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1、飞兆半导体特稿 2009年 4月 一种适用于大范围高亮度一种适用于大范围高亮度一种适用于大范围高亮度一种适用于大范围高亮度 LED 电路的高效调光方法电路的高效调光方法电路的高效调光方法电路的高效调光方法 作者：Alexander Craig 引言引言引言引言 高亮度 LED 是传统白炽灯的一种理想替代方案，因为前者的寿命和效率都比后者 高得多，而且不同于紧凑型荧光灯泡，这些 LED 能够在低温下工作。然而，和冷 阴极荧光灯(CCFL) 灯泡一样，高亮度 LED 也未能摆脱众多家庭和应用中常见的三 端双向可控硅 (TRIAC) 调光器。本文将介绍一种具成本优势的高亮度 LED (HB LED)
2、 调光方法。 设计挑战设计挑战设计挑战设计挑战 基本 TRIAC 调光器开关广泛运用于家装店和大多数家庭，要了解有关采用 这种调光器开关的设计挑战，我们必须对 TRIAC 电路的基本工作原理以及高亮度 LED电路的基本设计原理进行深入的研究。 高亮度 LED 一般由恒流电源驱动，因为随着 LED 逐渐变热，其电压降将减 小；而且，若 LED 串由恒压电源供电的话，电源往往会持续提供过多的电流，使 输出电压增大，直到电源达到电流限值或 LED 失效。 基本的基本的基本的基本的 LED 调光方法调光方法调光方法调光方法 高亮度 LED 有两种基本调光方法。第一种是 PWM 调光方法，即在大于 20
3、0Hz的某些频率下以 0% 到 100%的不同的导通时间百分比 (占空比) 导通和关断 LED。在导通期间LED满电流工作，而在关断期间LED上没有电流流过。这就保 证了色彩的一致性。 另一种方法是控制流经 LED 串的电流量。这可能导致 LED串的电压下降， 并造成轻微的色差。不过，如果观察调光器打开情况下工作的白炽灯，也会看到明 显的色彩变化。 TRIAC 调光器的工作原理调光器的工作原理调光器的工作原理调光器的工作原理： 大多数调光器内都有一个简单的 TRIAC 电路，其核心如图 1 所示。我们讨 论的重点是 TRIAC的两个属性。即一旦栅极被触发就允许电流流过，以及若有足够电流流过，T
4、RIAC 就保持导通。要设计正确的调光电路，必须了解这两个电 流，触发电流和保持电流。以调光器开关中常采用的 3A 800V TRIAC 器件 FKPF3N80为例，该器件的触发电流为 20mA，保持电流为 30mA。当栅极电流接 近 20mA 时，该 TRIAC导通，当流经电流至少为 30mA时，TRIAC 保持导通状 态。 当用户旋开调光器旋钮时，他其实是在改变电阻分压器。分压器在 AC 周期 内设置不同的触发电流点，从而设定 TRIAC 的触发点。通过选择 TRIAC 的设置 点，用户实际上选择了负载供电所需的 AC 电压的占空比，而这个占空比是 LED 驱动器调节 LED亮度所需的信息
5、。 为了对 LED 进行调光，需要把 60Hz占空比转换为可用于上述任一种调光 方法的数值。一旦触发导通，必须确保 TRIAC有足够的电流。第一部分很容易做 到，可利用图 2所示的电路来实现。图中，TRIAC 调光器和双向光耦合器从 AC 线 输入获得占空比信息，对简化电路进行供电。 DC from AC to DC power supplyACAC to DC power supply Buck or FlybackThis is a constant voltage DC output supply.RC filter 120HzBias resistorTriac Dimmer图2 Tr
6、iac调光器 120Hz信号经一个电阻电容滤波器处理为代表 AC电压占空比的电压，并 经由 TRIAC 调光器提供给电源。可通过多种方法利用这个电压来控制 LED电流。 在图示电路中，利用两个电阻把双极结型晶体管 (bipolar junction transistor, BJT) 偏 置到所需的最大负载电流，并假设光耦合器完全导通 (占空比 =100%)，滤波器电 容被充电到最大电势能量。鉴于 VCC 一般都很低，小于24V，所以电容的尺寸很 小，即使其数值往往相当大，足以作为 120Hz 滤波器。 在上述实现调光器和 LED 电流调节器的方法中，最好是有一个恒压电路。 这样一来，就可以利用
7、简单的 BJT 来调节电流。设计人员需要把 BJT 完全偏置到 LED 串允许的最大电流，并在该电流下把输出电压设置到冷 LED 温度所需的值， 从而让 BJT 能够以 100% 的占空比控制电流。注意 VCE 低至 0.2V，电流最大值一 般在 350mA 到 1.35A 间。因此，对于 1.35A 负载电流的设计，功耗为 VCE(SAT) * Ic 0.27W。随着占空比下降，BJT 开始限制电流，其 VCE 将上升，故在 50% 占空比 饱和的情况下，LED 电流将为最大设计点的一半。因此功耗为 VCE * Ic，并很容易 设计为足够低的范围，以便于管理。 这种方案的另一个关键部分是作为
8、恒压电源工作的 AC-DC 电源。这通常会 消耗大量电流，使调光器开关中的 TRIAC 一旦触发即闩锁 (latch)。 由于我们有代表 AC输入 (RC滤波器输出的) 占空比的电压，故我们能够利 用这一信息来控制由其它电路驱动的 LED 的亮度。要在电路中采用逐脉冲 (pulse- by-pulse) 电流限制或 PWM 电流限制技术，基本 AC-DC 电路必须是恒流电路，如 图 3所示。我们因此只需要把电路中的代表占空比的电压加载到比较器上，便可以 额外增加一个占空比电压。例如，在图 3所示的电路中，我们可以让 IPEAK 设置阻 抗 R8与一个在线性区域内偏置并利用上面所示的光耦合器电路进行控制的小型 MOSFET 并联。 图 3 小结小结小结小结 许多高亮度 LED驱动器电路都带有一个可作为 LED调光之用的比较器。其 中有些电流输出很小，并可读取引脚上的电压，用以控制初级端开关或低频占空 比。在任何一种情况之下，关键都在于把 AC 占空比转换为可用值。光耦合电路可 以很好地做到这一点，并提供隔离，故可以在初级端或次级端电路的任何地方使用 这些数据。 完
