如何應對LED調(diào)光驅(qū)動的設(shè)計挑戰(zhàn)

　　隨著世界各國對于能源問題的日益重視，使用綠色環(huán)保節(jié)能的LED芯片替代傳統(tǒng)光源已經(jīng)成為通用照明市場一個顯著的發(fā)展趨勢。就目前而言，最具有市場滲透力和商業(yè)前景的LED照明燈具是不需要更改現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施就能直接使用的LED替代燈。在眾多傳統(tǒng)燈具中，MR16鹵素燈憑借其在商場、家居、醫(yī)院等地的聚光燈和洗墻燈上的廣泛應用，成為了LED替代燈重點發(fā)展的應用領(lǐng)域之一。然而，MR16的小尺寸以及需要與變壓器和調(diào)光器配合使用的特點又給LED驅(qū)動電源的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)性。本文主要討論LED替代MR16的驅(qū)動電源設(shè)計所面臨的技術(shù)難點，對適用的拓撲進行分析和比較。在此基礎(chǔ)上提出了一種可以同時兼顧兼容性、體積和成本的兩級式方案。

　　MR16中LED驅(qū)動電源的設(shè)計挑戰(zhàn)

　　一個典型的可調(diào)光MR16系統(tǒng)如圖1所示。市電經(jīng)過一個電子或磁變壓器轉(zhuǎn)換為低壓12V交流輸入，為鹵素燈或者LED驅(qū)動電源供電。位于市電和變壓器之間的調(diào)光器通過控制市電的導通相位從而改變交流輸入的有效值，起到調(diào)節(jié)光輸出強度的作用。通常電子變壓器主要搭配前/后切調(diào)光器，而磁變壓器主要和前切調(diào)光器配合使用。

　　圖1:調(diào)光MR16燈系統(tǒng)示意圖。

　　磁變壓器是通過工頻耦合的方式，利用不同的匝數(shù)比，將高壓市電輸入轉(zhuǎn)換為低壓交流輸入給MR16燈供電。傳統(tǒng)的鹵素燈是純阻型負載，并且功率都在20W以上。當前切調(diào)光器導通時，可以有效避免輸入電流的過沖和振蕩。而較大的輸入功率有助于調(diào)光器中的可控硅維持可靠導通。鹵素燈與前切調(diào)光器和磁變壓器配合工作時的波形如圖2所示。由于整流橋和輸入電容的存在，LED驅(qū)動電源通常呈現(xiàn)容性負載特性。當調(diào)光器導通瞬間，由容性負載引起的電流過沖很容易造成調(diào)光器和驅(qū)動電源的損壞。而輸入電壓的突然變化還容易引起回路中電感和電容的振蕩，使可控硅不能夠可靠導通，造成LED燈閃爍。

　　圖2:配合磁變壓器和前切調(diào)光器的MR16工作波形：(綠)高壓側(cè)輸入電壓波形;(藍)高壓側(cè)輸入電流波形;(紫)輸出電流波形。

　　電子變壓器與磁變壓器相比，具有體積小、效率高的優(yōu)勢，因此得到了更廣泛的應用。典型的電子變壓器結(jié)構(gòu)如圖3所示。出于成本考慮，電子變壓器采用的是自激振蕩式半橋變換器，當負載電流使T1飽和時實現(xiàn)TR1和TR2的開關(guān)切換。電子變壓器在額定負載下的工作頻率在30kHz~50kHz之間，負載越輕，工作頻率越高。

　　圖3:電子變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

　　要使電子變壓器可以正常工作，負載電流必須足夠大，使T1可以周期性飽和。而且無論是前切調(diào)光器，還是后切調(diào)光器都需要一定的負載電流來實現(xiàn)可控硅的可靠導通或者輸入電壓復位。與鹵素燈相比，LED替代燈的輸入功率小很多。一個35W LED替代燈的輸入功率通常在7W左右。輸入電流不足容易造成調(diào)光器和電子變壓器的間歇式工作，引起燈光的閃爍。

　　圖4:配合電子變壓器和前切調(diào)光器的MR16工作波形：(藍)高壓側(cè)輸入電壓波形;(綠)高壓側(cè)輸入電流波形;(黃)負載電流波形。

　　除了兼容性的問題之外，MR16燈的內(nèi)部空間也對驅(qū)動的設(shè)計提出了考驗。圖5是一個常見的MR16燈頭的內(nèi)部尺寸。與非調(diào)光驅(qū)動相比，調(diào)光驅(qū)動電源會增加一部分外圍線路來改善與調(diào)光器及變壓器的兼容性。而有限的空間以及客戶對于成本的要求使得驅(qū)動方案需要具有盡可能少的元器件數(shù)量和小的體積。

　　圖5:MR16替代燈燈頭尺寸示意圖。

　　MR16驅(qū)動電源常見拓撲的分析與比較

　　對于調(diào)光MR16驅(qū)動電源的要求主要可以歸納為幾個方面：

　　●調(diào)光兼容性---與調(diào)光器和變壓器連接時工作穩(wěn)定無閃爍;

　　●效率---主要評估在12V AC輸入下的驅(qū)動效率，目前的要求集中在75%~80%之間;

　　●輸出電壓范圍---主要影響LED顆粒的選擇和連接方式;

　　●輸出電流紋波---高頻紋波會影響LED的溫度和光通量，而低頻紋波會影響人眼的舒適度，但較小的輸出電流紋波需要較大的輸出電感和電容，需要和體積進行折中，通常要求峰-峰值≤30%;

　　●元件數(shù)量---處于對成本和體積的考量，希望元件數(shù)量越少越好;