使用LM3445的LED相位调光驱动电路优化方案

时间：2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：LM3445使用方便，在不牺牲LED照明性能的条件下可以用于直接替换白炽灯或卤钨灯晶闸管调光应用场合。二极管VD2和电容C5回路用于在BLDR引脚的电压变低时维持VCC引脚的电压，确保LM3445可靠工作，电阻R5可用于BLDR引脚杂散电容上电荷放电。如果多个LM3445接到了同一相控晶闸管调光电路，这时需加大泄放电阻R5的阻值。

4.1.2.1 LM3445的主要功能与特点

1.LM3445的主要功能

LM3445是一款可用于相控调光的离线式AC/DC降压输出（Buck）恒流LED驱动控制器，内部的调光译码电路可以实现宽范围相控LED调光驱动控制，由于工作频率高所以使用的元器件体积小，内部的泄放电路可以确保相控晶闸管可靠调光工作。

通过无源PFC电路可以获得高功率因数，并具有热关断、限电流和集成电路V_CC供电欠电压锁定输出控制功能。

LM3445适用于任何标准壁挂式相控晶闸管调光器的应用，LM3445相控调光LED驱动控制器具有工作效率高的特点，满足能源之星的有关要求^[22]。

LM3445可以提供100∶1宽范围的连续无发光闪烁调光控制，可用于宽交流输入市电变化范围（AC80～270V）的LED相控晶闸管调光应用场合，也可用于单一相控晶闸管调光控制器控制多串LED负载实现平滑、无调光发光闪烁的应用场合。

LM3445使用方便，在不牺牲LED照明性能的条件下可以用于直接替换白炽灯或卤钨灯晶闸管调光应用场合。

2.LM3445主要特点

LM3445主要技术特性和特点如下。

1）静态工作电流小；

2）输出驱动电流大于1A；

3）开关工作频率可调；

4）具有热关断控制功能；

5）无100Hz/120Hz的调光发光闪烁；

6）10引脚MSOP或14引脚SOIC封装；

7）内含LED相控晶闸管调光译码电路；

8）自适应可编程关断时间，可以工作于恒纹波电流；

9）适用于AC80～270V宽交流输入市电电源应用场合；

图4-36 LM3445和LM3450各自适用场合

10）内部集成了300Ω泄放电流电阻，确保相控晶闸管调光控制信号的可靠译码；

11）可用于多通道主从LED相控晶闸管调光控制应用场合，例如可用于MR16、PAR20、PAR25、PAR30、PAR38LED灯调光应用场合。可用于相控LED调光、工业、商业照明和住宅照明等应用场合。LM3445和LM3450的各自适用场合如图4-36所示。

3.LM3445引脚功能与典型应用电路

LM3445的10引脚MSOP封装引脚图如图4-37所示，14引脚SOIC封装引脚图如图4-38所示，可用于前沿/后沿相控LED调光驱动应用场合。

图4-37 LM3445的10引脚MSOP封装引脚图

图4-38 LM3445的14引脚SOIC封装引脚图

（1）LM3445引脚功能如表4-4所示。

表4-4 LM3445引脚功能

（2）LM3445典型应用电路工作原理图如图4-39所示，LM3445的工作效率与LED负载串颗数和交流输入市电电压的关系图如图4-40所示。

图4-39 LM3445典型应用电路

图4-40 LM3445工作效率图

4.LM3445工作原理

LM3445工作原理框图如图4-41所示。

图4-41 LM3445工作原理框图

（1）BR₁桥式整流电路将图4-42c所示的全波正弦交流输入市电整流输出为图4-42b所示的半正弦直流电压输出，图4-42a为二极管VD₃负极的（如图4-39所示）填谷无源PFC电路的输出电压波形，即V_Buck电压波形。

图4-42 没有相控晶闸管调光的有关供电电压波形

（2）通过图4-43所示的电路（R₂、VD₁、VT₁）通过LM3445的BLDR引脚可以实现对输入交流市电整流输出电压的检测。

VD₁的稳压电压为15V，在交流输入市电整流输出直流电压的大部分时间内晶体管VT₁关断，在VT₁的源极没有接电容，这样在BLDR引脚的电压低于VD₁的稳压电压时可以随整流输出交流输入电压的变化而变化。

二极管VD₂和电容C₅回路用于在BLDR引脚的电压变低时维持V_CC引脚的电压，确保LM3445可靠工作，电阻R₅可用于BLDR引脚杂散电容上电荷放电。

在LED调光电路中为了模拟白炽灯的应用（白炽灯为一纯阻性负载），在整个交流输入市电的工作周期中相控调光晶闸管需要有一个小的泄放电流。

在VT₁的源极与地之间的外接电阻R₅可以实现这个功能，大多数相控晶闸管调光电路需有数mA的泄放电流，市场上有些相控晶闸管调光电路需要更大的泄放电流，这和电阻R₅的取值有关。

相控晶闸管泄放电流大小和以下因素有关。

1）和LM3445一起使用的晶闸管型号；

2）LM3445相控晶闸管调光器带了多少LED灯负载，泄放电阻阻值一般在3～5kΩ之间取值。

如果多个LM3445接到了同一相控晶闸管调光电路，这时需加大泄放电阻R₅的阻值。

有些相控晶闸管调光电路在单片LM3445使用时需电阻R₅值低至1kΩ或更低，其折衷是电路工作效率与电路工作性能，泄放电阻R₅的阻值加大，每个LM3445相控晶闸管调光电路的工作效率提高。

图4-43 LM3445交流输入市电电压检测电路

（3）角度检测电路通过和一个固定阈值电压7.21V的比较器电路检测BLDR引脚电压来决定相控调光晶闸管的关断或导通，比较器的输出驱动ASNS缓冲电路，从而控制泄放电路的泄放电流，电路4μs的延迟时间用于滤除噪声信号。

角度检测电路输出信号通过缓冲电路幅度在ASNS引脚被限制在0～4.0V之间，电阻R₁和电容C₃组成带宽为1.0Hz级的低通滤波电路，角度检测电路通过滤波器电路产生对应相控晶闸管导通脉冲占空比的直流电平，使LM3445在50Hz或60Hz交流输入市电工作条件下都能很好的工作。

（4）当BLDR引脚的电位低于7.21V阈值电压时，在串联稳压电路通路上相控晶闸管泄放电流MOSFET管导通，接通一个230Ω的小负载，使相控晶闸管调光电路能可靠工作。一旦BLDR引脚电位高于7.21V阈值电压，相控晶闸管泄放电流MOSFET管断开230Ω的小负载，以提高电路的工作效率。

（5）FLTR1引脚有两个功能，首先FLTR1引脚由ASNS引脚通过滤波元件R₁和C₃供电，通过FLTR1引脚驱动调光译码电路。但是，如果FLTR1引脚被高于4.9V电压典型值时，例如，接到V_CC时，斜波补偿电路处于三态电路工作状态，调光译码电路不工作。

（6）斜波发生电路产生一个幅度为1.0～3.0V，频率为5.85kHz的锯齿波电压，滤波后的ASNS信号被送到FLTR1引脚与斜波发生电路的输出信号比较，斜波比较电路的导通时间反比于FLTR1引脚平均电压。但是，由于FLTR1引脚信号的幅度范围为0～4.0V（ASNS引脚的幅度限定范围），斜波发生电路的输出在V_FLTR1<1.0V时将连续导通，而V_FLTR1>3.0V时将连续关断。这样可以使译码角的范围为45°～135°，确保0～100%的调光控制范围。

调光译码器输出为一幅度范围为0～750mV的直流电压，对应的脉冲占空比范围为25%～75%，相应晶闸管导通角为45°～135°。

调光译码器输出直接控制VT₂导通期间的峰值电流（如图4-39所示）。一旦相控调光晶闸管导通角大于135°，调光译码器不再控制调光。主要原因如下。

1）V_Buck电压降低，Buck变换器超出其允许工作范围，致使V_Buck电压下降，从而引起LED工作电流下降，使LED发光亮度下降。

2）占空比固定，这时导通时间为最小，所以V_Buck电压下降，这个变化过程是平滑的，LED工作电流从满载到0.5mA的变化很容易实现。

（7）图4-44所示电路中的二极管VD₃用于当V+关断时确保V_Buck为高电位。

填谷电路可以由两级或三级组成，常用的是两级填谷电路，如图4-44a所示电路为两级填谷电路工作原理图，图4-44b为三级填谷电路工作原理图，电容C₇、C₈和C₉为填谷电容，二极管VD₅、VD₆、VD₇和VD₈为填谷电路二极管，以上有关电容和二极管组成三级填谷电路，滤波电容C₁₀的容量取得较小，用以改善电路的功率因数。

图4-44 填谷电路工作原理图

当输入交流市电电压（V_AC-RMS）为高时，Buck电路通过VD₃直接由如图4-45所示交流市电整流输出的直流电压供电，同时填谷电路为串联电容C₇和C₉充电。

两级填谷电路电容的峰值电压（V_VF-CAP）如式（4-43）所示：

在每个交流输入市电周期，当交流输入市电电压由它峰值下降时，有一交流输入市电电压点为电容C₇和C₉串联电压等于交流输入市电电压幅度的点，在这点，二极管VD₃反偏，电容C₇和C₉并联（如图4-46所示），V_Buck电压等于电容上的电压。

图4-45 交流输入市电电压高时的两级填谷电路

图4-46 当交流输入市电电压低时的两级填谷电路

对三级填谷电路而言，除三只电容被串联充电外，三级填谷电路的工作和两级填谷电路完全一样，当三级填谷电路的交流输入市电电压（V_VF-CAP）降低至式（4-44）所示的值时。

二极管VD₃反偏，三只电容相互并联。填谷电路可以优化电路的功率因数、电压保持时间、电路体积和造价。LM3445可以很好的适应两级和三级填谷电路的应用，电阻R₈用于电路在启动期间和电容串并联转换过程中限制电路的工作电流，泄放电阻R₆和R₇的阻值取1MΩ。

（8）LM3445为一Buck变换控制电路，通过控制功率开关管的开关脉冲占空比D来实现LED的恒流驱动，当VT₂导通时，通过电感L₂和LED负载串的电流线性上升，电阻R₃用于检测通过LED负载的电流（如图4-39所示），这个检测电压又被用于和FLTR₂引脚的基准电压比较，当这两个电压相等时，功率开关管VT₂关断，二极管VD₁₀导通，通过电感L₂续流LED负载电流，电容C₁₂用于滤除负载LED的纹波电流，对给定的输出电压，电阻R₄、电容C₁₁和晶体管VT₃用于限定线性上升电流的关断时间。

Buck变换器的电压变比可以用式（4-45）表示。

Buck变换器的输出电压（V_O）等于LED负载串的电压（V_LED），在给定的应用场合相对不变。

随输入交流市电电压的变化V_Buck电压也将发生变化，导通时间的大小由电流检测电阻上的检测电压和比较器的基准电压决定。在导通时间t_on期间，功率开关三极管VT₂导通，通过电感L₂的电流线性上升，电流由V_Buck流出通过L₂和VT₂流经LED负载，最后通过电阻R₃到地。由电阻R₃、I_SNS引脚上的电压决定最大峰值电流导通时间，电阻R₃上的电压又和调光译码电路FLTR2的输出电压相比较来决定VT₂的关断时间（t_off）。

（9）多个LM3445可以通过一个相控晶闸管调光控制器一起使用，实现多LED负载串的相控晶闸管调光控制。

主/从控制电路连接原理图如图4-47所示，采用分离填谷电路的主/从控制电路工作原理框图如图4-48所示，共用一个填谷电路的主/从控制电路工作原理框图如图4-49所示。填谷电路可以是一个总的电路来为所有LM3445控制的电路供电，也可以是每路LM3445控制回路有一个填谷电路为相应的Buck变换器供电。

图4-47 主/从控制电路连接工作原理图

图4-48 采用分离填谷电路的主/从控制电路工作原理框图

图4-49 共用一个填谷电路的主/从控制电路工作原理框图

（10）通过连接两串二极管在主控的V_CC电路，一路迫使主控电路板的V_CC、UVLO为主控阈值电压。

当主控电路的V_CC电压低于UVLO时，主控LM3445的GATE停止输出，RC定时器定时（>200μs）上升大于TL431的阈值电压（2.5V），这样反过来又拉低从控器件（VT₁）的栅极电位。

（11）当LM3445的结温超过165℃时，LM3445关断开关驱动输出，可以限制电路的总功耗，直至LM3445的结温低于145℃。

电路工作脉冲占空比（D）可以利用下式（4-46）计算。

如考虑到电路的工作效率（_η）因素，有式（4-47）成立。

为简化起见，脉冲占空比（D）可以在之间75%～85%取值。

LM3445的关断时间可以由用户设定，只要LED负载串的工作电压保持恒定就可以确保LED负载恒流工作，关断时间取值取决于LM3445电路外围元器件的参数。

（12）电路开关工作频率的设定需考虑电路工作效率、电路板的尺寸和电路造价等因素，Buck变换器的输入电压（V_Buck）和交流输入市电电压的变化范围有关。

当交流输入市电电压变化时，Buck变换器的导通时间变化，相应Buck变换器的输出电压V_Buck也变化，从而维持LED负载的电流恒定。如图4-50所示，当交流输入市电电压降低时，Buck变换器的开关工作频率降低，当交流输入市电电压上升时，Buck变换器的开关工作频率上升，开关工作频率可以根据需要在30kHz～1MHz范围内设定，LM3445最高工作频率由最小的导通时间（200ns）决定。

（13）LM3445通过控制开关脉冲占空比D来稳定通过电感L₂的平均电流，从而达到控制LED负载串工作电流目的。Buck变换器输入电压（V_Buck）随交流输入市电电压的变化而变化，LED负载串的电压相对稳定，所以通过电阻R₄的电流恒定（如图4-39所示），由于关断时间的变化使Buck变换器的输出伏秒积（V×s）固定，固定的伏秒积（V×s）使交流输入市电电压发生变化时通过电感L₂的电流保持恒定。

Buck变换器有关外围电路工作原理图如图4-51所示。

图4-50 开关工作频率与V_Buck关系曲线

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图4-51 LM3445组成的Buck变换器外围电路

理想电感的电压（V_L）和电流关系可以用式（4-48）表示。

电感值L固定时，式（4-48）表示电感两端电压（V_L）正比于通过电感电流的变化率。

如图4-51所示，在功率开关管VT₂导通期间，电感两端电压如式（4-49）所示。

V_{L（导通时间）}=V_Buck-（V_LED+V_DS（VT2）+I_L2×R₃）（4-49）

由于功率MOSFET管（VT₂）的电压和电阻R₃上的电压降较小，这样公式又可以简化为式（4-50）。

V_{L（导通时间）}=V_Buck-V_LED （4-50）

在关断期间，电感上电压可以近似用式（4-51）表示。

V_{L（关断时间）}=V_LED （4-51）

由于LED负载串电压相对固定，所以V_{L（关断时间）}的值相对固定，V_{L（关断时间）}值可以利用式（4-52）和式（4-53）表示。

对以上公式整理以后有式（4-54）成立。

这样可以看出纹波电流（Δi）正比于关断时间（t_off）和由电感L₂的电感量决定的V_LED乘积。

对上面公式进行变换后有式（4-55）成立。

如式（4-47）所示，有式（4-56）成立：

结合式（4-55），最后有式（4-57）成立。

式（4-57）给出了电感量L₂、开关工作频率、V_LED、Δi、电路工作效率η和电压V_Buck之间的关系。

（14）LM3445通过控制回路控制开关脉冲占空比D来控制通过电感L₂的峰值电流（I_L2），平均电感电流等于流过LED负载的平均电流（I_AVE），所以调节通过电感L₂的峰值电流（I_L2）就可以调节通过LED负载的平均电流（I_AVE），电流连续导通工作模式（CCM）下的有关电感电流波形如图4-52所示。

知道所需LED负载平均电流I_AVE和要求允许的电感纹波电流Δi_L，在CCM工作模式下的电感峰值电流（I_L2-PK）可以利用式（4-58）计算。

图4-52 电感L₂电流波形

在非调光工作状态下LED的最大工作电流（I_L2-PK（非调光））可以利用式（4-59）计算。

这个电流值乘以电流检测电阻R₃可以确定LM3445内部比较器的触发阈值电压，一旦达到这个750mV触发阈值电压点，LM3445内部的比较器开始控制功率MOSFET管的关断，有下面的式（4-60）成立。

（15）在正常工作条件下，PWM比较器的触发电压小于或等于750mV，这主要取决于调光工作电流的大小。但是，如果电路输出出现短路或过载的情况，这会在I_SNS引脚产生大于1.27V的电压，触发I_LIM比较器的工作，I_LIM比较器复位RS锁定电路，使功率开关管VT₂关断，同时也会使COFF引脚为低电平来禁止启动脉冲发生器和COFF比较器的工作。在180μs的时间内，延迟电路禁止另一个新的启动工作周期。

5.填谷电容

（1）填谷电容最大耐电压值（V_VF-CAP）可以利用式（4-61）决定。

这个公式在每个填谷电容的分压一样是正确的，但是一般填谷电容的耐压有20%的偏差，所以使用中每个填谷电容耐压可以取25%～50%的余量。

图4-53 无相控晶闸管调光时两级填谷电路的V_Buck波形

（2）当输入交流市电电压低于每个填谷电容上的分压和时（如图4-53所示的时间t_X），填谷电容为后面的Buck变换器供电。实用中可以按LED负载为满载时的工作条件来计算填谷电容的容量，填谷电容的容量不应取的太小。

根据以上的假设和公式（4-61），在50Hz/60Hz交流市电供电情况下，对两级填谷电路而言，有以下条件成立，半周期交流输入市电电压相位角为180°，半周期时间为10ms（50Hz），当交流输入市电电压的相位在30°～150°之间时，交流输入市电电压大于串联填谷电容上的电压和，这是Buck电路由交流输入市电供电和填谷电容（C₇和C₉）供电的转换点，10/3ms（60°/180°）的时间由填谷电路供电。

下面计算最多允许串联的LED数量。对AC90～135V的交流输入市电电压所需的最小V_Buck电压为45V，在AC90～135V交流输入市电电压时所需的最大电压为64V。所以，如取V_Buck有一定的余量，这个电压降不能大于15V，电流为P_OUT/V_Buck，而P_OUT=V_LED×I_LED。这就可以计算出填谷电容C₇和C₉并联的容量值。

6.Buck变换器的输入电压

LM3445是一款离线式LED驱动电路，为确保LED负载串可靠工作，要求Buck变换器输入电压需大于输出电压，而Buck变换器输出电压应大于LED负载串电压（V_LED），在确定最大LED串联负载数量时需确定Buck变换器的最低输入直流电压值，这样需确定两个变量参数。

（1）例如AC110V/220V交流输入市电供电电压应用场合。

（2）需用几级填谷电路来改善电路的功率因数（例如2级或3级）。

下面讨论最常用的两级填谷电路。

图4-54 不同触发角的交流输出市电电压波形

图4-54的三个图表示相控晶闸管调光的有关波形，可以看出峰值电压（V_PEAK）为2×V_AC-RMS，如果相控晶闸管在大于90°的峰值电压相位角处触发，这时交流电压的最大值为在不同触发角的交流输出市电电压波形如图4-54所示。

填谷电路用于改善电路的功率因数，当交流输入市电电压峰值大于其峰值电压除以2时（对两级填谷电路而言）Buck电路由交流输入市电供电，在这段工作期间，电容C₇和C₉被充电（如图4-44a所示），一旦交流输入市电电压低于峰值电压除以2时，两只电容并联为Buck变换电路供电。当晶闸管的触发角大于90°时，V_Buck将变低，在0°～30°和150°～180°的触发相位角位置，V_Buck电压将变的更低，V_Buck最低值和触发角、交流输入市电电压、填谷电路级数之间的关系如式（4-62）所示。