TRIAC调光器与LED接口的高效方法

中心议题：

• 正向调光器的基本原理
• 正向调光器与LED的兼容性
• TRIAC调光器与LED接口的高效方法

解决方案：

• 基于LM3450的动态保持法

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。

图1 正向调光器

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。
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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。
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基于LM3450的动态保持法

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。