TRIAC调光LED灯泡电路板的设计指南
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调光器的电路阻断电源，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灯泡电路板设计的实用指南。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
设计无源泄放电路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电路的电路板原理。
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。在调光电路板设计中，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。
无源泄放电路包括几百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，对于无源泻放电路，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。相比无源泻放电路，在电源输入周期中，有源泻放电路可以覆盖更宽范围的TRIAC开通。该推荐有源泻放电路能够通过调节输入电流保持TRIAC的维持电流，能够降低泻放电路的功耗。
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 的参考电路。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。偏置电路由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。
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，则有源泻放电路会与更多的调光器兼容。但是，IB 的增加，意味着泻放电路的功耗更大。RSOURCE、RSINK、 CCOMP、RCOMP 和 CFILTER 与有源泻放电路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。
有源泻放电路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，有源泻放电路仍然处于活跃状态，在没有IIN 的情况下，该电路应该保持维持电流，该电路的功耗变得较高，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，有源泻放电路也被迫停止。
有源泻放电路消耗大量的功耗，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，可以分摊有源泻放电路的部分功耗。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电路的设计实例。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电路的波形。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，有源泻放电路应该补偿更多的电流IB 。这就是有源泻放电路的功耗处于中等调光角范围的原因。如果想要校验泻放电路的最高温度，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电路的专利线路，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 为延时电路元件。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。
在延时电路（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电路的功耗比较。有源阻尼电路的功耗远远低于无源阻尼电路的电阻功耗。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电路。
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 有源阻尼延时电路（RD， CD）的选择
在QAD 开通之前，延时电路（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vwin 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电路，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电路和有源阻尼电路的设计实例。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。在该调光电路板中，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的调光功能和外部电路能够平滑控制LED电流，其中外部电路包括无源泻放电路和有源阻尼电路。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。
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