一种适用于大范围高亮度LED电路

作者：Alexander Craig

引言

高亮度LED是传统白炽灯的一种理想替代方案，因为前者的寿命和效率都比后者高得多，而且不同于紧凑型荧光灯泡，这些LED能够在低温下工作。然而，和冷阴极荧光灯（CCFL）灯泡一样，高亮度LED也未能摆脱众多家庭和应用中常见的三端双向可控硅（TRIAC）调光器。本文将介绍一种具成本优势的高亮度LED（HB LED）调光方法。

设计挑战

基本TRIAC调光器开关广泛运用于家装店和大多数家庭，要了解有关采用这种调光器开关的设计挑战，我们必须对TRIAC电路的基本工作原理以及高亮度LED电路的基本设计原理进行深入的研究。

高亮度LED一般由恒流电源驱动，因为随着LED逐渐变热，其电压降将减小；而且，若LED串由恒压电源供电的话，电源往往会持续提供过多的电流，使输出电压增大，直到电源达到电流限值或LED失效。

基本的LED调光方法

高亮度LED有两种基本调光方法。第一种是PWM调光方法，即在大于200Hz的某些频率下以0%到100%的不同的导通时间百分比（占空比）导通和关断LED。在导通期间LED满电流工作，而在关断期间LED上没有电流流过。这就保证了色彩的一致性。

另一种方法是控制流经LED串的电流量。这可能导致LED串的电压下降，并造成轻微的色差。不过，如果观察调光器打开情况下工作的白炽灯，也会看到明显的色彩变化。

TRIAC调光器的工作原理：

大多数调光器内都有一个简单的TRIAC电路，其核心如图1所示。我们讨论的重点是TRIAC的两个属性。即一旦栅极被触发就允许电流流过，以及若有足够电流流过，TRIAC就保持导通。要设计正确的调光电路，必须了解这两个电流，触发电流和保持电流。以调光器开关中常采用的3A 800V TRIAC器件FKPF3N80为例，该器件的触发电流为20mA，保持电流为30mA。当栅极电流接近20mA时，该TRIAC导通，当流经电流至少为30mA时，TRIAC保持导通状态。

当用户旋开调光器旋钮时，他其实是在改变电阻分压器。分压器在AC周期内设置不同的触发电流点，从而设定TRIAC的触发点。通过选择TRIAC的设置点，用户实际上选择了负载供电所需的AC电压的占空比，而这个占空比是LED驱动器调节LED亮度所需的信息。

为了对LED进行调光，需要把60Hz占空比转换为可用于上述任一种调光方法的数值。一旦触发导通，必须确保TRIAC有足够的电流。第一部分很容易做到，可利用图2所示的电路来实现。图中，TRIAC调光器和双向光耦合器从AC线输入获得占空比信息，对简化电路进行供电。

图2　Triac调光器

120Hz信号经一个电阻/电容滤波器处理为代表AC电压占空比的电压，并经由TRIAC调光器提供给电源。可通过多种方法利用这个电压来控制LED电流。在图示电路中，利用两个电阻把双极结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT）偏置到所需的较大负载电流，并假设光耦合器完全导通（占空比=100%），滤波器电容被充电到较大电势能量。鉴于V_CC一般都很低，小于~24V，所以电容的尺寸很小，即使其数值往往相当大，足以作为120Hz滤波器。

在上述实现调光器和 LED 电流调节器的方法中，较好是有一个恒压电路。这样一来，就可以利用简单的 BJT 来调节电流。设计人员需要把 BJT 完全偏置到LED 串允许的较大电流，并在该电流下把输出电压设置到冷 LED 温度所需的值，从而让 BJT 能够以 100% 的占空比控制电流。注意 V_CE 低至 ~0.2V，电流较大值一般在350mA 到 1.35A 间。因此，对于 1.35A 负载电流的设计，功耗为 V_CE(SAT）* Ic ~ 0.27W。随着占空比下降，BJT 开始限制电流，其 V_CE 将上升，故在 50% 占空比饱和的情况下，LED 电流将为较大设计点的一半。因此功耗为 V_CE * Ic，并很容易设计为足够低的范围，以便于管理。

这种方案的另一个关键部分是作为恒压电源工作的 AC-DC 电源。这通常会消耗大量电流，使调光器开关中的TRIAC一旦触发即闩锁（latch）。

由于我们有代表AC输入（RC滤波器输出的）占空比的电压，故我们能够利用这一信息来控制由其它电路驱动的 LED的亮度。要在电路中采用逐脉冲（pulse-by-pulse）电流限制或PWM电流限制技术，基本AC-DC电路必须是恒流电路，如图3

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