摘 要 : LM3445是一种被设计成与标准三端双向可控硅 ( TR IAC)调光器兼容的 AC2DC降压恒流 LED 控制器。LM3445含有一个 TR IAC调光译码器 ,允许利用 TR IAC调光器对 LED进行宽范围调光。该 文介绍了 LM3445的特点及其应用电路与设计。

关键词 : LM3445; TR IAC调光器 ;离线式 ; LED驱动器

0 引言

目前基于专用 IC的 LED驱动电路的调光主要有 数字 PWM调光和模拟 DC电压调光两种方式。如果 利用传统白炽灯和卤素灯三端双向可控硅 ( TR IAC) 调光器对 LED进行调光 ,不仅会出现 100 Hz/120 Hz 的闪烁 ,而且不能获得较大的调光范围。为解决标准 TR IAC调光器应用于 LED调光所遇到的瓶颈 ,美国国 家半导体公司 (NS)设计了一种与标准 TR IAC调光器 兼容的 AC2DC恒流 LED驱动器 LM3445,利用其内部 TR IAC导通角检测和调光译码器电路 ,使用传统白炽 灯调光器 ,可对住宅、建筑和工商业照明 LED灯串进 行平稳无闪烁调光 ,并实现 100∶1的调光比。

1 LM3445一般介绍

LM3445采有 10引脚 MSOP封装 ,引脚排列如图 1所示 ,各个引脚功能见表 1。

LM3445与一般 AC2DC恒流 LED 驱动器 IC比 较 ,最主要的区别是内部含有 TR IAC调光译码器电 路 ,从而允许利用传统 RTIAC调光器对 LED 进行宽 范围无闪烁调光 ,并具有高效率。LM3445的其他特 征包括应用 AC线路电压范围达 80～270VAC、固定关断时间可编程、开关频率可调节、VCC欠压锁定、电流 限制和热关闭保护以及支持主 /从控制功能的多芯片 解决方案 ,并能控制大于 1 A的 LED电流。

2 基于 LM3445的 TRIAC调光 LED 驱动电路

  基于 LM3445带 TR IAC调光器的 LED驱动电路 如图 2所示。由图 2可知 ,这种离线式 AC2DC可调光 LED照明电源由 TR IAC调光器、桥式整流器 BR1、整 流线路电压感测电路、无源功率因数校正 (PFC)电路 及 DC2DC开关型降压 ( buck)变换器等部分组成 ,核 心是控制器 LM3445。

2. 1 TR IAC调光器

在图 2中 ,连接在 BR1输入端上的 TR IAC调光 器电路如图 3 ( a)所示。这种标准 TR IAC调光器电 路 ,主要由 R1 , R2 , C1 和双向触发二极管 (D IAC)及 TR IAC组成 ,其调光波形如图 3 ( b)所示。R1 , R2 和 C1 值决定调光器的延迟。调节电位器 R1 ,使滑动片 向下移动 ,则将增加导通延时 , 而使导通角 θ减小 , LED亮度则变暗。这种相控调光器用于白炽灯调光 , 白炽灯则是被调控的负载。在图 2中 , TR IAC调光器 的负载则是桥式整流器 BR1及其之后的 LED驱动电 路系统。

2. 2 整流线路电压检测

R2 ,齐纳二极管 D1 和 Q1 组成通路调整器 (见图 2) ,将整流后的线路电压转换为一个合适的电平被 LM3445引脚 BLDR 感测。D1 的稳压电压是 15 V。 由于 Q1 源极上未连接电容 ,当线路电压降至 15 V以 下时 ,允许 IC引脚 BLDR上的电压随整流过的线路 电压升高和降低。

当 IC引脚 BEDR上的电压变低时 , (肖特基 )二 极管 D2 和电容 C5 用作维持 IC引脚 VCC上的电压 ,以 保证 LM3445 能正常操作。R5 用作泄放 IC 引脚 BLDR节点上寄生电容的电荷 ,同时在输出小电流时 为调光器提供所需要的保持电流。

2. 3 TR IAC调光译码器

TR IAC调光译码器导通角角度检测电路利用一 个门限电压是 7. 2 V 的比较器来监视 IC引脚 BLDR上的输入 (见图 2) ,以确定 TR IAC是否导通或关断。 比较器输出经 4μs的延迟线滤除噪声控制泄流电路 并驱动一个缓冲器 ,在 IC引脚 ASNS上的输出信号被 限制在 0～4 V,经 R1 和 C3 滤波产生一个相应于调光 器占空比的 DC电平输入到一个斜坡信号比较器反相 输入端 ,并与同相输入端上由斜坡发生器产生的 5. 85 kHz、摆幅为 1～3 V的锯齿波相比较。当 IC引脚 FL2 TR1上的电压 VFLTR1 < 1 V时 ,斜坡比较器输出将会持 续开通 ;当 VFLTR1 > 3 V时 ,斜坡比较器输出将被阻断。 这样以来 ,就会允许译码范围从 45°到 135°,从而提供 一个接近于 0～100%的调光范围。

斜坡比较器输出驱动引脚 D IM 和一个 N 沟道 MOSFET。MOSFET漏极上的信号通过内部一个 370 kΩ电阻和引脚 FLTR2外部电容 C4 滤波 ,作为调光译 码器的 DC输出。随调光器占空比从 25%到 75%变 化 ,调光译码器的 DC输出电压幅度从接近于 0 V到 750 mV变化 ,所对应的导通角为 45°到 135°,直接来 控制 LED电流。

2. 4 无源 PFC电路

在图 2中 ,位于 D3 和 C10之间的 C7 , C9 和 D4 ,D8 , D9 组成无源 PFC电路。这种由两个电容和三个二极 管组成的无源 PFC电路通常被称作部分滤波或填谷 式电路 ,其输出经 C10滤除高频噪声作为后随级降压 变换器的 DC总线电压 VBUCK。

在 AC线路电压的每个半周期内 ,当 AC电压幅 度高于其峰值的 50% (即 VAC ( PK) /2)时 , D3 和 D8 导 通 ,而 D4 和 D9 反向偏置 , C7 和 C9 以串联方式被充 电 , C7 和 C9 上的电压为 VAC ( PK) /2,每个电容上的电压 为 VBUCK /2,如图 4 ( a)所示。在此情况下 ,线路电流流 入负载。一旦 AC线路电压降至 VAC ( PK) /2以下 ,D3 和 D8 将反向偏置 ,而 D4 和 D9 则导通 ,这样就使 C7 和 C9 开始并联放电 ,放电电流流入负载 ,每个电容上的 电压都为 VBUCK ,如图 4 ( b)所示。

在不加入调光器时 ,利用一个大容量电解电容滤 波 ,在 AC线路半周期内 ,输入电流导通角仅约 60°, 功率因数不超过 0. 6。采用填谷式部分滤波电路替代 单个电容 ,电流流动角将增加到 120°(即从 30°到 150°) ,功率因数达 0. 9～0. 95。

在加入 TR1AC调光器并采用无源 PFC电路后 , 输入电流波形同样会得到修整 ,功率因数和 THD 得 到改善。

2. 5 降压式 DC2DC开关型变换器及其设计

控制器 LM3445, Q2 , L2 , D10和 R3 等 ,组成 DC2DC 降压式 ( buck ) 开关型 LED 驱动器 (见图 2 )。当LM3445驱动 Q2 导通后 ,通过 L2 的电流线性增加 ,并 被 R3 感测 ,一旦 R3 上的电压达到 1. 27 V的门限 , Q2 则关断 ,L2 将放电 ,电流经 D10流入 LED串。C12的作 用是用来消除电感电流的大部分纹波。

R4 ,Q3 和 C11提供一个线性斜坡 ,用作设置固定关 断时间。

降压变换器很多参数都与电压 VBUCK有关。VBUCK 的最大值为 VBUCK(max) =VAC (max) · 2。由于 TR IAC调 光器的最大导通角是 135°,VBUCK的最小值则为 VBUCK(m in) = VACm in · 2 sin (135°) 2 (1)

例 如 , 若 AC 输 入 电 压 范 围 是 90 ～ 135 V, VBUCK(m in)则为 45 V。该电压值是确定串联 LED 数量 的依据。

对于降压变换器 ,其占空因数 D约为 1 η · VLED VBUCK = D (2) 式中 η为效率 ; VLED为 LED串的总压降。

开关频率 fsw可表示为 fSW = 1 - D tOFF = 1 - 1 η · VLED VBUCK tOFF (3)

关断时间 tOFF则为 tOFF = 1 - 1 η · VLED VBUCK fSW (4)

在关断期间 , L2 上的电压 VL2 (OFF) 与 VLED大约相 等 ,于是可得 VL2 (OFF) = VLED = L2 · Δi Δt = L2 · Δi tO FF (5) 式中 Δi为峰 —峰值电感纹波电流。由式 ( 5 )和式 (4)得 L2 = VLED ·tOFF Δi = VLED 1 - 1 η · VLED VBUCK fSW ·Δi (6)

如果 AC输入电压范围是 90～135 VAC ,开关频率 fsw = 250 kHz,LED串含 7个 LED,每个 LED的正向压 降 VF = 3. 6 V,平均 LED电流 ILED = 400 mA,变换器效 率 η≥80% ,LED串的总电压降 VLED则为 VLED = VF ×7 = 3. 6 ×7 = 25. 2 (V)

Δi按 ILED的 30%选择 ,Δi值则为 Δi = 400 ×30% = 120 (mA)

在正常线路电压 (115 VAC )上 ,VBUCK值可按 115 V × 2来计算。根据式 (4) , tOFF为 tOFF = 1 - 1 0. 8 · 25. 2 115 × 2 250 = 3. 23 (μs)

选取 tOFF = 3μs。根据式 (6)得 L2 = 25. 2 1 - 1 0. 8 · 25. 2 115 × 2 250 ×120 = 677 (μH)

通过 R4 的电流 ICOLL在 50μA与 100μA之间 ,选 择 ICOLL = 70μA, R4 值则为 R4 = VLED / ICOLL = 25. 2 /70 = 360 ( kΩ) R4 选择 365 kΩ的标准电阻。

LM3445引脚 COFF内部门限电压是 1. 276 V, C11 上的充电电流约为 VLED /R4 , C11值为 C11 = VLED R4 × tOFF 1. 276 = 25. 2 365 × 3 1. 276 = 162 (pF)

C11选择 120 pF的标准电容。

对于其他元件 ,选择 C10 = 1 μF/50 V, R3 = 1. 8 Ω; Q2 和 Q1 一样 ,选用 300 V, 4 A的 MOSFET; D10选 用 400 V, 1 A的二极管。

2. 6 主 /从配置

LM3445支持主 /从控制功能的多芯片解决方案 , 利用一个 TR IAC调光器、一个无源 PFC电路和一个 基于 LM3445的降压变换器 ,可以控制多个从属降压 变换器 ,驱动多串 LED灯。图 5所示为主 /从配置图。 在主 /从配置中 ,主 LM3445 的引脚 D IM 连接从属 LM3445的引脚 D IM,在主 LM3445引脚 VCC上的电阻 R10用二极管 BAS40替代 ,从属 LM3445的引脚 FLTR1连接到其引脚 VCC。

3 小结

世界首款含有 TR IAC调光译码器的高效 AC2DC 恒流 LED驱动器 LM3445,可以利用传统白炽灯 TR I2 AC调光器 ,实现对 LED串的平稳无闪烁调光 ,调光范 围几乎可达 0～100%。LM3445还支持主 /从控制多 芯片解决方案 ,采用一个 TR IAC调光器便能控制多 串 LED。