一種適用于大范圍高亮度LED電路的高效調(diào)光方法

引言

高亮度LED是傳統(tǒng)白熾燈的一種理想替代方案，因?yàn)榍罢叩膲勖托识急群笳吒叩枚啵也煌诰o湊型熒光燈泡，這些LED能夠在低溫下工作。然而，和冷陰極熒光燈(CCFL) 燈泡一樣，高亮度LED也未能擺脫眾多家庭和應(yīng)用中常見的三端雙向可控硅 (TRIAC) 調(diào)光器。本文將介紹一種具成本優(yōu)勢的高亮度LED (HB LED) 調(diào)光方法。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

基本TRIAC調(diào)光器開關(guān)廣泛運(yùn)用于家裝店和大多數(shù)家庭，要了解有關(guān)采用這種調(diào)光器開關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，我們必須對TRIAC電路的基本工作原理以及高亮度LED電路的基本設(shè)計(jì)原理進(jìn)行深入的研究。

高亮度LED一般由恒流電源驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡S著LED逐漸變熱，其電壓降將減小；而且，若LED串由恒壓電源供電的話，電源往往會持續(xù)提供過多的電流，使輸出電壓增大，直到電源達(dá)到電流限值或LED失效。

基本的LED調(diào)光方法

高亮度LED有兩種基本調(diào)光方法。第一種是PWM調(diào)光方法，即在大于200Hz的某些頻率下以0% 到 100%的不同的導(dǎo)通時(shí)間百分比 (占空比) 導(dǎo)通和關(guān)斷LED。在導(dǎo)通期間LED滿電流工作，而在關(guān)斷期間LED上沒有電流流過。這就保證了色彩的一致性。

另一種方法是控制流經(jīng)LED串的電流量。這可能導(dǎo)致LED串的電壓下降，并造成輕微的色差。不過，如果觀察調(diào)光器打開情況下工作的白熾燈，也會看到明顯的色彩變化。

TRIAC調(diào)光器的工作原理：

大多數(shù)調(diào)光器內(nèi)都有一個(gè)簡單的TRIAC電路，其核心如圖1所示。我們討論的重點(diǎn)是TRIAC的兩個(gè)屬性。即一旦柵極被觸發(fā)就允許電流流過，以及若有足夠電流流過，TRIAC就保持導(dǎo)通。要設(shè)計(jì)正確的調(diào)光電路，必須了解這兩個(gè)電流，觸發(fā)電流和保持電流。以調(diào)光器開關(guān)中常采用的3A 800V TRIAC器件FKPF3N80為例，該器件的觸發(fā)電流為20mA，保持電流為30mA。當(dāng)柵極電流接近20mA時(shí)，該TRIAC導(dǎo)通，當(dāng)流經(jīng)電流至少為30mA時(shí)，TRIAC保持導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)用戶旋開調(diào)光器旋鈕時(shí)，他其實(shí)是在改變電阻分壓器。分壓器在AC周期內(nèi)設(shè)置不同的觸發(fā)電流點(diǎn)，從而設(shè)定TRIAC的觸發(fā)點(diǎn)。通過選擇TRIAC的設(shè)置點(diǎn)，用戶實(shí)際上選擇了負(fù)載供電所需的AC電壓的占空比，而這個(gè)占空比是LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)LED亮度所需的信息。

為了對LED進(jìn)行調(diào)光，需要把60Hz占空比轉(zhuǎn)換為可用于上述任一種調(diào)光方法的數(shù)值。一旦觸發(fā)導(dǎo)通，必須確保TRIAC有足夠的電流。第一部分很容易做到，可利用圖2所示的電路來實(shí)現(xiàn)。圖中，TRIAC調(diào)光器和雙向光耦合器從AC線輸入獲得占空比信息，對簡化電路進(jìn)行供電。

圖2　Triac調(diào)光器

120Hz信號經(jīng)一個(gè)電阻／電容濾波器處理為代表AC電壓占空比的電壓，并經(jīng)由TRIAC調(diào)光器提供給電源?？赏ㄟ^多種方法利用這個(gè)電壓來控制LED電流。在圖示電路中，利用兩個(gè)電阻把雙極結(jié)型晶體管 (bipolar junction transistor, BJT) 偏置到所需的最大負(fù)載電流，并假設(shè)光耦合器完全導(dǎo)通 (占空比 =100%)，濾波器電容被充電到最大電勢能量。鑒于 VCC 一般都很低，小于~24V，所以電容的尺寸很小，即使其數(shù)值往往相當(dāng)大，足以作為120Hz濾波器。

在上述實(shí)現(xiàn)調(diào)光器和 LED 電流調(diào)節(jié)器的方法中，最好是有一個(gè)恒壓電路。這樣一來，就可以利用簡單的 BJT 來調(diào)節(jié)電流。設(shè)計(jì)人員需要把 BJT 完全偏置到LED 串允許的最大電流，并在該電流下把輸出電壓設(shè)置到冷 LED 溫度所需的值，從而讓 BJT 能夠以 100% 的占空比控制電流。注意 VCE 低至 ~0.2V，電流最大值一般在350mA 到 1.35A 間。因此，對于 1.35A 負(fù)載電流的設(shè)計(jì)，功耗為 VCE(SAT) * Ic ~ 0.27W。隨著占空比下降，BJT 開始限制電流，其 VCE 將上升，故在 50% 占空比飽和的情況下，LED 電流將為最大設(shè)計(jì)點(diǎn)的一半。因此功耗為 VCE * Ic，并很容易設(shè)計(jì)為足夠低的范圍，以便于管理。

這種方案的另一個(gè)關(guān)鍵部分是作為恒壓電源工作的 AC-DC 電源。這通常會消耗大量電流，使調(diào)光器開關(guān)中的 TRIAC 一旦觸發(fā)即閂鎖 (latch)。

由于我們有代表AC輸入 (RC濾波器輸出的) 占空比的電壓，故我們能夠利用這一信息來控制由其它電路驅(qū)動(dòng)的 LED的亮度。要在電路中采用逐脈沖 (pulse-by-pulse) 電流限制或PWM電流限制技術(shù)，基本AC-DC電路必須是恒流電路，如圖3所示。我們因此只需要把電路中的代表占空比的電壓加載到比較器上，便可以額外增加一個(gè)占空比電壓。例如，在圖3所示的電路中，我們可以讓IPEAK 設(shè)置阻抗R8與一個(gè)在線性區(qū)域內(nèi)偏置并利用上面所示的光耦合器電路進(jìn)行控制的小型MOSFET并聯(lián)。

圖3

小結(jié)

許多高亮度LED驅(qū)動(dòng)器電路都帶有一個(gè)可作為LED調(diào)光之用的比較器。其中有些電流輸出很小，并可讀取引腳上的電壓，用以控制初級端開關(guān)或低頻占空比。在任何一種情況之下，關(guān)鍵都在于把 AC 占空比轉(zhuǎn)換為可用值。光耦合電路可以很好地做到這一點(diǎn)，并提供隔離，故可以在初級端或次級端電路的任何地方使用這些數(shù)據(jù)。