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TRIAC调光器与LED接口的高效方法
[2012/1/19 13:28:00]   来源:中国之光网   编辑:zhaomingr   评论0
摘要:照明业对白炽灯的依赖已有一个多世纪之久,近50年来,相位调光器逐渐成为了调光控制的主流。标准的正相(或TRIAC,三端交流)调光器很难与LED驱动器相连接。每只调光器的性能各有不同,从而使接口工作难上加难。尽管......

照明业对白炽灯的依赖已有一个多世纪之久,近50年来,相位调光器逐渐成为了调光控制的主流。标准的正相(或TRIAC,三端交流)调光器很难与LED驱动器相连接。每只调光器的性能各有不同,从而使接口工作难上加难。尽管现在有了较新较好的反相调光器,但标准的正相调光器已在全球电子设施中广泛使用,LED照明业不可能简单地忽略它。照例,反向兼容是第一位的。


  正相调光器


  一个标准的正相调光器包含一个TRIAC、一个DIAC(二极管交流)和一个RC(电阻/电容)电路(图1)。电位计调节电阻值,得到的RC时间常数用于控制TRIAC导通前的延迟量,或触发角。当TRIAC导通时,时间部分就是导通角θ。得到的电压波形就是一个切相的正弦曲线。


 

  这种类型的调光能很好地用于白炽灯,因为它们是简单的阻型负载。当导通角减小时,灯丝电阻上时间平均的电压也下降,从而提供了自然平滑的调光。


  TRIAC还有一个对最小保持电流的要求。流经TRIAC的电流必须保持在这个最小水平以上,才能确保在整个导通角上的开启。白炽灯负载很容易满足这个条件,因为负载都有原生的功耗等级,例如:40W、60W和75W。


  与LED的兼容性


  糟糕的是,固态照明没有相位调光方案的优点。LED是一种半导体器件;控制其光输出的方式是调节它的正向电流。高亮度LED可以流过数百毫安至数安电流,为保持系统效率,通常都采用一只开关式转换器。


  对于一个标准的开关转换器,其输出的调节与平均输入电压无关,这意味着必须先对相位调光器提供的斩相波形做解码。解码后的信息就可以控制用于输出调节的基准电压。尽管这对功率电子设计者是相对简单的工作,但其背后隐藏着更多的复杂性。


  一个明显的区别是,负载不再是纯阻性的。实际上,转换器对相位调光器可以看作一个电抗性负载,因为电路中同时包含有容性和感性元件。于是,一个标准转换器在遇到斩相电压的快速上升沿时就会出现问题。设计人员一般采用标准的RC阻尼方法,减少这种上升沿所导致的问题振铃。不过,这种方案会带来额外的功率损耗。


  还有始料不及的更大问题。现代LED的效率远远超过白炽灯,后者会将光输出的75%消耗在红外频谱上,成为热量散失掉。而LED则将更多的光输出提供在可见光频谱上。最新高亮LED的效率是类似白炽灯的五至六倍,这意味着,替代一只60W灯泡或灯具的LED功耗可以低至10W至12W。这种能量节省对消费者很重要,而对相位调光器则不然,因为它要求最低的保持电流。


  当用TIRAC对一只LED灯具做调光时,它可能会瞎火(misfire),就是说,不能为整个导通角提供足以维持导通的电流。由于瞎火情况通常与连续整流的交流周期不同步,因此解码角可能会在两个点或多个点之间振荡。因为其频率低,于是这种振荡表现为光输出的颤动和闪烁。为防止这种可见的闪烁,转换器必须泵出更多电能,以确保TRIAC不会瞎火。


  牺牲了效率


  提供额外电能与电源转换器设计的主要目标相悖,原来的目标是提供高效、良好设计的高质量电源处理。因此,设计者要做双倍的工作:既要从交流电源为LED负载提供高效的电源转换,又要确保相位调光功能的正常工作,同时尽量减少过多的功率损耗。


  现在,对电源质量的新规定要求很多LED系统中使用PFC(功率因数控制)。PF(功率因数)是对转换器输入端到输出端能量传输品质的一种度量。如果输入电流没有失真,并且与输入电压完美地同相,则PF为1。由于电抗元件造成的输入电流任何相移或失真以及开关噪声等,都会使PF降低。


  由于大多数LED系统都采用了某种形式的PFC,输入电流通常能很好地追随输入电压,这意味着当电压与电流同时下降时,相位调光器经常会导通角的末端瞎火(图2)。这种瞎火会根据其发生的时点,产生一种不断变化的导通角解码。


 

  初始方案


  一种满足保持电流要求的简单方法是加一个负载电阻,以确保设计在整个导通时间内,满足最低的输入电流条件。但这种方法效率太低。对于一个100W的白炽射灯,仅需要用15W的LED作替换,而这种固定式保持电流会造成10%~20%的效率下降。


  更复杂的方案是在每个周期中线性地增负载,即在导通角期间逐步地提升额外保持电流,直至在末端到达最大值。这种方法可以大大减少效率损失;不过,在宽的工作区间上,它有设计困难。


  例如,对于一个85V~305V通用交流电源输入的15W LED射灯,最差保持电流情况出现在305V 交流时,此时输入电流为最小。为了保证在305V交流时的整个导通角上,TRIAC都能保持导通,就必须增加一个相当大的保持电流。由于这是一种通用设计,因此在85V交流时加的保持电流就要比实际需要值高大约四倍,造成巨大的功率浪费。


  动态保持


  获得效率最大化的最佳方式是调节最低输入电流。采用这种方法时,当输入电流高于调节点时,不会拉出额外的保持电流。当输入电流低于调节点时,电路会拉出足够的电流以维持最小的保持要求,LM3450控制器实现了这种方法,叫做动态保持(图3)。它在二极管桥回返以及系统地之间有一只检测电阻,提供了一种输入电流的检测方法。通过电阻上检测到的电压,控制器就可以线性地从保持管脚拉出电流,以维持最小的调节输入电流。这样就确保了额外功耗处于最小值状态。


 

  最后,为了保证正确地解码相位角,动态保持是必需的,这样才能为转换器提供精确的调光指令。想法是,防止TRIAC在解码期间出现瞎火问题,这样导通角就不会出现偶发变化而造成闪烁。仔细观察一下系统,实际并不需要在每个周期做角度解码。一个采样系统可以释放出更多的效率。用这种方案,当发生解码时,只有在采样周期内才需要增加额外的保持电流。在非采样周期内,则不需要电流。


  LM3450采用了这种采样相位解码器方法,因此只有在采样周期内,动态保持才有效。为验证这个方案,同时用一个固定的20 mA保持电流和一个大得多的70 mA动态保护电路,做了一个120V、15W的射灯应用(图4)。在对20多种调光器的测试中,70 mA动态保持法都确保了完整的调光区间,效率提高达6%。


 

  采用这种方案的设计者有一个困难的挑战。前面的分析忽略了转换器上EMI(电磁干扰)输入滤波器的影响。每个转换器都需要滤波,才能通过有关传导与辐射EMI的标准。不幸的是,整流桥交流端增加的电感元件会造成对直流端输入电流测量的失真。这个问题在导通角的末端变得更加严重,此时输入电压的dV/dt(电压变化率)为最大。在这个点上,转换器从EMI电容拉出大部分电流,而TRIAC传导的电流小于预期。


  为解决检测的不精确问题,应提高所调节的最小输入电流,尽量减小EMI滤波器的电容。

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