一种自激式LED调光线路的设计

1、一种自激式LED调光线路的设计林海滨作者简介：林海滨（1986），男，福建泉州人，研究方向：电力电子技术、电源技术、LED驱动，Email：linhaibin896 上面的横线同原来的基金项目的一样（福建 厦门）摘要：基于振铃扼流器（RCC，Ringing Choke Converter）技术设计了1款LED驱动电路，该电路自带开路和短路保护功能。系统由整流滤波电路、续流电路、振荡控制电路、高频吸收电路、电压反馈电路、输出滤波电路、LED负载电路及调光电路等组成。振荡控制电路是核心，其主要由变压器、信号放大器及功率放大器、LC串联谐振器、LC滤波器等组成；LED负载电路，由N个LED灯珠串联或

2、者并联组合而成，广泛适用于LED灯和LED系统中。该驱动电路效率可达到90%。系统最大的特点是元器件数量少，结构简单，调试方便，易形成低成本方案。关键词：LED；RCC；振荡控制；调光；驱动；低成本中图分类号请给出中图分类号，查阅：TN751.3 文献标识码：A DOI： A kind of dimming circuit design for LED base on self-excitationLIN HaibinXiamen FujianAbstract: Based on Ringing Choke (RCC, Ringing Choke Converter) technology t

3、o design the 1 LED drive circuit, the circuit with open circuit and short circuit protection function. System by the rectifier filter circuit, stream, oscillation control circuit, high frequency absorption circuit, output voltage feedback circuit, filter circuit, LED load circuit and the dimming cir

4、cuit, etc. Oscillation control circuit is the core of the main transformer, amplifier and power amplifier, LC series resonator, LC filter, etc. Load circuit, LED by N LED lamp bead series or parallel combination, widely used in LED lights and LED in the system. The driver circuit efficiency can reac

5、h 90%. The most obvious feature of the system is less number of components, simple structure, convenient debugging, easy to form low cost solution.Key words: LED, RCC, vibration control, dimming, driver, low cost引言LED光源被誉为“第4代光源”，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、

6、背光源、普通照明等领域。由于LED光源是半导体器件，其驱动电源通常需要低压，所以，LED灯具都会带有相应的驱动器。这类驱动器往往使用开关电源（包括开关变压器，振荡电路，保护电路等），考虑到调光功能、精度和寿命等问题，有的甚至运用到IC。这类电路的共性是线路复杂，成本较高，且不具空间优势，在需要内置电源如球泡灯和蜡烛灯等中低功率LED灯和LED系统中难以推广使用。基于振铃扼流器（RCC）的驱动电路由于克服了现有IC的成本高、空间受限等缺点，因此基于RCC的驱动电路在中低功率的LED灯和LED系统中应用非常广泛。1 电路工作原理分析1.1 系统框图总体设计框图如图1所示，系统主要由7部分组成。AC

7、输入电压范围为102138 V，180265 V；频率范围为5060 Hz。图1 系统整体设计框图1.2 振荡控制原理图2示出了本设计的1种典型的降压式（BUCK）拓扑的开关电路，工作原理如下。图2 RCC-BUCK电路原理图上电后，输入的交流电经过桥堆BD1的整流后，在电容（包括C1、C2、C3）两端成为直流电，这个直流电流经LED负载LED1，流过R7、R8，然后流过电容器C4与R4串联组成的网络，再流经辅助绕组T1-2到地。在这个过程中，对C4进行充电，随着C4的电压上升，当电源开关Q1的b点处的电压达到0.7 V后，Q1导通，此时主功率电路（包括负载LED1、主绕组T1-1、电源开关Q

8、1、电阻R11/R12）开始工作，电流流经LED1负载、T1-1、Q1、R11/R12到地，流过T1-1的电流会线性上升，此时在辅助绕组T1-2上产生感应电流，流经R4、C4，从而加速Q1的导通，当流经R11/R12的电流达到设定值（例如500 mA）时，此时由于Q1的b点电压会达到0.7 V请问下为何c点电压达到0.7V？，此时会有电流流向Q2、Q3和由电阻R2、R3、R5、R6、Rc组成的电压补偿网络共同开通控制开关Q2、Q3，从而使Q2、Q3饱和导通，由于Q2、Q3饱和导通会把Q1的b点电压拉低到0.4 V以下，从而使Q1关断，这时流过主绕组T1-1的电流开始流向二极管D1、LED1负载

9、，即开始freewheeling有中文名字吗？中文名字表述不够准确，形成1个新的回路，电流开始线性下降，此时T1-2上产生感应负电压，通过C4、R4加速Q1的关断。同时由于二极管D3的嵌位作用，导致b点的电压为-0.7 V，使得Q2、Q3也被关断，当流过T1-1的电流降到0时，此时T1-1和Q1的c，e点间的分布电容形成谐振，从而使流过主绕组T1-1的电流先反向流，再正向流，当正向流过时，在辅助绕组T1-2感应到的正电压通过C4、R4再次使Q1导通；当Q1导通后，会让T1-2的感应电压加强，从而加速开通Q1，这时主功率电路（LED1、T1-1、Q1、R11/R12）再次开始工作，周而复始，以此

10、循环。1.3 恒流控制原理整个电路开启时，三极管Q1的基极驱动电流初次由电阻R7、R8提供，随后其基极驱动电流由T1-2通过C4和R4提供。三极管Q1的关断由Q2、Q3来控制，低压放大三极管Q2、Q3组成了达林顿结构，当它导通时，会将三极管Q1的基极驱动电流释放掉，使其关闭。因此控制Q1的导通时间是LED是否恒流的关键点。R5、R6、RC和Q2、Q3组成了温度补偿线路。RC为1种NTC热敏电阻，当图中F点电压大于VBE(Q2)+ VBE(Q3)(R6+RC+R5)/ (R6+RC)时，Q2、Q3组成的达林顿三极管导通，控制Q1关闭。当环境温度升高时，根据三极管特性，BE结正向电压会降低，即VB

11、E(Q2)+VBE(Q3)会降低。而热敏电阻RC阻值会减小，这样就起到了温度补偿反馈的作用。使F点电压在不同温度时仍能保证在相同电压值时使Q1关断。直接的结果就是不同的环境温度下，Q1仍能保持基本相同的导通时间。减小了温度对LED电流的影响。T1-2和R3在电路中是起到对电源电压反馈的作用，例如当电源电压升高时，Q1导通时，T1-2电压会升高，通过R3使F点是F点吗，请修改电压提高。从而能使三极管Q1适当提前关断，来减小LED电流受电源电压的影响。电阻R11/R12通过检测三极管Q1射极电流，把电流在R11/R12上产生的电压值通过R3反馈到F点，来控制Q1关断，达到恒流的效果。1.4 调光原

12、理AC信号经全桥整流电路全波整流后，每隔半个周期都有1段接近零点的区域，该低压区域往往导致用于LED开关及亮度调节的可控硅调光器内置导通电流不足，引起调光器关闭或打嗝，从而影响LED灯的调光性能。在信号输入电路与RCC振荡控制电路之间设有续流电路，为线路提供维持电流，防止LED灯在低压区域段发生闪烁，从而改善调光效果。1.5 DC-DC变换器选型采用BUCK电路（如图2），当输入端的电压小于LED的输出电压时，整个线路就会停止工作。因此，可以使LED调得更暗，调光效果更好。采用BUCK电路，不管是输出线圈T1-1处于储能或者是释能的情况下，LED负载输出总是有电流存在，因此电源的利用率就更高。

13、但是，在普通BUCK架构下，只有当输入电压大于输入电容电压时二极管才导通，这就限制了波形失真的改善空间，即便加入了有源功率因数校正（APFC）改善了功率因数（PF），也没办法有效地改善谐波失真（THD）。而BUCK_BOOST本身是DC/DC变换器，正好可以巧妙地利用这点。THD变差的根本原因是AC端电压和电流的同步变差，我们可以用BUCK_BOOST电路（如图3），来改善AC端电压和电流的同步性，从而改善THD。因此，对电源效率、调光要求较高的场所，我们首选BUCK架构；而在对效率要求不是很明显，而对谐波失真度有要求的场合，宜优先考虑BUCK_BOOST架构。图3 RCC-BUCK_BOOS

14、T电路原理图1.6 开路保护原理BUCK电路（图2），可利用二极管D4（选用普通的1N4007即可）的单向导通特性，起到负载开路保护作用。当LED开路时（空载或LED灯珠损坏），D4就处于反向截止状态，从而使R7、R8没有启动电流流过，电路无法启动，起到开路保护的作用 1。BUCK_BOOST电路（图3），稳压管ZD1、可控硅Q4、二极管D2、次级线圈T1-2共同组成开路保护网络。开路保护电路的工作过程为，当LED1两端开路（如LED灯珠损坏等）时，变压器初级绕组线圈两端的电压不断升高，初级绕组的K2端为正，K1端为负，此时次级绕组的K4端为正，K3端为负，直至稳压管ZD1反向导通，给可控硅的

15、门极提供了正向电压，可控硅导通，给开关管Q1、达林顿管Q2、Q3提供了反向偏置电压，导致开关管Q1、达林顿管Q2、Q3处于关闭状态，促使线路停止工作，使该线路处于保护状态，重新接通LED负载后（如换上新的LED灯珠等），电路可恢复正常工作。1.7 短路保护原理在BUCK电路中，一旦出现短路，A点电压近似等于母线电压，相当于母线电压全部加载在变压器T1的初级绕组T1-1，变压器的次级绕组T1-2很快获得非常大的感应电压V2=V1/n（n为变压器匝比），F点电压瞬间大于VBE(Q2)+VBE(Q3)(R6+RC+R5)/(R6+RC)时，Q2、Q3组成的达林顿三极管随即导通，从而开关管Q1基极只有

16、微弱电流Ib，不足以使开关管Q1导通，起到保护的作用。对于BUCK_BOOST电路，当LED灯珠短路时,由于二极管D1的嵌位，E点电压比D点电压大0.7 V，变压器T1的次级绕组T1-2，获得1个上负下正的感应电压，使得开关管Q1基极只有微弱电流Ib，不足以使开关管Q1导通，起到保护的作用。2 理论分析与参数计算2.1 变压器的设计RCC电路的计算包括功率主电路和控制电路的计算。下面结合实际调试电路来说明变压器的计算方法。2.1.1 BUCK电路变压器计算主要技术参数：输入电压：Vin(AC)=120 V10%，输入频率：fin(AC)=60 Hz；输出电压：Vo=42 V，输出电流：Io=2

17、10 mA；输出二极管电压：VD1=1.1 V；恒流精度：5%；工作效率：88%。欲设计1款额定功率为10 W的LED灯。计算出变压器的感量及匝比。利用公式如下。（1） （2） （3）（4）联立等式（1）（2）（3）（4）得 （5）从公式（5）可以看出，系统的工作频率与系统的输入电压Vin，负载LED的正向压降Vo，以及电感的感量L相关。系统输入电压Vin越高，电路的工作频率越高。为了兼顾 EMI 和效率，电路的工作频率范围一般设置在3080 kHz之间，所以应在系统最低输入电压下，选择合适的变压器初级感量，使系统频率满足设计的要求。设计中按最低输入电压、最大输出电流计算，此时振荡频率最低，取

18、为f=50 kHz。最低输入直流电压：将已设定的技术参数代入公式（5），得变压器的初级感量为Lpri=1.18 mH。结合三极管的特性，三极管有1个反向击穿电压，大概为912 V，因此，辅助绕组的电压一般选在810 V左右。因此，选择匝数比n=17。综上，我们可先根据计算值选取初级感量为1.2 mH、匝数比n=17（135:8），线径=0.21 mm的变压器，再根据整灯的实际情况要求进行参数微调。2.1.2 BUCK-BOOST电路变压器计算主要技术参数：输入电压：Vin(AC)=230 V10%，输入频率：fin(AC)=50 Hz；输出电压：Vo=108 V，输出电流：Io=125 mA；

19、输出二极管电压：VD1=1.1 V；恒流精度：5%；工作效率：88%。欲设计1款额定功率为15 W的LED灯。计算出变压器的感量及匝比。利用公式如下。 （6） （7） （8） （9）联立等式（6）（7）（8）（9）得 （10）从公式（10）可以看出，系统的工作频率与系统的输入电压Vin，负载LED的正向压降Vo，以及电感的感量L相关。系统输入电压Vin越高，电路的工作频率越高。为了兼顾 EMI 和效率，电路的工作频率范围一般设置在30120 kHz之间，所以应在系统最低输入电压下，选择合适的变压器初级感量，使系统频率满足设计的要求。设计中按最低输入电压、最大输出电流计算，此时振荡频率最低，取为

20、f=70 kHz。最低输入直流电压：将已设定的技术参数代入公式（10），得变压器的初级感量：=3.65 mH。结合三极管的特性，三极管有1个反向击穿电压，大概为912 V，因此，辅助绕组的电压一般选在810 V左右。因此，选择匝数比n=32。综上，我们可先根据计算值选取初级感量为3.6 mH、匝数比n=32（135:4），线径=0.21 mm的变压器，再根据整灯的实际情况要求进行参数微调。2.2 输出滤波电解电容的计算滤波电解电容实际上不是从纹波电压出发求取，而是根据它的允许纹波电流值决定的，用这种方法可以进行切实有效的设计，纹波电流求取方法如下（以BUCK电路为例）。知：输入电压：Vin(AC)=120 V10%，输入频率：fin(AC)=60 Hz；输出电压：Vo=42 V，输出电流：Io=210 mA；输出二极管电压：VD1=1.1 V；开关频率：f=50 kHz；工作效率：88%；基本保证寿命Lb=8 000 h（查规格书）；最高工作温度Tmax=105；电容的表面温度Tc=90（实测）；频率系数F=1（经验值）；电容内部温度提升与表面温度提升之比率=1.1（视电解电容直径而定）；最大工作温度时，恒定系数C=0.571（查规格书）；在加上最大