13W离线高功率因数TRIAC调光LED嵌灯设计示例
符合“能源之星”固态照明要求的离线高功率因数TRIAC调光LED驱动器参考设计
符合“能源之星”固态照明要求的离线高功率因数TRIAC调光LED驱动器参考设计据国际能源署(IEA)估计，全球消耗的电能中有19%是用于照明。
因此，近年来，世界各国纷纷致力于以更高能效的方案来替代低能效的白炽灯光源。
而随着发光二极管(LED)在流明输出及光效方面持续快速进步，同时，平均每流明光输出的成本也在下降，再结合LED 在高指向性、长寿命和低维护成本等方面的优势，LED 照明(也称固态照明，或SSL)成为一种极为引人注目的替代解决方案。
针对固态照明的能效规范要求为了促进节能，世界各地的政府机构或规范组织制定了不同LED 照明规范，主要体现在对功率因数(PF)的要求方面。
如欧盟的国际电工联盟(IEC)规定了功率大于25 W 照明应用的总谐波失真性能，某些地区的其它国际标准也适用这规定。
另外，美国能源部制定及发布了针对固态照明灯具的能源之星标准。
这项自愿性标准包含针对常见住宅和商业照明灯具(如嵌灯、橱柜灯和台灯)的系列要求，涵盖最低流明输出、总体光效、可靠性目标、光色温及一系列其它关键系统级要求。
值得注意的是，这个标准中并不直接包含电源能效要求，但包含功率因数要求，即不论是何种功率等级，住宅应用要求的PF 大于0.7，商业应用要求的PF 大于0.9，而集成LED 灯光的要求是PF 大于0.7。
当然，并非所有国家都绝对强制要求在照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求。
例如，公用事业机构可能大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用。
此外，公用事业机构拥有/维护街灯时，他们可以根据自己的意愿，来决定是否要求产品拥有高功率因数(通常大于0.95+)。
LNK403-409EG设计的带TRIAC调光LED驱动技术
LNK403-409EG设计的带TRIAC调光LED驱动技术本文首先介绍了LNK403-409EG主要特性，功能方框图，以及TRIAC调光和无调光的LED驱动电路图。
接着介绍了采用LNK403-409EG的15W TRIAC调光单级PFC LED驱动器参考设计技术指标，电路图和材料清单与变压器电路图。
LinkSwitch-PH 系列LNK403-409EG是Powerint 公司的集成了725V功率MOSFET，连续模式PWM控制器，用于自偏压的高压开关电流源，频率抖动，逐个周期的电流限制和延迟热关断电路，主要用在离线LED驱动器。
LNK403-409EG产品亮点：Dramatically Simplifies Off-line LED Drivers• Flicker-free phase-controlled TRIAC dimming• Single stage power factor corrected and accurate constant current (CC) output• Eliminates optocoupler and all secondary current control circuitry• Eliminates all control loop compensation circuitry• Simple primary-side PWM dimming interface• Universal input voltage range• Enables designs that are electrolytic-freeAccurate and Consistent Performance• Compensates for transforme r inductance tolerances• Compensates for line input voltage variations• Frequency jittering greatly reduces EMI filter size and costsAdvanced Protection and Safety Features• Auto-restart for short-circuit protection• Open circuit fault detection mode• Automatic thermal shutdown restart with hysteresis• Meets high voltage creepage requirement between DRAIN and all other signal pins both on PCB and at packageEcoSmart® – Energy Efficient• Low standby power remote ON/OFF feature (<50 mW at 230 VAC)• N o current sense resistors – maximizes efficiency• High efficiency operation, >85% achievableGreen Package• Halogen free and ROHS compliant packageLNK403-409EG应用：• Off-line LED driver图1。
离线高功率因数TRIAC调光LED照明驱动器设计
离线高功率因数TRIAC调光LED照明驱动器设计据国际能源署(IEA)估计，全球消耗的电能中有19%是用于照明。
因此，近年来，世界各国纷纷致力于以更高能效的方案来替代低能效的白炽灯光源。
而随着发光二极管(LED)在流明输出及光效方面持续快速进步，同时，平均每流明光输出的成本也在下降，再结合LED在高指向性、长寿命和低维护成本等方面的优势，LED照明(也称固态照明，或SSL)成为一种极为引人注目的替代解决方案。
1、设计途径：采用单段式方案提供高功率因数 要实现高功率因数、电源能效目标及紧凑的尺寸，有必要使用高功率因数的单段式拓扑结构。
由于功率目标较低，传统的两段式拓扑结构(PFC升压+反激转换)就无法满足要求了。
因此，我们使用了基于安森美半导体NCL30000临界导电模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓扑结构。
单段式拓扑结构省下专用的PFC升压段，帮助减少元器件数量，降低系统总成本。
但采用单段式拓扑结构，系统也会受到一些影响，如无初级高压能量存储，输出电压保持时间较短。
另外，输出纹波较高，必须采用更多的低压输出电容来满足维持要求，及对动态负载反应较慢等。
有利的是，这对众多LED照明应用而言不构成问题，因为LED照明应用无系统维持时间要求，而且纹波汇入平均光输出，人眼不会察觉。
设计针对高功率因数(PF>0.95)有利于轻松符合SSL灯具的商用照明要求，并使输入电流波形看上去象是电阻型载的波形。
这对兼容TRIAC调光非常重要，因为TRIAC调光器原本用于白炽灯，而白炽灯在电路中的作用就象是电阻，即充当电阻型负载。
用示波器截取的波形显示，优化设计的单段式CrM 反激电源的基本电流波形与输入电压波形保持同相。
超完整LED调光电路设计
超完整LED调光电路设计超完整LED调光电路设计传统白热灯泡的调光电路，大多使用简易的双向交流触发三极体(Triac)位相控制方式。
白热灯泡利用钨丝高温发光，使用双向交流触发三极体的位相控制方式，因此无电压时段也不会产生闪现象烁，反过来说光源变成LED 方式时，相同的双向交流触发三极体位相控制电路，频率是一般商用频率2倍，受到无电压时段影响，容易出现闪烁现象。
最近美国国家半导体公司开发直接连接双向交流触发三极体调光器，几乎完全不会发生闪烁现象的LED驱动IC LM3445与评鉴基板。
接着笔者组合评鉴基板与简易双向交流触发三极体调光电路，说明LM3445的评基板鉴与电路设计的重点。
评鉴基板封装LM3445、电源电路，以及周边电路，评鉴基板使用双向交流触发三极体调光电路，输入已经受到位相控制的电压，利用高频切换器提供LED电流，LED驱动器设有可以控制流入LED电流峰值的降压转换器，动作时设定OFF时间超过一定值以上。
动作上首先接受双向交流触发三极体调光电路的输出电压，接着检测双向交流触发三极体的ON时段，再将此信号转换成流入LED电流指令值，此时流入LED电流与双向交流触发三极体ON时间呈比例，就能够沿用传统白热灯泡的调光电路。
此外上记评鉴基板支持还主从结构，能够以相同电流调光复数LED。
评鉴与电路整体架构图1(a)是评鉴电路方块图；图1(b)是双向交流触发三极体的调光电路，由图可知本电路采取&ldquo;Anode fire&rdquo;方式，使用双向交流触发三极体的两端电压当作驱动电压，通过可变电阻VR后，使电容器C1充正电压或是负电压，此时不论极性，电容器C1的电压一旦超过一定程度，触发二极管通电会使双向交流触发三极体点弧，流入双向交流触发三极体的电流，即使超过一值仍旧持续通电，电流则流入负载。
图中的二极管D1～D4与15k&Omega;电阻，连接于双向交流触发三极体的两端，主要目的不论极性都能够使电容器C1的开始充电电压维持一定值，此外为避免受到商用电源极性影响，因此刻意将此整合成相同点弧位相的电路。
LED节能灯电路图之一
Led节能灯电路图（一）LED通用照明应用及发展前景LED除了广泛应用移动设备、中大尺寸液晶显示屏（ LCD）背光及 LED标牌等领域外，如今也在越来越多地用于 LED汽车内部 / 外部照明，如前照灯、雾灯、尾灯、停车灯、仪表盘背光、车顶灯、阅读灯和氛围灯等，以及住宅照明和建筑物装饰照明等 LED通用照明。
LED通用照明应用覆盖范围广，低至 3W到 15W的 LED住宅照明，中等功率有如 15W至 75W 的商业及建筑物装饰性照明，高至 75W到 250W的户外及基础设施照明，典型照明产品有如 MR16/GU10灯、 E27/A19灯泡、镇流器、筒灯、 T8 灯管、街灯等。
LED通用照明应用极具发展前景。
各种 LED通用照明灯具中，近期来看，LED灯泡（如A19 LED灯泡）的发展势头惊人。
据统计，2012 年全球 LED灯泡出货量达 7。
35 亿只，2013年增长到 12。
25 亿只； 2014年迎来 LED灯泡市场的引爆点， 2015年 LED灯泡平均价格将会降至 10美元以下，出货量预计将进一步增长至 39 亿只左右。
高能效驱动器是 LED通用照明的重点要将 LED照明的节能功能发挥至最高，就需要高能效的LED驱动器。
我们以 LED灯泡为例，典型的 LED灯泡包含LED阵列、驱动电路、散光罩、散热片和螺旋灯头等主要组件，见图 2 的左半部分。
就驱动电路而言，高能效 LED驱动器 IC无疑是其中的重点。
图 2 的右半部分显示了典型的LED灯泡驱动电路，其中使用的是典型的独立式 LED驱动器。
要发挥 LED通用照明的高能效优势， LED驱动器存在多重挑战。
首先就是能效至关重要。
以 LED灯泡为例，其形状固定，散热受限，采用高能效 LED驱动器则可帮助将更多电能转化为光能，帮助散热。
其次， LED灯泡空间有限，需要更大的散热片面积，较大功率的灯泡尤为如此。
此外， LED正在迅速变化，提供多种选择，这对 LED驱动器的选择也构成了挑战。
可嵌入式智能调光控制模块电路设计
70
1.2 小结 （1）可控硅调光虽然具有调光易操作、电缆布
线简单等优点，但同时具有以下问题：调光范围窄、 调光线性度差、阻抗匹配差、初始相位调制可控硅 维持电流不稳定、远距离调光和信号衰减。
（2） 因 可 控 硅 调 光 器 工 作 特 点， 可 控 制 调 光 LED 驱动电源需针对性设计解决可控硅调光器兼容性 问题，以及LED 并、串组合不同导致驱动电压、电流 的不同，因此需对可控硅调光驱动电源反复设计、调 试，去适应LED 不同组合的电压、电流要求，使产品 研发周期长、成本高。
比普通白炽灯泡使用寿命长100 倍。与荧光灯相比较， LED 光源避免了荧光灯管破裂溢出的二次污染，同时 又没有干扰辐射，不但更加环保节能，而且光源的光 机色域更宽、色彩饱和度更高，能彻底解决传统灯泡
加于双向可控硅TRIAC 两端时，与之并联的R 、C 组
t
t
成的RC 移相触发网络开始工作，R 给C 充电，当
t
t
C 端电压上升到双向触发二极管DIAC 的阻断电压 t
时，DIAC 击穿，双向可控硅TRIAC 被触发导通，交
光源寿命短的问题。因上述优点，LED 光源在近年来 流电压经过TRIAC、L 进入LED 可控硅调光驱动电源，
得到了广泛的普及、应用。
LED 可控硅驱动电源驱动LED 发光。
LED 光源在实际使用过程中，为满足不同时间、 环境、气氛下的光照强度要求，常常需要具备有调光 功能，即可对光照强度进行可控式调节。而LED 二极
R 、C 、DIAC 移相触发网络，当交流电压施加
t
t
于R 、C 、时，交流电压通过R 给C 充电，C 端电
t
t
t
t
t
LED灯具的功率因数
【特约】茅于海：LED灯具的功率因数功率因数从来不是什么问题，过去国家有规定，要功率超过75瓦才有功率因数的要求(到现在为止，对于笔记本电脑还是规定75W以下无功率因数要求).所以从来没有对灯具提出过什么功率因数的要求。
就像日光灯吧，功率因数都是很差的,从来也没有人提出过意见，国家也没有提出什么要求。
后来有了节能灯,国家虽然提出了一个要求，但是非常宽松,对15瓦以上才有要求，而节能灯大多数是小于15瓦的。
所以等于没有提出要求。
唯独出现LED 灯具以后反而严格要求起来了，只有在5瓦以下才不要求，5W以上必须要求功率因数>0.7。
而LED灯具除了很小的MR16射灯是3瓦以外，绝大多数都是在5瓦以上。
所以这个规定正好卡住了LED的脖子。
那么，让我们仔细来了解一下有关功率因数的问题吧！一。
什么是功率因数我们知道所有发电机都是旋转机械，产生的电压就是正弦波，这就是我们所谓的交流电。
交流电有一个好处就是通过电磁感应可以用变压器来改变其电压,而且可以升高到几十万伏进行远距离传输以减小传输中的损耗,到目的地以后再降下来变成我们常用的市电。
我们现在的市电就是220V，50Hz的交流电.而在电工学里交流电是可以用矢量来表示的。
矢量可以表示电压也可以表示电流。
对于纯电阻的负载，电压和电流是同相的,而对于纯电容负载或纯电感负载,电流和电压就不同相,而是有一个90度的相角,或者称为相位差.在纯电感负载时，其上的电压是领先电流90度，而纯电容负载时,其上的电压落后于电流90度。
如果我们用波形表示时，通常把电压表现为余弦波,如果电流落后于电压，就是电感性负载，领先于电压就是电容性负载。
图1。
电感性负载的交流电压和交流电流之间的关系因为实际上纯电感和纯电容都不存在的,实际的负载只能称为电感性负载或者是电容性负载。
这时候其交流电压和交流电流之间就有一个夹角φ，对于电感性负载我们把这个夹角称为φL，而对于电容性负载的夹角就称为φC.(见图2）图2。
TRIAC调光LED驱动分析解决方案
TRIAC调光LED驱动问题分析解决方案（）对于TRIAC调光LED灯泡，目前最大的问题是在于调光器的兼容性。
由于传统TRIAC调光器是配合数百瓦白炽灯使用的，而LED灯泡通常小于20W ，所以调光器的维持电流在应用于LED灯泡时可能不足，这时TRAIC调光器将关断，导致LED灯闪烁。
先复习下可控硅。
可控硅是可看作1个PNP和1个NPN复合在一起的。
当栅极施加电压使BG2导通，产生基极电流Ib2,放大后输入到BG1的基极做BG2输入，再放大做BG2的基极输入电流，可见这是个正反馈过程，很小的控制电流可使可控硅迅速饱和。
但是当外加电路限制流过可控硅的电流非常小时，BG1和BG2就不能饱和导通，失去正反馈效应，小到一定程度时可使可控硅关断。
这个电流就叫维持电流。
可控硅从截止到导通的电流叫擎柱电流，这个电流一般是维持电流的2-3倍。
在照明应用中，通常使用双向可控硅。
下图是可控硅用于白炽灯调光简单电路，电位器POT1和电阻R1、R2 与电容C2构成移相触发网络，当C2的端电压上升到双向触发二极管D1的阻断电压时，D1击穿，双向可控硅TRIAC被触发导通，灯泡点亮。
调节POT1 可改变C2的充电时间常数，TRAIC的电压导通角随之改变，也就改变了流过灯泡的电流，结果使得白炽灯的亮度随着POT1的调节而变化。
POT1上的联动开关SW1在亮度调到最暗时可以关断输入电源，实现调光器的开关控制。
图1是TRAIC调光器接入灯的电路简图，图2是调光器正常工作时通过调光器后的电压，图3是维持电流不足时调光器后的电压。
添加一个如下图所示的无源泄放电路是保持一定的维持电流最简单的办法。
如果Cb较小，可能使流过TRIAC调光器的电流很小，从而导致调光器关断，引起闪烁。
但是过大的Cb将导致PF变低，Rd中消耗的功率变大。
Rb的选取也很关键，太大或太小的Rb都可能导致调光器关闭。
过大的Rb限制了促发瞬间流过可控硅的电流，如果小于擎柱电流则出现闪烁。
LED灯具的功率因数
【特约】茅于海：LED灯具的功率因数功率因数从来不是什么问题，过去国家有规定，要功率超过75瓦才有功率因数的要求(到现在为止，对于笔记本电脑还是规定75W以下无功率因数要求).所以从来没有对灯具提出过什么功率因数的要求。
就像日光灯吧，功率因数都是很差的,从来也没有人提出过意见，国家也没有提出什么要求。
后来有了节能灯,国家虽然提出了一个要求，但是非常宽松,对15瓦以上才有要求，而节能灯大多数是小于15瓦的。
所以等于没有提出要求。
唯独出现LED 灯具以后反而严格要求起来了，只有在5瓦以下才不要求，5W以上必须要求功率因数>0.7。
而LED灯具除了很小的MR16射灯是3瓦以外，绝大多数都是在5瓦以上。
所以这个规定正好卡住了LED的脖子。
那么，让我们仔细来了解一下有关功率因数的问题吧！一。
什么是功率因数我们知道所有发电机都是旋转机械，产生的电压就是正弦波，这就是我们所谓的交流电。
交流电有一个好处就是通过电磁感应可以用变压器来改变其电压,而且可以升高到几十万伏进行远距离传输以减小传输中的损耗,到目的地以后再降下来变成我们常用的市电。
我们现在的市电就是220V，50Hz的交流电.而在电工学里交流电是可以用矢量来表示的。
矢量可以表示电压也可以表示电流。
对于纯电阻的负载，电压和电流是同相的,而对于纯电容负载或纯电感负载,电流和电压就不同相,而是有一个90度的相角,或者称为相位差.在纯电感负载时，其上的电压是领先电流90度，而纯电容负载时,其上的电压落后于电流90度。
如果我们用波形表示时，通常把电压表现为余弦波,如果电流落后于电压，就是电感性负载，领先于电压就是电容性负载。
图1。
电感性负载的交流电压和交流电流之间的关系因为实际上纯电感和纯电容都不存在的,实际的负载只能称为电感性负载或者是电容性负载。
这时候其交流电压和交流电流之间就有一个夹角φ，对于电感性负载我们把这个夹角称为φL，而对于电容性负载的夹角就称为φC.(见图2）图2。
LED调光三种技术
LED调光三技术----模拟、PWM和TRIAC提要：LED调光解决方案及规范一直在不断变化，直到现在还未固定下来，所以现在市场上存在PWM、模拟及可控硅（TRAIC）三种调光方案。
LED调光解决方案及规范一直在不断变化，直到现在还未固定下来，所以现在市场上存在PWM、模拟及可控硅（TRAIC）三种调光方案。
PWM和模拟方法是其中较简单的，但需要构建调光基础架构和新的调光控制器。
模拟调光方案的缺点是，LED电流的调节范围局限在某个最大值至该最大值的约10%之间（10:1调光范围）。
由于LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。
PWM调光方案则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率（通常高于100MHz）在零电流和最大LED电流之间进行切换。
该占空比改变了有效平均电流，从而可实现高达3000:1的调光范围（仅受限于最小占空比）。
由于LED电流要么处于最大值，要么被关断，所以该方法还具有能够避免在电流变化时发生LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的。
关于TRIAC，说法不一：TRIAC调光是业内非常热的一个话题，最初，TRIAC调光器是为白炽灯而设计的，但大多数用户希望相同的TRIAC调光器也能对替代的LED灯进行调光。
观点一：飞兆半导体公司高压IC产品行销经理SangCheol Her表示看好TRIAC调光方案的市场前景，可控硅（TRIAC，2线调光）将成为非常流行的解决方案，因为这种技术可以完全使用传统的系统而不需任何改变。
而且，它还能够扩展为3线调光，以避免出现与低功率因数值相关的缺陷。
”观点二：Cytech产品及设计部工程师徐瑞包认为调制方式的选择不应该决定于LED的功率。
而应决定于终端产品的应用要求。
比如，显示背光或者LED装饰灯可能会选用PWM的调光方式，颜色一致性好，亮度级别高。
但是对于一般的家用照明或者商业照明，模拟调光或者TRIAC也可以选择，不过会产生色偏，并且调光的级别会很低。
带TRIAC调光的LED驱动电源电路设计
带TRIAC调光的LED驱动电源电路设计
本文设计原边控制的单级反激变换器，适于TRIAC 调光且与LED 驱动器兼容的驱动方案。
输出电流由原边检测的信号精确地计算控制，在
DCM 模式下操作转换器，输入电流将跟随输入电压得到高功率因数，使LED 驱动器与TRIAC 调光器很好地兼容。
此外，使用原边控制，使得输出电流信号和TRIAC 调光信号在原边获得，简化电路功能。
输出电流通过TRIAC 导通角的变化改变，得到近乎线性的调光曲线。
由于TRIAC 调光很普遍，成本较低，因此，能够与LED 驱动电源兼容的TRIAC 调光器很普遍。
在实际应用中，尽管由于输入电流高度扭曲使得功率因数无关紧要，但在带PFC 控制的调光中，使输入电流跟随输入电压仍具有意义。
本文的控制方案使输入电流跟随电压变化，得到较高的功率因数。
TRIAC 调光功能可以很容易实现，关键是如何检测调光角和改变基于调光角的输出电流。
单级反激PFC 变换
为得到较高的功率因数，反激变换器通常用于DCM 或CRM 模式。
原边控制的反激变换控制原理
电路设计及实现
针对TRIAC 调光中出现的尖峰电流及LED 灯闪烁问题，在电路中设计无源泄放电路和有源阻尼电路，主功率拓扑采用单级反激变换电路，工作于电流断续模式。
电路
电路主要包括：无源泄放电路，有源阻尼电路，控制电路，单级反激变换电路。
其中控制电路选用飞兆半导体的控制芯片FL7730。
FL7730 是一款适合于单级反激拓扑的有源功率因数校正控制器，采用模拟检测方式，可兼容传。
LED灯具的功率因数
【特约】茅于海：LED灯具的功率因数功率因数从来不是什么问题，过去国家有规定，要功率超过75瓦才有功率因数的要求(到现在为止，对于笔记本电脑还是规定75W以下无功率因数要求).所以从来没有对灯具提出过什么功率因数的要求。
就像日光灯吧，功率因数都是很差的,从来也没有人提出过意见，国家也没有提出什么要求。
后来有了节能灯,国家虽然提出了一个要求，但是非常宽松,对15瓦以上才有要求，而节能灯大多数是小于15瓦的。
所以等于没有提出要求。
唯独出现LED 灯具以后反而严格要求起来了，只有在5瓦以下才不要求，5W以上必须要求功率因数>0.7。
而LED灯具除了很小的MR16射灯是3瓦以外，绝大多数都是在5瓦以上。
所以这个规定正好卡住了LED的脖子。
那么，让我们仔细来了解一下有关功率因数的问题吧！一。
什么是功率因数我们知道所有发电机都是旋转机械，产生的电压就是正弦波，这就是我们所谓的交流电。
交流电有一个好处就是通过电磁感应可以用变压器来改变其电压,而且可以升高到几十万伏进行远距离传输以减小传输中的损耗,到目的地以后再降下来变成我们常用的市电。
我们现在的市电就是220V，50Hz的交流电.而在电工学里交流电是可以用矢量来表示的。
矢量可以表示电压也可以表示电流。
对于纯电阻的负载，电压和电流是同相的,而对于纯电容负载或纯电感负载,电流和电压就不同相,而是有一个90度的相角,或者称为相位差.在纯电感负载时，其上的电压是领先电流90度，而纯电容负载时,其上的电压落后于电流90度。
如果我们用波形表示时，通常把电压表现为余弦波,如果电流落后于电压，就是电感性负载，领先于电压就是电容性负载。
图1。
电感性负载的交流电压和交流电流之间的关系因为实际上纯电感和纯电容都不存在的,实际的负载只能称为电感性负载或者是电容性负载。
这时候其交流电压和交流电流之间就有一个夹角φ，对于电感性负载我们把这个夹角称为φL，而对于电容性负载的夹角就称为φC.(见图2）图2。
LED照明中TRIAC调光电路的研究与设计
０
ｒ
—
．： ｒ
Ｍ Ｉ＿ Ⅲ
＊ 宰一￡ 占 一 【 ｍ ，ｃ 上； 十
． 上５ ， Ｔ
． ．． ＿．
．
：Ｄ
；●—● ． ．
：
－ ｛ Ｍ２ 匡
ｓ ｈ ａ ｈ ｕｒｅ ｔｉ ｍａｌ ｒｔ ｎ Ｉ Ｈ，ａ ｄ ｉｐｕ ｕ ｒ ｎｔｏ ｃｌａ ｉｎ ｗｈ ｎ ＴＲＩ ｕｃ ｓｔ ｅ ｃ ｒ ｎ ｓｓ ｌｅ ｈａ Ｉ ｎ ｎ ｔｃ ｒｅ ｓ ｉ ｔ ｅ ｌ ｏ ＡＣ ｓｔ ｎ ｄ ｏ ，ｕ ｍａ ｅｙ ｉ ｒ ａｉｅ ｉ ｕｒ ｅ ｎ ｈｉ ｔｌ ｔ ｅ ｌｚ ｓ ｔａ ｈ ｔ ｈｅＴＲＩ ｔ ＡＣ ｍｍｅ ｐｐ ｙ ｎ ｒ ｓｄ ｎｔ ｌＬ ｄｉ ｒａ ｌ ｓｉ ｅ ｉ ｅ ｉ ＥＤ ｉｈ ｉ ． ａ ｌｇ ｔｎｇ Ｋｅ ｒ ： ｙ ｗｏ ｄｓ ＴＲＩ ＡＣ ｍｍｉ ｇ Ｌ Ｄｉ ｎ ； ＥＤ ｇ ｔｎ ； Ｌｉｈ ｉ ｇ ＡＣ—ＤＣ；
调光信号或 Ｐ ＷＭ信 号 ，这需要对原有的室 内照明
线 路进 行改 动 。 基 于传统 白炽 灯 的 Ｔ ＩＣ调 光方 而 ＲＡ 案， 可将 白炽 灯具 直 接 替 换 为 Ｌ Ｄ灯 具 ， Ｅ 它具 有 巨 大 的优 势 ： 用修 改原 有 照 明线 路 即可 实 现 调光 功 不
能， 节省 了室 内照 明改 装成 本和 复 杂度 。
由于 Ｌ Ｄ灯 消耗 功率 小 ， Ｅ 对前 级 电路 呈现 很 大
的阻 抗 ， Ｔ Ｉ Ｃ导通 瞬 间 ， 冲 电 流直 接 对 电路 在 ＲＡ 过
有维持可控硅导通 的电流泄放回路以及防止振荡的
电路处 理 ， 而实 现 对 Ｌ Ｄ 电流 大小 的调 节 ， 终 从 Ｅ 最 实 现对 Ｌ Ｄ亮度 的调 节 。 Ｅ 本文结 合美 国国家半 导体
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
13W离线高功率因数TRIAC调光LED嵌灯设计示例
为了促进节能，世界各地的政府机构或规范组织制定了不同LED照明规范，主要体现在对功率因数(PF)的要求方面。
如欧盟的国际电工联盟(IEC)规定了功率大于25 W照明应用的总谐波失真性能，某些地区的其它国际标准也适用这规定。
另外，美国能源部制定及发布了针对固态照明灯具的“能源之星”标准。
这项自愿性标准包含针对常见住宅和商业照明灯具(如嵌灯、橱柜灯和台灯)的系列要求，涵盖最低流明输出、总体光效、可靠性目标、光色温及一系列其它关键系统级要求。
值得注意的是，这个标准中并不直接包含电源能效要求，但包含功率因数要求，即不论是何种功率等级，住宅应用要求的PF大于0.7，商业应用要求的PF大于0.9，而集成LED灯光的要求是PF大于0.7。
当然，并非所有国家都绝对强制要求在照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求。
例如，公用事业机构可能大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用。
此外，公用事业机构拥有/维护街灯时，他们可以根据自己的意愿，来决定是否要求产品拥有高功率因数(通常大于0.95+)。
1)参照代用标准确立最大负载设计目标
以“能源之星”的固态照明灯具标准为例，这标准包含决定灯具光效的总体性要求；实际上，这标准是一个系统级标准，涉及所选LED、现场工作温度、光学组件、驱动器电源转换能效等。
灯具开发人员因而可以在LED的选择、光学组件的使用、热管理方案、驱动器拓扑结构及设计方面折衷取舍，从而符合整体要求。
下表列举了“能源之星”1.1版住宅及商业应用固态照明规范1.1版对嵌灯的关键系统要求。
表1：“能源之星”1.1版住宅及商业固态照明规范之嵌灯关键要求
最常见的嵌灯是较大孔径类嵌灯。
对于住宅及商业应用而言，除了功率因数方面的差别，设计人员能够灵活地使用中性及暖白光LED。
从表1中的最低要求可以看出，要获得575流明的最低输出，最大输入功率阈值约为16.4 W。
由于没有直接适用的LED驱动器能效标准，可考虑将“能源之星”2.0版外部电源(EPS)标准作为代用标准。
根据EPS 2.0标准，额定功率在1到49 W之间的标准电源的最低能效要求为0.0626×ln(Pno)+0.622。
因此，符合这标准的12 W额定功率电源的最低能效为77.7%，15 W电源则为79.1%。
由于LED灯具标准基于输入插座能效，有必要将驱动器能效目标转换为有效的LED负载。
为了增加一些设计裕量，我们将最低目标能效定为80%。
这样一来，LED负载就为16.4 W×80%，即13.1 W。
这样，我们就确定了最大负载设计目标。
LED光效受制于LED制造商以及驱动电流和工作温度。
安森美半导体这GreenPoint®参考设计选择的是350 mA的恒定电流，支持市场上大多数高亮度功率LED。
另一个要顾及的因素是灯具开发人员可以选择宽范围的LED，所选LED 的光效越高，要求采用的LED数量就越少。
因此，这GreenPoint®参考设计在50%至100%额定负载时的能效应当较高。
随着LED光效的提升，可以轻易修改同一个基本电源设计来驱动更少的LED，从而提供远高于最低要求的灯具光效。
2)其它设计要求
确定了基本设计要求，就需要考虑与终端应用需求有关的其它系统因素。
例如，虽然标准中并无要求，但兼容已有线路调光方案很重要。
因此，应当针对三端双向可控硅开关器件(TRIAC)壁式调光器来优化设计。
TRIAC调光的挑战不少，但有一项因素设计人员可能容易忽略，就是驱动器应当能够能在低斩波(chopped)交流输入波形条件下启动及工作。
而且，驱动电源的尺寸应当匹配嵌灯灯具接线盒。
还应该注意一项人的因素要求。
虽然LED实际上在瞬间之间就发光，但驱动器的设计要留出特定的启动时间。
不管是什么LED灯具，这方面的表现都应
该不比CFL差，甚至应该更好。
所以，我们可以把CFL作为参照基准。
“能源之星”CFL灯泡要求中，额定条件下最大启动时间为1秒，因此，我们将就LED驱动器在启动时间方面的设计目标定在0.5秒。
由于这个设计面向住宅或商业应用，因此我们定下的规格目标更具挑战性。
表2总结了本GreenPoint®参考设计关键的设计目标。
表2：关键设计目标
3)设计途径：采用单段式方案提供高功率因数要实现高功率因数、电源能效目标及紧凑的尺寸，有必要使用高功率因数的单段式拓扑结构。
由于功率目标较低，传统的两段式拓扑结构(PFC升压+反激转换)就无法满足要求了。
因此，我们使用了基于安森美半导体NCL30000临界导电模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓扑结构。
单段式拓扑结构省下专用的PFC升压段，帮助减少元器件数量，降低系统总成本。
但采用单段式拓扑结构，系统也会受到一些影响，如无初级高压能量存储，输出电压保持时间较短。
另外，输出纹波较高，必须采用更多的低压输出电容来满足维持要求，及对动态负载反应较慢等。
有利的是，这对众多LED照明应用而言不构成问题，因为LED照明应用无系统维持时间要求，而且纹波汇入平均光输出，人眼不会察觉。
设计针对高功率因数(PF>0.95)有利于轻松符合SSL灯具的商用照明要求，并使输入电流波形看上去象是电阻型载的波形。
这对兼容TRIAC调光非常重要，因为TRIAC调光器原本用于白炽灯，而白炽灯在电路中的作用就象是电阻，即充当电阻型负载。
用示波器截取的波形显示，优化设计的单段式CrM反激电源的基本电流波形与输入电压波形保持同相。
图1显示的是安森美半导体基于NCL30000的单段式高功率因数反激拓扑结构的简化功能框图。
从图1中可以看出，隔离反激的次级端有恒流恒压(CCCV)控制模块。
这模块有两个主要功能，一是紧密稳流350 mA的恒定电流，并为初级端提供反馈，用于调节导通时间，对流经LED 的恒定电流进行稳流；二是在发生开路事件时，进入恒压控制模式，在故障事件下产生稳压固定电压。
开路电压稳压为UL1310 2类电源的60 Vdc最大电压限制。
此外，无意中碰到输出短路时，还能限制功率，避免损坏LED。
图1：基于NCL30000的单段式CrM反激LED驱动器GreenPoint®参考设计简化框图
4)测试结果测试结果显示，这参考设计的性能超过了表2中所列的全部设计目标，参见图2(详见参考资料[1])。
图2显示了90到135 Vac线路电压范围下LED驱动器的功率因数和输入电流总谐波失真，可以看出这参考设计的功率因数很高(超过商业照明0.9的最低功率因数要求)，总谐波失真低(<20%)。
图3显示了不同负载条件下的LED能效。
将25%、50%、75%和100%四个工作点下的能效作平均计算，可得出总平均能效为80.7%；而在50%至100%负载的关键工作区域，能效范围为81.1%至82%。
这不仅超越本参考设计定下的80%能效目标，还超过了EPS 2.0标准对15 W电源79.1%的能效要求。
损耗来源中包含输入EMI段支持TRIAC 调光所需的15欧姆限流电阻的能耗。
图2：90至135 Vac输入线路电压条件下的功率因数和总谐波失真
图3：输入电压为115 Vac时不同负载条件下的能效
总结：要设计满足下一代固态照明产品所有要求的离线LED驱动器存在不少挑战。
本参考设计文档显示，安森美半导体基于NCL30000的单段式CrM TRIAC调光LED驱动器GreenPoint®参考设计达到了所有关键性能指标，如“能源之星”1.1版商业及住宅应用固态照明功率因数要求，甚至是代为参考的2.0版外部电源在关键负载条件下的能效要求。
这参考设计还为系统开发人员提供灵活性，使他们能够升高或降低功率，满足不同功率应用的要求。
这种途径让设计人员能够灵活应对LED光效提升，便于他们设计LED数量更少但仍提供预期光输出的灯具。