1.概述
采用LED照明实现绿色节能已成为全球的一个发展趋势，换用LED灯具后，将会实现可观的能源节约，对住宅和商业照明附加调光功能后会使节能环保的LED光源更加节能。传统调光设计大都基于TRIAC（晶闸管调光）实现，该调光器必须连接阻性负载的要求已成为推广节能照明的一个瓶颈。为了在现有的基础设施不作变动的情况下实现晶闸管调光器对LED进行调光，英飞凌公司开发的TRIAC LED调光驱动器ICL8002G针对解决此问题，并具有单级PFC和一次测控制能。ICL8002G是准谐振（QR）PWM控制器，尤其适用于高效率的AC-DC LED TRIAC调光驱动电源，它可以适用于不同的拓扑如反激型转换器和降压形转换器，这个演示板是隔离型反激拓扑，QR控制模式、初级端控制，集成了PFC和相切调光控器以及出色的多种保护特性。
对于未来的照明系统，可以通过调光系统来有效的控制LED灯具的实时亮度，并满足各种不同的实际照明需求，使得整个照明系统实现按需照明，进一步满足节能减排的具体要求，实现未来的低碳生活，同时也能有效地延长了LED灯具的使用寿命，最终将LED照明灯具的独特优势转化为实际的经济效益。
2.晶闸管调光的原理
图1a所示为典型的前沿晶闸管调光器电路，图1b为所产生的电压和电流波形。回路电压/电流是同相位的（负载是白炽灯）。
图1 晶闸管调光器电路与电压、电流波形
电位器RV2调整晶闸管（TRIAC）的相位角，当VC3超过DIAC的击穿电压时，晶闸管会导通。当晶闸管电流降到其维持电流以下时（见图2），晶闸管关断，且必须等到C3在下个半周期重新充电后才能再次导通。灯泡灯丝中的电压和电流与调光信号的相位角密切相关，相位角的变化范围介于0°（接近0°）～180°之间（取决于调光器）。
图2 晶闸管导通的工作条件
图3 晶闸管电流（晶闸管多次触发，但不能维持导通）
3.LED调光存在的问题
LED灯要想实现可调光，其电源必须能够检测晶闸管控制器的可变相位角输出，以便对流向LED的电流进行调整。在维持调光器正常工作的同时做到这一点非常困难，往往会导致性能不佳。问题可以表现为闪烁及音频噪声等问题。这些不良现象通常是由误触发或过早关断晶闸管等因素造成的。误触发的根本原因是在晶闸管导通时出现了电流振荡。这里以图3的表示形式对该影响进行了说明。
晶闸管导通时，交流市电电压几乎瞬间施加到LED灯电源的LC输入滤波器。施加到电感的电压阶跃会导致振荡。如果调光器电流在振荡期间低于晶闸管维持电流，晶闸管将停止导通。晶闸管触发电路充电，然后再次导通晶闸管。这种不规则的多次晶闸管重启动（见图4），可使LED驱动产生音频噪声或LED闪烁。设计更为简单的EMI滤波器有助于降低此类不必要的振荡。要想实现出色的调光功能，输入EMI滤波器电感和电容须尽可能地小。
对于晶闸管来说，维持导通所需的维持电流通常介于8～75mA之间。白炽灯比较容易维持这种电流大小，但对于功耗仅为等效白炽灯10%的LED灯来说，该电流可降低到晶闸管维持电流以下，导致晶闸管过早关断。这样就会造成闪烁或限制可调光范围。
4.英飞凌实用LED驱动调光解决方案
基于以上问题，英飞凌推出一种专为高效离线式LED调光驱动应用设计的准谐振PWM控制器——ICL8002G，可用作反激式变换器或降压转换器的设计与应用。其准谐振工作模式、一次侧控制、集成式PFC和切相调光控制、各种保护功能使其成为适用于可调光的LED球泡灯出色的系统解决方案。与ICL8001G相比，新的ICL8002G在调光性能和输出电流稳定性方面有巨大改进。可以通过增加阻尼电路和泄放电路使它与基于TRIAC的切相调光器的兼容性得以改善，并通过额外的线性调整电路使输出电流在很宽的输入电压范围内保持稳定。性能参数见表1。
图4 调光器导致输入与输出电流不均匀
表1 ICL8002G演示板设计规格
①实际输出电流取决于输出电压。
②效率是在AC 230V、输出电压和电流为36V/270mA的条件下测定的。
（1）原理图（见图5）
图5 基于ICL8002G 12W晶闸管调光LED球炮灯应用的原理图
（2）基于TRIAC的调光器的兼容性 基于TRIAC的调光器可以完美用于白炽灯等阻性负载。当它们用于开关式LED驱动器等非线性负载时，可能产生闪烁问题，这主要是因维持电流不足（LED整个灯具所消耗电流小于晶闸管的维持电流）以及电流振荡——尤其是在TRIAC导通期间造成的。因此，为了提高与基于TRIAC的调光器的兼容性，通常在LED驱动器中增加泄放电路和阻尼电路。此设计中包含的被动式泄放电路（由C1、C2、R4、R5组成）可以使输入电流大于TRIAC的维持电流阈值之上。R1、R2这两个电阻器被用于抑制振荡及减小浪涌电流。
（3）轻微闪烁解决方法及实验数据(www.xing528.com)
图5中电路A由R6、R7、R8、C4、Q2、ZD1组成的电路网络专为深度调光及改善忽亮忽暗（轻微闪烁），其中ZD1是一个保护二极管防止Q2的Vbe过电压击穿，R6、R7、R8组成了一个分压检测器，由于C4的容量较大，因此C4端是一个平滑电压。图6a是在输出电流较小时且未增加上述电路的C5电压波形（两个相邻半波输入不对称）。若增加此电路后，
图6 C5电压波形
当C4端的电压如图6中①线的电压时，C5的电压会通过Q2被钳位得到一个较为均匀的电压如图6b所示，同时由于VR端电压的高低决定输出电流大小，不均匀的VR端电压会导致LED闪烁，相反较为均匀的VR端电压将会改善输出LED的轻微闪烁。C5的电压通过Q2跟随C4端电压的变化而变化，若在低导通角时C5端的电压会通过Q2跟随C4端电压降到更低的电压以达到减小输出电流从而增加调光范围实现深度调光。
图7所示为C4、C5实际的测试波形，图中曲线1是C5端电压，曲线2是C4端电压。实测证明增加电路A后是可以改善VR端电压不对称现象。
图7 增加图5中电路A后的C4、C5电压变化
图8a所示为没有增加电路A的LED输出电流波形，正负半周相差太大导致输出会有忽亮忽暗的轻微闪烁，图8b是增加了电路A的输出LED的电流波形，可以看到增加此电路后LED的闪烁问题会有所改善。
图8 改善前后的输入、出电流变化
（4）线性调整率
图9显示的是测得的LED电流与电源电压的关系。在整个输入电压范围内（AC180～265V），最大电流偏差被限制为±3%。
图9 输入电压与输出电流线性调整率
（5）调光曲线（见图10）
图10 LED调光曲线（LED调光范围与晶闸管导通角）
（6）保护功能（见表2）
表2 ICL8002G的保护功能
（7）输出开路保护
在运行期间，如果输出端为开路状态，输出电压会升高，于是MOSFET关断时VCC绕组产生的电压也会升高。ICL8002G的引脚ZCV通过R15和R16检测VCC绕组电压，ZCV电压一达到OVP阈值（Vzcovp=3.7V）就会触发输出过电压保护，IC将进入锁存关断模式。另一方面，VCC绕组产生的电压将为VCC供电，如果VCC达到阈值（Vvccovp=25V），则会触发VCC过电压保护。在此演示板设计中，当输出端处于开路状态时，ZCV脚电压将会达到OVP阈值且被触发，IC也将进入锁存关断模式。锁存关断模式下的功耗小于0.5W。
（8）输出短路保护
如果输出端短路，IC将通过VCC欠电压保护方式切换至自动重启模式。此模式下的总输入功耗会保持在低于1W水平。
5.结论
本文阐述了LED晶闸管调光的原理及相关问题。并介绍了基于ICL8002G的12W LED晶闸管调光方案，演示板数据表明英飞凌12W的LED晶闸管调光电源设计实现了晶闸管相切调光，以及完善的保护特性，出色的调光性能及兼容性。
综上所述，由于LED灯所特有的特性，使得LED照明可以通过调光的方式来进一步实现节能减排。目前在实际的应用中，晶闸管调光技术也被证明是适合应用于LED调光领域。上文也应用了实际的演示板和具体的实验数据来验证了LED调光电源具体应用的可行性。
（作者：英飞凌科技（中国）有限公司 梁晓军）
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