CN103152926A - 一种晶闸管led调光电路及其混合基准控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶闸管LED调光电路及其混合基准控制方法，属于半导体照明的技术领域。所述调光电路包括晶闸管调光器、驱动电路。驱动电路包括：整流桥、电感、开关管、整流滤波输出电路、混合基准控制器、电压采样点路、电流采样电路。所述混合基准控制方法：比较驱动电路输入电压瞬时值和混合基准控制器中设定的基准电压参考值得到电流基准；接着比较流过开关管的瞬时电流值和电流基准，得到控制开关管通断的信号。通过灵活的电流基准组合方式保证了即使输入电压瞬时幅值较低时，调光晶闸管中也能流过相对较大的工作电流。通过该方法，不仅可以有效减轻通过晶闸管调光LED的闪烁现象，而且维持较高的功率因数，提高驱动电路的转换效率。

Description

一种晶闸管LED调光电路及其混合基准控制方法

技术领域

本发明公开了一种晶闸管LED调光电路及其混合基准控制方法，属于半导体照明的技术领域。

背景技术

LED照明调光系统框架如图1所示，包含电源、晶闸管调光器和LED驱动电路，其中晶闸管调光器的一端连接在电源，另一端连接在LED驱动电路上。LED灯就并联在LED驱动电路的输出电压侧，而LED灯有可能是有单个或多个串联或并联的形式；交流电源为常见的家庭用电源，在美国电压有效值为110V/60Hz的交流电，而在中国电压有效值为220V/50Hz的交流电；调光器为基于晶闸管调光技术的各种产品。晶闸管调光器可以将输入的正弦电压波形调相成0-180°的导通电压波形以获得不同的输入电压有效值，这样LED驱动电路就可以获得不同的输入功率而对应不同的调光效果。

由于白炽灯具有较大的功耗和热滞后效应，在传统的白炽灯应用配置中，晶闸管调光器通过对输入正弦电压的相位控制获得不同的电压有效值，可以取得理想的调光效果。但当用高效率、低瓦数的LED照明直接替代白炽灯时，由于晶闸管的工作特性，基于晶闸管原理的调光器应用于LED照明往往不能正常工作。相对于高耗能的白炽灯大多需要从晶闸管中流过150mA以上电流相比，同样光效的LED照明仅需流过10mA-150mA的电流。而从晶闸管调光器的说明书可知，晶闸管维持导通电流大多在20mA以上。

 特别对于低瓦数的LED照明，如果负载所需要的工作电流低于维持导通电流，即使晶闸管触发导通后也会关断，造成LED照明的闪烁。另外晶闸管调光器内部的定时电路也需要一定的负载电流，如果LED照明所需的功耗太低就会造成定时电路不能正常定时，触发角度的一致性将显著降低。如图2所示，即使是具备传统PFC功能的大瓦数LED照明系统，当输入电压在接近于0的场合，我们有时也能观察到闪烁现象。

为了解决晶闸管调光器在LED照明中存在的问题，有很多方法被提出。最常见的解决方法是在LED驱动电路的整流电路输出端并联一个电阻或是动态电阻，以保证调光器中始终流过一定的工作电流。但这样做不仅会带来额外的功耗，降低了LED照明系统的效率，同时也增加了LED驱动电路的散热难度，增加了成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种晶闸管LED调光电路及其混合基准控制方法。

 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种晶闸管LED调光电路，包括晶闸管调光器、驱动电路，晶闸管调光器输入端接输入电压源，驱动电路输入端接晶闸管调光器输出端，LED与驱动电路输出端连接，所述驱动电路包括：整流桥、电感、开关管、整流滤波输出电路、混合基准控制器、电压采样点路、电流采样电路；

其中：所述电感与开关管组成的串联支路并联在整流桥输出端；所述整流滤波输出电路并联在电感两端；所述电压采样电路的输入端接所述整流桥的输出端，电压采样电路的输出端接所述混合基准控制器的第一输入端；所述电流采样电路的输入端接所述开关管漏极，电流采样电路的输出端接所述混合基准控制器的第二输入端；所述混合基准控制器的输出端接所述开关管栅极。      

一种晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，包括如下步骤：

步骤1，采集驱动电路输入电压瞬时值以及开关管导通后流过开关管的瞬时电流值；

步骤2，比较驱动电路输入电压瞬时值与输入电压第一基准值，所述输入电压第一基准值为混合基准控制器内部设定的基准电压参考值：

当驱动电路输入电压瞬时值低于输入电压第一基准值时，以幅值有利于维持晶闸管稳定触发导通的直线为电感电流基准；

当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第一基准值时，以幅值满足驱动电路输出功率要求的曲线或直线为电感电流基准；

步骤3，比较步骤1采集的开关管导通后流过开关管的瞬时电流值以及步骤2确定的电感电流基准：当流过开关管的瞬时电流值小于电感电流基准时，开关管导通；当流过开关管的瞬时电流值大于电感电流基准时，开关管关闭。

所述一种晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，步骤2中当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第一基准值时，比较驱动电路输入电压瞬时值与输入电压第二基准值，所述输入电压第二基准值幅值大于输入电压第一基准值幅值：

当驱动电路输入电压瞬时值低于输入电压第二基准值时，以与驱动电路输入电压波形具有同相位的正弦波为电感电流基准；

当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第二基准值时，以幅值满足提升驱动电路效率要求的直线为电感电流基准。

所述一种晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，步骤2中当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第一基准值时，以幅值满足驱动电路输出功率要求的曲线为电感电流基准，即以与驱动电路输入电压波形具有同相位的正弦波为电感电流基准。

所述一种晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，步骤2中当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第一基准值时，以一条幅值满足驱动电路输出功率要求的直线为电感电流基准。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：通过灵活的基准组合方式，保证了晶闸管在驱动电路输入电压低于基准电压值时也能流过相对较大的电流，保证晶闸管电路的稳定触发。同时还可以维持较高的功率因数，提高了驱动电路的转换效率。

附图说明

图1为LED照明调光系统框架图。

图2为典型的高功率因数LED照明输入电压和输入电流波形。

图3为具有混合电流基准的开环调光LED照明系统结构图。

图4为本发明所述晶闸管LED调光电路的原理图。

图5为本发明所述晶闸管LED调光电路混合基准控制方法的具体实施例一。

图6为LED照明系统工作在电流断续下的主要工作波形。

图7至图9为晶闸管调光器的导通角分别为135°、90°和45°时的输入电压波形。

图10为本发明所述晶闸管LED调光电路混合基准控制方法的具体实施例二。

图11为本发明所述晶闸管LED调光电路混合基准控制方法的具体实施例三。

图中标号说明：D1至D5为第一至第五二极管，C1至C8为第一至第八电容，R1至R12为第一至第十二电阻，L1为电感，Lp为变压器原边绕组，Ls为变压器副边绕组，Q1为开关管，U1为混合基准控制芯片。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图3所示的晶闸管LED调光电路框图，包括晶闸管调光器、驱动电路，晶闸管调光器输入端接输入电压源，驱动电路输入端接晶闸管调光器输出端，LED与驱动电路输出端连接。驱动电路包括：整流桥、电感L1、开关管Q1、整流滤波输出电路、混合基准控制器、电压采样点路、电流采样电路。整流滤波输出电路有整流二极管D5与输出滤波电容C4串联组成。电感L1与开关管Q1组成的串联支路并联在整流桥输出端。整流滤波输出电路并联在电感L1两端。电压采样电路输入端接所述整流桥输出端，输出端接所述混合基准控制器的第一输入端。电流采样电路输入端接所述开关管Q1漏极，输出端接所述混合基准控制器的第二输入端。混合基准控制器输出端接所述开关管Q1栅极。开关管Q1由N沟道的MOSFET构成，当然开关管也可以是任意的开关器件。通常开关管Q1与电感（非隔离电路）或是变压器原边（隔离电路）相连，输出电容C用来降低输出电压纹波，可由电解电容或瓷片电容组合构成。最大电流基准也可以用来做为过流保护电路，可以适时调节占空比以控制电感或变压器中流过的最大电流值。

驱动电路中：电感L1电流工作在断续模式，即在每个开关周期内电流值均能下降为0。通常，当开关管Q1开通时，流过电感L1中的电流线性增加并储存能量，此时输出整流二极管D5关闭；当开关管Q1关闭时，流过电感L1中的电流线性降低并释放能量，此时输出整流二极管D5导通，电感L1中储存的能量向LED灯和电容输出滤波C4提供能量。在开关管Q1关断期间，电感电流在输出滤波电容电压的作用下下降为0，处于电流断续模式。由于在整流桥后没有大容量的电容，输入电压的有效值与整流后的电压有效值相等，断续模式下的电感电流波形包络线跟随输入电压波形，因此工作在这种条件下的LED驱动电路很容易获得高功率因数和高效率。

如图4所示的利用混合控制模式技术芯片的开环LED控制器：电阻R1、R2 和电容C2 为混合基准控制芯片U1提供启动电流。当LED驱动电路稳态工作时，开关管Q1的寄生电容通过电阻R3为混合基准控制芯片U1提供正常工作所需电流。电阻R5、R6和电容C7检测驱动电路输入电压的幅值和相位，并将检测信号提供给混合基准控制芯片U1与其内部的电压基准信号比较，从而确认电流基准信号。混合基准控制芯片U1的输出引脚Drain和Source端口之间内部包含一个MOSFET开关管，其作用是配合主开关管Q1正常工作。 电阻R4用来检测电感Lp中流过的电流，与电感Lp耦合的线圈电感Ls和电阻R7、R12和电容C8 一起用来检测开关管Q1的漏极电压。图中Vup标注与U1引脚Vedge连接用来检测Q1管漏极电压波形的上升时刻，Vdown标注与U1引脚Vvalley连接用来检测Q1管漏极电压波形的下降时刻。混合基准控制芯片U1利用检测信号Vup和Vdown 控制开关管Q1的关断时刻已实现零电压关断。

一种晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，通过实时采集驱动电路输入电压瞬时值Vsense以及开关管导通后流过开关管的瞬时电流值Isense；比较驱动电路输入电压瞬时值Vsense和混合基准控制器中设定的电压基准值得到电感电流基准；接着比较流过开关管的瞬时电流值Isense和电感电流基准，在流过开关管的瞬时电流值Isense小于电感电流基准值时，开关管导通，否则，关断开关管。

下面对晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法举3个具体实施例以阐述本发明的发明宗旨。

具体实施例一：采用2个电压基准值得到3组电流基准组合，从提升功率因数、维持晶闸管稳定触发、驱动电路效率要求的三个角度出发设定电感电流基准，具体包括如下步骤：

步骤1，采集晶闸管LED调光电路中驱动电路输入电压瞬时值Vsense以及开关管导通后流过开关管的瞬时电流值Isense.

步骤2，比较驱动电路输入电压瞬时值Vsense与输入电压第一基准值：

当驱动电路输入电压瞬时值Vsense低于输入电压第一基准值时，以幅值有利于维持晶闸管稳定触发导通的直线为电感电流基准；

当驱动电路输入电压瞬时值Vsense高于输入电压第一基准值时，比较驱动电路输入电压瞬时值Vsense与输入电压第二基准值：当驱动电路输入电压瞬时值Vsense低于输入电压第二基准值时，以与驱动电路输入电压波形具有同相位的正弦波为电感电流基准，当驱动电路输入电压瞬时值Vsense高于输入电压第二基准值时，以幅值满足提升驱动电路效率要求的直线为电感电流基准；

输入电压第一基准值为混合基准控制芯片内部设定的基准电压参考值，输入电压第二基准值幅值大于输入电压第一基准值幅值。

步骤3，比较步骤1采集的开关管导通后流过开关管的瞬时电流值Isense以及步骤2确定的电感电流基准：当流过开关管的瞬时电流值Isense小于电感电流基准时，开关管Q1导通；当流过开关管的瞬时电流值Isense大于电感电流基准时，开关管Q1关闭。

具体实施例一的原理如图5所示。以输入电压第一基准值、输入电压第二基准值为判定基准，在每半个线周期时间内，由5段基准构成电感电流基准。

[t0-t1]时段：由于采样到的驱动电路输入电压瞬时值Vsense低于芯片内设定的输入电压第一基准值，此时电感电流基准为一条直线Iref。与传统的PFC控制技术相比，此时刻的电感电流基准具有较高的幅值。因此LED驱动电路的等效输入阻抗值较低，而这样的特性对晶闸管调光器的正常工作有好处。第一、晶闸管调光器需要一定的偏置电流以保证内部定时触发相位角电路的可靠工作；第二、较小的输入等效阻抗可以为晶闸管开通瞬间起到阻尼作用，可以减轻电压和电流之间的振荡现象；第三、当晶闸管导通后，保证一定的维持电流流过晶闸管，防止晶闸管的误动作。因此这样的工作特性可保证LED照明通过晶闸管调光器获得可靠的调光效果。

[t1-t2]时段：当采样到的驱动电路输入电压瞬时值Vsense高于芯片内设定的输入电压第一基准值，此时电感电流基准为跟随驱动电路输入电压相位波形的正弦波。由于输入的平均电流为正弦波，因此在这个阶段我们可以获得与传统PFC技术类似的高功率因数。

[t2-t3]时段：当采样到的驱动电路输入电压瞬时值Vsense高于芯片内设定的输入电压第二基准值时，此时电感电流基准重新为一条直线Ipeak。在这个阶段，电感中可流过的最大电流峰值由电感电流基准决定。由于电感中的磁芯损耗是电流峰值Ipeak两次方的关系，限制的最大电流峰值可显著改善LED驱动电路的效率。

[t3-t4]时段：电感电流基准同样为正弦波，原理和[t1-t2]时段所描述的一致。 

[t4-t5]时段：电感电流基准同样为一直线，原理和[t0-t1]时段所描述的一致。

可见，电感L1的峰值电流将会跟随电感电流基准Iref的变化而变化。在每个开关周期内，当开关管Q1导通时，电感L1的峰值电流将会从0近似线性上升至电感电流基准Iref。同时即使电感电流没有上升至电感电流Iref，我们也可设定开关管Q1的最大导通时间以保证驱动电路的安全工作。由于驱动电路工作在断续模式，当开关管Q1关断时，电感L1中的电流将下降至0。如图6所示，由于电感L1与开关管Q1的寄生电容谐振, 开关管Q1有可能在零电压关断条件下工作，同时整流二极管D5在零电流关断条件下工作。

晶闸管调光器可以把输入正弦交流电压调节成具有不同导通角度、不同触发时刻的交流电，并提供给LED驱动电路的输入端以获得不同的输入功率。利用所述晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法第一个实施例，在每半个线电压周期内晶闸管调光器的导通角在135°、90°和45°时输入电压电压波形如图7至图9所示。

具体实施例二：采用1个电压基准值得到2组电流基准组合，从提升功率因数、维持晶闸管稳定触发的两个角度出发设定电感电流基准，具体包括如下步骤：

步骤1，采集晶闸管LED调光电路中驱动电路输入电压瞬时值Vsense以及开关管导通后流过开关管的瞬时电流值Isense.

步骤2，比较驱动电路输入电压瞬时值Vsense与输入电压第一基准值：

当驱动电路输入电压瞬时值Vsense低于输入电压第一基准值时，以幅值有利于维持晶闸管稳定触发导通的直线为电感电流基准；

当驱动电路输入电压瞬时值Vsense高于输入电压第一基准值时，以与驱动电路输入电压波形具有同相位的正弦波为电感电流基准；

输入电压第一基准值为混合基准控制芯片内部设定的基准电压参考值。

步骤3，比较步骤1采集的开关管导通后的瞬时电流值Isense以及步骤2确定的电感电流基准：当流过开关管的瞬时电流值Isense小于电感电流基准时，开关管Q1导通；当流过开关管的瞬时电流值Isense大于电感电流基准时，开关管Q1关闭。

具体实施例二的原理如图10所示。以输入电压第一基准值为判定基准，在每半个线周期内，电流基准Isense由三部分组成。

[t0-t1]时段：由于采样到的驱动电路输入电压瞬时值Vsense低于芯片内设定的输入电压第一基准值，此时电感电流基准为一条直线Iref。与传统的PFC控制技术相比，此时刻的电感电流基准具有较高的幅值。因此LED驱动电路的等效输入阻抗值较低，而这样的特性对晶闸管调光器正常工作的好处与前面描述一致，可以获得可靠的调光效果。

[t1-t2]时段：当采样到的输入电压瞬时值Vsense高于芯片内设定的输入电压第一基准值，此时电感电流基准为跟随驱动电路输入电压相位波形的正弦波。由于输入的平均电流为正弦波，因此在这个阶段我们可以获得与传统PFC技术类似的高功率因数。

[t2-t3]时段：电感电流基准同样为一直线Iref，原理和[t0-t1]时段所描述的一

致。

 具体实施例三：采用1个电压基准值得到2组电流基准组合，从提升驱动电路效率和维持晶闸管稳定触发的两个角度出发设定电感电流基准，具体包括如下步骤：

步骤1，采集晶闸管LED调光电路中驱动电路输入电压瞬时值Vsense以及开关管导通后流过开关管的瞬时电流值Isense.

步骤2，比较驱动电路输入电压瞬时值Vsense与输入电压第一基准值：

当驱动电路输入电压瞬时值Vsense低于输入电压第一基准值时，以幅值有利于维持晶闸管稳定触发导通的直线为电感电流基准；

当驱动电路输入电压瞬时值Vsense高于输入电压第一基准值时，以一条幅值满足驱动电路输出功率要求的直线为电感电流基准；

输入电压第一基准值为混合基准控制芯片内部设定的基准电压参考值。

步骤3，比较步骤1采集的开关管导通后的瞬时电流值Isense以及步骤2确定的电感电流基准：当流过开关管的瞬时电流值Isense小于电感电流基准时，开关管Q1导通；当流过开关管的瞬时电流值Isense大于电感电流基准时，开关管Q1关闭。

具体实施例三的原理如图11所示。以输入电压第一基准值为判定基准，在每半个线周期时间内，由3段电流基准构成电流基准。

[t0-t1]时段：由于采样到的驱动电路输入电压瞬时值Vsense低于芯片内设定的输入电压第一基准值，此时电感电流基准为一条直线Iref。与前面所描述效果一致，而这样的特性有利于晶闸管调光器正常工作，可以获得可靠的调光效果。

[t1-t2]时段：当采样到的驱动电路输入电压瞬时值Vsense高于芯片内设定的输入电压第一基准值，相对于[t0-t1]时段，此时电感电流基准为具有更高幅值的直线（大于Iref值的任意直线）。在这个阶段，电感中可流过的最大电流峰值是一致的，限制的最大电流峰值可显著改善LED驱动电路的效率。

[t2-t3]时段：电流基准同样为一直线Iref，原理和[t0-t1]时段所描述的一致。

综上所述，本发明所述根据采集的驱动电路输入电压瞬时值与芯片内部设定的输入电压第一基准值和输入电压第二基准值比较，获得不同的电流基准组合方式。通过灵活的基准组合方式，保证了晶闸管在驱动电路输入电压幅值较低时维持一定的工作电流，在维持较高功率因数的同时，降低了驱动电路中的磁损，提高了驱动电路的转换效率。

Claims (5)

1.一种晶闸管LED调光电路，包括晶闸管调光器、驱动电路，晶闸管调光器输入端接输入电压源，驱动电路输入端接晶闸管调光器输出端，LED与驱动电路输出端连接，其特征在于，所述驱动电路包括：整流桥、电感、开关管、整流滤波输出电路、混合基准控制器、电压采样点路、电流采样电路；

其中：所述电感与开关管组成的串联支路并联在整流桥输出端；所述整流滤波输出电路并联在电感两端；所述电压采样电路的输入端接所述整流桥的输出端，电压采样电路的输出端接所述混合基准控制器的第一输入端；所述电流采样电路的输入端接所述开关管漏极，电流采样电路的输出端接所述混合基准控制器的第二输入端；所述混合基准控制器的输出端接所述开关管栅极。

2.一种基于权利要求1所述的晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，采集驱动电路输入电压瞬时值以及开关管导通后流过开关管的瞬时电流值；

步骤2，比较驱动电路输入电压瞬时值与输入电压第一基准值，所述输入电压第一基准值为混合基准控制器内部设定的基准电压参考值：

当驱动电路输入电压瞬时值低于输入电压第一基准值时，以幅值有利于维持晶闸管稳定触发导通的直线为电感电流基准；

当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第一基准值时，以幅值满足驱动电路输出功率要求的曲线或直线为电感电流基准；

步骤3，比较步骤1采集的开关管导通后流过开关管的瞬时电流值以及步骤2确定的电感电流基准：当流过开关管的瞬时电流值小于电感电流基准时，开关管导通；当流过开关管的瞬时电流值大于电感电流基准时，开关管关闭。

3.根据权利要求2所述的一种晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，其特征在于，所述步骤2中当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第一基准值时，比较驱动电路输入电压瞬时值与输入电压第二基准值，所述输入电压第二基准值幅值大于输入电压第一基准值幅值：

当驱动电路输入电压瞬时值低于输入电压第二基准值时，以与驱动电路输入电压波形具有同相位的正弦波为电感电流基准；

当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第二基准值时，以幅值满足提升驱动电路效率要求的直线为电感电流基准。

4.根据权利要求2所述的一种晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，其特征在于，所述步骤2中当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第一基准值时，以幅值满足驱动电路输出功率要求的曲线为电感电流基准，即以与驱动电路输入电压波形具有同相位的正弦波为电感电流基准。

5.根据权利要求2所述的一种晶闸管LED调光电路的混合基准控制方法，其特征在于，所述步骤2中当驱动电路输入电压瞬时值高于输入电压第一基准值时，以一条幅值满足驱动电路输出功率要求的直线为电感电流基准。

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