基于控制器LM3445的TRIAC调光离线LED驱动电路原理解析

引言

基于控制器IC的可调光LED驱动器通常采用的调光方式有两种，即数字PWM调光和模拟DC电压调光。

基于相位控制的TRIAC传统白炽灯和卤素灯调光器若用于LED的调光控制，会产生100Hz或120Hz的闪烁，而且调光范围非常窄。美国国家半导体（NS）公司推出的一种带有TRIAC调光译码器的离线式AC/DC降压（buck）恒流LED控制器LM3445，允许利用标准TRIAC调光器对LED进行宽范围的平稳无闪烁调光，打破了传统TRIAC调光器应用与LED节能照明的一个瓶颈。

LM3445的主要特点：

LM3445与先前的同类离线式AC/DC降压恒流LED驱动器IC比较，其主要特点是在芯片上设计了TRIAC调光译码器电路，能传感AC线路TRIAC调光波形，并将其转换成控制LED电流的调光信号，几乎能在从0%到100%的调光范围内实现无闪烁LED亮度调控。

LM3445的其它特征主要有：

（1）AC输入电压范围为80～270V，适用于国际通用AC线路；

（2）能够控制大于1A的LED电流；

（3）适合配置无源（被动式）功率因数校正（PFC）电路，满足能源之星固态照明（SSL）商业应用要求；

（4）支持主/从控制功能的多芯片解决方案，

使用一个TRIAC调光器和一个主LM3445，

便能控制多个基于LM3445的从属降压变换器驱动的多串LED；

（5）提供VCC欠锁定、门限是165℃的热关闭保护和电流限制；

（6）固定关断时间可编程，开关频率可调节；

（7）采用10引脚MSOP封装，结温范围为一40℃～+125℃。

基于LM3445的TRIAC调光离线LED驱动电路

1）基本电路

LM3445的内部结构及由其组成的TRIAC调光离线式LED驱动电路如图一所示。这种AC—DC恒流LED驱动电路主要含有五个部分，即TRIAC调光器、桥式整流器BR1、整流线路电压检测及调光译码器电路、无源功率因数校正（PFC）电路和降压（buck）式DC/DC变换器电路，整个系统的核心是LM3445。

2）电路工作原理

（1）TRIAC调光器

在图1中，串联在桥式整流器BR1输入端的TRIAC调光器采用传统基于相位控制的电路，如图所示。

R1、R2和C1值决定C1上电压达到双向触发二极管（DIAC）触发电压（约32V）之前的延迟时间。对于负载是白炽灯时，R1值减小，TRIAC的导通延迟缩短，导通角增加，灯亮度则增强；反之，若R1值增加，TRIAC导通角将减小，灯光则变暗。在图一中，TRIAC调光器被串接在AC线路输入端，通过LM3445的调光译码器电路，可以控制LED串的电流，实现亮度调控。

（2）TRIAC调光译码电路

TRIAC调光译码电路由整流线路电压感测电路、TRIAC导通角检测电路和调光译码器电路三部分组成（见图一）。

①线路电压感测

位于桥式整流器之后的R1、15V的齐纳二极管VD1和VT1组成一个串联通路整流器，将整流的线路电压转换为一个适当的电平被IC（LM3445）的引脚BLDR感测。

由于VT1源极未连接电容器，当线路电压降至15V以下时，允许IC引脚BLDR上的电压随整流电压升高和降低。

R5的作用有两个：

一是用作泄放IC引脚BLDR节点寄生电容的电荷；二是在小电流输出上操作时，为调光器提供所需要的保持电流。

二极管（肖特基型）VD2和电容C5的作用是，当IC引脚BLDR上的电压变低时，维持IC引脚VCC上的电压，使IC能够正常操作。

②角度检测和调光译码器

TRIAC导通角检测电路利用一个门限为7.2V的比较器监视IC引脚BLDR来确定TRIAC是导通或者关断。

比较器输出经4μs的延迟线控制一个泄放电路并驱动一个缓冲器。

缓冲器输出（引脚ASNS）摆幅被限制在0～4V，经R1和C3组成的低通滤波器滤波，通过IC引脚FLTRl输入到斜坡比较器（反相端），

与斜坡产生器产生的5.88kHz、l～3V的锯齿波相比较，斜坡比较器输出驱动引脚DIM和一个N沟道MOSFET。

MOSFET漏极上的信号经内部370kΩ和IC引脚FLTR2上的电容C4组成的（第二个）低通滤波器滤波，输至内部PWM比较器。

调光译码器输出一个幅度从0～750mV变化的DC电压，相应的调光器占空比是从25%到75%变化，TRIAC导通角范围从45℃到135℃，

从而直接控制LED的峰值电流，获得几乎从0%到100%的调光范围。

（3）无源PFC电路

电容C7和C9以及二极管VD4、VD8、VD9组成部分滤波填谷式无源（即被动式）PFC电路。

用其替代一个传统大容量滤波电容器，可以改善线路功率因数。

电容C10（10nF）在C7和C9充电时，可以衰减电压纹波。无源PFC电路输出电压Ubuck，作为降压变换器的DC总线电压。

在没有TRIAC调光器接入的情况下，当AC线路电压高于其峰值的1/2时，VD3和VD8导通，VD4和VD9截止，电容C7和C9以串联方式被充电，并且电流会流入负载。

当AC线路电压低于其峰值的l/2时，VD3和VD8反向偏置，而VD4和VD9正向偏置，C7和C9以并联方式放电，电流流入负载。

图三所示为不带TRIAC调光器时AC线路电压UAC、整流电压UBR1和PFC电路输出电压Ubuck波形。

由图三可知，虽然Ubuck波形很不平滑，

但在AC线路半周期内的电流导通角达120°（即从30°到150°），线路功率因数达0.9以上。

而只用单个大容量电容滤波虽然能获得比较平滑的DC电压，

但电流流动角仅约60°（即从60°到120°），线路功率因数不超过0.6。

加入TRIAC调光器时的相关电压波形如图4所示，其中θ为TRIAC的导通角。

（4）DC—DC降压变换器

控制器LM3445、功率MOSFET（VT2）、电感器L2、二极管VD10、电阻R3和电容C12等，组成开关型DC—DC降压变换器，用来驱动LED串。

当LM3445引脚GATE上的PWM信号驱动VT2导通时，通过L2和LED串的电流线性增加，并被R3感测。

当R3上的电压等于在IC引脚FLTR2上的参考电压时，VT2则关断，L2释放储能，VD10导通，电流通过LED串和L2，并从其峰值线性减小。

C12用作消除大部分电感L2的纹波电流，R4、C11和VT3为设置固定关断时间提供一个线性电流斜坡信号。