关键词：切相调光,LED驱动,泄放回路,MOSFET,英飞凌

　　摘要：在可控硅调光LED替换灯应用中，LED替换灯的功率比标准的白炽灯功率小很多，通常为后者的1/5 左右。在调光时尤其在很低的调光水平时，容易出现驱动器输入端电流低于可控硅最小维持电流，引起可控硅误关断，导致LED调光闪烁。泄放电路可以增大可控硅的电流，稳定可控硅的状态。MOSFET作为泄放回路的主要功率器件，在提供开关动作的同时，也关系到整个系统的可靠性和安全性;同时由于不同系统控制芯片的驱动电压等级及能力不同，也要相应的选取具有不同的门极驱动电压水平及特性的MOSFE

　　当今的照明行业正处于变革之中，从传统照明光源过渡到高效率LED照明。LED照明以其更节能和更灵活的应用方式塑造着照明行业的现在和未来，正高速渗透进入通用照明应用中。很多人认为可以简单地用LED灯泡替换原有的白炽灯泡，但是，当用已经安装的切相调光器调光时，许多离线LED球泡灯会出现不同程度的闪烁。

　　市场上切相调光器的种类繁多，分为前切式，后切式，数字式等，调光器功率开关元件又分为晶体管，晶闸管等。调光器中又以可控硅控制为最常见。在可控硅调光应用设计中通常面临的一大困难就是调光器的兼容性较差，兼容性问题使得适用可控硅调光的LED驱动方案设计难度高，推广过程中一直遇到成本高、效率低或调光器兼容性差的问题。要实现和市场上90%以上的调光器的兼容，无闪烁，同时要得到较高效率，调光器兼容性问题必须要进行针对性的优化设计。TRIAC调光器在和LED驱动器匹配时，由于功率相对较小，容易出现驱动器输入端电流低于可控硅最小维持电流，引起可控硅误关断，导致LED调光闪烁， 这也是兼容性问题的最主要原因之一。

　　现行大多数可控硅调光LED驱动器，为了保持可控硅导通，使用泻放电路来提供充足的保持电流，可以使用被动型泄放电路设计来稳定可控硅的开通和关断操作，增加滤波器来保持调光输出电压的一致性，避免可见的闪烁。这样的结果是系统效率降低，发热严重。主动式泻放电路可以提高系统效率，减少发热。这种方式要使用功率半导体器件和控制电路。控制电路检测输入电压相位或电压有效值，来确定调光电流的高低，对于可控硅控制器，如果调光器电流低到保持电流阈值以下，调光器就将关断。为避免不期望的闪烁发生，泄放电路在主电路吸取电流低于可控硅需要维持电流水平时要开始工作，提供满足可控硅维持电流的水平。半导体器件MOSFETs广泛应用于电子信号的放大或开关应用中，这得益于丰富多样的封装形式和低廉的成本。

　　1.切相调光LED灯系统概述

　　在通用照明的替换型应用领域中，因为人们的使用习惯和大量现存的基础设施的原因，LED的进入势必要适应和兼容目前已有的设施和设备，比如尺寸的要求，比如性能的要求。调光器的兼容性是不可回避的最重要性能要求之一。在一个替换型尺寸的空间中要展现出白炽灯一样的光色特性，除了LED芯片本身的特性和质量外，作为驱动LED光源的驱动电源承担着最大的责任和功能。图1是一个典型的调光系统的示意图，这里示出了一个可控硅调光器和LED灯泡组成的系统，可控硅调光器串接在交流输入和LED灯之间，控制AC交流源流向LED灯的功率。

图1:可控硅调光灯系统

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　　典型的可控硅调器原理如图2所示，这个电路实现调光的方法是利用RC回路控制触发信号的相位。当R值较少时，RC 时间常数较少，触发信号的相移较少，因此负载获得较大的电功率;当R 值较大时，RC时间常数较大，触发信号的相移较大，因此负载获得较少的电功率，从而实现对灯负载功率的调节。

图2:可控硅调光器

　　2.可控硅调光系统的问题分析

　　从上图2可控硅调光器的构成图中可以看出，双向可控硅是调光器的最主要最核心功率器件，可控硅器件的性能参数某种程度上也决定了调光器的性能，LED驱动电路作为调光器的后接负载，也必须要满足可控硅调光器的工作要求，才能保证良好的兼容性。可控硅主要参数有正反向峰值电压，平均电流，触发电流，维持电流等。可控硅维持导通的条件，阳极电位高于阴极电位，阳极电流大于维持电流两者是必不可少条件，如图3示。在任何条件下，只要调光器电流低于可控硅导通维持电流，可控硅就会关闭。

图3:可控硅导通及维持条件

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　　从以上可控硅调光原理可知，调光器输出的电压波形已经不再是正弦波了，除非调光器处在全导通状态，即导通角为180°。正是由于正弦波被切割、波形遭受破坏，会给电网带来干扰等问题，实际中会通过加装滤波设备来降低谐波干扰，这也会导致在接LED灯负载时，由于阻抗不匹配，导致整个系统的LC振荡问题，一旦可控硅电流低于维持电流，直接导致光的闪烁，如图4所示。

图4:LC振荡引起的闪烁

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　　3.调光泄放回路应用和分析

　　前述分析表明良好的调光器兼容性需要满足可控硅工作的条件，TRIAC调光器在和LED驱动器匹配时，由于功率相对较小，容易出现驱动器输入端电流低于可控硅最小维持电流，引起可控硅误关断，导致LED调光闪烁。通常采用泄放回路来增大可控硅的电流，稳定可控硅的工作状态。被动的泄放回路无论是效果还是功耗都令人不甚满意。特别是LED的驱动电源，本身对效率，热量和可靠性的要求都极高，这也是高效率的主动式泄放回路被广泛使用的最大原因。

　　根据调光LED灯实际使用市电电压的范围，和不同调光器特性的不同比如可控硅维持电流的不同，以及目前市场上主流电路拓扑结构的使用，主动式泄放电路主回路功率器件通常选用MOSFET，驱动简单，使用方便，效率高，发热少。泄放电路承受的电压等级常在300到600V之间，电流根据不同的电路控制和工作方式，范围从几十毫安到几百毫安不等。封装形式要根据整个系统尺寸和散热要求选定，在LED球泡灯应用中通常贴片型封装形式较适合和常用。

　　图5是一典型非隔离式切相调光电路，采用主动式泄放回路增强调光器的兼容性。当AC输入电压(调光器输出电压)较低时，三极管Q2关闭，集电极电位较高(Vcc)，将Q1导通，提供额外的泄放电流保证可控硅电流高于维持电流，从而避免可控硅意外关断。从电路参数可以大概估算出，在直流电压约40V时，Q1导通。因为MOSFET Q1 处于导通状态，导通电流受R6 的限制小于10mA，功耗较小，实际电路中采用英飞凌小信号MOSFET BSS225, 600V/0.09A, Rdson 45Ω，SOT89封装。

图5:120V10W非隔离调光LED灯泡应用原理图

　　图6是一典型隔离式切相调光电源，泄放电路在主电压过零点，切相时刻以及系统电流较低时，会分别启动强泄放功能和弱泄放功能。此电路中MOSFET Q1工作于线性区域，其电流受控于 IC第三脚的电平及R11, 并须承受较高电压，此时功耗较大，因此热设计非常重要，需要考虑热阻小的封装和散热。实际使用 的 MOSFET 采用英飞凌高压CoolMOSTM IPD50R3K0CE, 500V/1A, DPAK封装，PCB布板有覆铜散热。

图6:230V 13W隔离反激LED驱动电源

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　　4.照明应用关键半导体器件和在泄放电路中的使用

　　在过去连续11年中，全球排名第一的功率半导体市场的领导者——英飞凌为通用照明应用提供一系列的创新型产品，进一步提高系统效率、促进系统小型化并且增强系统可靠性和降低总成本。

　　英飞凌以一流的技术创造出适用于各种应用的创新型高性能解决方案。

　　- 完全集成的荧光灯镇流器控制器IC

　　- 替换型和独立式LED驱动电源的高效率离线LED 驱动器IC

　　- LED灯串灯带应用的DC/DC 开关模式和线性模式LED 驱动器IC

　　- 智能照明系统的高性能电源管理集成电路和微控制器

　　- 领先的CoolMOS™ 和 OptiMOS™ 功率 MOSFET 以及小信号MOSFET的广泛产品组合.

　　基于超结技术的高压MOSFET_CoolMOSTM电压范围从500V到900V, 广泛使用在从替换型LED灯泡到独立式LED驱动电源等各种LED照明应用中。CoolMOS™ CE系列是英飞凌针对照明应用领域的特点和要求推出的市场领先新型高压功率MOSFET的一个新技术平台，具有极高的性价比。CE产品组合基于革命性的超结(SJ) 原理设计而成，具备快速开关超结MOSFET 的所有优点，同时兼具极佳易用性。整个CE系列的产品，具有极低的导通损耗和开关损耗，从而使开关应用更为高效、紧凑，轻便和更好的热性能，非常适合LED驱动电源的要求。

　　CE系列目前具有500V和800V两个系列，500V CoolMOS™ CE产品组合如表1示，其中TO252封装(DPAK)较广泛使用在可调光LED驱动电源的泄放电路中作为主开关使用。

　　CoolMOSFETTMCE系列可以应用在泄放回路中作为主开关使用，针对要求更小封装，更低电流等级的需求，英飞凌小信号MOSFETs 产品组合丰富，封装散热足够泄放回路的要求，比较广泛地使用在泄放回路的主开关中。小信号MOSFET的驱动电压等级，除了通常的正常电平10V外，还有较低的逻辑电平驱动4.5V，以及更低的2.5V, 1.8V，可以根据驱动信号灵活选用，在保证快速开关的同时，更有效降低了低调光亮度水平时的功耗，提高了效率。

　　5 结论

　　本文描述了典型可控硅调光LED驱动系统的组成，工作原理以及存在的兼容性问题，并接着讲述了可调光LED驱动电路的要求，以及泄放回路在调光器兼容性方面的应用。主动式泄放回路可以减少系统发热，提高系统的效率，增强可靠性和安全性。泄放电路主开关器件MOSFET在提供基本功能的同时，对整个系统的效率、小型化、可靠性和总成本也起着非常重要的作用。

　　英飞凌领先业界的功率MOSFET包括高压CoolMOSTM和低压OptiMOSTM以及小信号MOSFETs，以其丰富的产品组合和业界公认的性能表现，广泛应用于LED驱动电源的设计中。英飞凌MOSFETs可显著降低通态和开关损耗，提高功率密度和转换效率，非常适用于可调光LED驱动器及其泄放电路中。