基于控制器LM3445带三端可控硅调光器的离线式LED驱动器
基于控制器lm3445带三端可控硅调光器的离线式led驱动器
0 引言
基于控制器ic的可调光led驱动器通常采用的调光方式有两种，即数字pwm调光和模拟dc电压调光。基于相位控制的triac传统白炽灯和卤素灯调光器若用于led的调光控制，会产生100hz或120hz的闪烁，而且调光范围非常窄。最近美国国家半导体(ns)公司推出一种带有triac调光译码器的离线式ac／dc降压(buck)恒流led控制器lm3445，允许利用标准triac调光器对led进行宽范围的平稳无闪烁调光，打破了传统triac调光器应用与led节能照明的一个瓶颈。
l lm3445的主要特点
lm3445与先前的同类离线式ac／dc降压恒流led驱动器ic比较，其主要特点是在芯片上设计了triac调光译码器电路，能传感ac线路triac调光波形，并将其转换成控制led电流的调光信号，几乎能在从0％到100％的调光范围内实现无闪烁led亮度调控。lm3445的其它特征主要有：
(1)ac输入电压范围为80～270v，适用于国际通用ac线路；
(2)能够控制大于1a的led电流；
(3)适合配置无源(被动式)功率因数校正(pfc)电路，满足能源之星固态照明(ssl)商业应用要求；
(4)支持主／从控制功能的多芯片解决方案，使用一个triac调光器和一个主lm3445，便能控制多个基于lm3445的从属降压变换器驱动的多串led；
(5)提供vcc欠锁定、门限是165℃的热关闭保护和电流限制；
(6)固定关断时间可编程，开关频率可调节；
(7)采用10引脚msop封装，结温范围为一40℃～+125℃。
2 基于lm3445的triac调光离线led驱动电路
1)基本电路
lm3445的内部结构及由其组成的triac调光离线式led驱动电路如图l所示。这种ac—dc恒流led驱动电路主要含有五个部分，即triac调光器、桥式整流器br1、整流线路电压检测及调光译码器电路、无源功率因数校正(pfc)电路和降压(buck)式dc／dc变换器电路，整个系统的核心是lm3445。
2)电路工作原理
(1)triac调光器
在图1中，串联在桥式整流器br1输入端的triac调光器采用传统基于相位控制的电路，如图2所示。r1、r2和c1值决定c1上电压达到双向触发二极管(diac)触发电压(约32v)之前的延迟时间。对于负载是白炽灯时，r1值减小，triac的导通延迟缩短，导通角增加，灯亮度则增强；反之，若r1值增加，triac导通角将减小，灯光则变暗。
在图1中，triac调光器被串接在ac线路输入端，通过lm3445的调光译码器电路，可以控制led串的电流，实现亮度调控。
(2)triac调光译码电路
triac调光译码电路由整流线路电压感测电路、triac导通角检测电路和调光译码器电路三部分组成(见图1)。
①线路电压感测
位于桥式整流器之后的r1、15v的齐纳二极管vd1和vt1组成一个串联通路整流器，将整流的线路电压转换为一个适当的电平被ic(lm3445)的引脚bldr感测。由于vt1源极未连接电容器，当线路电压降至15v以下时，允许ic引脚bldr上的电压随整流电压升高和降低。r5的作用有两个：一是用作泄放ic引脚bldr节点寄生电容的电荷；二是在小电流输出上操作时，为调光器提供所需要的保持电流。
二极管(肖特基型)vd2和电容c5的作用是，当ic引脚bldr上的电压变低时，维持ic引脚vcc上的电压，使ic能够正常操作。
②角度检测和调光译码器
triac导通角检测电路利用一个门限为7．2v的比较器监视ic引脚bldr来确定triac是导通或者关断。比较器输出经4μs的延迟线控制一个泄放电路并驱动一个缓冲器。缓冲器输出(引脚asns)摆幅被限制在0～4v，经r1和c3组成的低通滤波器滤波，通过ic引脚fltrl输入到斜坡比较器(反相端)，与斜坡产生器产生的5．88khz、l～3v的锯齿波相比较，斜坡比较器输出驱动引脚dim和一个n沟道mosfet。mosfet漏极上的信号经内部370kω和ic引脚fltr2上的电容c4组成的(第二个)低通滤波器滤波，输至内部pwm比较器。调光译码器输出一个幅度从0～750mv变化的dc电压，相应的调光器占空比是从25％到75%变化，triac导通角范围从45℃到135℃，从而直接控制led的峰值电流，获得几乎从0％到100%的调光范围。
(3)无源pfc电路
电容c7和c9以及二极管vd4、vd8、vd9组成部分滤波填谷式无源(即被动式)pfc电路。用其替代一个传统大容量滤波电容器，可以改善线路功率因数。电容c10(10nf)在c7和c9充电时，可以衰减电压纹波。无源pfc电路输出电压ubuck，作为降压变换器的dc总线电压。
在没有triac调光器接入的情况下，当ac线路电压高于其峰值的1／2时，vd3和vd8导通，vd4和vd9截止，电容c7和c9以串联方式被充电，并且电流会流入负载。当ac线路电压低于其峰值的l／2时，vd3和vd8反向偏置，而vd4和vd9正向偏置，c7和c9以并联方式放电，电流流入负载。图3所示为不带triac调光器时ac线路电压uac、整流电压ubr1和pfc电路输出电压ubuck波形。由图3可知，虽然ubuck波形很不平滑，但在ac线路半周期内的电流导通角达120°(即从30°到150°)，线路功率因数达0．9以上。而只用单个大容量电容滤波虽然能获得比较平滑的dc电压，但电流流动角仅约60°(即从60°到120°)，线路功率因数不超过0．6。
加入triac调光器时的相关电压波形如图4所示，其中θ为triac的导通角。
(4)dc—dc降压变换器
控制器lm3445、功率mosfet(vt2)、电感器l2、二极管vd10、电阻r3和电容c12等，组成开关型dc—dc降压变换器，用来驱动led串。
当lm3445引脚gate上的pwm信号驱动vt2导通时，通过l2和led串的电流线性增加，并被r3感测。当r3上的电压等于在ic引脚fltr2上的参考电压时，vt2则关断，l2释放储能，vd10导通，电流通过led串和l2，并从其峰值线性减小。c12用作消除大部分电感l2的纹波电流，r4、c11和vt3为设置固定关断时间提供一个线性电流斜坡信号。
3 主要参数与元件值的计算
lm3445可以在80～270vac的通用ac线路上工作，现设输入电压范围是90～135vac，开关频率fsw=250khz，变换器效率η≥80％，led正向压降uf=3．6v，通过led串的平均电流iled=400ma，串联led的数量n=7，led串的总电压降则为uled=nuf=7×3．6v=25．2v。因篇幅所限，在此我们仅重点介绍无源pfc电路和降压变换器中主要元件的选择。
1)填谷式无源pfc电路元件的选择
在没有triac调光时，填谷式电路电压ubuck波形如图5所示。对于60hz的线路频率，半周期时间是8．33ms。ac电压在30°和150°上的值为峰值的1／2，保持时间tx为半周期的1／3，即8．33ms×(1／3)=2．78ms。在90vac的低线路电压上，ubuck最小值为
c7和c9的总电容量c可根据公式i=c(du／dt)来计算。在电容中的电流为
设在低线路电压和满载时的ubuck降落du=15v，由于dt=2．78ms，因此c7和c9并联电容值为c=i·dt／du=157．5ma×2．78ms／15v=29μf可以选择c7=c9=22μf。
由于ubuck的最大值为c7和c9的额定电压选择200v是允许的。二极管vd4、vd8和vd9可选用200v、1a的rf07lm2s或等同器件。
vd3选用与vd4、vd8、vd9相同的二极管，c10选用10nf／250v的薄膜电容器。
2)降压式变换器元件选择
有些元件值的计算都与变换器关断时间toff有关。降压变换器在理想情况下的占空因数可表示为：
考虑到变换器效率η，占空比d为：
由（1）式得到：
将式（2）代入式（3）得：
式中：η=80％，uled=25.2v，fsw=250khz。在110vac输入电压上，填谷式电路的电压根据式(4)可得：
通过r4的电流icoll在50μa与100μa之间，选择icoll=70μa，r4=uled／icoll=25.2v／70μa=360kω。r4选用365kω的标准电阻。
根据公式i=c(du／dt)，通过r4和c11的电流为uled/r4，电流进入到c11产生一个线性充电特性，ic引脚coff内部比较器(见图1)门限为1.276v，因此c11=(uled／r4)(toff／1．276v)=(25．2v／365kω)(3μs／1．276v)=162pf
c11选用120pf的标准电容值。
电感器l2纹波电流△il2按电感平均电流的30％来选取，△il2则为iled×30％=400ma。在关断期间，l2上的电压△ul2=uled，△t=toff，根据公式△ul2=l2(△il2／△t)得：
l2=(uled×toff)／△il2=(25．2v×3μs)／120ma=630μh
在非调光情况下和连续导电模式，il2的峰值电流为
il2(pk)=iave+△il2／2=iled+120ma／2=460ma
当电感电流达到峰值时，ic内控制mosfet关断，此时r3上的峰值感测电压是750mv。因此，r3值为：
r3=750ma／il2(pk)=750mv／460ma=1．63ω
选择r3=1．8ω。
c12选择lμfl50v的电容，vd10选择50v、1a的二极管。
在图1中，其他元件选择如下：
brl选用400v、0．8a的hd04-t，vd1选用15v的dzx84c15lt1g，vd2选用40v、120ma的bas40h，vt1和vt2选用400v、4a的fqd7n30tf，vt3选用100v、170ma的pnp晶体管，r2=100kω，r5=1kω，c5=22μf／50v，c3=470nf／16v，c4=100nf／16v。
4 结束语
lm3445是含有triac调光译码器的固定关断时间ac／dc降压恒流led驱动器。基于lm3445的离线式led照明电源，利用传统白炽灯triac调光器，能够对led串进行宽范围平稳无闪烁调光，实现100：1的调光比，从而解决了标准triac调光器应用于led调光的瓶颈。
新型应用百花齐放，5G商用渐入佳境
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机器人苏菲亚，会笑、会生气，但没有意识，你还愿意跟它聊天吗
晶振在手机上实现了哪些功能呢？
苹果表示滑动关闭应用程序对iPhone电池寿命有影响
基于控制器LM3445带三端可控硅调光器的离线式LED驱动器
有关透明导电膜的研究分析
怎样使用Python计算曲线的切点？
一文剖析OLED和AMOLED二极管异同
一文解析充电芯片的动态电源路径管理
用户携号转网，中国移动拒绝被重罚
M2 Pro预计将在印度的Flipkart上独家销售
选择视频会议系统需要考虑的几个主要因素
大数据平台有哪些 大数据技术应用有哪些
苹果13上线时间
国内PCB行业未来展望
惠普下周二发布基于安腾芯片的blade服务器
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各大厂商加快5G芯片开发 京元电有望拿下国际大厂5G芯片测试大单
动力总成系统集成化推动电动汽车进一步高效、可靠、轻量化
0 引言
基于控制器ic的可调光led驱动器通常采用的调光方式有两种，即数字pwm调光和模拟dc电压调光。基于相位控制的triac传统白炽灯和卤素灯调光器若用于led的调光控制，会产生100hz或120hz的闪烁，而且调光范围非常窄。最近美国国家半导体(ns)公司推出一种带有triac调光译码器的离线式ac／dc降压(buck)恒流led控制器lm3445，允许利用标准triac调光器对led进行宽范围的平稳无闪烁调光，打破了传统triac调光器应用与led节能照明的一个瓶颈。
l lm3445的主要特点
lm3445与先前的同类离线式ac／dc降压恒流led驱动器ic比较，其主要特点是在芯片上设计了triac调光译码器电路，能传感ac线路triac调光波形，并将其转换成控制led电流的调光信号，几乎能在从0％到100％的调光范围内实现无闪烁led亮度调控。lm3445的其它特征主要有：
(1)ac输入电压范围为80～270v，适用于国际通用ac线路；
(2)能够控制大于1a的led电流；
(3)适合配置无源(被动式)功率因数校正(pfc)电路，满足能源之星固态照明(ssl)商业应用要求；
(4)支持主／从控制功能的多芯片解决方案，使用一个triac调光器和一个主lm3445，便能控制多个基于lm3445的从属降压变换器驱动的多串led；
(5)提供vcc欠锁定、门限是165℃的热关闭保护和电流限制；
(6)固定关断时间可编程，开关频率可调节；
(7)采用10引脚msop封装，结温范围为一40℃～+125℃。
2 基于lm3445的triac调光离线led驱动电路
1)基本电路
lm3445的内部结构及由其组成的triac调光离线式led驱动电路如图l所示。这种ac—dc恒流led驱动电路主要含有五个部分，即triac调光器、桥式整流器br1、整流线路电压检测及调光译码器电路、无源功率因数校正(pfc)电路和降压(buck)式dc／dc变换器电路，整个系统的核心是lm3445。
2)电路工作原理
(1)triac调光器
在图1中，串联在桥式整流器br1输入端的triac调光器采用传统基于相位控制的电路，如图2所示。r1、r2和c1值决定c1上电压达到双向触发二极管(diac)触发电压(约32v)之前的延迟时间。对于负载是白炽灯时，r1值减小，triac的导通延迟缩短，导通角增加，灯亮度则增强；反之，若r1值增加，triac导通角将减小，灯光则变暗。
在图1中，triac调光器被串接在ac线路输入端，通过lm3445的调光译码器电路，可以控制led串的电流，实现亮度调控。
(2)triac调光译码电路
triac调光译码电路由整流线路电压感测电路、triac导通角检测电路和调光译码器电路三部分组成(见图1)。
①线路电压感测
位于桥式整流器之后的r1、15v的齐纳二极管vd1和vt1组成一个串联通路整流器，将整流的线路电压转换为一个适当的电平被ic(lm3445)的引脚bldr感测。由于vt1源极未连接电容器，当线路电压降至15v以下时，允许ic引脚bldr上的电压随整流电压升高和降低。r5的作用有两个：一是用作泄放ic引脚bldr节点寄生电容的电荷；二是在小电流输出上操作时，为调光器提供所需要的保持电流。
二极管(肖特基型)vd2和电容c5的作用是，当ic引脚bldr上的电压变低时，维持ic引脚vcc上的电压，使ic能够正常操作。
②角度检测和调光译码器
triac导通角检测电路利用一个门限为7．2v的比较器监视ic引脚bldr来确定triac是导通或者关断。比较器输出经4μs的延迟线控制一个泄放电路并驱动一个缓冲器。缓冲器输出(引脚asns)摆幅被限制在0～4v，经r1和c3组成的低通滤波器滤波，通过ic引脚fltrl输入到斜坡比较器(反相端)，与斜坡产生器产生的5．88khz、l～3v的锯齿波相比较，斜坡比较器输出驱动引脚dim和一个n沟道mosfet。mosfet漏极上的信号经内部370kω和ic引脚fltr2上的电容c4组成的(第二个)低通滤波器滤波，输至内部pwm比较器。调光译码器输出一个幅度从0～750mv变化的dc电压，相应的调光器占空比是从25％到75%变化，triac导通角范围从45℃到135℃，从而直接控制led的峰值电流，获得几乎从0％到100%的调光范围。
(3)无源pfc电路
电容c7和c9以及二极管vd4、vd8、vd9组成部分滤波填谷式无源(即被动式)pfc电路。用其替代一个传统大容量滤波电容器，可以改善线路功率因数。电容c10(10nf)在c7和c9充电时，可以衰减电压纹波。无源pfc电路输出电压ubuck，作为降压变换器的dc总线电压。
在没有triac调光器接入的情况下，当ac线路电压高于其峰值的1／2时，vd3和vd8导通，vd4和vd9截止，电容c7和c9以串联方式被充电，并且电流会流入负载。当ac线路电压低于其峰值的l／2时，vd3和vd8反向偏置，而vd4和vd9正向偏置，c7和c9以并联方式放电，电流流入负载。图3所示为不带triac调光器时ac线路电压uac、整流电压ubr1和pfc电路输出电压ubuck波形。由图3可知，虽然ubuck波形很不平滑，但在ac线路半周期内的电流导通角达120°(即从30°到150°)，线路功率因数达0．9以上。而只用单个大容量电容滤波虽然能获得比较平滑的dc电压，但电流流动角仅约60°(即从60°到120°)，线路功率因数不超过0．6。
加入triac调光器时的相关电压波形如图4所示，其中θ为triac的导通角。
(4)dc—dc降压变换器
控制器lm3445、功率mosfet(vt2)、电感器l2、二极管vd10、电阻r3和电容c12等，组成开关型dc—dc降压变换器，用来驱动led串。
当lm3445引脚gate上的pwm信号驱动vt2导通时，通过l2和led串的电流线性增加，并被r3感测。当r3上的电压等于在ic引脚fltr2上的参考电压时，vt2则关断，l2释放储能，vd10导通，电流通过led串和l2，并从其峰值线性减小。c12用作消除大部分电感l2的纹波电流，r4、c11和vt3为设置固定关断时间提供一个线性电流斜坡信号。
3 主要参数与元件值的计算
lm3445可以在80～270vac的通用ac线路上工作，现设输入电压范围是90～135vac，开关频率fsw=250khz，变换器效率η≥80％，led正向压降uf=3．6v，通过led串的平均电流iled=400ma，串联led的数量n=7，led串的总电压降则为uled=nuf=7×3．6v=25．2v。因篇幅所限，在此我们仅重点介绍无源pfc电路和降压变换器中主要元件的选择。
1)填谷式无源pfc电路元件的选择
在没有triac调光时，填谷式电路电压ubuck波形如图5所示。对于60hz的线路频率，半周期时间是8．33ms。ac电压在30°和150°上的值为峰值的1／2，保持时间tx为半周期的1／3，即8．33ms×(1／3)=2．78ms。在90vac的低线路电压上，ubuck最小值为
c7和c9的总电容量c可根据公式i=c(du／dt)来计算。在电容中的电流为
设在低线路电压和满载时的ubuck降落du=15v，由于dt=2．78ms，因此c7和c9并联电容值为c=i·dt／du=157．5ma×2．78ms／15v=29μf可以选择c7=c9=22μf。
由于ubuck的最大值为c7和c9的额定电压选择200v是允许的。二极管vd4、vd8和vd9可选用200v、1a的rf07lm2s或等同器件。
vd3选用与vd4、vd8、vd9相同的二极管，c10选用10nf／250v的薄膜电容器。
2)降压式变换器元件选择
有些元件值的计算都与变换器关断时间toff有关。降压变换器在理想情况下的占空因数可表示为：
考虑到变换器效率η，占空比d为：
由（1）式得到：
将式（2）代入式（3）得：
式中：η=80％，uled=25.2v，fsw=250khz。在110vac输入电压上，填谷式电路的电压根据式(4)可得：
通过r4的电流icoll在50μa与100μa之间，选择icoll=70μa，r4=uled／icoll=25.2v／70μa=360kω。r4选用365kω的标准电阻。
根据公式i=c(du／dt)，通过r4和c11的电流为uled/r4，电流进入到c11产生一个线性充电特性，ic引脚coff内部比较器(见图1)门限为1.276v，因此c11=(uled／r4)(toff／1．276v)=(25．2v／365kω)(3μs／1．276v)=162pf
c11选用120pf的标准电容值。
电感器l2纹波电流△il2按电感平均电流的30％来选取，△il2则为iled×30％=400ma。在关断期间，l2上的电压△ul2=uled，△t=toff，根据公式△ul2=l2(△il2／△t)得：
l2=(uled×toff)／△il2=(25．2v×3μs)／120ma=630μh
在非调光情况下和连续导电模式，il2的峰值电流为
il2(pk)=iave+△il2／2=iled+120ma／2=460ma
当电感电流达到峰值时，ic内控制mosfet关断，此时r3上的峰值感测电压是750mv。因此，r3值为：
r3=750ma／il2(pk)=750mv／460ma=1．63ω
选择r3=1．8ω。
c12选择lμfl50v的电容，vd10选择50v、1a的二极管。
在图1中，其他元件选择如下：
brl选用400v、0．8a的hd04-t，vd1选用15v的dzx84c15lt1g，vd2选用40v、120ma的bas40h，vt1和vt2选用400v、4a的fqd7n30tf，vt3选用100v、170ma的pnp晶体管，r2=100kω，r5=1kω，c5=22μf／50v，c3=470nf／16v，c4=100nf／16v。
4 结束语
lm3445是含有triac调光译码器的固定关断时间ac／dc降压恒流led驱动器。基于lm3445的离线式led照明电源，利用传统白炽灯triac调光器，能够对led串进行宽范围平稳无闪烁调光，实现100：1的调光比，从而解决了标准triac调光器应用于led调光的瓶颈。
新型应用百花齐放，5G商用渐入佳境
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机器人苏菲亚，会笑、会生气，但没有意识，你还愿意跟它聊天吗
晶振在手机上实现了哪些功能呢？
苹果表示滑动关闭应用程序对iPhone电池寿命有影响
基于控制器LM3445带三端可控硅调光器的离线式LED驱动器
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