MR16及換代燈的LED驅動方案

圖1. 參考設計原理圖

電子變壓器及調光的兼容性問題

     電子變壓器是傳統磁變壓器的替代產品，具有更低成本、更小尺寸，而且更加輕便，能夠將120VAC/230VAC電源電壓轉換成12VAC，用於MR16燈供電。電子變壓器對頻率為35kHz至40kHz的輸入交流電壓進行調製，然後將信號送入高頻變壓器，把120VAC/230VAC轉換成12VAC。由於採用了高頻調製技術，允許使用尺寸小而且輕便的變壓器，成本也降低了許多。利用自激電路實現35kHz至40kHz調製，驅動雙極型晶體管的基極，晶體管功能如同半橋開關。

     電子變壓器是針對鹵素燈(而非LED燈)負載設計的，為了配合變壓器正常工作，要求在整個交流電周期內保持一個最小負載電流。如果負載電流下降到該電流以下，或者出現大的負載電流瞬變導致其低於最小負載電流，變壓器將在交流電周期內關斷，從而造成燈的閃爍。使用鹵素燈時，由於負載表現為純電阻，而且功率超過20W，任何時候都有足夠的負載電流，不會出現閃爍問題。此外，電子變壓器是專門針對鹵素燈等電阻負載設計的。

當電子變壓器配合LED燈工作時，需要解決兩個問題。

     通常情況下，LED燈並非純電阻負載。特別是當驅動器是由一個簡單的電壓整流器和後續的DC-DC轉換器構成時，輸入電流是輸入電壓每半個周期的短脈衝電流，這不利於變壓器工作。

     LED燈的效率高於鹵素燈，這當然是件好事。但另一方面，由於LED燈的負載電流很小，在與電子變壓器配合工作時存在兼容性問題。

     除了電子變壓器，系統中的切角調光器可能放置在變壓器的前端。典型應用中大多採用后沿切角調光器，因為前沿調光器(例如，三端雙向可控硅開關)調光器不能正確地配合電子變壓器工作。

后沿調光器通過在交流電的每半個周期切斷最後部分來降低燈的亮度。

     有些基礎架構中仍然使用磁變壓器，而非電子變壓器。類似於電子變壓器，磁變壓器同樣要求阻性負載和最小負載電流。系統中使用調光器(通常採用前沿調光配合磁變壓器工作)時，調光器要求阻性負載和一個最小負載電流。簡而言之，LED驅動器將面臨與電子變壓器相同的設計挑戰。

電路說明

     電路採用buck-boost轉換器，外部元件包括：電感L1、開關MOSFET Q1、功率二極體D6。工作在固定頻率、連續導通模式。

     本文介紹的方案採用有源功率因數修正(PFC)架構控制輸入電流並對其進行整形，以便配合電子變壓器和調光器工作。有源PFC提供最佳的輸入電流控制，使輸入電流在交流電的絕大部分周期內保持在調光器和變壓器要求的最小值以上，從而避免電流的瞬態跳變。有源PFC也是設計調光燈的最佳方案，可以避免閃爍。

     有源PFC不需要在輸入端使用大電容(例如，電解電容)，從而使該設計方案更具競爭力。設計中的輸入電容(C2)容值很小，允許使用陶瓷電容。方案中由於避免了電解電容的使用，可有效延長LED燈的使用壽命。

     LED燈需要通過散熱耗散絕大部分功率，而MR16 LED燈的尺寸非常小，所能提供的散熱空間也非常有限，這就使得這些燈管通常工作在+80°C至+100°C高溫環境下。即使採用最高級的電解電容，在如此高的溫度下也很難支撐10,000小時以上的工作時間，由此制約了LED燈的使用壽命。

     方案中的有源PFC將輸入電流整形為方波，如圖2所示。

圖2. LED驅動器的輸入電流

     輸入電流整形成方波是最好的控制方案：能夠在整個交流電周期內將其數值(變壓器和調光器負載電流)保持在所要求的最小值以上。

     控制電路由R8 (檢流電阻)、R7和C9構成，R7和C9提供平均MOSFET電流，與平均輸入電流相同；MAX16834能夠在交流輸入的每個周期內保持該電流恆定。

     由於該方案不帶電解電容，LED電流為整流后的正弦波(沒有調光)或者是被部分切角的整流正弦波(帶有調光)，交流電壓周期之間沒有儲存能量(圖3)。

圖3. LED電流為整流后的正弦波，頻率是交流電的兩倍。

     MAX16834的輸出端具有過壓保護(OVP)。藉助OVP電路，當LED出現開路或斷開時，驅動器將自動關閉，不會損壞驅動器。

測試結果

     該參考設計電路板在以下條件下進行測試： 

     電子變壓器：Lightech LET-60 

     電子變壓器輸入電壓：120VAC、60Hz

     驅動電路輸入電壓：以40kHz信號調製的12VAC、60Hz

     輸出：4隻串聯LED

     測量結果(沒有調光)：

     LED功率：4.2W

     效率：77%

     輸入功率因數：0.943

     該設計方案可配合下表所示電子變壓器使用。

     此外，該方案還結合下列調光器/電子變壓器進行了測試。

     測試方案也能夠配合下列調光器/磁變壓器工作。

測試過程

關閉120VAC/230VAC電源。

將后沿調光器(需要調光時)的輸入連接到電源。

調光器輸出連接到電子變壓器輸入；沒有調光時，將變壓器輸入連接到電源。

調光器輸出連接到電路板的VIN1和VIN2輸入。

將LED連接到LED+ (陽極)和LED- (陰極)之間。

打開電源。

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