相控LED调光驱动电路的工作原理与应用

4.9.1.1 CS1610/11/12/13相控LED调光驱动电路的工作原理

1.CS1610/11/12/13的功能

CS161X系列数字智能LED相控调光控制器可以识别使用中的调光器类型并调整其兼容性算法，实现平稳的LED相控调光控制。

决定调光控制兼容性的性能指标主要有：调光功能、LED负载瞬态和稳态工作中的无调光发光闪烁、平稳调光和调光范围（调光最大值与调光最小值）4个关键参数。据报道，Cirrus Logic的CS161X可以对200多款不同型号调光器达到98%的兼容^[77]。

CSl61X系列控制器采用Cirrus Logic的全新数字TruDim^TM技术，采用智能自适应数字信号处理技术的控制特性是今天模拟控制器控制特性无法实现的。

CS161X系列独特的自适应调光兼容算法可以控制升压级，以在整个LED发光光谱实现最佳无闪烁相控调光，包括利用前沿/后沿相控调光和数字调光，实现“深度调光”，可以调光至0%的光输出。

CSl61X系列控制器符合能源之星、NEMA SSL6[美国电子制造商协会（NEMA）颁布的LED调光标准SSL6，SSL6规定了一个范围，中间有一条曲线，即是白炽灯的曲线，这就要求LED调光最好能做到和白炽灯调光曲线相吻合]和IEC61000-3-2标准（低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流小于或等于16A））的有关要求，并且功率因数大于0.9。

CS161X集成了一个利用一次侧控制提供PFC和调光器兼容性的变量导通模式升电压变换器（CRM/CCM）、恒定的输出电流、准谐振Flyback或Buck变换输出级。CS1610/11/12/13数控相控调光控制器具有工作效率高、电路造价低、调光无闪烁、可用于LED相控调光应用场合等特点。

CS1610/11可用于准谐振Flyback变换应用场合，CS1612/13可用于Buck变换应用场合。CS1610/12可用于AC120V的交流输入市电供电应用场合，CS1611/13可用于AC220V交流输入市电供电应用场合。

CS1610/11/12/13具有LED工作电流温度补偿，准谐振工作模式的LED恒流输出，LED负载恒流准确度优于±5%，电路启动工作快，具有软启动控制、输出短路和开路保护控制功能，通过外接负温度系数热敏电阻可以实现过温度保护。CS16XX技术性能对比如表4-36所示。

表4-36 CS16XX技术性能对比

2.CS1610/11/12/13的主要特点

（1）最佳的调光控制兼容性

1）前沿相控晶闸管调光；

2）后沿相控调光；

3）数字调光（集成了电源供电部分）；

（2）软启动。

（3）快速启动。

（4）无调光发光闪烁。

（5）一次侧控制。

（6）工作效率高达90%。

（7）功率因数大于0.9。

（8）最低亮度可以调至0%。

（9）恒流输出的Flyback或Buck准谐振变换。

（10）满足IEC-61000-3-2有关技术要求。

（11）可用于输出功率小于或等于25W的应用场合。

（12）精准的LED负载电流稳定度：恒流准确度优于±5%。

（13）含以下保护控制功能。

1）输出开路/短路保护；

2）电流检测电阻开路/短路保护；

3）通过外接负温度系数热敏电阻温敏检测元件可以实现过温度保护。

CS1610/11/12/13引脚图如图4-232所示，为16引脚SOICN封装。引脚功能如表4-37所示，内部电路工作原理框图如图4-233所示，CS1610/11的典型应用电路工作原理图如图4-234所示。

图4-232 引脚图

表4-37 CS1610/11/12/13引脚功能

（续）

图4-233 CS1610/11/12/13内部电路工作原理框图

图4-234 CS1610/11典型应用电路工作原理图

3．电路工作原理

(1)图4-234所示电路的晶体管VT₂和有关外围电路元器件构成启动电路，一旦电路启动工作，通过白举升电压电感L₂的辅助绕组和晶体管VT₁为V_DD引脚供电，这样可以提高电路工作效率。

专利的外接高压源极跟随电路可以确保调光电路的兼容性，为相控调光器电路提供维持导通电流通路，在电路稳态T作期间，外接高压MOSFET管VT₂（如图4-234所示）通过CS1610/11内部可变电流源的SOURCE引脚控制VT₂开关和升电压输出PFC电路的工作，建议使用低正向电压降的肖特基二极管VD₅，VD₅通过内部电路还可以起到限制电路浪涌输入电流的功能，避免损坏电路。

在图4-234巾，通过电阻R₃和R₄将交流输入市电整流输出的直流电压加到CS1610/11的I_AC引脚，用于自适应调光器算法兼容性控制和提取用于相控调光输入交流市电电压的相位信息，在稳态工作条件下电路工作于CRM升电压输出工作模式，这样可以获得高的电路功率因数，改善调光器的兼容适应性，降低在升电压输出滤波电容上的纹波电流，为VT4组成的功率变换级提供稳定的供电。

通过流人BSTOUT引脚的电流可以实现Boost变换输出，功率开关管VT₄组成的第二级准谐振变换电路工作于一次侧控制的峰值电流控制T作方式。由于采用了一次侧控制工作方式，所以省掉了变换电路二次侧到一次侧的有关反馈元器件，简化了电路设计，降低了电路成本。

通过接到功率开关管VT₄源极的电流检测电阻R₁₁可以实现对流过变压器T．一次绕组峰值电流的控制，电流检测电阻R₁₁上的检测电压加到了CS1610/11的FBSENSE引脚，FB-SENSE引脚还提供前沿和后沿消隐控制功能，以避免相控调光电路的误触发。

引脚FBAUX用于检测VT₄功率变换级变压器T₁-次侧电感的退磁工作状态，确保VT₄功率变换级工作于准谐振工作状态。

如果CS1610/11的eOTP引脚连接了负温度系数热敏电阻，电路可以实现电路的工作温度检测，如果电路工作温度过高，可以通过内部电路的控制作用降低LED驱动电路的输出电流，如果电路的工作温度达到了高温保护设定点，CS1610/11关断停止LED驱动电路的工作。

（2）CS1610/11/12/13调光开关检测电路可以实现电路连接调光电路的类型判断，例如判断电路接的是前沿相控调光电路、后沿相控调光电路还是未接调光器控制电路。

调光开关检测电路功能实现有两种方法，一是学习工作模式；另一种是调光器有效工作模式。一旦CS1610/11/12/13的供电电压达到欠电压锁定（UVLO）起始阈值电压V_ST（th），CS1610/11/12/13开始工作，进入调光器学习工作模式，使调光器开关检测电路处于工作状态，使电路工作于相应于无调光器、前沿相控调光或后沿相控调光的工作状态之一。

1）在调光器学习工作模式下，调光器检测电路停止工作大约两个交流输入市电供电周期时间，来学习电路是否接有调光器和调光器电路的类型。在调光器学习工作模式下，采用了优化的前沿相控调光算法，通过检测输入交流市电的下降沿可以决定电路是否接入了后沿相控调光器，一旦检测到了电路接有调光器和调光器电路类型，电路进入相应的工作模式。

2）在正常工作状态下，CS1610/11/12/13工作于调光器有效工作状态，通过调光器检测电路使电路工作于相应的调光工作状态，内部的调光器检测电路周期性的检测确认调光器的工作状态，避免调光器电路的误检测。如果检测电路的检测结果不正确，调光电路处于不正确的调光器类型工作状态，CS1610/11/12/13将再次进入学习工作模式，从而使电路处于正确的调光算法工作状态。(www.xing528.com)

3）如果调光器检测电路检测到了没有接入调光器电路，电路工作于无调光器工作模式，这时电路的功率因数大于0.9，CS1610-01/11/12/13可以工作于CRM工作模式和DCM工作模式，而CS1610仅工作于CRM工作模式的升电压输出工作模式，通过调节功率开关管的峰值电流可以稳定输出电流。通过电阻R_IPK可以设定峰值电流（如图4-234所示），通过内部补偿环路控制功率开关管的导通时间可以稳定升电压PFC输出直流电压，通过内部算法可以降低升电压PFC输出功率开关管的峰值电流，确保电路输出电压稳定性和高功率因数。

4）在前沿相控调光工作模式下，CS1610/11/12/13通过改变调光相控角实现LED调光控制，在前沿相控调光器开始触发期间，通过电流连续导通升电压输出可以提供前沿相控调光器的触发峰值电流，在得到输入电流控制增益后转换为CRM工作模式，对输入的交流整流输出波形进行周期性的检测，检测信号用于使电路工作于对应的调光器类型，确保电路可靠工作。

5）在后沿相控调光工作模式下，CS1610/11/12/13基于输入交流电压波形的下降沿决定电路的调光工作模式，为使调光电路可靠工作，在输入交流电压波形的下降沿需对调光器电路中的电容充电，这样，在后沿相控调光工作模式下CS1610/11/12/13一直工作于输出升电压工作模式，确保和调光电路的最大可能的兼容，这时，电路的峰值工作电流不能过低，所以电路工作于CRM工作模式。

（3）接到CS1610/11/12/13的SOURCE引脚外接功率MOSFET管源极跟随启动电路为SOURCE引脚提供一个可变的启动工作电流，完成电路的启动，PFC电路工作于升电压输出，通过接至I_PK引脚的外接电阻可以设定外接功率MOSFET管的峰值开关工作电流。

在非调光工作方式下，PFC电路工作于升电压输出，改善电路的功率因数。

在前沿相控调光应用场合，升电压输出PFC电路还需满足相控晶闸管调光器对维持导通工作电流的要求。在后沿相控调光的应用场合，升电压输出PFC电路应确保相控调光在交流输入电压波形的下降沿进行，确保后沿相控调光电压和电流相位的对应关系。

1）通过升电压电感的最大峰值电流可以通过接至引脚I_PK的外接电阻R_IPK的参数设定，电阻R_IPK上的电压被CS1610/11引脚I_PK内部ADC电路周期取样，PFC电路的最大输出功率正比于电流I_PK。

2）一个和PFC升电压输出电压V_BST成正比的电流作为反馈控制信号加到了BSTOUT引脚，通过内部的ADC电路利用电阻R_BST（如图4-234中所示的电阻R₈和R₉）上的电压降来检测I_BSTOUT，这个检测的电流幅度又和内部133μA的基准电流I_ref进行比较。

一个和交流输入市电整流输出电压成正比的电流被加到了I_AC引脚，用于PFC电路算法控制，为确保电路输出电压V_BST的准确度，接至I_AC引脚的电阻R_IAC和接至BSTOUT引脚的电阻R_BST应选用误差为±1%或更高的精密电阻，如图4-234所示的电阻（R₃+R₄=R_IAC和电阻R₈+R₉=R_BST）。

3）升电压输出电感辅助绕组用于零电流检测，通过BSTAUX引脚检测辅助绕组上的电压，在电路稳态工作的状态下也可以为CS1610/11/12/13正常工作提供输入电流。

4）CS1610/11/12/13具有PFC输出过电压保护控制功能，如果PFC电路的输出直流电压超过DC249V（AC120V输入），或DC448V（AC230V输入），就会产生PFC电路的输出过电压保护故障信号，这个PFC电路的输出过电压保护故障信号被不断的平均，如果这个平均故障保护信号大于设定的保护阈值电压，电路终止PFC的驱动输出，PFC输出过电压保护平均算法设定的阈值电压使PFC电路输出过电压故障持续时间不大于1.6ms。

在PFC电路输出过电压故障期间，第二级的谐振变换电路（VT₄）仍然工作，调光输入信号被调到最大值，这样第二级谐振变换电路就可以很快的消耗掉存储在PFC输出电容（如图4-234中所示的电容C₈）上的电能，使PFC输出直流电压降低至一个安全值。这时，负载LED就会发光闪烁，表明PFC电路出现了输出过电压故障，一旦PFC电路的输出电压下降到DC195V（AC120V输入）或DC368V（AC230V输入），PFC电路又开始工作，电路恢复到正常工作模式。

（4）为确保前沿相控晶闸管调光器电路可靠工作，晶闸管不被误触发，前沿相控晶闸管调光电路需要有一个维持晶闸管正常工作的维持导通工作电流，对前沿相控晶闸管调光的应用场合，这个功耗一般为2W左右（对AC120V或AC230V输入而言）。如图4-235所示，在CS1610/11/12/13通过引脚CLAMP提供有源箝位控制功能（泄放）。

通过PWM控制环路的控制作用可以使PFC电路的输出电压V_BST不超过DC424V（AC230V输入）和DC227V（AC120V输入），通过有源箝位电路（泄放）的工作可以吸收一部分能量，避免电压V_BST超过安全工作电压。

图4-235 CLAMP引脚电路工作原理图

（5）在电路接有调光器时，提取的调光控制信号和调光器的导通角成正比，这个调光控制信号被送到第二级谐振变换电路来实现2%～100%的调光控制。

（6）第二级为即可以工作于Flyback变换或Buck变换的准谐振变换电路，可以恒流输出提供高工作效率和低的输出纹波电流。采用一次侧控制可以简化电路设计和减少外围电路元器件的数量。Flyback变换电路工作原理图如图4-236所示，数控调光算法可以确保2%～100%的调光控制范围，确保调光控制信号与LED工作电流的线性关系。Flyback变换工作电流通过电阻R₁₁检测控制。

准谐振Buck变换电路工作原理图如图4-237所示，通过辅助绕组电阻分压电路（R₁₂、R₁₃）可以检测Buck电感上的电压，通过电阻R₁₁可以检测通过Buck变换功率开关管的工作电流。数字Buck算法可以确保调光范围为2%～100%，确保调光控制信号与LED工作电流的线性关系。

图4-236 Flyback变换工作原理图

图4-237 Buck变换工作原理图

通过辅助绕组检测第二级功率电感的退磁可以实现第二变换级的准谐振变换，数控算法可以抑制PFC前级输出的交流市电纹波电压，确保LED负载的工作效率和工作寿命。

1）辅助绕组也可以用于零电流检测和过电压保护控制，通过FBAUX引脚完成这个控制功能。

2）第二变换级控制参数如下。在交流输入市电电压变化±10%的情况下，确保LED负载电流维持恒定。在变压器磁化电感变化±20%的情况下，确保LED负载电流维持恒定。

第二谐振变换级需要有3个输入信号和1个输出信号，FBSENSE引脚用于检测第二谐振变换级电感的电流，但这个电流达到阈值电流值时，栅极驱动输出关断（GD引脚）。电流检测信号和FBGAIN信号用于决定开关工作周期T_总，零电流检测输入引脚FBAUX用于决定电感L₃的退磁时间T₂，然后控制电路利用T_总来决定栅极导通时间。通过外接电阻R_FBGAIN可以设定FBGAIN输入信号。

3）输出开路保护和输出过电压保护控制功能可以通过对辅助绕组的电压检测实现，如果FBAUX引脚的电压超过1.25V的阈值电压（V_OVP（th）），表示电路出现了输出开路或输出过电压的故障，CS1610/11/12/13会停止工作，一秒钟时间过去后电路试图再重新启动。

4）通过第二级检测电流检测电阻（图4-237中的电阻R₁₁）上的电压可以实现过电流保护，如果电流检测电阻R₁₁上的电压大于1.69V的阈值电压（V_OCP（th））时，电路认为出现了过电流故障，CS1610/11/12/13会停止工作，一秒钟时间过去后电路试图再重新启动。

5）通过检测第二变换级检测电阻R₁₁上的电压可以实现开环保护，如果FBSENSE引脚上的电压达到200mV的保护阈值电压，CS1610/11/12/13会停止工作，一秒钟时间过去后电路试图再重新启动。

6）CS1610/11/12/13的输出过功率箝位保护控制逻辑电路平均箝位电路的导通时间，如果平均值超过49%，输出过功率箝位保护电路动作，终止PFC电路和第二级谐振变换电路的工作，导通时间平均算法设定输出过功率箝位保护的阈值，确保箝位过功率保护电路的导通时间不大于13.8ms。

（7）CS1610/11/12/13内含过温度保护控制功能，一般采用外接负温度系数热敏电阻来实现这个控制功能。

1）当CS1610/11/12/13的工作温度大于+135℃时，内部的过温度保护电路动作，在电路恢复正常工作时有+14℃的温度回滞。

2）外部过温度保护引脚通过外接负温度系数热敏电阻实现过温度保护控制，通过数字控制环路外部过温度保护引脚的总电阻被转换位8位的数字信号送到内部电路进一步处理。

ADC输出被滤波，并和基准数字温度信号（125℃/130℃）比较，如果温度超过阈值温度，电路进入过温度保护工作状态，关断电路的工作，一旦电路工作温度低于+110℃，电路恢复工作。电路LED工作电流和温度的关系如图4-238所示。

如不需用到外部过温度保护控制功能，可以通过一只50～500kΩ的电阻将外部过温度保护引脚接地。

图4-238 LED工作电流与外部过温度保护温度关系曲线

4.9.1.2 采用CS1611的8W相控LED调光驱动电路

1.电路特点

CS1611是一款AC230V交流输入市电供电的准谐振Flyback变换可调光LED驱动控制电路，通过数字算法可以获得高的工作效率和大于0.9的功率因数，交流输入市电供电适应范围为AC207～253V，CS1611内部集成了CRM工作模式的升电压输出PFC变换器，准谐振变换、恒流输出Flyback变换控制电路，完成恒流输出调光驱动控制。

内部的自适应调光控制算法控制PFC升电压输出电路和调光控制兼容性，确保无调光发光闪烁，在前沿/后沿相控调光和数控调光的应用场合输出电流变化率不大于±2%^[78]。

通过内部数控电路完成电路的闭环反馈控制，变化的开关工作频率扩散了开关工作频谱，降低了电路的EMI，电路含有输出开路/短路、电流检测电阻开路/短路、过温度保护等保护控制功能，电路工作原理图如图4-239所示。电路可用于相控晶闸管前沿调光、相控晶体管后沿调光和数控调光，可用于A19和PAR灯的应用场合。

2.电路主要技术指标

（1）调光无发光闪烁；

（2）使用外围元件数量少；

（3）输出电压：11.0～12.6V；

（4）额定输出功率：6.6W；

（5）额定输入功率：8.0W；

图4-239 电路工作原理图

（6）恒流输出，准谐振Flyback变换；

（7）交流输入电压：AC230V±10%；

（8）工作效率：4只LED串联，550mA时工作效率为83%。