基于控制器LM3445带三端可控硅调光器的离线式LED驱动器

l 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℃。

2 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l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2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1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1)。

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3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3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。

3 主要参数与元件值的计算
    LM3445可以在80～270VAC的通用AC线路上工作，现设输入电压范围是90～135VAC，开关频率fsw=250kHz，变换器效率η≥80％，LED正向压降UF=3．6V，通过LED串的平均电流ILED=400mA，串联LED的数量n=7，LED串的总电压降则为ULED=nUF=7×3．6V=25．2V。因篇幅所限，在此我们仅重点介绍无源PFC电路和降压变换器中主要元件的选择。
    1)填谷式无源PFC电路元件的选择
    在没有TRIAC调光时，填谷式电路电压Ubuck波形如图5所示。对于60Hz的线路频率，半周期时间是8．33ms。AC电压在30°和150°上的值为峰值的1／2，保持时间tx为半周期的1／3，即8．33ms×(1／3)=2．78ms。在90VAC的低线路电压上，Ubuck最小值为
    C7和C9的总电容量C可根据公式i=C(dU／dt)来计算。在电容中的电流为

    设在低线路电压和满载时的Ubuck降落dU=15V，由于dt=2．78ms，因此C7和C9并联电容值为C=i·dt／dU=157．5mA×2．78ms／15V=29μF可以选择C7=C9=22μF。
    由于Ubuck的最大值为

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