如何應對LED調光驅動(dòng)的設計挑戰

　　隨著(zhù)世界各國對于能源問(wèn)題的日益重視，使用綠色環(huán)保節能的LED芯片替代傳統光源已經(jīng)成為通用照明市場(chǎng)一個(gè)顯著(zhù)的發(fā)展趨勢。就目前而言，最具有市場(chǎng)滲透力和商業(yè)前景的LED照明燈具是不需要更改現有基礎設施就能直接使用的LED替代燈。在眾多傳統燈具中，MR16鹵素燈憑借其在商場(chǎng)、家居、醫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(diǎn)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光器配合使用的特點(diǎn)又給LED驅動(dòng)電源的設計帶來(lái)了挑戰性。本文主要討論LED替代MR16的驅動(dòng)電源設計所面臨的技術(shù)難點(diǎn)，對適用的拓撲進(jìn)行分析和比較。在此基礎上提出了一種可以同時(shí)兼顧兼容性、體積和成本的兩級式方案。

　　MR16中LED驅動(dòng)電源的設計挑戰

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

　　圖1:調光MR16燈系統示意圖。

　　磁變壓器是通過(guò)工頻耦合的方式，利用不同的匝數比，將高壓市電輸入轉換為低壓交流輸入給MR16燈供電。傳統的鹵素燈是純阻型負載，并且功率都在20W以上。當前切調光器導通時(shí)，可以有效避免輸入電流的過(guò)沖和振蕩。而較大的輸入功率有助于調光器中的可控硅維持可靠導通。鹵素燈與前切調光器和磁變壓器配合工作時(shí)的波形如圖2所示。由于整流橋和輸入電容的存在，LED驅動(dòng)電源通常呈現容性負載特性。當調光器導通瞬間，由容性負載引起的電流過(guò)沖很容易造成調光器和驅動(dòng)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光器的MR16工作波形：(綠)高壓側輸入電壓波形;(藍)高壓側輸入電流波形;(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構如圖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(shí)實(shí)現TR1和TR2的開(kāi)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:電子變壓器結構示意圖

　　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(wú)論是前切調光器，還是后切調光器都需要一定的負載電流來(lái)實(shí)現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(gè)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光器的MR16工作波形：(藍)高壓側輸入電壓波形;(綠)高壓側輸入電流波形;(黃)負載電流波形。

　　除了兼容性的問(wèn)題之外，MR16燈的內部空間也對驅動(dòng)的設計提出了考驗。圖5是一個(gè)常見(jiàn)的MR16燈頭的內部尺寸。與非調光驅動(dòng)相比，調光驅動(dòng)電源會(huì )增加一部分外圍線(xiàn)路來(lái)改善與調光器及變壓器的兼容性。而有限的空間以及客戶(hù)對于成本的要求使得驅動(dòng)方案需要具有盡可能少的元器件數量和小的體積。

　　圖5:MR16替代燈燈頭尺寸示意圖。

　　MR16驅動(dòng)電源常見(jiàn)拓撲的分析與比較

　　對于調光MR16驅動(dòng)電源的要求主要可以歸納為幾個(gè)方面：

　　●調光兼容性---與調光器和變壓器連接時(shí)工作穩定無(wú)閃爍;

　　●效率---主要評估在12V AC輸入下的驅動(dòng)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(huì )影響LED的溫度和光通量，而低頻紋波會(huì )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(jìn)行折中，通常要求峰-峰值≤30%;

　　●元件數量---處于對成本和體積的考量，希望元件數量越少越好;