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基于LM3445可控硅调光器的离线式LED驱动器

时间:2022-06-27 17:00:00

引言

基于控制器IC的可调光LED驱动器通常使用两种调光方法,即数字PWM调光和模拟DC电压调光。基于相位控制TRIAC传统白炽灯和卤素灯调光器若用于LED调光控制将产生1000Hz或120Hz闪烁,调光范围很窄。最近,美国国家半导体(NS)公司推出一种带有TRIAC离线式调光译码器AC/DC降压(buck)恒流LED控制器LM标准允许使用3445TRIAC调光器对LED平稳无闪光调光的广泛范围打破了传统TRIAC调光器应用与LED节能照明的瓶颈。

LM3445的主要特点

LM3445与以前同类离线AC/DC降压恒流LED驱动器IC比较的主要特点是芯片设计TRIAC调光译码器电路,能传感AC线路 TRIAC调光波形并将其转换为控制波形LED电流的调光信号几乎可以在0%到100%的调光范围内实现无闪烁LED亮度调控。LM3445的其他特点主要包括:

(1)AC输入电压范围为80~270V,适用于国际通用AC线路;

(2)能控制大于1A的LED电流;

(3)适用于无源(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调光器和主LM基于3445,可以控制多个LM由从属降压变换器驱动的3445多串LED;

(5)提供VCC门限为165℃热关闭保护及电流限制;

(6)固定关闭时间可编程,开关频率可调;

(7)10引脚MSOP结温范围为140℃~ 125℃。

基于LM3445的TRIAC调光离线LED驱动电路

基本电路

LM3445的内部结构及其组成TRIAC调光离线式LED驱动电路如图所示l所示。这种AC—DC恒流LED驱动电路主要包括五个部分,即 TRIAC桥式整流器,调光器BR1.整流线路电压检测、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整个系统的核心是变换器电路LM3445。


(1)TRIAC调光器

在图1中串联桥式整流器BR1输入端的TRIAC基于相位控制的传统电路,如图2所示。R1、R2和C1值决定C上电压达到双向触发二极管(DIAC)触发电压(约32V)以前的延迟时间。当负载为白炽灯时,R1值减小,TRIAC导通延迟缩短,导通角增加,灯亮度增加;相反,如果R1值增加,TRIAC导角会减小,灯光会变暗。

在图1中,TRIAC串联调光器AC线路输入端,通过LM可控制3445调光译码器电路LED实现亮度调节。

(2)TRIAC调光译码电路

TRIAC调光译码电路通过整流线路电压感知电路TRIAC导通角检测电路和调光译码器电路三部分(见图1)。

①线路电压感测

位于桥式整流器之后的R1、15V齐纳二极管VD1和VT1形成串联通路整流器,将整流线路电压转换为适当的电平IC(LM3445)的引脚BLDR感测。由于VT当线路电压降至15时,1源极未连接电容器V允许下面IC引脚BLDR上部电压随整流电压升高降低。R5有两个功能:一是作为泄漏IC引脚BLDR节点寄生电容的电荷;第二,在小电流输出时,为调光器提供所需的维护电流。

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上电压,使IC能正常操作。

②角度检测和调光译码器

TRIAC导角检测电路使用7个门限.2V监控比较器IC引脚BLDR来确定TRIAC是导通或关闭。比较器输出4μs延迟线控制泄漏电路并驱动缓冲器。缓冲输出(引脚ASNS)摆幅限制在0~4V,经R1和C由3组成的低通滤波器滤波器通过IC引脚FLTRl输入斜坡比较器(反相端)和斜坡生成器产生的5.88kHz、l~3V与锯齿波相比,斜坡比较器输出驱动引脚DIM和一个N沟道MOSFET。MOSFET漏极上的信号通过内部370kΩ和IC引脚FLTR2上的电容C由4组成的(第二)低通滤波器滤波部PWM比较器。调光译码器从 0~750输出一个范围mV变化的DC在电压方面,相应调光器的比例从25%变为75%,TRIAC导角范围为45℃到135℃,直接控制LED峰值电流,调光范围几乎从0%到100%。

(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。用它代替传统的大容量滤波电容器可以提高线路功率因数。C10(10nF)在C7和C9充电时,电压纹波时衰减。PFC电路输出电压Ubuck,作为降压变换器DC总线电压。

在没有TRIAC当调光器接入时,AC当线路电压高于峰值的1/2时,VD3和VD8导通,VD4和VD9截止,电容C7和C9串联充电,电流流入负载。AC线路电压低于其峰值l/2时,VD3和VD和VD4和VD9正向偏置,C7和C9并联放电,电流流入负载。图3显示没有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。从图3可以看出,虽然Ubuck波形不光滑,但在AC电流导通角在半周期内达到120°(即从30°到150°),线路功率因数达0.9以上。虽然只有单个大容量的电容滤波器才能获得相对光滑的电容滤波器DC电压,但电流动角只有60左右°(即从60°到120°),线路功率因数不超过0.6。

不带TRIAC调光器时AC线路电压UAC

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。

加入TRIAC调光器时的相关电压波形

(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、构成开关型DC—DC降压变换器用于驱动LED串。

当LM3445引脚GATE上的PWM信号驱动VT导通时,通过L2和LED串的电流线性增加,R3感测。当R3上的电压等于在IC引脚 FLTR2上参考电压时,VT2则关断,L2释放储能,VD10导通,电流通过LED串和L并从峰值线性降低。C12用于消除大部分电感L2.纹波电流,R4、C11和VT为固定关闭时间提供线性电流斜坡信号。


计算主要参数和元件值

LM3445可以在80~270VAC的通用AC输入电压范围为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总电压降为 ULED=nUF=7×3.6V=25.2V。由于篇幅有限,我们只关注无源PFC选择电路和降压变换器的主要部件。

1)填谷无源PFC选择电路元件

在没有TRIAC调光时,填谷电路电压Ubuck波形如图5所示。Hz半周期时间为8.33ms。AC电压在30°和150°上面的值是峰值的1/2,保持时间tx半周期的1/3,即8.33ms×(1/3)=2.78ms。在90VAC在低线电压上,Ubuck最小值为

公式

C7和C9的总电容量C可根据公式i=C(dU/dt)计算。电容器中的电流是

公式

设置在低线电压和满载时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

公式

C7和C9额定电压选择2000V允许。二极管VD4、VD8和VD9可选用200V、1A的RF07lM2S或等同设备。

填谷式电路电压Ubuck波形

VD3选用与VD4、VD8、VD9相同的二极管,C10选用10nF/250V薄膜电容器。

2

某些元件值的计算与变换器关闭时间tOFF相关。理想情况下,降压变换器的占空因数可表示为:

公式

考虑到变换器效率η,占空比D为:

公式

由(1)式得到:

公式

将式(2)代入式(3)得:

公式

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:

公式


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)=162pFC11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。

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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