基于PWM的可控硅非線性調光LED驅動電路

引言

近年來，高亮度LED照明以高光效、長壽命、高可靠性和無污染等優點正在逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統光源。在一些應用中，希望在某些情況下可調節燈光的亮度，以便進一步節能和提供舒適的照明。常見的調光有雙向可控硅調光、后沿調光、ON/OFF調光、遙控調光等。可控硅調光器在傳統的白熾燈等調光照明應用已久，且不用改變接線，裝置成本較低，各品牌可控硅調光器的性能和規格相差不大，但是其直接應用在LED驅動場合還存在著一系列問題。

1 雙向可控硅TRIAC調光原理

市面上大多數可控硅調光器基本結構如圖1所示，其工作原理如下：當交流電壓加雙向可控硅TRIAC兩端時，由于Rt、Ct組成的RC充電電路有一個充電時間，電容上的電壓是從0V開始充電的，并且TRIAC的驅動極串聯有一個DIAC(雙向觸發二極管，一般是30V左右)，因此TRIAC可靠截止。當Ct上的電壓上升到30V時，DIAC觸發導通，TRIAC可靠導通，此時TRIAC兩端的電壓瞬間變為零，Ct通過Rt迅速放電，當Ct電壓跌落到30V以下時，DIAC截止，如果TRIAC通過的電流大于其維持電流則繼續導通，如果低于其維持電流將會截止。電感L和電容C的作用是減小電流和電壓的變化率，以抑制電磁干擾EMI問題。

可控硅前沿調光器若直接用于控制普通的LED驅動器，LED燈會產生閃爍，更不能實現寬范圍的調光控制。原因歸結如下：

(1)可控硅的維持電流問題。目前市面上的可控硅調光器功率等級不同，維持電流一般是7～75mA(驅動電流則是7～100mA)，導通后流過可控硅的電流必須要大于這個值才能繼續導通，否則會自行關斷。

(2)阻抗匹配問題。當可控硅導通后，可控硅和驅動電路的阻抗都發生變化，且驅動電路由于有差模濾波電容的存在，呈容性阻抗，與可控硅調光器存在阻抗匹配的問題，因此在設計電路時一般需要使用較小的差模濾波電容。

(3)沖擊電流問題。由于可控硅前沿斬波使得輸入電壓可能一直處于峰值附近，輸入濾波電容將承受大的沖擊電流，同時還可能使得可控硅意外截止，導致可控硅不斷重啟，所以一般需要在驅動器輸入端串接電阻來減小沖擊。

(4)導通角較小時LED會出現閃爍。當可控硅導通角較小時，由于此時輸入電壓和電流均較小，導致維持電流不夠或者芯片供電Vcc不夠，電路停止工作，使LED產生閃爍。

2 一種可控硅調光的LED驅動電源

線性調光存在的問題，即人眼在低亮度情況下對光線的細微變化很敏感;而在較亮時，由于人眼視覺的飽和，光線較大的變化卻不易被察覺。并提出了利用單片機編程來實現調光信號和調光輸出的非線性關系(如指數、平方等關系)的方法，使得人眼感覺的調光是一個線性平穩過程。

文中設計的電路利用RC充放電電路來實現這一功能。

圖2是一種利用普通的脈寬調制PWM芯片結合外圍電路來搭建可控硅調光的LED驅動電路框圖。維持電流補償電路通過檢測R1端電壓(即輸入電流)來控制流過維持電流補償電路的電流。當輸入電流較小時，維持電流補償電路上流過較大的電流;當輸入電流較大時，維持電流補償電路關斷，維持電流補償以恒流源的形式保證可控硅的維持電流。調光控制電路包括比較器、RC充放電電路和增益電路。實驗中選用一款旋鈕行程和斬波角成正比的可控硅調光器，其最小導通角約為30°。

根據圖2中，RC充放電電路的輸出經過增益電路后可得電流參考為：

式中k為增益，VC為RC充放電電路的輸入電壓，τ為RC的時間系數，θ為可控硅的導通角。

則在最小導通角對應的輸出為零，即電路輸出的最大值對應電流參考的最大值：

從式(1)和式(2)可得輸出電流表達式如式(3)所示，輸出電流在不同RC時間系數下隨可控硅導通角之間的關系如圖3a)所示。

在斬波角為θ時，電路對應的輸入功率為：

式中Vp為輸入電壓峰值，Rin為等效輸入阻抗。

假設電路的變換效率為η，且電路的輸出功率為PO=IO·UO，則可得到電路的等效輸入阻抗如式(5)所示。

從式(5)可得電路的功率因數如式(6)所示，功率因數隨可控硅的導通角的關系如圖3b)所示。

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