LED調光驅動的設計及拓撲的對比分析
發布時間:2014-10-13 責任編輯:echolady
【導讀】隨著能源問題的重要性日益提高,傳統照明逐漸被節能環保的LED芯片所取代。目前,LED照明燈以其滲透力及前瞻性占據市場主導地位。傳統燈具中,尤以MR16鹵素燈被廣泛應用於聚光燈及洗牆燈等領域,由此也成為LED取代燈的關鍵之一。然而,MR16尺寸較小,需要與調光器和變壓器配合使用,這給LED驅動電源帶來難題。本文中主要分析了LED取代MR16驅動電源設計過程中遇到的技術難點,將兩種使用拓撲進行對比和分析提出了能夠兼容,且成本低,體積小的技術方案。
MR16中LED驅動電源的設計挑戰
電子變壓器與磁變壓器相比,具有體積小、效率高的優勢,因此得到了更廣泛的應用。典型的電子變壓器結構如圖1所示。出於成本考慮,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TR1和TR2的開關切換。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1: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T1keyizhouqixingbaohe。erqiewulunshiqianqietiaoguangqi,haishihouqietiaoguangqidouxuyaoyidingdefuzaidianliulaishixiankekongguidekekaodaotonghuozheshurudianyafuwei。yulusudengxiangbi,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光器和電子變壓器的間歇式工作,引起燈光的閃爍。

圖2: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。
一個典型的可調光MR16係統如圖3所示。市電經過一個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(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)。位(wei)於(yu)市(shi)電(dian)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)調(tiao)光(guang)器(qi)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)市(shi)電(dian)的(de)導(dao)通(tong)相(xiang)位(wei)從(cong)而(er)改(gai)變(bian)交(jiao)流(liu)輸(shu)入(ru)的(de)有(you)效(xiao)值(zhi),起(qi)到(dao)調(tiao)節(jie)光(guang)輸(shu)出(chu)強(qiang)度(du)的(de)作(zuo)用(yong)。通(tong)常(chang)電(dian)子(zi)變(bian)壓(ya)器(qi)主(zhu)要(yao)搭(da)配(pei)前(qian)/後切調光器,而磁變壓器主要和前切調光器配合使用。

圖3:調光MR16燈係統示意圖
磁變壓器是通過工頻耦合的方式,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,並且功率都在20W以yi上shang。當dang前qian切qie調tiao光guang器qi導dao通tong時shi,可ke以yi有you效xiao避bi免mian輸shu入ru電dian流liu的de過guo衝chong和he振zhen蕩dang。而er較jiao大da的de輸shu入ru功gong率lv有you助zhu於yu調tiao光guang器qi中zhong的de可ke控kong矽gui維wei持chi可ke靠kao導dao通tong。鹵lu素su燈deng與yu前qian切qie調tiao光guang器qi和he磁ci變bian壓ya器qi配pei合he工gong作zuo時shi的de波bo形xing如ru圖tu4所示。由於整流橋和輸入電容的存在,LED驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)通(tong)常(chang)呈(cheng)現(xian)容(rong)性(xing)負(fu)載(zai)特(te)性(xing)。當(dang)調(tiao)光(guang)器(qi)導(dao)通(tong)瞬(shun)間(jian),由(you)容(rong)性(xing)負(fu)載(zai)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)流(liu)過(guo)衝(chong)很(hen)容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)調(tiao)光(guang)器(qi)和(he)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)的(de)損(sun)壞(huai)。而(er)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)突(tu)然(ran)變(bian)化(hua)還(hai)容(rong)易(yi)引(yin)起(qi)回(hui)路(lu)中(zhong)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)容(rong)的(de)振(zhen)蕩(dang),使(shi)可(ke)控(kong)矽(gui)不(bu)能(neng)夠(gou)可(ke)靠(kao)導(dao)通(tong),造(zao)成(cheng)LED燈閃爍。

圖4: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。
除了兼容性的問題之外,MR16燈的內部空間也對驅動的設計提出了考驗。圖5是一個常見的MR16燈(deng)頭(tou)的(de)內(nei)部(bu)尺(chi)寸(cun)。與(yu)非(fei)調(tiao)光(guang)驅(qu)動(dong)相(xiang)比(bi),調(tiao)光(guang)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)會(hui)增(zeng)加(jia)一(yi)部(bu)分(fen)外(wai)圍(wei)線(xian)路(lu)來(lai)改(gai)善(shan)與(yu)調(tiao)光(guang)器(qi)及(ji)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)兼(jian)容(rong)性(xing)。而(er)有(you)限(xian)的(de)空(kong)間(jian)以(yi)及(ji)客(ke)戶(hu)對(dui)於(yu)成(cheng)本(ben)的(de)要(yao)求(qiu)使(shi)得(de)驅(qu)動(dong)方(fang)案(an)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)盡(jin)可(ke)能(neng)少(shao)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)數(shu)量(liang)和(he)小(xiao)的(de)體(ti)積(ji)。

圖5:MR16替代燈燈頭尺寸示意圖
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MR16驅動電源常見拓撲的分析與比較
對於調光MR16驅動電源的要求主要可以歸納為幾個方麵:
(1)調光兼容性---與調光器和變壓器連接時工作穩定無閃爍;
(2)效率---主要評估在12V AC輸入下的驅動效率,目前的要求集中在75%~80%之間;
(3)輸出電壓範圍---主要影響LED顆粒的選擇和連接方式;
(4)輸出電流紋波---高頻紋波會影響LEDdewenduheguangtongliang,erdipinwenbohuiyingxiangrenyandeshushidu,danjiaoxiaodeshuchudianliuwenboxuyaojiaodadeshuchudianganhedianrong,xuyaohetijijinxingzhezhong,tongchangyaoqiufeng-峰值≤30%;
(5)元件數量---處於對成本和體積的考量,希望元件數量越少越好;
基於以上要求,對MR16應用中常見的拓撲進行了比較,結果如表1所述。

表1:MR16應用拓撲的比較改進的兩級式拓撲結構
從cong前qian麵mian的de討tao論lun可ke知zhi,連lian續xu的de輸shu入ru電dian流liu可ke以yi改gai善shan驅qu動dong電dian源yuan與yu調tiao光guang器qi和he變bian壓ya器qi的de兼jian容rong性xing,而er連lian續xu的de輸shu出chu電dian流liu可ke以yi減jian小xiao輸shu出chu濾lv波bo器qi的de體ti積ji。在zai表biao1所示的拓撲中,隻有Boost+Buck的(de)兩(liang)級(ji)結(jie)構(gou)具(ju)有(you)這(zhe)樣(yang)的(de)特(te)性(xing)。但(dan)是(shi)兩(liang)個(ge)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)組(zu)合(he)使(shi)得(de)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)數(shu)量(liang)較(jiao)多(duo),成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao),而(er)且(qie)整(zheng)機(ji)的(de)效(xiao)率(lv)也(ye)有(you)所(suo)降(jiang)低(di)。另(ling)外(wai),出(chu)於(yu)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)和(he)整(zheng)燈(deng)光(guang)效(xiao)的(de)角(jiao)度(du)考(kao)慮(lv),越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)燈(deng)具(ju)製(zhi)造(zao)商(shang)傾(qing)向(xiang)於(yu)在(zai)LED替代燈中使用低成本的中功率LED顆粒來替代大功率LED,即驅動電源的負載由低壓大電流向高壓小電流轉變。綜上所述,提出可以同時兼顧兼容性、體積和成本的兩級式方案,如圖6所示。

圖6:所提出的兩級式MR16驅動結構
這個驅動方案的輸入級采用Boostxingshengyajiegou,shurudianliulianxubingshoukong,bingpeiheshoukongdejiafuzai,yigaishanyutiaoguangqihebianyaqidejianrongxing。shuchujicaiyongxianxingdianliuyuandefangshi,shuchudianliuwenbobeidadajiangdi。yuBoost+Buck的兩級結構相比,輸出級的電感和電容被省去,從而有效控製驅動的體積和成本。雖然受線性電流源的限製,LED電壓的範圍變窄,但考慮到LED的選擇向高壓小電流轉變的趨勢,該結構在性能和係統成本上依然具有較大優勢。
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