用于传统双向可控硅 (TRIAC)调光器的LED驱动方案比较

郭津 葛良安 毛昭祺 马皓

(1.浙江大学 电气工程学院，浙江杭州 310027;2.英飞特电子 (杭州)，浙江杭州 310053)

1 引言

在全球能源与环保的双重压力之下，高亮度LED(HB LED)及其驱动得到了越来越多的关注，并取得了许多研究成果［1，2］。之前，在家用照明的设计中，对LED的调光设计基本采用基于IC的PWM调光和直流电压模拟调光两种方案。而在家用照明中大量存在的双向可控硅 (TRIAC)调光器若用于控制普通的LED驱动器，LED灯串会产生闪烁，并且不能实现较大的调光比。对此，世界各大LED芯片公司，如 NXP、NS、ON、PI等都已推出相关芯片以使LED驱动能够适用于TRIAC调光。当然，也可以使用普通控制芯片加上合适的外围电路以实现LED的TRIAC调光功能。

家用照明对LED驱动器的要求较高:输入电压范围大、输出恒流、可调光、满足EMI标准等。本文分析了一般家用TRIAC调光器的结构、特点和用于LED调光时存在的问题，分析了目前已有的几种可用于TRIAC调光器的LED驱动电路方案，比较各方案优缺点，并对有关设计进行了探讨。

2 典型的双向可控硅 (TRIAC)调光器

2.1 调光原理

图1 典型的 TRIAC调光器［3］

市面上大多数家用TRIAC调光器其基本结构如图1所示，其基本原理［4］陈述如下:

当220VAC电压加到TRIAC两端时，电容Ct上的电压是从0V开始充电的，并且TRIAC的驱动极串联有一个DIAC(双向触发二极管，一般是30V左右)，因此TRIAC可靠截止。当Ct上的电压上升到30V时，DIAC触发导通，TRIAC可靠导通，其两端的电压瞬间变为零，Ct通过 Rt迅速放电。当Ct电压下降到30V以下时 DIAC截止，如果此时TRIAC流过的电流大于其维持电流则继续导通，这个是可控硅基本特性，反之则截止。电感L和电容C的作用是减小dI/dt和dV/dt，以减少 EMI。

2.2 TRIAC调光器用于LED驱动时存在的问题

(1)TRIAC的维持电流问题

目前市面上的TRIAC调光器差异较大，由于TRIAC功率等级不同，维持电流一般是7mA到75mA(驱动电流则是7mA到100mA)，导通后流过TRIAC的电流必须要大于这个值才能继续导通，否则会关断。所设计的LED驱动若没有考虑好维持电流的问题，将会产生LED闪烁及调光器适应性差的问题［4］。

(2)导通角较小时LED会出现闪烁

当TRIAC导通角较小时，由于此时输入电压和电流均较小，导致维持电流不够或者芯片供电Vcc不够，电路停止工作，使LED产生闪烁。

(3)阻抗匹配问题

当TRIAC导通后，TRIAC和驱动电路的阻抗都发生变化，且驱动电路由于有X电容的存在，呈容性阻抗，与TRIAC调光器存在阻抗匹配的问题，因此在设计电路时一般需要使用较小的X电容。

(4)RC充电回路

TRIAC调光器中，Ct电容值一般是固定的，Rt越大充电时间越长，则导通角越小，反之导通角越大。目前市面上的TRIAC调光器一般可以将最小导通角调到30°，这样，在设计LED驱动电路时需要考虑最小导通角不同的各种调光器的适应性问题，一般将最小输出电流设计在30°导通角附近。

3 用于双向可控硅 (TRIAC)调光器的LED驱动方案分析

下面对目前已有的几种可用于家用双向可控硅(TRIAC)调光器的小功率 (5W～25W)LED驱动方案进行分析。

3.1 带复杂维持电流补偿模块的TRIAC开环调光LED驱动方案

利用NXP公司的TRIAC调光LED驱动专用芯片SSL2101搭建的驱动电路框图如图2所示。

图2 SSL2101 LED驱动电路框图

如图2，SSL2101芯片集成了维持电流补偿模块，包括维持电流补偿控制器和2个MOS管Q1和Q2分别控制两路维持电流，R1值较小，R2值较大。当检测到整流桥输出电压小于52V时，Q1导通，为TRIAC提供足够的维持电流。当检测到R3端电压超过－0.1V时，Q2导通，为TRIAC提供足够的维持电流。当R3端电压低于 －0.1V或者Q1导通时，Q2关断［5］。PFC控制器的 PWM周期及占空比随输入电压相角变化而变化，这样就可以根据TRIAC调光器导通角大小来控制PWM输出，从而实现驱动电路的输出电流调节和LED的调光功能。副边反馈起到过流保护作用。

SSL2101为TRIAC提供了一个较复杂的维持电流补偿模块，相当于增加了阻抗匹配网络，因此可以适应各种功率等级调光器。但此方案的维持电流补偿模块设计仍存在一定问题，如Q2在检测到输入电流小于一定值时导通，R2负载全部加在输入电压两端，导致驱动电路效率过低。由于电路始终处在开环控制状态，在一定导通角下，输出电流随输入电压的变化而变化。

3.2 固定导通时间的TRIAC开环调光LED驱动方案

利用ON公司的TRIAC调光LED驱动专用芯片NCL30000搭建的驱动电路框图如图3所示。

图3 NCL30000 LED驱动电路框图

如图3所示，该电路通过改变控制芯片的一些重要参数来实现开环调光的功能。NCL30000的Restart Time设置较小，且在 TRIAC关断时始终使主MOS管工作在开关状态，从而保证在TRIAC开通瞬间主电路就进入开关工作状态［6］，减轻TRIAC与驱动电路的阻抗匹配问题。此外，输入电流即为TRIAC的维持电流，因此可以适应一部分TRIAC调光器，但若要使用功率较大的调光器，则需要外加维持电流补偿电路。

NCL30000芯片的 Comp引脚电流较小，当TRIAC导通角从最大值开始减小时，芯片 Comp脚电位被拉高，当高于载波峰值后，电路进入开环状态，此时主MOS管导通时间固定不变，这样从主电路输入端传递到LED负载的能量就与导通角有关，从而调节输出电流，实现LED调光功能。

该方案未增加任何外围电路，简单实用，但由于电路调光功能的实现是从闭环到开环实现的，因此在输入电压较高时调光器存在一段“空调”角度，即调节调光器时在一段范围内输出电流不随导通角变化而变化，且开环后的输出电流随输入电压的变化而变化。

3.3 带维持电流补偿模块和输出端参考信号调整功能的TRIAC调光LED驱动方案

利用普通的PWM芯片结合外围电路搭建的TRIAC调光LED驱动电路框图如图4所示。

图4 普通PWM芯片TRIAC调光LED驱动电路框图

如图4所示，控制芯片为普通的PWM芯片，维持电流控制模块通过检测R1端电压 (即输入电流)来控制流过维持电流补偿模块的电流。当输入电流较小时，维持电流补偿模块上流过较大的电流，当输入电流较大时，维持电流补偿模块关断或流过较小的电流，以恒流源的形式保证TRIAC的维持电流。相角检测电路检测整流桥输出的缺相波形，并将缺相波形信号转化为一个随相角变化而变化的电平信号加到反馈端，从而改变输出电流，实现LED调光功能。

该方案的维持电流补偿模块使用恒流源，避免了SSL2101方案中维持电流补偿过大的问题，有效减少了不必要的损耗，提升了效率。方案采用闭环调光，不存在“空调”问题，且改善了输出电流随输入电压变化而变化的情况。

4 用于双向可控硅 (TRIAC)调光器的LED驱动方案性能分析比较

4.1 NXP SSL2101方案

利用NXP SSL2101芯片搭建的电路方案 (图2)因为有一个较复杂的维持电流补偿模块，因此可以适应各种TRIAC调光器，驱动电路的输入电压、电流波形及加在维持电流电阻R1、R2上的电压波形如图5所示。

图5中，Vr1、Vr2分别为两路维持电路补偿回路电阻的电压。从波形中可以看出，在输入电压低于52V时 (即输入电流较小时)Q1导通，R1上流过电流，为TRIAC提供足够的维持电流。而R2上的电压相角随TRIAC导通相角变化而变化，实际上是由输入电流控制，当输入电流较小且Q1不导通时Q2才导通。

图5 SSL2101 LED驱动电路调光波形

4.2 ON NCL30000方案

利用ON NCL30000芯片搭建的电路方案 (图3)通过开环控制调光，简单实用，驱动电路的输入电压、电流波形如图6所示。

图6 NCL30000 LED驱动电路调光波形

NCL30000的 Restart Time是芯片的关键参数，芯片过零检测端ZCD电压波形及主MOS管Vds波形如图7所示。NCL30000芯片的 Restart Time为10μS，且 MOS管一直处于开关状态。这样，当TRIAC导通时，驱动电路瞬间进入工作状态，且MOS管导通时间固定。

图7中，在 TRIAC未导通时，NCL30000芯片的Restart Time为10μS，且MOS管一直处于开关状态。这样，当TRIAC导通时，驱动电路瞬间进入工作状态，且MOS管导通时间固定。

4.3 普通PWM芯片方案

利用普通PWM芯片加上必要的外围电路搭建的电路方案 (图4)成本低，可以适应多种调光器，驱动电路的输入电压、电流波形及维持电流补偿回路上电阻的电压波形如图8所示。

图7 TRIAC导通瞬间LED驱动电路波形

图8 普通PWM芯片LED驱动电路调光波形

Vr为维持电流补偿模块中补偿回路上电阻两端的电压波形，可以看出，当输入电流较小时维持电流补偿回路导通，当输入电流较大时，维持电流较小，且随输入电流变化而变化，为TRIAC提供足够的维持电流。

4.4 以上3种TRIAC调光方案性能比较

对于适用于TRIAC调光器的LED驱动电路，如设计不当，在应用时会产生灯光闪烁、调节范围不宽、调光不均匀、启动调光器适应性差等问题。为了比较3种TRIAC调光驱动方案性能，实验使用7种调光器分别对每个方案进行性能测试，测试结果见表1。

(1)调光效果比较

使用同一种TRIAC调光器对3种LED调光方案进行测试，绘制出导通角与输出电流百分比曲线如图9所示。

从图9中可以看出，NCL30000方案在整个调光范围内输出电流变化均匀平缓;而SSL2101方案和普通PWM芯片方案均存在输出电流随导通角变化不均匀的问题，且普通芯片方案的输出电流变化较SSL2101方案更平缓。而在最小导通角附近，SSL2101方案和普通PWM芯片方案的输出电流已达到最小，NCL30000方案仍然有约3%的输出。

表1 三种TRIAC调光方案调光性能比较

图9 使用同一调光器时三种方案的调光效果

(2)“空调”角度比较

SSL2101方案完全开环，不存在“空调”问题。在满载下使用同一调光器测得不同输入电压下另两种方案的“空调”角度如图10所示。

图10 使用同一调光器时两种方案的“空调”角度

从上图中可以看出，NCL30000方案在调光时由于需要从闭环到开环变化，因此输入电压越高，“空调”角度越大，影响调光效果;而普通PWM芯片方案由于采用闭环调光，因此“空调”角度始终较小。

(3)输出电流随输入电压变化情况比较

在实际使用中，当电网电压波动时，要求输出电流变化较小。图11为使用同一调光器时不同负载下输出电流在输入电压变化±20%范围时的变化情况。

图11 使用同一调光器时不同负载下的输出电流变化情况

从上图中可以看出，SSL2101方案由于没有闭环，输出电流随输入电压波动变化极大，在10%负载情况下甚至变化超过800%;NCL30000方案在满载时由于工作在闭环情况下，输出电流变化较小，但当进入调光状态后输出电流变化也较大;普通PWM芯片方案由于始终工作在闭环情况下，因此不同负载情况下输出电流随输入电压波动的变化均较小。

5 总结

家用传统双向可控硅 (TRIAC)调光器适于控制白炽灯和卤素灯这类电阻性负载，一般不适于控制普通的LED驱动器。但若针对TRIAC调光器特点，在LED驱动电路中加上必要的维持电流补偿模块或是改变控制芯片关键参数，结合使用合理的调光策略，就可以解决TRIAC调光器应用于LED绿色节能照明的瓶颈问题，可以用LED灯直接取代配有TRIAC调光器的白炽灯和卤素灯，而且原有的调光器不需作任何改动，实现1～100%的宽范围调光比和均匀平稳无闪烁调光，可以快捷轻松地完成可调光LED照明系统设计。

［2］Heinz Van Broeck，Georg Sauerlander，Matthias Wendt．“Power Driver Topologies and Control Schemes for LEDs［C ］”． 22ed Annual． Applied Power Electronics Conference，IEEE APEC，pp．1319～1325(2007)

［3］Andre Tjokrorahardjo．“Simple Triac Dimmable Compact FluorescentLamp Ballastand LightEmitting Diode Driver”．25th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)，2010，pp．1352～1357(2010)

［4］Dustin Rand， Brad Lehman， Anatoly Shteynberg，“Issues．Models and Solutions for Triac Modulated Phase Dimming of LED Lamps”，Power Electronics Specialists Conference 2007，IEEE PESC，pp．1398 ～ 1404(2007)

［5］SSL2101．SMPS IC for dimmable LED lighting，NXP Semiconductor Data Sheet(2009)

［6］NCL30000． PowerFactorCorrected Dimmable LED Driver，ON Semiconductor Data Sheet(2009)

［7］徐德鸿，马皓，汪槱生．“电力电子技术 ［M］”．北京，科学出版社 (2006)

［8］毛兴武．“使用传统可控硅调光器的发光二极管驱动器”．光源与照明，2009，4(12):1～4(2009)