LED照明中TRIAC调光电路的研究与设计

摘要：本文阐述了TRIAC调光原理，并对LED照明中TRIAC调光存在的问题进行了分析，然后结合NS的LED驱动芯片LM3445调光实现方式，设计出TRIAC调光具体电路，最后通过仿真对该电路进行了验证。本文通过合理的电路设计解决了LED照明中TRIAC维持电流IIH不足，TRIAC导通瞬间输入电流振荡等问题，最终满足了TRIAC调光器在LED室内照明中的应用需求。

关键字：TRIAC调光；LED照明；AC-DC；

中图分类号：TN43 文献标识码：A

Research and Design of TRIAC Dimming Circuit for LED Lighting

ZHANG Xu-dong , ZHANG Bo

（State Key Lab of Electronic Thin Films and Integrated Device, University

of Electronic Science & Technology of China, Chengdu 610054, China）

Abstract: This paper describes TRIAC dimming principles, and the problems of TRIAC dimming for LED lighting are analyzed, and it refers to TRIAC dimming implementations of NS's LM3445, then TRIAC dimming Circuit is designed. And finaly the circuit is verified by simulation, the TRIAC dimming problems for LED lighting is solved, such as the current is smaller than IIH, and input current oscillation when TRIAC is turned on, ultimately it realizes that the TRIAC dimmer applys in residential LED lighting.

Key words:TRIAC Dimming; LED Lighting; AC-DC;

1 前言

与现有节能灯含汞、会影响环境相比，发光二极管（LED）照明更为环保、节能及长寿命。而随着LED照明在性能、成本等各个方面的持续改善，室内LED照明必将进一步普及，这必然会对室内LED照明的调光解决方案提出一系列要求 [1]。

LED调光主要有以下几种可选方案：模拟调光、脉宽调制（PWM）调光，可控硅（TRIAC）调光方案。模拟调光的优点是调光噪声小、电源转换效率高。PWM调光优点在于调光的线性度、色度好。这两种调光方式的缺点是都需要额外的电路来产生模拟调光信号或PWM信号，这需要对原有的室内照明线路进行改动。而基于传统白炽灯的TRIAC调光方案，可将白炽灯具直接替换为LED灯具，它具有巨大的优势：不用修改原有照明线路即可实现调光功能，节省了室内照明改装成本和复杂度。

将TRIAC调光应用于LED照明电路中，主要有以下两个问题需要解决：⑴可控硅由于其结构的特殊性，一般导通之后需要至少几个mA的维持电流才能保证其不会关断。然而许多LED驱动器都适合采用桥式整流器， 电路只在电压峰值出现时的一小段时间内存在电流，而在每半个周期的其余时间都不会有电流。另外，由于LED消耗电流小，当TRIAC导通瞬间，LED呈现的大阻抗引起电源输入电流振荡，LED出现闪烁现象，因此电路中必须要有维持可控硅导通的电流泄放回路以及防止振荡的阻尼电路[2]。 ⑵如何对可控硅的调光信号进行内部电路处理，从而实现对LED电流大小的调节，最终实现对LED亮度的调节。本文结合美国国家半导体公司（NS）的LED照明驱动芯片LM3445的TRIAC调光方案进行分析，并进行详细电路设计，最终设计满足了TRIAC调光在LED照明上的应用需求。

2 TRIAC调光原理以及潜在问题

传统白炽灯TRIAC调光器电路如图1所示，调光器由TRIAC、双向触发二极管（DIAC）以及电阻R1、R2、电容C1构成的延时电路组成。电路接入交流市电后，电源对电容C1进行充电，当C1上的电压达到DIAC的触发电压时，TRIAC导通，白炽灯获得交流电源供电。电路中，电阻R1用于改变充电时间，从而控制每个市电周期内的白炽灯的导通时间。这种TRIAC调光器应用于LED照明电路时，会存在下列几个问题：

（1） 电路没有足以维持TRIAC导通的电流

由于TRIAC导通后需要一定的维持电流IIH，与传统白炽灯不同，LED消耗的功率很小，以至于输入交流电流很小，特别是采用桥式整流器的LED照明电路更为严重，电流仅在输入电压峰值的很小范围内出现，这会造成TRIAC调光范围不足，也会引起LED闪烁[3] 。

（2）TRIAC导通瞬间输入电流出现振荡

由于LED灯消耗功率小，对前级电路呈现很大的阻抗，在TRIAC导通瞬间，过冲电流直接对电路中输入电容Cin进行充电，如图2所示，电路输入电流会出现强烈振荡和逆流,而振荡和逆流会造成LED闪烁，甚至TRIAC的直接关断。与此同时，dv/dt的急剧上升也会使得电容Cin上出现极大的过冲电压，过冲电压太大时会烧坏输入电容Cin[4]。

3 TRIAC调光电路设计

应用TRIAC调光的LED照明整体电路如图2所示，参照NS的LED照明驱动芯片LM3445进行分析，交流电源经过TRIAC调光、电磁干扰（EMI）滤波、整流后给后级电路供电，LED驱动芯片采集TRIAC调光信号并经过内部电路处理最终实现对LED电流大小的控制。

3.1 TRIAC调光潜在问题的解决办法

1） 电路没有足以维持TRIAC导通的电流问题的解决办法

为了保证TRIAC不会因为电流太小而关断，在图2中，电阻R3起分流作用，R3的计算过程如下：

Ibleeder≈IM1=IR3+IVCC （1）

其中，Ibleeder是分流电路总电流，IM1是MOS管M1上的电流，IR3是电阻R3上的电流，IVCC是驱动芯片的供电电流。

其中，IIH是可控硅维持导通最小电流

电路中加入稳压管D1目的在于使电流泄放回路电流恒定，不随整流电压Vbr大小变化，电路中，当BLDR引脚检测电压小于7.2V时，R3分流电流太小，此时芯片内部接入230Ω电阻以增大回路电流，使TRIAC正常导通。

2）TRIAC导通瞬间输入电流出现振荡问题的解决办法

TRIAC导通瞬间，芯片内部接入电路中的230Ω小负载有利于减小电压过冲和振荡，为了进一步减小振荡，可在电路中加入R1，C1 阻尼电路，如图2所示，取R1=510Ω，C1=220nF，在满足要求前提下，实际电路中可进一步减小电容C1以减少损耗，提高电路效率[5]。

3.2具体电路的实现

3.2.1 TRIAC调光信号的处理

在图2中，M1，D1，R2，R3组成了电平平移电路，TRIAC调光的高压信号经过电平平移电路后转化为小于15V的低压信号以供后续电路的检测使用，D2，C2组成滤波电路以为LED驱动IC提供电源。

图3为调光内部电路1，其中，R1、C1构成了4us延时电路，比较器ANGLE COMP、4us延时电路、M1和230Ω电阻共同组成了一个电流分流电路，导通瞬间可增大回路泄放电流，减小电路过冲和振荡。

4us延时计算公式如下：

Uc（t）=Us（1-e■） （5）

以电容电压Uc（t）上升到稳态电压Us的90%计算，得：

t≈2.3τ=2.3R1C1 （6）

由此可设定R1=200kΩ，C1=8.7pF

电路中的ANGLE COMP电路如图4所示

电路中M9，M10起正反馈作用，使比较器具有迟滞作用，I0，I1对比较器输出波形进行整形，并提高输出驱动能力。如图3所示，比较器输出信号延时后经过两级反相器将信号整形为幅值为4V的脉宽信号，脉宽信号再经过R4，C3低通滤波后，得到一个电压范围为0~4V的直流电压V2，V2与幅值限定为1~3V的锯齿波进行比较，小于1V的信号比较器输出为高，大于3V的信号比较器输出为低，从而实现了将TRIAC调光角度限定为45°~135°。

3.2.2 TRIAC对LED电流值的设定

如图5所示，Ramp比较器输出脉宽信号经过M1反相后转化为750mV的脉宽信号，再经过R2，C4滤波后得到直流信号Vdim，Vdim的幅值代表了TRIAC的导通角的大小，它通过与检测电压Vsense比较，可对图2中电感L1峰值电流进行设定，从而实现了对LED电流的设定。

（8）

其中，Vdim是调光电压，R6是电流检测电阻，IPK，IAV，dI分别是电感L1的峰值电流、平均电流和纹波电流。

4 电路仿真结果

本文利用Cadence工作平台进行电路设计,利用Hspice对LED驱动IC中调光部分进行了仿真。采用的仿真模型主要有：

输入电源为220V交流，负载为10个LED（单个LED的VF=3.2V）串联形式，设定R6=1.8Ω，R5=576KΩ，

图6为电路稳定后调光90 °波形1，由于电路加入了230Ω小负载，以及R1，C1阻尼电路，Vbr波形过冲和振荡较小，解决了因为振荡导致TRIAC的关断，从而引起LED闪烁的问题。

图7，图8为调光信号Vdim、经过边沿消隐后的Vsense电压、Coff引脚上电压、功率MOS栅压，以及ILED的稳态波形。图中，调光135°时ILED理论值为339mA，实测为346mA，调光90°时理论值为130mA, 实测为144mA，仿真结果达到了TRIAC控制LED电流的目的，实测电流均比理论值大，这是由于电路中PWM比较器的误差，以及电路开关延时、噪声等因素造成的，电路设计中这些地方还可进一步完善。

5 结论

本文对LED照明中TRIAC调光存在的问题进行了认真分析，并设计出具体电路。最后通过仿真对该电路进行了验证，由仿真结果可以看出,这种设计方案达到了设计要求，实现了TRIAC调光器对LED灯亮度调节的目的，它适用于室内LED照明的应用场合。

参考文献

[1]

[2] LM3445 pdf，2010，National Semiconductor

[3] Tony Lai，以TRIAC相位控制调光器取代可调光LED照明系统 ，National Semiconductor

[4] Rand Dustin ,Lehman Brad, Shteynberg Anatoly, et al,Issues, Models and Solutions for Triac Modulated Phase Dimming of LED Lamps，Power Electronics Specialists Conference,2007, 1398 -1404

[5]LNK403-409 pdf，2010，Power Integrations

[6]Christophe P.Basso开关电源SPICE仿真与实用设计.2009

作者简介

张旭东,硕士研究生，主要从事模拟集成电路与功率集成电路的研究设计。

张波,教授，博士生导师，主要从事功率半导体技术、电源管理集成电路及专用集成电路的研究设计。