作者：Alexander Craig

引言

高亮度LED是傳統白熾燈的一種理想替代方案，因為前者的壽命和效率都比后者高得多，而且不同于緊湊型熒光燈泡，這些LED能夠在低溫下工作。然而，和冷陰極熒光燈（CCFL）燈泡一樣，高亮度LED也未能擺脫眾多家庭和應用中常見的三端雙向可控硅（TRIAC）調光器。本文將介紹一種具成本優勢的高亮度LED（HB LED）調光方法。

設計挑戰

基本TRIAC調光器開關廣泛運用于家裝店和大多數家庭，要了解有關采用這種調光器開關的設計挑戰，我們必須對TRIAC電路的基本工作原理以及高亮度LED電路的基本設計原理進行深入的研究。

高亮度LED一般由恒流電源驅動，因為隨著LED逐漸變熱，其電壓降將減小；而且，若LED串由恒壓電源供電的話，電源往往會持續提供過多的電流，使輸出電壓增大，直到電源達到電流限值或LED失效。

基本的LED調光方法

高亮度LED有兩種基本調光方法。第一種是PWM調光方法，即在大于200Hz的某些頻率下以0%到100%的不同的導通時間百分比（占空比）導通和關斷LED。在導通期間LED滿電流工作，而在關斷期間LED上沒有電流流過。這就保證了色彩的一致性。

另一種方法是控制流經LED串的電流量。這可能導致LED串的電壓下降，并造成輕微的色差。不過，如果觀察調光器打開情況下工作的白熾燈，也會看到明顯的色彩變化。

TRIAC調光器的工作原理：

大多數調光器內都有一個簡單的TRIAC電路，其核心如圖1所示。我們討論的重點是TRIAC的兩個屬性。即一旦柵極被觸發就允許電流流過，以及若有足夠電流流過，TRIAC就保持導通。要設計正確的調光電路，必須了解這兩個電流，觸發電流和保持電流。以調光器開關中常采用的3A 800V TRIAC器件FKPF3N80為例，該器件的觸發電流為20mA，保持電流為30mA。當柵極電流接近20mA時，該TRIAC導通，當流經電流至少為30mA時，TRIAC保持導通狀態。

當用戶旋開調光器旋鈕時，他其實是在改變電阻分壓器。分壓器在AC周期內設置不同的觸發電流點，從而設定TRIAC的觸發點。通過選擇TRIAC的設置點，用戶實際上選擇了負載供電所需的AC電壓的占空比，而這個占空比是LED驅動器調節LED亮度所需的信息。

為了對LED進行調光，需要把60Hz占空比轉換為可用于上述任一種調光方法的數值。一旦觸發導通，必須確保TRIAC有足夠的電流。第一部分很容易做到，可利用圖2所示的電路來實現。圖中，TRIAC調光器和雙向光耦合器從AC線輸入獲得占空比信息，對簡化電路進行供電。

圖2　Triac調光器

120Hz信號經一個電阻/電容濾波器處理為代表AC電壓占空比的電壓，并經由TRIAC調光器提供給電源。可通過多種方法利用這個電壓來控制LED電流。在圖示電路中，利用兩個電阻把雙極結型晶體管（bipolar junction transistor, BJT）偏置到所需的較大負載電流，并假設光耦合器完全導通（占空比=100%），濾波器電容被充電到較大電勢能量。鑒于V_CC一般都很低，小于~24V，所以電容的尺寸很小，即使其數值往往相當大，足以作為120Hz濾波器。

在上述實現調光器和 LED 電流調節器的方法中，較好是有一個恒壓電路。這樣一來，就可以利用簡單的 BJT 來調節電流。設計人員需要把 BJT 完全偏置到LED 串允許的較大電流，并在該電流下把輸出電壓設置到冷 LED 溫度所需的值，從而讓 BJT 能夠以 100% 的占空比控制電流。注意 V_CE 低至 ~0.2V，電流較大值一般在350mA 到 1.35A 間。因此，對于 1.35A 負載電流的設計，功耗為 V_CE(SAT）* Ic ~ 0.27W。隨著占空比下降，BJT 開始限制電流，其 V_CE 將上升，故在 50% 占空比飽和的情況下，LED 電流將為較大設計點的一半。因此功耗為 V_CE * Ic，并很容易設計為足夠低的范圍，以便于管理。

這種方案的另一個關鍵部分是作為恒壓電源工作的 AC-DC 電源。這通常會消耗大量電流，使調光器開關中的TRIAC一旦觸發即閂鎖（latch）。

由于我們有代表AC輸入（RC濾波器輸出的）占空比的電壓，故我們能夠利用這一信息來控制由其它電路驅動的 LED的亮度。要在電路中采用逐脈沖（pulse-by-pulse）電流限制或PWM電流限制技術，基本AC-DC電路必須是恒流電路，如圖3