1.4 LED照明调光电路

1.4.1 LED模拟调光电路

LED照明灯根据不同的使用目标，选择不同的调光驱动方式，如使用LED做背光源时，要根据LED的发光亮度、不同的环境将发光源亮度做相应的变化，这时就要选用LED不同的驱动器，其调光方式有模拟调光、数字调光、脉宽调光、晶闸管调光和无线调光等。我们知道，各种调光都具有各自的优缺点，要根据实际应用的用途、环境来选择不同的LED驱动器，例如，作汽车内部液晶显示器背光，受使用环境的影响，汽车内的亮度变化较大，有阴天、晴天、白天、黑夜之分，所以使用环境变化很大，因此，相对LED照明的亮度和照度的范围很大，要求调光比达到1000∶1，这时，可采用PWM调光方式；而家用照明的亮度变化较小，可采用双向晶闸管调光方式。

1.模拟调光的特点

所谓模拟信号调光是利用直流电压或电流作信号对LED驱动电源进行触发，实现LED线性调光，根据调光方式，要求触发信号是连续性的，这种模拟调光的特点是触发电路简单、制作容易，因为是连续触发，LED发光源无闪烁、亮度稳定。但是，也有不可回避的缺点：由于实施模拟信号，使得调光的范围小。当触发信号发生变化时，结果使得LED发光源发生偏色，影响发光质量。其次，由于用模拟信号驱动LED，而使LED始终处于工作调光状态，连续型信号的触发增加电源的损耗，降低电源效率，这种方式不可取。模拟调光一般对连续信号进行调制。

2.模拟调光的实施方法

以连续电感电流LED驱动器为例，说明模拟调光基本原理。图1-42所示为自激降压式LED驱动器原理框图。模拟调光信号输入电压V_ADM，经过电阻R₂偏置，为V_ADM提供1.20V的电压信号，LPF为用于抑制高频干扰的低通滤波器。恒流控制电路：由比较器1、MOS管VT₃、负载电阻R_L和功率开关管VT₁组成。电源关断控制电路：包括稳压管、运算放大器，还包括P型MOS管VT₂，及限流电阻R₁组成镜像电流源等。它的输出电流I_J是LED的工作电流I_LED的镜像电流，I_LED=KI_J，式中，K为比例关系数。R₁为镜像电流源内的限流电阻。V_i是输入电压，R_F为镜像电流负载电阻。

图1-42 MT7201模拟调光基本原理框图

比较器1的作用相当于施密特触发器，当它输出高电平时，使开关管VT₁导通，电流I_LED线性增大，这时镜像电流I_J也同步线性增加，进而V_RL升高。比较器1输出低电平，将VT₁关断，使流经LED的I_LED线性减小，最后VT₃截止。由于R_F串联在R_FH上，这样抬高了比较器1的反馈电压V_RL，保持了比较器1输出低电平，直到下一个振荡周期。

3.MT7201在LED驱动中的应用

高性能的MT7201，输出LED恒流驱动，具有很高的一次性价比，与其他国内外LED驱动芯片相比，具有以下优点和特点：由图1-43可知，电路具有极少的外部元器件，制造容易，成本极低；很宽的输入电压范围，为7～40V；极高的工作效率，高达95%；使用ADj脚，可进行LED开关、模拟调光和PWM调光；输出电流精度高达1.5%，对输出电流能进行可调的恒流控制，所以为恒流、恒压输出驱动LED创造了有利条件；LED电路具有开路、输出短路以及芯片过温保护。电路适用于LED射灯、日光灯、路灯、交通指示灯。引脚完全兼容ZXLD1350/ZXLD1360、PT4115、SN3350等各种驱动芯片，不需大的调试。

1.4.2 LED脉宽调光电路

图1-43 MT7201模拟调光原理应用

脉宽调光（PWM调光）是将PWM信号驱动开关管点燃LED发光，通过调节LED的工作电流调整LED的发光亮度，因此，LED一直处在恒流条件下工作，无论调光比的大小，都不影响工作电流。PWM调光处在低频时，占空比的调节范围从1%～100%变化，调光比高达3000∶1。在整个调光范围内，由于LED的工作电流处于最大值，调节占空比只是改变LED的平均电流，因此，PWM调光不会因为电流的变化出现偏光。现阶段，一般PWM调光频率为200Hz，最高达20kHz，低频调光不会出现闪烁现象，LED驱动器的转换效率高，但PWM调光电路较模拟调光复杂、产品成本较高，而且PWM调光驱动电源往往由于电路中的电容电感会产生低于20kHz的低频噪声。不过，这种噪声通过电路设计PCB合理布局是可以克服的，PCB设计的难度不是很大，只需注意走线合理。PWM调光法能使功率开关管导通时工作在零电压开通（ZVS）状态，关断时需采用吸收充电电流，以达到零电流关断（ZIS）状态，这时EMI和功率开关管的电压应力明显降低，损耗减小。但要注意的是，如果高频开关管的脉冲占空比太小，以致电感电流不连续，将失去ZVS工作特性，并且由于供电电压较高而导致开关管电压应力加大，使开关管发烫并加大EMI辐射强度。只有保证电感电流的连续性，才能有效地工作在ZVS状态。

PWM调光方式LTC3783工作原理与应用如下：

图1-44 PWM调光LTC3783驱动LED原理图

LTC3783调光驱动模式分为恒压源驱动和恒流源驱动。恒压源驱动的负载一般采用LED多路并联，每个电路都有一只限流电阻，要求高电流输出时，电路的转换效率较低。因为LED是电流型器件，即使电压发生较小的变化也可引起电流大幅度改变，恒压源驱动对LED的发光亮度不变，适用于汽车LED驱动的车灯上。恒流源驱动时，一般在LED上串联一只稳压管VS，如图1-44所示。电路常用在汽车转向灯、汽车点火器、太阳能照明灯、机顶盒和充电器上。如用在汽车前照灯时，通过调制LED亮度可以实现远光和近光转换。当输入电压波动时，LED的电流跟着波动，通过反馈电阻R₉进行灯的亮度调节，而使LED流过的电流不变。电阻R₂、R₃是反馈信号取压电阻，保证输出电压一定的稳定性。VT₁、VT₂、电感L、稳压二极管VS、输出电容C₆以及LED串，构成升压型电感式电流控制模式驱动电路。改变芯片FREQ脚外接电阻R₄的大小，可改变高频控制信号频率f。GATE脚输出的峰值脉冲为7V，它是PWMIN脚所接收的PWM脉冲和LTC3783高频调制输出脉冲之和。GATE脚驱动MOS管VT₁的栅极控制VT₁的导通和截止，使电感L上的电流引起改变，产生压降差值。经稳压管恒压，保持输出电压V_o不变。PWMOUT脚的脉冲信号驱动VT₂的栅极，PWM脉冲占空比决定LED串的电流占空比，进而调制灯的亮度。控制脉冲的频率f=120Hz，为了实现占空比D的脉宽调光比1∶3000，要求芯片的工作频率为1MHz，由电阻R₆决定。同时，R₆、R₈是VT₂栅极偏置电阻。

LTC3783由凌力尔特公司生产。汽车前照灯串联8只大功率白光LED。当输入电压为10～14V时，输出恒流电流为710mA，输出电压V_o为28.6V，输出功率为20W，电源效率为92%。

1.4.3 LED双向晶闸管调光电路

双向晶闸管（TRIAC）调光器内部包含有双向晶闸管和双向触发二极管。双向晶闸管是由两只晶闸管反向并联而成，使用一个触发电路去触发它的工作状态，是较为理想的交流开关器件。

1.LM3445型双向晶闸管调光LED驱动的工作原理

LM3445具有可变开关频率和固定关断时间的降压式恒流控制功能，能对1A以上的输出电流进行调节，驱动几十只LED构成的灯串，电源效率达到90%。当交流输入电压过低时，TRIAC能提供维持电流，维护TRIAC处在导通状态，还有过电压和过电流保护功能，利用线路检测，实现过电压保护。LM3445内置有泄放电路，如图1-45所示，泄放电路的功能就是低电压保护。利用片内的检测器和译码器，对波段信号首先进行译码以获得对LED的调光信号，其调光比为100∶1，占空比在0.25～0.75范围内，双向晶闸管的导通角范围是45°～135°可变。当整流桥的输出电压V_B低于峰值电压V_D时，由电路电容为降压式变换器供电，因此，在整个供电交流周期内，可直接从变换器输出线路取得电流，这样，大幅增加了整流管的导通角，提高了功率因数。LM3445的BLDR脚是片内泄放电路输入端，将线电压信号输入到检测电路。COFF脚是芯片关断时间设定端，通过外部电容C₁₀改变关断时间。FLTR2脚是将调光信号变为电压控制信号，来控制LED的工作电流。ASNS脚是调光译码器输出端，控制占空比与PWM脉冲信号的比例，对双向晶闸管导通角控制进行调光。D1M脚为IN/OUT端，PWM调光信号从该脚输入，实现LM3445芯片同步调光。GATE脚为功率开关管的栅极驱动端。U_CC脚为电源端。I_SEN脚为LED电流检测端，进行过电流保护。

LM3445内部包括延时电路、泄放电路、调光译码器、控制器、锯齿波发生器、内部稳压器、PWM比较器、斜波发生器、电流极限比较器、欠电压保护电路、过热保护电路、门电路、锁存器、MOSFET驱动器及前沿消隐电路等，如图1-46所示。

2.TRIAC调光式LM3445驱动LED设计应用

由LM3445构成的TRIAC调光式LED驱动电路，适用于美国电力供电标准，即V_i为AC90～130V，输出电压V_o为25.2V，能驱动LED为正向压降3.6V的7只HB-LED灯串，原理图如图1-45所示。图中C₁～C₄、L₁为抑制EMI抗共模、差模平波电路，VD_Z1为浪涌电抑制器，设计时，采用两只瞬态电压抑制器反相串联，这样反向击穿电压V_R为160V，能排除由电源线引入的浪涌干扰电压。整流桥UR采用KBP310作样板，为降低谐波含量的基础。C₅、C6、VD2～VD₄及R₁组成无源PFC电路，可将功率因数提高到0.92以上。大容量的滤

图1-45 TRIAC调光式驱动LED原理图

图1-46 LM3445内部结构框图

波电容为输出降低纹波起到一定的作用。

LM3445内部的比较器信号与该脚所检测的电压，决定双向晶闸管的导通角。比较器的输出信号经延迟后控制泄放电路。图1-45中的R₄、C₁₁对输出触发脉冲进行滤波。当检测信号电压小于7.2V时，泄放电路的MOS管VT₁导通，这时，它的漏极电阻串联到调光器上，所提供的工作电流保持双向晶闸管的导通。相反，当检测信号电压大于7.2V，内部泄放电路不工作，起着过电压保护的作用。

R₄、VS、VT₁组成输入电压检测电路，它将电压V_B转换为一个合适的电压信号送到LM3445的BLDR脚。图中R₃的作用是为BLDR脚上所有的分布电容提供放电电路，R₃不宜过大，否则由于放电时间太长影响对LED的触发电流。另外为调光器提供恒定的电流供给。VD₆、C₉构成稳压网络，当BLDR脚电压降低时，使U_CC脚电压保持不变，确保LM3445工作正常。TRIAC调光电路是电路的主体。从芯片ASNS脚输出的电压，通过R₄进入FLTR1脚再进入片内的斜波比较器的反相输入端，与锯齿波产生的调制信号进行比较，这时斜波比较器直接从DIM脚输出一路调光信号。另外从MOS管VT₂和电阻R₂接到FL-TR2脚，原理图中的C₁₂为滤波电容。最后一路，由片内的VT₂经电阻R₂送到PWM比较器，如图1-45所示。双向晶闸管的调光占空比变化范围为0.25～0.75，片内调光直流输出电压为0～750mV，双向晶闸管的导通角从45°～135°变化，能够获得0%～100%的调光功能。

LM3445的转换电路由VT₂、L₂、R₅、R₈、C₁₀和VT₃组成。当开关管VT₂导通时，工作电流经电感L₂和LED灯串呈线性上升，R₅为输出电流的检测电阻，调节此电阻可改变灯的亮度，同时也可改变送到PWM比较器的转换电压，从而改变FLTR2脚上的比较电压；当两者相等时，芯片内的VT₂关断。R₈、C₁₀和晶体管VT₃用来设定开关控制器的关断时间，改变输出电流的线性斜率，即改变LED亮度。

LM3445工作于可变工作频率、固定开关时间，非隔离恒流控制电源通过外部功率开关管来驱动LED灯，是一种TRIAC调光方式，适用于路灯、景观灯、工业照明等领域。但各领域对LED照明的发光强度要求是不一样的，因此电路有些参量需经改动。