LM3445调光应用分析

采用传统壁挂式 TRIAC 调光器 调控 LED 亮度 2 李云龙 美国国家半导体 电源管理产品应用工程师 采用传统壁挂式 TRIAC 调光器 调控 LED 亮度 3 •目前半导体照明采用的光源及其相关的配套设施 •传统 Triac调光器的工作原理以及利用 TRIAC 调光器调 控 LED 亮度时所面对的问题 •美国国家半导体最新推出支持 TRIAC 调光器的离线 LED 驱动器可以直接替换现有的照明系统 •总结 内容纲要 半导体照明及其应用 5 半导体照明的未来发展趋势 •高亮度 LED 的成本持续下降，而且性能不断的提高。 •预计在不久的将来，LED 的光效将可媲美小巧的荧光灯， 而且… – LED 的寿命更长，以及 – 不含水银 •一般半导体照明产品必须满足以下条件… – 必须符合照明系统的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 规格，例如 PAR30/38, T5/T8.. – 必须与包括壁挂式调光器开关等现有的配套装置兼容 6 控制亮度的 TRIAC 调光器 灯泡 G MT2 MT1 0.1µF 3.3kΩ 250 kΩ linear pot Triac 双向触发器二 极管 (diac) a c n b TRIAC 调光器 目前最常用的亮度调控 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 是采用 TRIAC (三端双向可控硅) 调光器进行调控，但其缺点是只适用于白炽灯泡或卤素灯!! 7 Light Bulb G MT2 MT1 0.1 µF 3.3 kΩ 250 kΩ linear pot Triac 双向触发器二 极管 (diac) a c n b G MT2 MT1 0.1 µF 3.3 kΩ 250 kΩ linear pot Triac 双向触发器二 极管 (diac) a c n b ? TRIAC 调光器 用 LED 替换白炽灯并且可以沿用原 有的照明设施，保留原有的低成本 TRIAC 调光器及相关配套装置!! 利用传统 TRIAC 调光器调控 LED 的亮度 TRIAC 调光器 传统 TRIAC 调光器的工作原理 及 利用 TRIAC 调光器调控 LED 亮 度时所面对的问题 9 TRIAC 调光器的工作原理 • 由 R1、R2 及 C1 组成的 RC 延时电路可以令 TRIAC 调光器延迟启动，直到 C1 的电压上升至触发交流二极管 (Diac) 的触发电压。 • 电位器的电阻越大 (滑动指针越向下滑移)，启动延迟时间便越长。这样可缩短 TRIAC 调光器的“导通时间”或 “导通角” (θ)。 Æ负载获得的平均能量就会减少。 10 TRIAC 调光器适用于白炽灯 …... • 由于白炽灯是真正的阻性负载，因此 TRIAC 调光器可用于白炽灯。 • 脉冲发生器启动时，闸流晶体管会突然启动。当电流跌至维持电流以 下时，闸流晶体管会在电压接近过零点时断开。 电感器及电容器会抑制电压 尖峰，以便减少传导型的电 磁干扰。 电灯本身会对 L-C 滤波器产 生阻尼，而且可为闸流晶体 管提供持续导通电流。 11 TRIAC Dimmer 不适用于一般的交流/直流 LED 驱动器 …... • 大部分荧光管、小型荧光灯以及 LED 都贴有一张说明纸 声明 “不适用于连接 TRIAC 调光器调控亮度” Æ因为对于调光器来说，这类灯具并非真正的阻性负载 • 一般的交流/直流开关模式 LED 驱动器 12 TRIAC 调光器与交流/直流 SMPS 的接口问题 • 当 TRIAC调光器导通时, 交流电压会突然对 输入端的 LC滤波器充电, 这样可能会引起输入电流的震荡。 • 典型的 TRIAC 调光器开关内含可抑制电磁干扰的电容器 (10-100 nF), 由于这个电容器与 TRIAC 调光器并联连接，因此可能会造成较 大的浪涌电流流入输入电容器。 Æ尤其是调光器关断后, 这个电流可能导致输入电压大幅上升。 • 许多交流/直流 LED 驱动器采用简单的桥式整流方法。根据这个方法, 驱动器只会在一段极短时间内汲取电源供应的电流。 Æ因此 TRIAC 调光器没有维持持续导通的电流, 所以无法正常工作 • 若直接连接 AC/DC SMPS 系统, TRIAC 调光器便没有维持导通的电 流, 也不会产生阻尼效应 !! 支持TRIAC调光的离线 LED 驱动器 可实现灯泡的直接替换 14 支持 TRIAC 调光的离线 LED 驱动器 – LM3445 灯泡 G MT2 MT1 0.1 µF 3.3kΩ 250 kΩ linear pot Triac 双向触发器二 极管 (diac) a c n b G MT2 MT1 0.1 µF 3.3 kΩ 250 kΩ linear pot Triac 双向触发器二 极管 (diac) a c n b LM3445 TRIAC 调光器 采用由 LM3445 驱动的 LED 直接替 换所有白炽灯，而无需改变原有的 低成本 TRIAC 调光器及相关配套装 置!! TRIAC 调光器 15 支持 TRAC 调光的 LM3445 LED 驱动器 : 电路图及结构框图 2307.2V DIM Decoder 750mV 16 LM3445 – “导通角” 检测电路 • 外置串行稳压器将 TRIAC调光 器的整流电压转换为一个 LM3445 芯片的 BLDR 引脚可 以检测的电平。 • 由于 Q1 的源极没有电容，因此 BLDR 引脚的电压就跟随 TRIAC整流电压一同上升或下降。 D1 Q1 • 当 TRIAC 处于关态时维持 VCC 引脚的电压Æ为 LM3445 芯片提供正常的工作电压。 VBLDR 2307.2V 17 LM3445 – 电流泄放电阻 • 为何必须加设电流泄放电阻? --在 TRIAC 调 光器没有启动前，必须为其提供直流通路， 以确保其调控电路可以正常工作 Æ仿真 TRIAC维持导通的效果!! •当 BLDR 引脚电压低于 7.21V 的阈值时 (即 TRIAC 仍未启动) Æ电流泄放 MOSFET 先导通，给稳压器提 供一个小负载 (230 ohm)。 •在 TRIAC没有启动前，需要有一个电流路径 来给延迟电路充电，所以一个预置的负载是 非常必要的 !! • BLDR 引脚电压高于 7.21V 时 (即 TRIAC调 光器已启动) Æ电流泄放电阻会断开，以便提高效率。 2307.2V DIM Decoder 18 LM3445 – 相位检测及 DIM 调光信号译码器 230 7.2V DIM Decoder 相位检测 • 导通角检测电路及其滤波器可在滤波器 1 (FILTER1) 引脚产生直流电平，而这 一电平与 TRIAC 调光器的导通角是相 对应的。 DIM 调光信号译码器 • FILTER1 引脚的直流电压和 5 kHz 的 锯齿波比较，所得到的脉冲宽度和 FILTER1)引脚的平均电压成反比。 • 由于 MOSFET 翻转比较器的输出，因 此 MOSFET 漏极电压的持续时间与 输入 TRIAC 电压的占空比成正比。 • RC 滤波器将该电压平滑滤波，得到一 个稳定的 FILTER2电压，然后将这个 平均电压用作 PWM 控制器的参考电 压，来调整 LED 的连续电流。 19 LM3445 – 浮动的恒流降压稳压器 Q2 开 Q2 关 20 固定的关断时间控制方法简介 • 固定关断时间控制架构：其运作原理非常简单，也就是设定关断时间和 允许导通时间。这样，开关频率是随着输入或输出电压的改变而 变化。 固定关断时间控制功能的优点固定关断时间控制功能的优点 • 当输入或输出电压改变时，都能确保流过 LED的平均电流及纹波电流 恒定不变Æ即使输入电压改变或 LED 的压降 (VLED) 随着温度变化而 出现漂移，LED 都有一致的亮度!! • 低端电流检测，检测电阻不是总与 LED 串联一起Æ这样可提高效率。 21 LM3445 LED 驱动器的典型波形 (I) Vfilter1 Internal 5 kHz sawtooth VDIM DIM 比较器输出端的内置 MOSEFT 漏极信号 750 mV Vfilter2 相位检测 DIM 调光信号译码器 放大 专用的相位检测器及 DIM 调光信号译码器先将 TRIAC 的斩波信号转化为模拟或数字调整信号，这样便可利 用 TRIAC 调光器对 LED 的亮度进行线性调整 !! VBLDR Vfilter1 放大 22 LM3445 LED 驱动器的典型波形 (II) Vref (750 mV) Vfilter 2VCS Vgate ILED I_ave 降压稳压器 随着 TRIAC 调光器的导通角逐渐缩小，LM3445 会降低它内部比较器 的参考电压 (V_filter2)。 Æ只要调低降压转换器的占空比，便可调低 LED 的连续电流。这样可 以免去 120 Hz 的闪烁!! 23 谷底填充方式的功率因数校正电路 充电期 放电期 Vin > Vin < 谷底填充电路的作用： • 让降压稳压器可在整个交流周期都能够取用输入线路的供电 –无源功率因数 校正功能Æ在 100%亮度时，功率因数可以达到 0.9，可以满足美国环保局 能源之星的规定 ! • 这样，即使在 TRIAC 调光器导通角较小时，也可以保证降压转换器正常工作 Æ避免出现120 Hz 的闪烁 ! 24 LM3445 – 主/从系统的操作 • LM3445 可以允许级连的方式工作，这样便可利用一个 TRIAC 调光器来控制多串 LED 的亮度。Æ可以实现对多串 LED 亮度一致的控制!! • 当 LM3445 芯片的 FLTR1 引脚电压高过 4.9V (典型值)，最理想是连接到 VCC 时, 斜 坡比较器被关闭, 使调光信号译码器失效。Æ成为被动控制的 LM3445 • 只要将单一或多片 LM3445 驱动器或 PWM LED 驱动器 (从属器) 的 DIM 引脚连接一 起, 便可利用一颗 LM3445 芯片 (主控器) 控制多颗从属芯片。 25 LM3445 120 VAC 演示板 网上定购网址： http://www.national.com/store/view_item/index.html?nsid=LM3445TRIACEVAL 26 LM3445 120 VAC 演示板的详细电路图 Optional, possible no load or short 27 LM3445 120 VAC 演示板的效率 28 LM3445 220Vac 演示套件 Efficiency of 220Vac LM3445 demo Kit 70.0 72.0 74.0 76.0 78.0 80.0 82.0 190 210 230 250 270 Input Voltage (VAC) E f f i c i e n c y ( % ) 8个串联 1W LED 29 LM3445 LED 驱动器的测试波形 全亮 CH1: Buck MOSFET 的栅极信号 CH2: LM3445 芯片 Vcc引脚的电压 CH3: LED 电流 CH4: Buck的输入电压 低亮 随着 TRIAC 调光器的导通角的缩小，Buck电路 是通过调低占空比来减小 LED 的平均电流的。这 样可免去 120 Hz 的闪烁 !! 30 总结 •一般的交流/直流 LED 驱动器无法支持传统壁挂式 TRIAC 调光器。 •美国国家半导体最新推出支持 TRIAC调光器的离线 LED 驱 动器能够解决这个问题，确保 LED 可以替换已配有标准 TRIAC壁挂式调光器的白炽灯或卤素灯系统。 •这款驱动器可在 100:1 的亮度范围内进行线性调整，而且保 证不会产生 120 Hz 的闪烁。此外，这款驱动器还有功率因 数校正 (PFC) 功能，以及可以支持主/从系统操作。 31 更多有关信息… • TRIAC 调光离线 LED 驱动器: http://www.national.com/analog/led/triac_dimming •通用照明: http://www.national.com/led • Webench LED Designer –网上设计工具: http://www.national.com/webench/led • LED 参考设计: http://webench.national.com/webench/ledrefdesigns.do 32