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TRIAC的调光原理是什么?

经过多年的发展,受益于成本的降低及技术的更新,LED应用在近年取得了突飞猛进的发展。如果能够兼容除了灯具以外的设备,将会节省很大的成本,使LED更快地取代当前的照明产品。当前照明用的调光器大部分为可控硅调光,因此所设计的LED驱动芯片若能兼容可控硅调光,则具有重大的意义。由于LED驱动是一门新兴的技术,市场上能兼容可控硅调光的芯片还很少,因此本文的研究具有探索研究的意义。


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李诗晴

2020-3-24 11:13:13
1 TRIAC调光原理及简介
目前市场上主流的非节能调光器多为TRIAC调光方式,即三端双向可控硅调光。TRIAC调光器也是目前应用最广的调光器。
图1为典型的双向可控硅调光电路原理图。将R及C连接成为RC电路,电源给C充电的时候,可以令TRIAC调光器延迟启动,直至C的电压上升至触及DIAC的触发点电压(一般为32 V)。调整电位计R的电阻可改变启动延迟时间,从而改变TRIAC调光器的“导通时间”,即改变其“导通角”。因此,负载获得的平均供电便可改变。图2显示了典型的AC经过TRIAC后的电压波形。


2 调光的难点与需要解决的问题
TRIAC维持导通需要3个条件:触发电流IG、锁定电流IL和Hold电流IH:
(1) IG是触发TRIAC导通的条件,只有触发了TRIAC导通,才能使双向可控硅导通;
(2) IL是指在NPNP放大的过程中,如果要使NPNP连续导通的所需的一个最小电流;
(3) IH是指TRIAC正常工作之后,如果电流掉得太小,会导致TRIAC截止,所以锁定电流就是维持导通所需要的最小电流。

在LED驱动电路中,由于传导辐射EMI的要求,需要在全桥之前放置电感(图3中的L1,L2)来防止外界的辐射干扰。同样,由于大多数LED驱动电路采用开关电源架构[2],为了防止初级变压器的漏感导致的电压尖峰,需要在主级加一个大电容(图3中的C13)来缓冲电压尖峰。这样在母线电压的电路中有电流流过时,由于LC振荡会导致电流,使电流振荡到Hold电流以下。在TRIAC导通的瞬间,相当于给LC电路一个阶跃响应,使电路产生一个振荡。

3 damping电阻防振荡原理分析
 对电路列KVL,可得:

如果没有电阻,将产生振荡波形;如果加入阻尼电阻,当(R/2L)2>1/LC时,可使阻尼振荡减小。所以,如果在电路中加入damping电阻,可以使通过TRIAC的电流由振荡变成了欠阻尼的情况,保证不使流过的电流低于Hold电流以下,从而保证连续的对LED调光。解决了振荡的问题。

4 动态damping电阻功能实现
前文提到需要在EMI电感与反激电容间加一个damping电阻来防止LC振荡。但是由于这个电阻需要加在主回路之间,因此主电流在TRIAC开通的时间内电流都会流过电阻,导致电阻消耗的功率过大,实测这个电阻会损失约10%的效率,而效率是电源产品首要考虑的因素,因此,设计了图4所示的动态电阻的电路。该电路可以在电压导通的瞬间(1 ms以内)导通,然后在1 ms后关闭。

在TRIAC导通后,可得如下公式:
 
如图5所示,母线通过R51给C50充电,选取适当的时间参数。达到M50的导通电压Vth(2V)的时间约为1 ms。Q50的作用是,当导通电压到了波谷时,MOS下次仍能正常充电设计。当到了谷底时,Q60的E极的电压高于B极,Q60导通,C50的电压开始放电。

本文基于AC-DC LED恒流驱动芯片MT7920实现TRIAC调光。MT7920是一款基于flyback的高PFC恒流LED驱动芯片[3]。要实现输出高PFC的功能,需要一个STP PIN来调节输出电流。这里通过给STP PIN进行电流补偿来提供低导通角时所需的电流,达到低导通角调光的目的。该补偿电路同样适用于其他需要TRIAC调光的芯片。

输入电压VACin为正弦波时,由一个40 V的钳位二极管D60将第1点的电压钳制在40 V,相当于一个周期性的脉冲电压。这个电压到了第3点由于电阻分压,变成20 V,第1点的电压经过R61、C62,相当于通过一个Low Pass Filter,得到一个直流分量,因此第2点的电压为第1点的峰值乘以Duty。第3点的电压与第4点C60上的电压相差一个二极管正向压降,取C60/C62的比例为2:1,这样在全电压下第2点的电压大于第4点的电压,当导通角低于90°时,第2点的电压低于第4点的电压,此时Q61导通,有电流流过,可以对芯片进行补偿,达到相位补偿的功能。
 
图7显示了该电路的实测波形,可以看到,在导通角大于90°时,第2点的电压高于第4点电压;当导通角低于90°时,第4点高于第2点,Q61导通。

测试结果显示,电路在全电压范围内能正常工作,启动角度为30°左右,实测该角度的电流基本上到了5%以下,更低导通角的调光没有太大的意义。

本文通过对TRIAC的理论研究,找到了TRIAC对LED进行调光的问题所在,加入了damping电阻解决了调光的问题。在此基础上设计了动态电阻的电路,且有效地提高了效率。基于MT7920芯片,根据相位补偿原理设计了在导通角低下的情况下,也能稳定地对TRIAC进行调光的电路。经过PCB设计后的电路实测,电路能达到稳定调光的功能。
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