一种用于LED亮度调节的可控硅调光控制系统的制作方法

本发明涉及LED的亮度调节技术，具体涉及一种用于LED亮度调节的可控硅调光控制系统。

背景技术：

LED(Light Emitting Diode)具有寿命长，功耗低，亮度高，体积小等多种优点，是广泛关注的新型节能照明产品，被誉为“21世纪新光源”。与传统的白炽灯相比，LED灯具只需1/10的能耗即可实现相同的发光亮度，且使用寿命能延长上百倍。随着LED技术研究的日益成熟，LED照明取代白炽灯，卤素灯等传统的照明方式是一种必然趋势。

随着节能环保概念的不断深化及用户在不同环境下对不同灯光的迫切需求，可调光的照明方案以其节约能耗，亮度可调，控制简便等特性，广泛应用于家居，办公，街灯，舞台照明等领域。调光技术与LED照明技术相结合，将进一步降低照明用电，节省功耗。在照明设计中，充分发挥调光作用，完全可以达到大幅度节能的目的。

在调光应用领域，可控硅调光具有成本低，实用性强等优点，最初广泛应用于白炽灯等纯阻性负载的调光控制电路。对于LED等非阻性负载而言，要实现LED亮度受可控硅调光器控制，LED驱动电源需进行相应的兼容性设计。此外，由于可控硅调光器的导通角受限，无法达到0°至180°的理论调节范围，因而限制了其调光范围。因此，LED调光控制系统不仅需要满足与可控硅调光器的兼容性，同时也需实现优秀的调光性能。

技术实现要素：

由于可控硅调光器的导通角受限，往往导致LED输出电流的调节范围受到限制。为了满足基本的LED驱动电路所需满足的高功率因数，低谐波污染及稳定的恒流输出等要求，同时能根据可控硅调光器对LED发光亮度进行调节。本发明通过引入导通角补偿技术，使得在可控硅调光器调节至最大导通角时，输出电流达到额定输出电流值。通过对调光下拉电路参数的优化，使得在可控硅调光器调节至最小导通角时，输出电流达到最小值。本发明针对人眼对大电流LED发光亮度变化不敏感，而对小电流LED发光亮度变化敏感的现象，设计快速调光与慢速调光两段式调光，实现宽调节范围两段式调光的调光控制系统。

本发明采用的具体方案如下：一种用于LED亮度调节的可控硅调光控制系统，包括由变压器、NMOS管M₁、原边检测电阻R_CS和辅助绕组构成的反激式变换器主拓扑模块以及可控硅调光器、二极管整流桥、RCD吸收电路，其特征在于：增设PFC恒流基础电路和调光控制电路，PFC恒流基础电路包括输出电流估算电路、输出电流控制电路和PFC逻辑控制电路，调光控制电路包括导通角检测电路、导通角补偿电路和下拉电流控制电路；可控硅调光器对输入母线电压进行斩波处理，经二极管整流桥后，一方面连接到变压器原边绕组正端和RCD吸收电路中电阻的一端及电容的一端，电阻及电容的另一端连接二极管的负端，二极管的正端连接原边绕组负端和NMOS管M₁的漏端，NMOS管M₁的源端经原边检测电阻R_CS接地，变压器副边绕组负端经续流二极管D₀连接LED串后接地，输出电容Co并联在LED两端，另一方面，二极管整流电路输出连接到导通角检测电路，导通角检测电路输出经导通角补偿电路连接下拉电流控制电路，下拉电流控制电路输出连接输出电流控制电路，输出电流控制电路的输出V_COMP连接PFC逻辑控制电路的一个输入端，与此同时，辅助绕组反馈电压FB同样连接PFC逻辑控制电路的另一个输入端，PFC逻辑控制电路产生三个输出，一个输出连接NMOS管M₁栅端，其余两个输出信号T_ON和T_OFF连接输出电流估算电路，原边检测电阻R_CS与NMOS管M₁源端的连接端亦连接输出电流估算电路的输入端，电流估算电路的输出V_CAL连接输出电流控制电路；其中：

输出电流估算电路用于对LED输出电流进行估量计算，包括传输门T₁、电容C₁、C₂，运算放大器Amp1、电阻R₁、R₂以及NMOS管M₂、M₃、M₄，原边检测电阻R_CS两端电压作为输出电流估算电路输入信号，原边检测电阻R_CS与NMOS管M₁源端的连接端连接传输门T₁输入端，传输门T₁输出端连接运算放大器Amp1的正输入端并经电容C₁接地，运算放大器Amp1输出端连接NMOS管M₂栅端，NMOS管M₂漏端经电阻R₁连接电源VDD，NMOS管M₂源端经电阻R₂接地，且反馈连接至运算放大器Amp1负输入端，NMOS管M₂源端还连接NMOS管M₃漏端，NMOS管M₃管源端连接NMOS管M₄管漏端，NMOS管M₄管源端接地，NMOS管M₃管与NMOS管M₄管的栅端分别连接PFC逻辑控制电路的输出信号T_OFF、T_ON，NMOS管M3源端作为输出电路估算电路的输出电压信号V_CAL并通过电容C₂接地；

输出电流控制电路依据输出电流估算电路的输出电压信号V_CAL及下拉电流I_pull控制输出电流大小，实现系统恒流及调光控制，输出电流控制电路包括PMOS管M₅、M₆，NMOS管M₇、M₈，运算放大器Amp2、Amp3，电阻R₃、R₄，PMOS管M₅、M₆，NMOS管M₇、M₈，PMOS管M₅及PMOS管M₆的源端连接电源VDD，PMOS管M₅与PMOS管M₆的栅端互连并连接PMOS管M₅管漏端和NMOS管M₇漏端，NMOS管M₇源端经电阻R₃接地，且NMOS管M₇源端反馈连接至运算放大器Amp2负输入端，运算放大器Amp2正输入端连接参考电压V_REF，PMOS管M₆管漏端连接NMOS管M₈漏端，NMOS管M₈源端经电阻R₄接地，且NMOS管M₈源端反馈连接至运算放大器Amp3负输入端，运算放大器Amp3正输入端连接输出电流估算电路输出信号V_CAL，此外，PMOS管M₆的漏端同时连接到下拉电流控制电路的输出；

PFC逻辑控制电路控制系统工作于临界工作模式BCM，且保证每个开关周期内，功率MOS管的导通时间恒定，从而提高系统的功率因数，PFC逻辑控制电路包括比较器Comp1、Comp2、SR触发器、电流源I_charge、电容C₃、开关S₁及S₂，电源VDD经开关S1连接电流源I_charge正端，开关S₂与电容C₃并联，并联后的一端接地，并联后的另一端连接电流源I_charge负端，比较器Comp2正输入端连接电流源I_charge负端，比较器Comp2负输入端连接参考电压V_COMP，比较器Comp2的输出DRV_R控制开关S₂的导通与关断，同时，比较器Comp2的输出DRV_R连接SR触发器R输入端，比较器Comp1的正输入端接地，比较器Comp1的负输入端接辅助绕组反馈电压FB，比较器Comp1的输出ZCD连接SR触发器的S输入端，SR触发器Q端输出DRV信号控制开关S₁的导通与关断；

导通角检测电路用于处理可控硅调光器的导通角信息并得到其导通角大小，导通角检测电路包括分压电阻R₅、R₆，传输门T₂、T₃，比较器Comp3，反相器INV1、INV2，经斩波整流后的母线电压TRIAC输入给导通角检测电路，经电阻R₅、R₆分压，电阻R₅与R₆的连接端连接比较器Comp3正输入端，参考电压经传输门T₂、T₃后连接比较器Comp3的负输入端，比较器Comp3的比较结果TR1经反相器INV1输出TR2信号，TR2信号经反相器INV2后输出TRI信号，该TRI信号即为导通角检测电路的输出信号，TR1与TR2控制传输门T₂、T₃的导通；

导通角补偿电路通过对导通角进行额外的补偿，以解决可控硅调光器导通角达不到100％而引起的输出电流无法达到最大输出电流的缺陷，导通角补偿电路包括PMOS管M₉、M₁₀、M₁₁、M₁₂、M₁₃、M₁₄、M₁₅，NMOS管M₁₆、M₁₇，传输门T₄，电容C₄、C₅，运算放大器Amp4，电阻R₇、R₈、R₉，比较器Comp4以及或非门NOR1，PMOS管M₉栅端和PMOS管M₁₀栅端互连并与PMOS管M₁₁漏端及PMOS管M₁₃源端连接，PMOS管M₁₁栅端与M₁₂管栅端互连并与PMOS管M₁₃栅端、PMOS管M₁₄栅端、PMOS管M₁₅栅端以及PMOS管M₁₄漏端和PMOS管M₁₅源端连接在一起，PMOS管M₁₅漏端接地，PMOS管M₁₃管漏端连接PMOS管M₁₄管源端，PMOS管M₁₀漏端连接PMOS管M₁₂管源端，PMOS管M₁₂管漏端连接传输门T₄输入端、电容C₄一端、比较器Comp4负输入端以及NMOS管M₁₆漏端，NMOS管M₁₆源端接地，NMOS管M₁₆栅端连接复位信号，电容C₄另一端接地，传输门T₄输出连接运算放大器Amp4正输入端和电容C₅一端，电容C₅另一端接地，运算放大器Amp4负输入端连接NMOS管M₁₇源端及电阻R₈一端，电阻R₈另一端连接电阻R₉一端和比较器Comp4正输入端，电阻R₉另一端接地，比较器Comp4输出连接或非门NOR1的一个输入端，或非门NOR1的另一个输入端连接导通角检测电路的输出TRI，或非门NOR1的输出信号为导通角补偿电路的输出信号

下拉电流控制电路通过额定下拉电流及下拉电流占空比控制信号共同控制输出电流大小，控制下拉电流大小实现当下拉电流不变时，控制输出电流平均值保持不变，当导通角变化，下拉电流变化时，输出电流平均值发生变化，达到LED亮度调节，下拉电流控制电路包括开关S₃，运算放大器Amp5，NMOS管M₁₈，电阻R_P。输出电流控制电路PMOS管M₆漏端经开关S₃连接M₁₈管漏端，M₁₈管源端经电阻R_P接地，运放Amp5输出连接M₁₈管栅端。M₁₈管源端反馈连接至运放Amp5的负输入端。运放Amp5的正输入端连接参考电压V_REF，导通角补偿电路的输出信号控制开关S₃的导通与关断。

反激式变换器主拓扑模块，可控硅调光器，二极管整流桥，RCD吸收电路均采用成熟的已知电路结构。

在上述导通角补偿电路的基础上，增设导通角切换参考电路和导通角切换电路并匹配改进的下拉电流控制电路，实现宽调节范围的两段式调光，在整个导通角变化范围内，LED的发光亮度能比较均匀的变化，依据检测到的导通角信息进行判断并与参考标准相比较，当导通角信息大于参考值时，使得流经LED输出电流变化较快，采用快速调光，当导通角小于参考值时，使得流经LED输出电流变化较慢，采用慢速调光。

导通角切换参考电路包括PMOS管M₁₉、M₂₀、M₂₁、M₂₂、M₂₃、M₂₄、M₂₅，NMOS管M₂₆、M₂₇，传输门T₅，电容C₆、C₇，运算放大器Amp6，电阻R₁₀、R₁₁、R₁₂以及比较器Comp5，PMOS管M₁₉栅端和PMOS管M₂₀栅端互连并与PMOS管M₂₁漏端及PMOS管M₂₃源端连接，PMOS管M₂₁栅端与M₂₂管栅端互连并与PMOS管M₂₃栅端、PMOS管M₂₄栅端、PMOS管M₂₅栅端以及PMOS管M₂₄漏端和PMOS管M₂₅源端连接在一起，PMOS管M₂₅漏端接地，PMOS管M₂₃管漏端连接PMOS管M₂₄管源端，PMOS管M₂₀漏端连接PMOS管M₂₂管源端，PMOS管M₂₂管漏端连接传输门T₅输入端、电容C₆一端、比较器Comp6负输入端以及NMOS管M₂₆漏端，NMOS管M₂₆源端接地，NMOS管M₂₆栅端连接复位信号，电容C₆另一端接地，传输门T₅输出连接运算放大器Amp6正输入端和电容C₇一端，电容C₇另一端接地，运算放大器Amp6负输入端连接NMOS管M₂₇源端及电阻R₁₁一端，电阻R₁₁另一端连接电阻R₁₂一端和比较器Comp5正输入端，电阻R₁₂另一端接地，比较器Comp5输出即是导通角切换参考电路的输出信号TRI_REF，上述电路结构与导通角补偿电路基本相同，只是去除了导通角补偿电路中的或非门NOR1。

导通角切换电路包括D触发器、反相器INV3、两输入与门AND1、AND2，两输入或门OR1，导通角切换参考电路输出TRI_REF连接D触发器输入端，导通角检测电路的输出信号TRI经反相器INV3连接到D触发器时钟端和连接到两输入与门AND2的一个输入端，D触发器的输出Q连接两输入与门AND2的另一个输入端，两输入与门AND2的输出连接两输入或门OR1的一个输入端，D触发器的输出Q非端连接两输入与门AND1的一个输入端，导通角补偿电路的输出信号连接两输入与门AND1的另一个输入端，两输入与门AND1的输出连接两输入或门OR1的另一个输入端，两输入或门OR1输出信号TRI_P，D触发器的Q非端输出信号TRI_C。

改进后的下拉电流控制电路包括开关S₄，下拉电流支路I_pull1，下拉电流支路I_pull2，开关S₄在导通角切换电路输出信号TRI_C控制下选通下拉电流支路I_pull1或下拉电流支路I_pull2，分别对应两段式调光中的快速调光和慢速调光，下拉电流支路I_pull1与I_pull2电路结构相同，包括运算放大器Amp7、NMOS管M₂₈、电阻R_P1和开关S₅，输出电流控制电路PMOS管M₆漏端经开关S₅连接NMOS管M₂₈漏端，NMOS管M₂₈源端经电阻R_P1接地，NMOS管M₂₈源端还反馈连接至运算放大器Amp7的负输入端，运算放大器Amp7的正输入端连接参考电压V_REF，运算放大器Amp7输出连接NMOS管M₂₈的栅端，导通角切换电路的输出信号TRI_P控制开关S₅的导通与关断。

可控硅调光控制系统的调光过程如下：

1)导通角检测电路对经过可控硅调光器整形后的母线电压TRIAC信号，获得可控硅导通角信息TRI；

2)导通角切换参考电路产生导通角判断参考标准，导通角检测电路的输出信号与导通角判断参考标准相比较；

3)依据导通角信息与导通角判断参考标准的比较结果，选通两端式调光的慢速调光或快速调光；

4)选取快速调光，将检测到的导通角信号增加25％的占空比并取反，作为调光下拉电路的控制信号，调光下拉电路的额定下拉电流为参考电流I_REF的2.5倍；

5)选取慢速调光，将检测到的导通角信号取反，直接控制下拉电流控制电路，下拉电流电路的额定下拉电流为参考电流I_REF的1.25倍；

6)下拉电流控制电路及输出电流控制电路确保在下拉电流控制信号不变时，输出电流恒定；下拉电流控制信号变化时，控制输出电流变化，实现LED亮度调节。

本发明的优点及有益成果：

1)本发明通过功率因数校正(PFC)，输出电流控制等方式，确保LED驱动电路满足高功率因数，低谐波失真以及稳定的恒流输出等要求。

2)本发明通过对可控硅导通角进行额外补偿，实现LED亮度宽范围可调。当可控硅导通角达到最大值时，流经LED电流达到额定最大电流值；当可控硅导通角达到最小值时，流经LED电流达到最小值。

3)本发明通过对调光曲线分段实现，且依据可控硅调光器的导通角大小，对快速调光与慢速调光进行合理的切换，实现在整个调光角调节范围内，LED的发光亮度相对比较均匀的变化。

4)本发明所采用的电路结构简单，易于控制，且制作成本低，因而具有很高的工程实用价值。

附图说明

图1是本发明用于LED亮度调节的可控硅调光控制系统原理图；

图2是本发明输出电流估算电路原理图；

图3是本发明输出电流控制电路原理图；

图4是本发明PFC逻辑控制电路原理图；

图5是本发明导通角检测电路原理图；

图6是本发明导通角补偿电路原理图；

图7是本发明调光下拉电流控制电路原理图；

图8是本发明补偿可控硅调光器导通角调光效果图；

图9是本发明两段式调光效果图；

图10是本发明两段式调光曲线参数设定图；

图11是本发明导通角切换参考信号电路原理图；

图12是本发明导通角切换电路原理图；

图13是本发明两段式调光下拉电流控制电路原理图；

图14是本发明在不同输入电压下调光曲线特性。

具体实施方式

参看图1，本发明可控硅调光控制系统，包括由变压器、NMOS管M₁、原边检测电阻R_CS和辅助绕组构成的反激式变换器主拓扑模块以及可控硅调光器、二极管整流桥、RCD吸收电路，其特征在于：增设PFC恒流基础电路和调光控制电路，PFC恒流基础电路包括输出电流估算电路、输出电流控制电路和PFC逻辑控制电路，调光控制电路包括导通角检测电路、导通角补偿电路和下拉电流控制电路；可控硅调光器对输入母线电压进行斩波处理，经二极管整流桥后，一方面连接到变压器原边绕组正端和RCD吸收电路中电阻的一端及电容的一端，电阻及电容的另一端连接二极管的负端，二极管的正端连接原边绕组负端和NMOS管M₁的漏端，NMOS管M₁的源端经原边检测电阻R_CS接地，变压器副边绕组负端经续流二极管D₀连接LED串后接地，输出电容Co并联在LED两端，另一方面，二极管整流电路输出连接到导通角检测电路，导通角检测电路输出经导通角补偿电路连接下拉电流控制电路，下拉电流控制电路输出连接输出电流控制电路，输出电流控制电路的输出V_COMP连接PFC逻辑控制电路的一个输入端，与此同时，辅助绕组反馈电压FB同样连接PFC逻辑控制电路的另一个输入端，PFC逻辑控制电路产生三个输出，一个输出连接NMOS管M₁栅端，其余两个输出信号T_ON和T_OFF连接输出电流估算电路，原边检测电阻R_CS与NMOS管M₁源端的连接端亦连接输出电流估算电路的输入端，电流估算电路的输出V_CAL连接输出电流控制电路。

参看图2，输出电流估算电路包括由传输门和电容构成的采样保持电路，由运算放大器，MOSFET，电阻构成的估算电路。经输出电流估算电路后，输出电流I_OUT与输出电流估算电路的输出信号之间建立线性关系。控制输出电流估算电路的输出信号，即可对输出电流进行控制。CS为连接主拓扑功率MOS管源端，R_CS为原边采样电阻，T_ON为NMOS管M₁开关周期的导通时间，T_OFF为相应的关断时间。在NMOS管M₁的一个开关周期中，当M₁导通时，变压器原边电流由零开始线性上升，原边采样电阻上的电压通过传输门保持到电容C₁上；当M₁关断时，V_{CS_SH}保持原边采样电阻上的峰值电压，直到开关管下一次导通。V_{CS_CA}通过一个电压跟随器跟随V_{CS_SH}电压波形。V_{CS_CA}信号通过两个分别受T_ON，T_OFF控制的开关进行运算，并经过电容C₂保持滤波后，得到输出信号V_CAL。

通过由导通时间与关断时间控制的两个MOS管及滤波电容C₂，使得V_CAL，满足式(1)。

其中，V_{CS_P}为单个开关周期内，原边采样电流的峰值，T_OFF为开关管关断时间，T_ON为开关管导通时间。根据原边反馈控制的反激式变换器电路得出输出电流满足式(2)。

其中，N为变压器原边副边匝数比，I_{CS_P}为原边峰值电流，R_CS为原边采样电阻。结合式(1)，(2)可得出式(3)。

因变压器原边副边匝数比N与原边采样电阻R_CS的比值N/R_CS为一固定常数。由此可得，输出电流I_OUT与输出电流估算电路的输出电压信号之间建立起线性关系，对V_CAL进行控制，即为对输出电流I_OUT进行控制。

参看图3，输出电流控制电路包括运算放大器，NMOS及电阻构成的电压电流转换电路以及PMOS电流镜电路。通过1:1的PMOS电流镜将参考电流支路的参考电流精确复制到输出支路。在输出电流支路上，输出电流，下拉电流以及参考电流满足基尔霍夫电流定律。通过下拉电流及输出电流估算电路产生的电压控制信号控制输出电流大小。通过1:1的PMOS电流镜将左侧支路的基准电流精确拷贝到右侧支路。右侧支路中，COMP脚外接较大的补偿电容，使得在系统状态稳定的情况下，COMP电压保持相对恒定。左侧电压电流转换支路中，V_REF为芯片内部基准电压，通过运算放大器，NMOS及电压R构成的电压电流转换电路，形成相应的基准电流I_REF＝V_REF/R₃；同理，右侧电压电流转换支路中，I₂＝V_CAL/R₄，V_CAL为输出电流估算电路输出信号，I₂表征输出电流的大小。电流I_pull为调光控制模块的调光下拉电流，其大小受调光控制信号TRI_P的占空比控制。

I_REF，I₂，I_pull满足基尔霍夫电流定律，使得三者电流满足式(4)。

I_REF＝I₂+I_pull (4)

通过前级输出电流估算电路的控制，V_CAL满足式(5)。

其中R_CS为原边采样电阻，N为变压器原边副边匝数比，I_OUT为输出电流，V_CAL为输出电流估算电路输出量。结合电压电流转换电路的原理，电流I₂满足式(6)。

其中，R₄为输出电流控制电路转换电阻，V_CAL为输出电流估算电路输出量，I₂为输出电流控制电路右侧支路电流。

结合式(4)，(5)，(6)可知推出输出电流满足式(7)

式(7)中，I_OUT为输出电流，I_REF为参考电流，I_pull为调光下拉电流，R_CS为原边采样电阻，N为变压器原边副边匝数比，R₄为输出电流控制电路转换电阻，(N*R₄)/R_CS为恒定常数。

由此可知，在电路器件参数确定条件下，输出电流的大小只与调光下拉电流的大小有关，输出电流随着调光电流的增大而减小。在调光下拉电流保持不变的情况下，输出电流保持恒定。调光下拉控制电流I_pull受可控硅导通角信号TRI控制，进而通过控制可控硅导通角，改变I_pull电流的大小，从而调节LED电流，实现LED亮度调节。当不调节可控硅调光器时，导通角信号保持不变，调光下拉电流保持不变，输出电流保持恒定。

参看图4，PFC逻辑控制电路控制系统工作于BCM模式下，且保证每个开关周期内，功率MOS管的导通时间恒定，从而提高系统功率因数。PFC逻辑控制电路包括由对电容充放电形成的锯齿波发生电路，两个比较器以及RS锁存器。RS锁存器为复位信号显性的锁存器，即当S，R同时有效时输出以R有效时计算，即当S＝1，R＝1时，输出Q＝0。PFC逻辑控制电路利用主拓扑变压器原边电流上升斜率与线电压呈正比关系，通过开关管的固定导通时间，实现原边电流的峰值包络呈现正弦特性，实现高功率因数。

PFC逻辑控制电路处理来自拓扑结构中辅助绕组上的电压FB，输出M₁管的开关调制信号DRV。当DRV为高电平时，I_charge电流对电容C₃充电，电容电压以固定斜率上升；当电容电压升至V_COMP电压时，DRV_R信号为高电平，电容C₃上的电压进行复位。当DRV_R信号有效时，SR锁存器输出低电平，DRV＝0，功率MOS管不导通。M₁管不导通导致变压器副边绕组以一定的电压消耗变压器储能，当储能耗尽时，辅助绕组端电压急剧下降至负值，FB信号与零电平信号进行比较，使得ZCD信号变成高电平，也即S＝1，从而使得SR锁存器的输出Q＝1，M₁管重新开启。如此循环，控制系统工作在BCM工作模式，且当V_COMP电压保持不变时，由于锯齿波上升斜率时刻保持一致，从而控制DRV的高电平时间保持一致。利用变压器原边电流上升斜率与线电压呈正比的关系，通过固定开关管的导通时间固定，实现原边电流的峰值包络呈现出正弦特性实现较高的功率因数。

参看图5，导通角检测电路处理经可控硅调光器斩波后的线电压并得到其导通角信息。导通角检测电路包括分压电阻，传输门，比较器以及反相器。导通角检测电路的输入信号为经过可控硅斩波后的线电压即TRIAC电压，TRIAC电压经电阻分压后与参考电压经比较器比较后，经反相器输出可控硅导通角信息TRI。导通角检测电路检测经可控硅斩波后的线电压(TRIAC电压)高于零电平的相位宽度，从而得到可控硅调光器导通角信息。将TRIAC高压信号经过电阻比例分压之后，与低电平电压0.15V进行比较，得出可控硅调光器的当前导通相位；另一方面，为了屏蔽电平抖动对检测准确性的影响，采用0.15V～0.35V的窗口迟滞比较器。

当V+电压高于0.15V时，比较器输出高电平，TR1为高电平，TR2为低电平，V-选择0.35V电压，TRI输出高电平；当V+电平低于0.15V时，比较器输出零电平，TR1为低电平，TR2为高电平，TRI输出零电平。由此可知，在V+电压高于零电平期间，TRI输出高电平，反之则输出零电平。经导通角检测电路处理后，TRI信号能反映出TRIAC电压信号的相位，即反映出可控硅调光器的导通角信息。

本发明中引入导通角补偿方案，从而改善由可控硅调光器导通角受限而引起的调光范围受限的问题。D_MIN为调光器最小导通角，D_MAX为调光器最大导通角。补偿方案的引入，使得当导通角在最大值时，输出电流达到额定值；当导通角在最小值时，输出电流达到最小值。如此，在有限的可控硅调光器的调节范围内，能够实现输出电流的全量程控制。不同的可控硅调光器生产厂家生产的调光器的最大及最小导通角并不统一，一般而言，最大导通角为75％，最小导通角为20％，为使得本设计芯片能兼容大部分可控硅调光器，均能在调光器的调节范围内实现满量程调光，在设计过程中，令D_MAX＝75％，D_MIN＝20％。

参看图6，导通角补偿电路是提高可控硅调光范围的核心电路，通过对导通角进行额外的补偿，以解决因可控硅导通角不能达到100％而引发的输出电流无法达到最大输出电流值的缺陷。导通角补偿电路包括PMOS电流镜，传输门与电压跟随器所组成的采样/保持电路，比较器，或非门，单稳态触发器，NMOS管以及电容等。PMOS电流镜电路对电容进行充电，由传输门与电压跟随器所组成的采样保持电路对充电电容的两端电压进行采样处理。采样处理输出与充电电容电压经比较器后的输出结果与可控硅导通角信息TRI经或非门处理产生补偿电路输出。NMOS管在复位信号控制下实现电容电压复位。在设计中，令可控硅调光器的最大导通角D_MAX＝75％，也即，当检测到导通角大于75％时，对导通角信号进行额外的25％占空比补偿后，强制补偿后的导通角占空比为100％，使得输出电流达到最大输出电流，提高输出电流的亮度调节范围。在导通角补偿电路中，左侧I_charge电流经过PMOS构成的电流镜对电容V_C充电，由传输门与电压跟随器构成的采样保持电路对充电电容两端电压进行采样处理。NMOS管在Reset信号有效时，对V_C电压进行复位。TRI信号经过单稳态触发器，在TRI的下降沿触发得到短暂的脉冲信号Sample。Sample信号经过单稳态触发器，在Sample信号的下降沿触发得到短暂的脉冲信号Reset。Sample与Reset信号用于控制采样及复位。

在导通角补偿电路中，I_charge电流为电容充电，在充电的过程中，V_C电压不断升高，直到Reset信号有效，使得V_C电压复位为零。在Reset电压有效之前，先使得Sample有效，将V_C电压的最大值存储至采样/保持模块，得到峰值电压V_CP。V_CP为V_C上的峰值电压，经过电压跟随器及3:1的电阻比例分压之后，得到V_CP电压的四分之一。V_CP电压的四分之一与V_C电压比较，其比较结果与TRI进行与非操作，得到占空比即为TRI占空比增加25％之后并取反的结果。该信号即为经导通角补偿后的输出信号。

参看图7，调光下拉电流控制电路产生调光下拉电流，改变输出电流大小，确保在可控硅调光器调节至最大导通角时，输出电流达到最大值。在可控硅调光器调节至最小导通角时，输出电流达到最小值。调光下拉电路控制电路依据不同的导通角，输出不同的平均下拉电流，以实现对输出电流的调节。下拉电流控制电路包括运算放大器以及MOSFET组成电压跟随器，调光电阻。导通角补偿电路的输出信号控制MOSFET漏端开关，MOSFET源端连接调光电阻，调光电阻两端电压反馈至运放负输入端，运放正输入端连接控制下拉电路额定下拉电流的参考电压。MOSFET漏源电流即为下拉电流控制电路控制下的下拉电流。调光下拉电流控制电路的运算放大器与MOSFET组成电压跟随器结构，R_p为调光下拉电阻，V_REF为控制下拉电路额定下拉电流的参考点电压，为下拉电路占空比控制信号，I_pull为实际流过的平均下拉电流值。其中，额定下拉电流值为V_REF/R_p，一般，令额定下拉电流值为参考电流I_REF的K倍，通过调整不同的电阻R_p与不同的K值进行一一对应。

下拉电流的平均值通过额定下拉电流及下拉电流占空比控制信号共同控制，其大小如式(9)所示。

当TRI信号占空比大于75％，即导通角大于75％时，TRI信号经过补偿后，得到控制下拉电流的占空比控制信号一直维持低电平，故此时，下拉电流为零，根据系统的恒流原理，此时，输出电流达到最大值。

当TRI信号占空比大于20％小于75％时，I_pull电流受到额定下拉电流及下拉电流占空比控制信号控制，根据不同的导通角，输出不同的平均下拉电流，满足系统恒流原理，以实现对输出电流的调节。

当TRI信号占空比小于20％时，要求此时输出电流为零，也即此时的平均下拉电流等于参考电流。TRI信号经过增加25％的占空比后，仍然必须保持在可控硅调光器在最小导通角的使得输出电流为零。则，当调光器调节至最小导通角时，满足式(10)。

I_REF＝K·I_REF·(1-(20％+25％)) (10)

式(10)中，I_REF为参考电流，K·I_REF为调光下拉电流的额定下拉电流值，等式右边为平均下拉电流，等式左边为参考电流，得出K＝1.78。

故当下拉电路的额定下拉电流为参考电流I_REF的1.78倍时，当导通角等于20％时，输出电流为零，当导通角小于20％时，输出电流仍旧为零，满足设计目标。

参看图8，本发明经导通角补偿后的调光效果示意图如图8所示。当可控硅调光器的导通角达到最大值D_MAX时，输出电流达到额定值；当可控硅调光器的导通角达到最小值D_MIN时，输出电流达到最小值；在有限的可控硅调光器的调节范围内，实现输出电流全量程控制。

对导通角补偿电路进行优化，提出两段式调光方案，即实现在导通角大时，使得流过LED电流变化较快，进行快速调节，在导通角小时，使得流过LED电流变化较慢，进行慢速调节。

参看图9，两段式调光效果示意图如图9所示。为保证调光控制电路对市场所售大部分可控硅调光器的兼容性，仍保证确定其最大导通角D_MAX，最小导通角D_MIN分别为75％与20％。当导通角在50％-75％之间时，实现LED电流快速调节；当导通角在20％-50％时，实现LED电流慢速调节。为保证在整个调光亮度中，流过LED的电流与可控硅调光角的变化保持单调性，确定在快速与慢速调节的交点处，流过LED电流保持一致，即当导通角为50％时，流过LED电流为其额定电流的37.5％。

参看图10中，两段式调光曲线参数设定图如图10所示。横坐标为可控硅调光器导通角D，纵坐标为流过LED电流占LED额定电流的比例，即I_OUT/I_RC。直线l₁为快速调光曲线，过点(35％，0％)、(50％，37.5％)及(75％，100％)，其直线方程可表示为式(11)。直线l₂为慢速调光曲线，过点(20％，0％)、(50％，37.5％)及(100％，100％)，其直线方程可表示为式(12)。

l₁＝2.5D-0.875；(0.5＜D＜0.75) (11)

l₂＝1.25D-0.25；(0.2＜D＜0.5) (12)

将式(11)，式(12)进行整理，得出LED输出电流与可控硅导通角之间的关系如式(13)所示。

式(13)中，I_OUT1为导通角在0.5～0.75之间时流过LED的输出电流，I_OUT2为导通角在0.2～0.5之间时流过LED的输出电流，I_RC为额定输出电流。输出电流与可控硅导通角之间关系如式(14)所示。

式(14)中，I_OUT为调光角在0～0.2，0.75～1之间时，流过LED的输出电流。

根据调光下拉电路原理可知，输出电流与调光下拉电流满足式(15)。

式(15)中，I_pull为调光下拉电流的大小，I_REF为参考电流的大小，I_OUT为流过LED的输出电流，I_RC为流过LED的额定电流，N为变压器原边副边匝数比，R_CS为原边采样电阻，R_p为调光下拉电路电阻。

可控硅导通角的变化引起调光下拉电流的变化，进而引起流过LED的输出电流的变化。故而，为满足式(14)所示输出电流与可控硅调光角之间的关系，只需调光下拉电流与可控硅调光角之间关系满足式(16)。

式(16)中，I_pull1为导通角在0.5～0.75之间时的调光下拉电流大小，I_pull2为导通角在0.2-0.5之间时的调光下拉电流大小，I_pull为导通角在0～0.2，0.75～1之间时的调光下拉电流大小，I_REF为参考电流大小，D为可控硅导通角，I_RC为额定输出电流。

将式(15)，式(16)整理可得式(17)。

根据调光设计目标可知，快速调光曲线l₁经过点(0.75，1)和(0.35，0)，得到调光曲线l₁线性方程，即式(18)。

l₁＝2.5·[1-(D+0.25)] (18)

l₁调光曲线所对应的调光下拉电流应满足式(19)。

I_pull1＝2.5·[1-(D+0.25)]·I_REF (19)

调光下拉电流控制电路对应调光下拉电流满足式(20)。

I_pull1＝D_{TRI_P}·K₁·I_REF (20)

其中，I_pull1为调光曲线l₁下的调光下拉电流，D_{TRI_P}为下拉电流控制信号占空比，K₁·I_REF为调光曲线l₁对应的额定下拉电流，I_REF为参考电流大小。

结合式(19)，式(20)，只需使得D_{TRI_P}＝1-(D+25％)，K₁＝2.5，即可满足调光曲线l₁的参数设定。此时，需满足两个对应关系。第一，将检测到的导通角信号增加25％的占空比并取反，作为调光下拉电路的控制信号；第二，调光下拉电路的额定下拉电流为参考电流I_REF的2.5倍。

根据调光曲线设计目标可知，慢速调光曲线l₂经过点(0.2，0)和(1，1)，得到调光曲线l₂线性方程，即式(21)。

l₂＝1.25·(1-D) (21)

l₂调光曲线所对应的调光下拉电流应满足式(22)。

I_pull2＝1.25·(1-D)·I_REF (22)

调光下拉电流控制电路对应调光下拉电流满足式(23)。

I_pull2＝D_{TRI_P}·K₂·I_REF (23)

其中I_pull2为调光曲线l₂下的调光下拉电流，D_{TRI_P}为下拉电流控制信号占空比，K₂·I_REF为调光曲线l₂对应的额定下拉电流，I_REF为参考电流。

结合式(22)，式(23)可知，只需使得D_{TRI_P}＝(1-D)，K₂＝1.25即可满足调光曲线l₂的参数设定。此时，需满足两个对应关系。第一，将导通角信号进行取反，直接控制下拉电流控制电路；第二，下拉电流电路的额定下拉电流为参考电流I_REF的1.25倍。

在实现调光曲线l₁与调光曲线l₂的设计之后，需要根据可控硅调光器的导通角，对两条曲线的使用进行合理的切换。两条曲线的切换通过判断可控硅调光器的导通角D是否大于50％来进行控制。当检测到可控硅调光器的导通角D>50％时，采用调光曲线l₁设置电路及参数；当可控硅导通角D<50％时，采用调光曲线l₂设置的电路及参数。调光曲线l₁由导通角检测模块，+25％模块，下拉电流(K₁＝2.5)模块构成。+25％模块为导通角补偿模块，下拉电流(K₁＝2.5)为下拉电流控制模块，其额定下拉电流设定为参考电流I_REF的2.5倍。导通角检测模块检测经过可控硅调光器斩波之后的线电压TRIAC，得出可控硅调光器导通角信号TRI；TRI信号经过+25％导通角补偿模块之后，将TRI信号的占空比增加25％，并对补偿之后的信号取反，得到信号；最后信号控制调光角下拉电路中，输出电流I_pull1占额定电流的比例。同理，调光曲线l₂由导通角检测模块，INV模块及下拉电流(K₂＝1.25)模块构成。INV为反相器将导通角信号TRI进行反相得到信号，下拉电流(K₂＝1.25)为额定下拉电流为参考电流1.25倍I_REF的调光下拉电路，信号控制下拉电流I_pull2占额定下拉电流的比例。

在两段式调光方案中，调光曲线l₁，l₂需要判断导通角D是否大于50％来进行切换，因而需添加导通角D＝50％参考电路及调光曲线切换电路。导通角D＝50％参考电路为导通角切换参考信号。调光曲线切换电路，用于判断当前导通角是否大于50％，以决定选通下拉电流电路(K₁＝2.5)或下拉电流电路(K₂＝1.25)，及选定下拉电流控制信号为或

在调光控制中，当LED电流较大时，调节可控硅导通角引起的LED发光亮度变化不明显；当LED电流较小时，调节可控硅导通角引起的LED发光亮度变化明显。为了在整个调光角控制范围内实现比较均匀的亮度调节，实现所述两段式调光，即当导通角比较大时，使得流过LED输出电流变化较快，进行快速调节；当导通角比较小时，使得流过LED输出电流变化较慢，进行慢速调节，从而使得在整个调光范围内LED的发光亮度能够实现比较均匀的变化。

在所述两段式调光控制电路中，增设导通角切换参考电路和导通角切换电路，改进相应的下拉电流控制电路。所述的导通角切换参考电路产生导通角切换参考信号，所述的导通角切换电路在实现了快速调光与慢速调光的设计之后，根据可控硅调光器的导通角信息，对快速调光与慢速调光进行合理的切换。快速调光与慢速调光的切换通过判断可控硅调光器的导通角D是否大于参考值来进行控制。当检测到可控硅调光器的导通角D大于参考值时，依据快速调光来设置电路及参数；当可控硅导通角D小于参考值时，依据慢速调光来设置电路及参数。

导通角切换参考信号电路原理图如图11所示。导通角切换参考电路包括PMOS管M₁₉、M₂₀、M₂₁、M₂₂、M₂₃、M₂₄、M₂₅，NMOS管M₂₆、M₂₇，传输门T₅，电容C₆、C₇，运算放大器Amp6，电阻R₁₀、R₁₁、R₁₂，比较器Comp5，或非门。M₁₉管和M₂₀管栅端互连，源端连接电源VDD，M₂₁管的源端连接M₁₉管漏端，M₂₁管与M₂₂管栅端互连，M₂₀管漏端连接M₂₂管源端，M₁₉和M₂₀的栅端连接M₂₁漏端，M₂₁漏端连接M₂₃管源端，M₂₃管漏端连接M₂₄管源端，M₂₄管漏端连接M₂₅管源端，M₂₅管漏端接地。M₂₃管，M₂₄管和M₂₅管的栅端互连，M₂₄管漏端连接M₂₁管，M₂₂管栅端。M₂₂管漏端经电容C₆接地，且经传输门T₅接运放Amp6正输入端，运放正输入端经电容C₇接地，运放输出连接M₂₇管栅端，M₂₇管漏端经电阻R₁₀连接电源VDD，M₂₇管源端反馈连接运放Amp6的负输入端，接分压电阻R₁₁、R₁₂，电阻R₁₂正端接比较器Comp5的正输入端，电容C₆正端接比较器Comp5负输入端，M₂₆管漏端接比较器Comp5负输入端，源端接地，栅端连接复位信号。比较器输出信号即为导通角补偿电路的输出信号。

导通角切换参考信号电路，输入导通角信号TRI，输出导通角切换参考信号TRI_REF。导通角切换参考信号需要时刻保持与导通角信号TRI的频率一致，起始相位保持相等，且保证其占空比为50％。

TRI经过单稳态触发电路，在TRI的下降沿触发得到短暂的脉冲信号Sample。Sample信号经过单稳态触发器，在Sample信号的下降沿触发得到短暂的脉冲信号Reset。Sample与Reset信号用于控制采样及复位。I_charge电流对电容充电，使得V_C电压线性增加，V_CP采样电容V_C上的峰值电压并通过电压跟随器后进行1:1电阻分压，经过1:1电阻分压后的V_CP与电压V_C比较，得出导通角基准信号TRI_REF。

经导通角切换参考信号电路后，能够得到占空比为50％，与导通角信号TRI周期一致，相位一致的导通角切换参考信号TRI_REF。

根据调光曲线l₁与调光曲线l₂的设计要求，当导通角大于0.5时，调光曲线l₁工作，调光曲线l₂不工作；当导通角小于0.5时，调光曲线l₂工作而调光曲线l₁不工作。调光曲线l₁与l₂在下拉电流控制上存在两点不同。第一，l₁对应调光下拉电流控制信号为导通角信号经过25％补偿后的反相信号而l₂对应的调光下拉电流控制信号为导通角信号直接取反信号未经过25％补偿；第二，l₁对应调光下拉电路额定下拉电流为参考电流I_REF的2.5倍，而l₂对应的调光下拉电路额定下拉电流为参考电流I_REF的1.25倍。

根据以上分析，导通角切换电路需对导通角是否大于50％进行判断，故导通角切换电路需要引入与导通角信号同周期且占空比为50％导通角切换参考信号。在整个调光角变换范围内，进行调光曲线l₁，l₂的选取，实际上就是对以下两个参数进行选取：

(1)下拉电流控制信号。当D>50％时，下拉电流控制信号选取当D<50％时，下拉电流控制信号为

(2)下拉电流电路。当D>50％时，额定下拉电流为参考电流2.5倍I_REF的下拉电流电路选通；当D<50％时，额定下拉电流为参考电流1.25倍I_REF的下拉电流电路选通.

导通角切换电路实现在D>50％时，选择曲线l₁；当D<50％时，选择曲线l₂。在整个调光范围内，实现两段式调光。

参看图12，导通角切换电路原理图如图12所示。导通角切换电路包括D触发器，反相器INV3，两输入与门AND1、AND2，两输入或门OR1。TRI经反相器INV3连接到D触发器时钟，且连接到AND2的输入端，D触发器的输出Q也连接AND2的输入端，AND2的输出连接OR1的输入，D触发器的输出(Q非)连接AND1的输入，导通角补偿电路输出连接与门AND1的输入，与门AND1的输出连接OR1的输入。或非门OR1输出TRI_P。D触发器的输出(Q非)输出TRI_C。

导通角切换电路为一个以D触发器为核心的逻辑信号处理电路，处理TRI，TRI_REF及这三个信号。为经过+25％补偿电路后的导通角补偿信号，TRI_REF为导通角切换参考电路产生的导通角切换参考信号，TRI为导通角信号。导通角切换电路输出下拉电流支路选通信号TRI_C及下拉电流控制信号TRI_P。TRI_C及TRI_P这两个导通角切换电路输出信号，用于控制调光曲线两个参数的选取，控制调光曲线在l₁，l₂之间切换。

TRI反向作为D触发器时钟，TRI_REF为D触发器信号输入。当导通角大于50％时，D触发器输出TRI_C为高电平“1”，进行快速调光，选通I_pull1下拉电流支路，TRI_P信号与导通角补偿信号TRI_COM保持一致，D_{TRI_P}＝1-(D+25％)；当导通角小于50％时，D触发器输出TRI_C为低电平“0”，进行慢速调光，选通I_pull2下拉电流支路，TRI_P与TRI的反相信号保持一致，D_{TRI_P}＝1-D。其中，D_{TRI_P}为TRI_P信号的占空比，D为导通角TRI信号的占空比。鉴于快速调光曲线l₁，与慢速调光曲线l₂对下拉电流支路参数的不同要求，设定两条下拉电流支路，分别满足下拉电流(K₁＝2.5)与下拉电流(K₂＝1.25)的要求。

参看图13，两段式调光下拉电流电路原理图如图13所示。调光下拉电流电路包括开关S₄，下拉电流电路I_pull1，下拉电流支路I_pull2，下拉电流支路包括运算放大器Amp7，NMOS管M₂₈，电阻R_P1和开关S₅。输出电流控制电路PMOS管M₆漏端经开关S₅连接M₂₈管漏端，M₂₈管源端经电阻R_P1接地。M₂₈管源端反馈连接至运放Amp7的负输入端，运放Amp7的正输入端连接参考电压V_REF，运放Amp7输出连接M₂₈的栅端。导通角补偿电路的输出信号控制开关S₅的导通与关断。

I_pull1为快速调光曲线l₁对应下拉电流，I_pull2为慢速调光曲线l₂对应下拉电流，TRI_C为下拉电流选通信号，当TRI_C＝1时，选通I_pull1电流，I_pull＝I_pull1；当TRI_C＝0时，选通I_pull2电流，I_pull＝I_pull2。I_pull1，I_pull2电流大小受控制信号TRI_P的占空比调节，I_pull为流入恒流系统的下拉电流。

下拉电流的支路电路原理图如图右边所示，额定下拉电流大小由V_REF/R_p来决定，其中，V_REF为下拉电流电路参考电压，R_p为下拉电流电路对应的下拉电阻。令R_p1为下拉电流(K₁＝2.5)下拉支路对应的下拉电阻，R_p2为下拉电流(K₂＝1.25)下拉支路对应的下拉电阻，则：

式(24)，式(25)中，V_REF为调光下拉电流的参考电压，I_REF为系统的参考电流。

此时，当D>50％时，TRI_C＝1，I_pull1支路选通，则下拉电流满足式(26)。

当D<50％时，TRI_C＝0，I_pull2支路选通，则下拉电流满足式(27)。

如此，则满足式(28)。

如此，即可完成优化设定的两段式调光方案。

本发明在驱动电路中采用两段式调光方案，当可控硅调光器调至最大导通角时，其最大调光电流I_MAX能达到额定电流I_RC，使得电流比I_MAX/I_RC接近100％。另一方面，通过对调光下拉电路进行参数优化，使得当可控硅调光器调至最小导通角时，其最小调光电流为零，从而使得其调光比小于1％。本发明LED驱动电路与同类型小功率可调光LED驱动电路相比，具有更宽的亮度调节范围。

参看图14，输入电压分别为90V/60Hz，110V/60Hz，120V/60Hz，132V/60Hz情况下的调光曲线如图14所示。当导通角大于75％时，输出电流均能达到额定电流500mA附近，最小调光电流均能达到零，在0％-75％调光区间均能呈现两段式调节。在较大调光电流时调节较快，在较小调光电流时调节较慢，满足两段式调光的目标。在相同的导通角下，输入电压不同，对应的输出电流存在少许的波动。整体而言均能满足调节范围宽，两段式调光的目标。

本发明实例达到以下效果：

效率η：76％

功率因数PF：0.995

额定电流I_RC：510mA

最大调光电流I_MAX：516mA

最小调光电流I_MIN：0

电流比I_MAX/I_RC：100％

调光比I_MIN/I_MAX：1％。