΩ)(3μs／1．276V)=162pF

　　C11選用120PF的標準電容值。

　　電感器L2紋波電流△iL2按電感平均電流的30％來選取，△iL2則為ILED×30％=400mA。在關斷期間，L2上的電壓△UL2=ULED，△t=tOFF，根據(jù)公式△UL2=L2(△iL2／△t)得：

L2=(ULED×tOFF)／△iL2=(25．2V×3μs)／120mA=630μH

　　在非調(diào)光情況下和連續(xù)導電模式，iL2的峰值電流為

iL2(PK)=IAVE+△iL2／2=ILED+120mA／2=460mA

　　當電感電流達到峰值時，IC內(nèi)控制MOSFET關斷，此時R3上的峰值感測電壓是750mV。因此，R3值為：

R3=750mA／iL2(PK)=750mV／460mA=1．63Ω

　　選擇R3=1．8Ω。

　　C12選擇lμFl50V的電容，VD10選擇50V、1A的二極管。

　　在圖1中，其他元件選擇如下：

　　BRl選用400V、0．8A的HD04-T，VD1選用15V的DZX84C15LT1G，VD2選用40V、120mA的BAS40H，VT1和VT2選用400V、4A的FQD7N30TF，VT3選用100V、170mA的PNP晶體管，R2=100kΩ，R5=1kΩ，C5=22μF／50V，C3=470nF／16V，C4=100nF／16V。

　　4 結束語

　　LM3445是含有TRIAC調(diào)光譯碼器的固定關斷時間AC／DC降壓恒流LED驅動器?；贚M3445的離線式LED照明電源，利用傳統(tǒng)白熾燈TRIAC調(diào)光器，能夠對LED串進行寬范圍平穩(wěn)無閃爍調(diào)光，實現(xiàn)100：1的調(diào)光比，從而解決了標準TRIAC調(diào)光器應用于LED調(diào)光的瓶頸。