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基于控制器LM3445带三端可控硅调光器的离线式LED驱动器
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基于控制器IC的可调光LED驱动器通常采用的调光方式有两种，即数字PWM调光和模拟DC电压调光。基于相位控制的TRIAC传统白炽灯和卤素灯调光器若用于LED的调光控制，会产生100Hz或120Hz的闪烁，而且调光范围非常窄。最近美国国家半导体(NS)公司推出一种带有TRIAC调光译码器的离线式AC／DC降压(buck)恒流LED控制器LM3445，允许利用标准TRIAC调光器对LED进行宽范围的平稳无闪烁调光，打破了传统TRIAC调光器应用与LED节能照明的一个瓶颈。
1 LM3445的主要特点
LM3445与先前的同类离线式AC／DC降压恒流LED驱动器IC比较，其主要特点是在芯片上设计了TRIAC调光译码器电路，能传感AC线路TRIAC调光波形，并将其转换成控制LED电流的调光信号，几乎能在从0％到100％的调光范围内实现无闪烁LED亮度调控。LM3445的其它特征主要有：
(1)AC输入电压范围为80～270V，适用于国际通用AC线路；
(2)能够控制大于1A的LED电流；
(3)适合配置无源(被动式)功率因数校正(PFC)电路，满足能源之星固态照明(SSL)商业应用要求；
(4)支持主／从控制功能的多芯片解决方案，使用一个TRIAC调光器和一个主LM3445，便能控制多个基于LM3445的从属降压变换器驱动的多串LED；
(5)提供VCC欠锁定、门限是165℃的热关闭保护和电流限制；
(6)固定关断时间可编程，开关频率可调节；
(7)采用10引脚MSOP封装，结温范围为一40℃～+125℃。
2 基于LM3445的TRIAC调光离线LED驱动电路
1)基本电路
LM3445的内部结构及由其组成的TRIAC调光离线式LED驱动电路如图l所示。这种AC—DC恒流LED驱动电路主要含有五个部分，即TRIAC调光器、桥式整流器BR1、整流线路电压检测及调光译码器电路、无源功率因数校正(PFC)电路和降压(buck)式DC／DC变换器电路，整个系统的核心是LM3445。
2)电路工作原理
(1)TRIAC调光器
在图1中，串联在桥式整流器BR1输入端的TRIAC调光器采用传统基于相位控制的电路，如图2所示。R1、R2和C1值决定C1上电压达到双向触发二极管(DIAC)触发电压(约32V)之前的延迟时间。对于负载是白炽灯时，R1值减小，TRIAC的导通延迟缩短，导通角增加，灯亮度则增强；反之，若R1值增加，TRIAC导通角将减小，灯光则变暗。
在图1中，TRIAC调光器被串接在AC线路输入端，通过LM3445的调光译码器电路，可以控制LED串的电流，实现亮度调控。
(2)TRIAC调光译码电路
TRIAC调光译码电路由整流线路电压感测电路、TRIAC导通角检测电路和调光译码器电路三部分组成(见图1)。
①线路电压感测
位于桥式整流器之后的R1、15V的齐纳二极管VD1和VT1组成一个串联通路整流器，将整流的线路电压转换为一个适当的电平被IC(LM3445)的引脚BLDR感测。由于VT1源极未连接电容器，当线路电压降至15V以下时，允许IC引脚BLDR上的电压随整流电压升高和降低。R5的作用有两个：一是用作泄放IC引脚BLDR节点寄生电容的电荷；二是在小电流输出上操作时，为调光器提供所需要的保持电流。
二极管(肖特基型)VD2和电容C5的作用是，当IC引脚BLDR上的电压变低时，维持IC引脚VCC上的电压，使IC能够正常操作。
②角度检测和调光译码器
TRIAC导通角检测电路利用一个门限为7．2V的比较器监视IC引脚BLDR来确定TRIAC是导通或者关断。比较器输出经4μs的延迟线控制一个泄放电路并驱动一个缓冲器。缓冲器输出(引脚ASNS)摆幅被限制在0～4V，经R1和C3组成的低通滤波器滤波，通过IC引脚FLTRl输入到斜坡比较器(反相端)，与斜坡产生器产生的5．88kHz、l～3V的锯齿波相比较，斜坡比较器输出驱动引脚DIM和一个N沟道MOSFET。MOSFET漏极上的信号经内部370kΩ和IC引脚FLTR2上的电容C4组成的(第二个)低通滤波器滤波，输至内部PWM比较器。调光译码器输出一个幅度从0～750mV变化的DC电压，相应的调光器占空比是从25％到75%变化，TRIAC导通角范围从45℃到135℃，从而直接控制LED的峰值电流，获得几乎从0％到100%的调光范围。
(3)无源PFC电路
电容C7和C9以及二极管VD4、VD8、VD9组成部分滤波填谷式无源(即被动式)PFC电路。用其替代一个传统大容量滤波电容器，可以改善线路功率因数。电容C10(10nF)在C7和C9充电时，可以衰减电压纹波。无源PFC电路输出电压Ubuck，作为降压变换器的DC总线电压。
在没有TRIAC调光器接入的情况下，当AC线路电压高于其峰值的1／2时，VD3和VD8导通，VD4和VD9截止，电容C7和C9以串联方式被充电，并且电流会流入负载。当AC线路电压低于其峰值的l／2时，VD3和VD8反向偏置，而VD4和VD9正向偏置，C7和C9以并联方式放电，电流流入负载。图3所示为不带TRIAC调光器时AC线路电压UAC、整流电压UBR1和PFC电路输出电压Ubuck波形。由图3可知，虽然Ubuck波形很不平滑，但在AC线路半周期内的电流导通角达120°(即从30°到150°)，线路功率因数达0．9以上。而只用单个大容量电容滤波虽然能获得比较平滑的DC电压，但电流流动角仅约60°(即从60°到120°)，线路功率因数不超过0．6。
加入TRIAC调光器时的相关电压波形如图4所示，其中θ为TRIAC的导通角。
(4)DC—DC降压变换器
控制器LM3445、功率MOSFET(VT2)、电感器L2、二极管VD10、电阻R3和电容C12等，组成开关型DC—DC降压变换器，用来驱动LED串。
当LM3445引脚GATE上的PWM信号驱动VT2导通时，通过L2和LED串的电流线性增加，并被R3感测。当R3上的电压等于在IC引脚FLTR2上的参考电压时，VT2则关断，L2释放储能，VD10导通，电流通过LED串和L2，并从其峰值线性减小。C12用作消除大部分电感L2的纹波电流，R4、C11和VT3为设置固定关断时间提供一个线性电流斜坡信号。
3 主要参数与元件值的计算
LM3445可以在80～270VAC的通用AC线路上工作，现设输入电压范围是90～135VAC，开关频率fsw=250kHz，变换器效率η≥80％，LED正向压降UF=3．6V，通过LED串的平均电流ILED=400mA，串联LED的数量n=7，LED串的总电压降则为ULED=nUF=7×3．6V=25．2V。因篇幅所限，在此我们仅重点介绍无源PFC电路和降压变换器中主要元件的选择。
1)填谷式无源PFC电路元件的选择
在没有TRIAC调光时，填谷式电路电压Ubuck波形如图5所示。对于60Hz的线路频率，半周期时间是8．33ms。AC电压在30°和150°上的值为峰值的1／2，保持时间tx为半周期的1／3，即8．33ms×(1／3)=2．78ms。在90VAC的低线路电压上，Ubuck最小值为
C7和C9的总电容量C可根据公式i=C(dU／dt)来计算。在电容中的电流为
设在低线路电压和满载时的Ubuck降落dU=15V，由于dt=2．78ms，因此C7和C9并联电容值为C=i·dt／dU=157．5mA×2．78ms／15V=29μF可以选择C7=C9=22μF。
由于Ubuck的最大值为
C7和C9的额定电压选择200V是允许的。二极管VD4、VD8和VD9可选用200V、1A的RF07lM2S或等同器件。
VD3选用与VD4、VD8、VD9相同的二极管，C10选用10nF／250V的薄膜电容器。
2)降压式变换器元件选择
有些元件值的计算都与变换器关断时间tOFF有关。降压变换器在理想情况下的占空因数可表示为：
考虑到变换器效率η，占空比D为：
由（1）式得到：
将式（2）代入式（3）得：
式中：η=80％，ULED=25.2V，fSW=250kHz。在110VAC输入电压上，填谷式电路的电压根据式(4)可得：
通过R4的电流ICOLL在50μA与100μA之间，选择ICOLL=70μA，R4=ULED／ICOLL=25.2V／70μA=360kΩ。R4选用365kΩ的标准电阻。
根据公式i=C(dU／dt)，通过R4和C11的电流为ULEd/R4，电流进入到C11产生一个线性充电特性，IC引脚COFF内部比较器(见图1)门限为1.276V，因此C11=(ULED／R4)(tOFF／1．276V)=(25．2V／365kΩ)(3μs／1．276V)=162pF
C11选用120PF的标准电容值。
电感器L2纹波电流△iL2按电感平均电流的30％来选取，△iL2则为ILED×30％=400mA。在关断期间，L2上的电压△UL2=ULED，△t=tOFF，根据公式△UL2=L2(△iL2／△t)得：
L2=(ULED×tOFF)／△iL2=(25．2V×3μs)／120mA=630μH
在非调光情况下和连续导电模式，iL2的峰值电流为
iL2(PK)=IAVE+△iL2／2=ILED+120mA／2=460mA
当电感电流达到峰值时，IC内控制MOSFET关断，此时R3上的峰值感测电压是750mV。因此，R3值为：
R3=750mA／iL2(PK)=750mV／460mA=1．63Ω
选择R3=1．8Ω。
C12选择lμFl50V的电容，VD10选择50V、1A的二极管。
在图1中，其他元件选择如下：
BRl选用400V、0．8A的HD04-T，VD1选用15V的DZX84C15LT1G，VD2选用40V、120mA的BAS40H，VT1和VT2选用400V、4A的FQD7N30TF，VT3选用100V、170mA的PNP晶体管，R2=100kΩ，R5=1kΩ，C5=22μF／50V，C3=470nF／16V，C4=100nF／16V。
4 结束语
LM3445是含有TRIAC调光译码器的固定关断时间AC／DC降压恒流LED驱动器。基于LM3445的离线式LED照明电源，利用传统白炽灯TRIAC调光器，能够对LED串进行宽范围平稳无闪烁调光，实现100：1的调光比，从而解决了标准TRIAC调光器应用于LED调光的瓶颈。
1 LM3445的主要特点
LM3445与先前的同类离线式AC／DC降压恒流LED驱动器IC比较，其主要特点是在芯片上设计了TRIAC调光译码器电路，能传感AC线路TRIAC调光波形，并将其转换成控制LED电流的调光信号，几乎能在从0％到100％的调光范围内实现无闪烁LED亮度调控。LM3445的其它特征主要有：
(1)AC输入电压范围为80～270V，适用于国际通用AC线路；
(2)能够控制大于1A的LED电流；
(3)适合配置无源(被动式)功率因数校正(PFC)电路，满足能源之星固态照明(SSL)商业应用要求；
(4)支持主／从控制功能的多芯片解决方案，使用一个TRIAC调光器和一个主LM3445，便能控制多个基于LM3445的从属降压变换器驱动的多串LED；
(5)提供VCC欠锁定、门限是165℃的热关闭保护和电流限制；
(6)固定关断时间可编程，开关频率可调节；
(7)采用10引脚MSOP封装，结温范围为一40℃～+125℃。
2 基于LM3445的TRIAC调光离线LED驱动电路
1)基本电路
LM3445的内部结构及由其组成的TRIAC调光离线式LED驱动电路如图l所示。这种AC—DC恒流LED驱动电路主要含有五个部分，即TRIAC调光器、桥式整流器BR1、整流线路电压检测及调光译码器电路、无源功率因数校正(PFC)电路和降压(buck)式DC／DC变换器电路，整个系统的核心是LM3445。
2)电路工作原理
(1)TRIAC调光器
在图1中，串联在桥式整流器BR1输入端的TRIAC调光器采用传统基于相位控制的电路，如图2所示。R1、R2和C1值决定C1上电压达到双向触发二极管(DIAC)触发电压(约32V)之前的延迟时间。对于负载是白炽灯时，R1值减小，TRIAC的导通延迟缩短，导通角增加，灯亮度则增强；反之，若R1值增加，TRIAC导通角将减小，灯光则变暗。
在图1中，TRIAC调光器被串接在AC线路输入端，通过LM3445的调光译码器电路，可以控制LED串的电流，实现亮度调控。
(2)TRIAC调光译码电路
TRIAC调光译码电路由整流线路电压感测电路、TRIAC导通角检测电路和调光译码器电路三部分组成(见图1)。
①线路电压感测
位于桥式整流器之后的R1、15V的齐纳二极管VD1和VT1组成一个串联通路整流器，将整流的线路电压转换为一个适当的电平被IC(LM3445)的引脚BLDR感测。由于VT1源极未连接电容器，当线路电压降至15V以下时，允许IC引脚BLDR上的电压随整流电压升高和降低。R5的作用有两个：一是用作泄放IC引脚BLDR节点寄生电容的电荷；二是在小电流输出上操作时，为调光器提供所需要的保持电流。
二极管(肖特基型)VD2和电容C5的作用是，当IC引脚BLDR上的电压变低时，维持IC引脚VCC上的电压，使IC能够正常操作。
②角度检测和调光译码器
TRIAC导通角检测电路利用一个门限为7．2V的比较器监视IC引脚BLDR来确定TRIAC是导通或者关断。比较器输出经4μs的延迟线控制一个泄放电路并驱动一个缓冲器。缓冲器输出(引脚ASNS)摆幅被限制在0～4V，经R1和C3组成的低通滤波器滤波，通过IC引脚FLTRl输入到斜坡比较器(反相端)，与斜坡产生器产生的5．88kHz、l～3V的锯齿波相比较，斜坡比较器输出驱动引脚DIM和一个N沟道MOSFET。MOSFET漏极上的信号经内部370kΩ和IC引脚FLTR2上的电容C4组成的(第二个)低通滤波器滤波，输至内部PWM比较器。调光译码器输出一个幅度从0～750mV变化的DC电压，相应的调光器占空比是从25％到75%变化，TRIAC导通角范围从45℃到135℃，从而直接控制LED的峰值电流，获得几乎从0％到100%的调光范围。
(3)无源PFC电路
电容C7和C9以及二极管VD4、VD8、VD9组成部分滤波填谷式无源(即被动式)PFC电路。用其替代一个传统大容量滤波电容器，可以改善线路功率因数。电容C10(10nF)在C7和C9充电时，可以衰减电压纹波。无源PFC电路输出电压Ubuck，作为降压变换器的DC总线电压。
在没有TRIAC调光器接入的情况下，当AC线路电压高于其峰值的1／2时，VD3和VD8导通，VD4和VD9截止，电容C7和C9以串联方式被充电，并且电流会流入负载。当AC线路电压低于其峰值的l／2时，VD3和VD8反向偏置，而VD4和VD9正向偏置，C7和C9以并联方式放电，电流流入负载。图3所示为不带TRIAC调光器时AC线路电压UAC、整流电压UBR1和PFC电路输出电压Ubuck波形。由图3可知，虽然Ubuck波形很不平滑，但在AC线路半周期内的电流导通角达120°(即从30°到150°)，线路功率因数达0．9以上。而只用单个大容量电容滤波虽然能获得比较平滑的DC电压，但电流流动角仅约60°(即从60°到120°)，线路功率因数不超过0．6。
加入TRIAC调光器时的相关电压波形如图4所示，其中θ为TRIAC的导通角。
(4)DC—DC降压变换器
控制器LM3445、功率MOSFET(VT2)、电感器L2、二极管VD10、电阻R3和电容C12等，组成开关型DC—DC降压变换器，用来驱动LED串。
当LM3445引脚GATE上的PWM信号驱动VT2导通时，通过L2和LED串的电流线性增加，并被R3感测。当R3上的电压等于在IC引脚FLTR2上的参考电压时，VT2则关断，L2释放储能，VD10导通，电流通过LED串和L2，并从其峰值线性减小。C12用作消除大部分电感L2的纹波电流，R4、C11和VT3为设置固定关断时间提供一个线性电流斜坡信号。
3 主要参数与元件值的计算
LM3445可以在80～270VAC的通用AC线路上工作，现设输入电压范围是90～135VAC，开关频率fsw=250kHz，变换器效率η≥80％，LED正向压降UF=3．6V，通过LED串的平均电流ILED=400mA，串联LED的数量n=7，LED串的总电压降则为ULED=nUF=7×3．6V=25．2V。因篇幅所限，在此我们仅重点介绍无源PFC电路和降压变换器中主要元件的选择。
1)填谷式无源PFC电路元件的选择
在没有TRIAC调光时，填谷式电路电压Ubuck波形如图5所示。对于60Hz的线路频率，半周期时间是8．33ms。AC电压在30°和150°上的值为峰值的1／2，保持时间tx为半周期的1／3，即8．33ms×(1／3)=2．78ms。在90VAC的低线路电压上，Ubuck最小值为
C7和C9的总电容量C可根据公式i=C(dU／dt)来计算。在电容中的电流为
设在低线路电压和满载时的Ubuck降落dU=15V，由于dt=2．78ms，因此C7和C9并联电容值为C=i·dt／dU=157．5mA×2．78ms／15V=29μF可以选择C7=C9=22μF。
由于Ubuck的最大值为
C7和C9的额定电压选择200V是允许的。二极管VD4、VD8和VD9可选用200V、1A的RF07lM2S或等同器件。
VD3选用与VD4、VD8、VD9相同的二极管，C10选用10nF／250V的薄膜电容器。
2)降压式变换器元件选择
有些元件值的计算都与变换器关断时间tOFF有关。降压变换器在理想情况下的占空因数可表示为：
考虑到变换器效率η，占空比D为：
由（1）式得到：
将式（2）代入式（3）得：
式中：η=80％，ULED=25.2V，fSW=250kHz。在110VAC输入电压上，填谷式电路的电压根据式(4)可得：
通过R4的电流ICOLL在50μA与100μA之间，选择ICOLL=70μA，R4=ULED／ICOLL=25.2V／70μA=360kΩ。R4选用365kΩ的标准电阻。
根据公式i=C(dU／dt)，通过R4和C11的电流为ULEd/R4，电流进入到C11产生一个线性充电特性，IC引脚COFF内部比较器(见图1)门限为1.276V，因此C11=(ULED／R4)(tOFF／1．276V)=(25．2V／365kΩ)(3μs／1．276V)=162pF
C11选用120PF的标准电容值。
电感器L2纹波电流△iL2按电感平均电流的30％来选取，△iL2则为ILED×30％=400mA。在关断期间，L2上的电压△UL2=ULED，△t=tOFF，根据公式△UL2=L2(△iL2／△t)得：
L2=(ULED×tOFF)／△iL2=(25．2V×3μs)／120mA=630μH
在非调光情况下和连续导电模式，iL2的峰值电流为
iL2(PK)=IAVE+△iL2／2=ILED+120mA／2=460mA
当电感电流达到峰值时，IC内控制MOSFET关断，此时R3上的峰值感测电压是750mV。因此，R3值为：
R3=750mA／iL2(PK)=750mV／460mA=1．63Ω
选择R3=1．8Ω。
C12选择lμFl50V的电容，VD10选择50V、1A的二极管。
在图1中，其他元件选择如下：
BRl选用400V、0．8A的HD04-T，VD1选用15V的DZX84C15LT1G，VD2选用40V、120mA的BAS40H，VT1和VT2选用400V、4A的FQD7N30TF，VT3选用100V、170mA的PNP晶体管，R2=100kΩ，R5=1kΩ，C5=22μF／50V，C3=470nF／16V，C4=100nF／16V。
4 结束语
LM3445是含有TRIAC调光译码器的固定关断时间AC／DC降压恒流LED驱动器。基于LM3445的离线式LED照明电源，利用传统白炽灯TRIAC调光器，能够对LED串进行宽范围平稳无闪烁调光，实现100：1的调光比，从而解决了标准TRIAC调光器应用于LED调光的瓶颈。
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