泄放电路和阻尼电路的优化设计

3.2.3.1 无源泄放电路与特点

使用无源泄放电路是为了使晶闸管前沿相控调光电路可靠导通，并提供晶闸管前沿相控调光所需的擎住电流和维持电流，消除晶闸管前沿相控调光电路的误触发和调光闪烁。图3-19给出了采用无源泄放电路的电路工作原理图^[14]。

图3-19 采用无源泄放电路的LED驱动电路工作原理框图

如图3-19所示，所谓无源泄放电路是由电阻R_B和电容C_B构成（电容量为几百nF）。电感L_F1和L_F2为输入滤波电感，C_IN为输入滤波电容，R_D为阻尼电阻。

在调光电路设计中，如果电容并联在电源线之间，电阻（例如R_B，R_D）需要与电容（例如C_B，C_IN）串联。如果不串联电阻，由于前沿相控晶闸管触发时电容的快速充电作用，将会出现较高的电压和电流尖峰。电流尖峰有可能损坏前沿相控晶闸管调光器，特别当多个LED灯并联时更为如此，因为来自每个LED灯的电流尖峰之和将会超过前沿相控晶闸管调光器的额定电流。电流尖峰之后会出现电流振荡，由于振荡中会出现低于维持电流的负电流，这又可能引起前沿相控晶闸管调光器的误触发。电压尖峰如果超过前沿相控晶闸管调光器的额定击穿电压，会损坏前沿相控晶闸管调光电路中的有关电路元器件。

1.无源泄放电容（C_B）的选择

电容C_B容量的大小决定相控晶闸管导通泄放电流的大小。对前沿相控晶闸管调光，电容C_B容量越大，泄放电流较大，调光控制的稳定性越高。图3-20和图3-21给出了较小与较大泄放电容C_B时的有关电源电流波形。输入电流I_IN为送至二极管整流桥和后面LED驱动Flyback变换器的电流。经过功率因数校正后，I_IN与电源电压同相位。I_B为泄放电流，电源电流I_AC为I_IN与I_B之和（如图3-19所示）。

图3-20 较小泄放电容（C_B）时的电流波形

图3-21 较大泄放电容（C_B）时的电流波形

I_AC应该大于前沿相控晶闸管的擎住电流和维持电流，这是因为I_AC直接流过前沿相控晶闸管调光器。在图3-20中，触发时的I_AC不是足够大，原因是C_B较小，如图3-12所示，前沿相控晶闸管调光器将发生误触发。在图3-21中，调光器触发时，I_AC足够高，原因是C_B较大，这样可以保持前沿相控晶闸管的正常导通状态。由于可以提供更高的I_B，C_B较大时的前沿相控晶闸管调光器触发效果优于C_B较小时的触发效果。但是，C_B较大时也会对电路功率因数、总谐波失真和前沿相控晶闸管调光电路的工作效率产生不利影响。

所以，对无源泄放电路，在选择电容C_B时，应在前沿相控晶闸管调光控制效果和功率因数大小之间权衡利弊，尤其对要求高功率因数的应用场合。在选择电容C_B时，应先检查前沿相控晶闸管调光器触发时的电流I_B。通过改变电容C_B容量的大小，校验前沿相控晶闸管调光器触发时是否出现会由于电流I_B不足引起相控晶闸管的误触发。在前沿相控晶闸管调光器触发没有出现工作异常的C_B选择范围内，选择容量较小的C_B，可以使前沿相控晶闸管调光电路获得较高的功率因数和工作效率。

由于R_B与C_B串联，阻断了C_B对噪声的滤波，使电路的EMI不受电容C_B的影响。

2.无源泄放电阻（R_B）的选择

电阻R_B起阻尼作用，可以抑制前沿相控晶闸管触发时由于电容C_B快速充电而引起的尖峰电流。阻值太大的电阻R_B可以显著地阻尼电流I_B，导致电流I_B在触发时低于前沿相控晶闸管的擎住电流，在前沿相控晶闸管受到触发后，相控晶闸管调光器会出现误触发，LED出现发光闪烁。

关于电阻R_B选择的另外一个考虑是功耗。在选择电阻R_B时，应该首先找出过大或过小的电阻R_B取值。然后，在可以获得较高工作效率和确保前沿相控晶闸管可靠工作的条件下挑选阻值最小的电阻R_B。

3.2.3.2 有源泄放电路与特点

保持前沿相控晶闸管调光电路中晶闸管导通维持电流的另外一种方法是采用有源泄放电路。相对无源泄放电路，在电源输入周期中，有源泄放电路可以覆盖更宽范围的相控晶闸管开通。图3-22所示的有源泄放电路能够通过调节输入电流保持相控晶闸管的维持电流，降低泄放电路的功耗^[13]。

图3-22 有源泄放电路工作原理图

图3-22中，I_AC为I_B（有源泄放电流）和I_IN（LED Flyback变换驱动电路输入电流）之和。电阻R₃为电流检测电阻，用于检测电流I_AC。C₄为滤波电容，用以滤除电阻R₃上电压的开关噪声。VD₂为分流调节器（例如TL431）。在前沿相控晶闸管调光器触发时，较大的电流毛刺将会在电阻R₃上引起较大的电压降。稳压二极管VD₃能够限制电流检测电阻R₃上的电压，从而保护VD₂组成的基准电压参考电路。驱动泄放MOSFET管VT₁的偏置电路属于线性调节器，由辅助绕组N₂通过VD₁供电，偏置供电电路由VD₁和C₃构成。VT₁的栅极受控制于C₃偏置电压和VD₂的阴极电位。总驱动电流受限制于电阻R₅和R₄。电容C₂能够减缓调节环的频率响应特性，使有源泄放电路稳定工作。电阻R₂用做负反馈电阻，起稳定补偿控制环路工作的作用。电阻R₁为泄放电阻，同泄放MOSFET管VT₁一起消耗部分泄放功率。

R₅、R₄、C₂、R₂和C₄与有源泄放电路的反馈响应工作特性之间存在密切关系。电阻R₅、R₄和R₂的阻值和电容C₂、C₄容量较小时，能够加快反馈控制环路的控制速度。如果反馈环路工作过快，电流I_B有可能会产生大纹波的振荡。

有源泄放电路的工作需要与控制电路的工作周期同步。当控制电路工作状态出现异常时，例如LED出现短路或开路，由于栅极信号已经被封锁，不会出现电流I_IN。如果在异常工作条件下，有源泄放电路仍然处于活跃工作状态，在没有电流I_IN的情况下，该电路保持维持电流，电路的功耗会变得较高，致使泄放MOSFET管VT₁发生热损坏。因此，偏置电流应来自变压器T的辅助绕组N₂。这样，当LED驱动Flyback变换器的功率开关作用停止后，有源泄放电路也被迫停止工作。

有源泄放电路会消耗大量的功耗，特别当电源电压较高时更是如此。在电源供电电压较高时，电流I_IN降低，I_B应该补偿维持电流的缺失部分。在这种状况下，如果没有电阻R₁，泄放MOSFET管VT₁温升较高。由于电阻R₁的串联使用，可以分摊有源泄放电路的部分功耗。但是，电阻R₁的取值不能太大，否则不能有效分摊功耗，原因是，电阻R₁的阻值过大时，限制了电流I_B，很容易引起保持维持电流工作失败，而使相控调光晶闸管不可靠工作。

由于电流I_IN的减少，有源泄放电路应该补偿更多的电流I_B。这就是有源泄放电路的功耗处于中等调光角范围的原因。如果想要校验泄放电路的最高温度，应选择中等调光角和最大电源供电电压的位置进行测试。

图3-23所示电路为一种8W LED晶闸管前沿相控调光有源泄放电路的实用电路^[13]。图3-23中V_RSENSE表示在电流检测电阻R₄上的电压，V_IN表示输入电压，V_S表示泄放MOSFET管VT源极上的电压，该电压与泄放电流成正比，I_AC表示交流输入市电供电电流。高调光角时的实测V_IN、V_S、I_AC和V_RSENSE的波形如图3-24所示，可见输入电流I_AC没有出现振荡现象。

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图3-23 8W LED灯有源泄放电路实用电路

图3-24 高调光角时的实测波形

3.2.3.3 阻尼电路

通过阻尼电路可以阻尼前沿相控晶闸管调光工作过程中出现的振荡现象，阻尼电路按工作方式可以分为无源阻尼和有源阻尼两大类。无源阻尼一般采用耗能元器件（例如电阻）做阻尼元件，特点是电路简单，电路造价低，易于实现，但是电路的功耗较大，在对电路的工作效率要求较高的应用场所一般不采用。而有源阻尼电路的阻尼效果较好，电路工作效率高，得到了广泛的应用。下面介绍有源阻尼电路的工作原理与应用。

1.有源阻尼电路

在前沿相控晶闸管调光器触发时，有必要采用与输入滤波电容串联的阻性阻尼。在前沿相控晶闸管调光器触发时，引起较大的电流尖峰，通过电源线路为电容C_IN快速充电（如图3-25所示）。如果没有阻性阻尼，该电流尖峰将引起电源电流振荡，大幅值的振荡电流将会引起前沿相控晶闸管调光器的误触发，损坏晶闸管相控调光器。采用阻尼电阻可以抑制尖峰电流，阻尼电阻的功耗也会较高。阻尼电阻不仅能够阻尼尖峰电流，而且也能够阻尼来自LED Flyback驱动变换器的输入电流。

图3-25 有源阻尼电路工作原理图

图3-25所示有源阻尼电路具有所需外围器件少的优点，图3-25中电阻R_AD为阻尼电阻，VT_AD为有源MOSFET管，用以降低阻尼电阻R_AD上的功耗。电阻R_D和电容C_D为延时电路元件。VD_D为复位二极管，用于泄放电容C_D上的电荷。

80kΩ电阻R_D与100nF电容C_D产生的延时时间大约为1ms。在延时期间，220Ω电阻R_AD在阻尼电压和电流尖峰时，使电路不会出现电流振荡或晶闸管相控调光器误触发。有源阻尼电路的功耗远远低于无源阻尼电路的功耗。

2.有源阻尼电阻（R_AD）的选择

应该首先检测电路的电压与电流尖峰。在电路的电压与电流尖峰超过额定电压和电流时，电压尖峰能够损坏阻尼MOSFET管和滤波电容。在前沿相控晶闸管调光器触发时，电流尖峰会引起电流振荡，如果电阻R_AD取值较小，出现电流I_IN振荡。该振荡电流使I_IN下降，进而下降的I_IN导致出现前沿相控晶闸管的误触发和LED发光的可见闪烁。另外，采用较小阻值的电阻R_AD时，过大的电流尖峰会损坏晶闸管相控调光器，尤其当调光LED灯泡并联时更为如此。所以在选取电阻R_AD的参数时，应该注意一下几点：

1）电压尖峰（应低于器件的击穿电压）；

2）电流振荡（校验触发时电流I_IN的降低程度，判定是否足够高于相控调光晶闸管的维持电流）；

3）电流尖峰（应低于晶闸管相控调光器的额定工作电流。如果考虑LED灯泡并联，电流尖峰的降低应与LED灯泡数量成反比）。

在完成上述检验后，为了获得电路最大工作效率，选择最小阻值的阻尼电阻R_AD。

阻尼电阻（R_AD）较小时V_IN和I_AC波形如图3-26所示，由于阻尼电阻（R_AD）的阻值较小，多余的能量致使输入电流I_AC产生振荡，从而影响相控调光电路的工作可靠性，致使LED灯负载相控调光时出现发光闪烁，影响LED灯负载的调光效果。

图3-26 阻尼电阻（R_AD）较小时V_IN和I_AC

3.主要有源阻尼元件的选用

（1）有源阻尼二极管（VD_D）的选择

有源阻尼二极管VD_D对电容C_D放电，用来复位V_GATE。额定正向电流1A的二极管足够用来对电容C_D放电。在选择VD_D的反向电压时，应该首先在90°调光角和最高输入电源供电电压时检测最大V_AD。

（2）有源阻尼MOSFET管（VT_AD）的选择

最大电压V_AD应该低于有源阻尼MOSFET管VT_AD的击穿电压。选择电阻R_AD之后，可以在90°调光角下检验最大电压V_AD。然后，选择击穿电压合适的有源阻尼MOSFET管VT_AD。对8W LED灯泡，选择1～2A的额定电流就可以。具有较低阈值电压的阻尼MOSFET管VT_AD能够降低损耗，原因是V_AD已经被调节成阻尼MOSFET管VT_AD的阈值电压。

（3）有源阻尼延时电路（R_D，C_D）的选择

在VT_AD开通之前，延时电路（R_D，C_D）应该产生一个足够长的延时时间，用于阻尼电阻R_AD阻尼电流尖峰。对尖峰电流，最坏的情况是调光角为90°。应该首先在调光角为90°时，对尖峰电流振荡进行校验，以确定阻尼尖峰电流需要多长时间。然后，调节R_D和C_D的参数，确保有足够的阻尼时间。推荐的R_D和C_D值为几百nF和几十kΩ。如果C_D过大和R_D过小，VD_D不能完全对电容C_D放电^[13]。