MR16及換代燈的LED驅(qū)動方案

本應(yīng)用筆記討論了MR16及類似換代燈的
圖1. 參考設(shè)計原理圖

 

電子變壓器及調(diào)光的兼容性問題

電子變壓器是傳統(tǒng)磁變壓器的替代產(chǎn)品，具有更低成本、更小尺寸，而且更加輕便，能夠?qū)?20VAC/230VAC電源電壓轉(zhuǎn)換成12VAC，用于MR16燈供電。電子變壓器對頻率為35kHz至40kHz的輸入交流電壓進(jìn)行調(diào)制，然后將信號送入高頻變壓器，把120VAC/230VAC轉(zhuǎn)換成12VAC。由于采用了高頻調(diào)制技術(shù)，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(xiàn)35kHz至40kHz調(diào)制，驅(qū)動雙極型晶體管的基極，晶體管功能如同半橋開關(guān)。

電子變壓器是針對鹵素?zé)?而非LED燈)負(fù)載設(shè)計的，為了配合變壓器正常工作，要求在整個交流電周期內(nèi)保持一個最小負(fù)載電流。如果負(fù)載電流下降到該電流以下，或者出現(xiàn)大的負(fù)載電流瞬變導(dǎo)致其低于最小負(fù)載電流，變壓器將在交流電周期內(nèi)關(guān)斷，從而造成燈的閃爍。使用鹵素?zé)魰r，由于負(fù)載表現(xiàn)為純電阻，而且功率超過20W，任何時候都有足夠的負(fù)載電流，不會出現(xiàn)閃爍問題。此外，電子變壓器是專門針對鹵素?zé)舻入娮柝?fù)載設(shè)計的。

當(dāng)電子變壓器配合鹵素?zé)艋虬谉霟艄ぷ鲿r，需要解決兩個問題。

• 通常情況下，LED燈并非純電阻負(fù)載。特別是當(dāng)驅(qū)動器是由一個簡單的電壓整流器和后續(xù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成時，輸入電流是輸入電壓每半個周期的短脈沖電流，這不利于變壓器工作。
• LED燈的效率高于鹵素?zé)?，這當(dāng)然是件好事。但另一方面，由于LED燈的負(fù)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(tǒng)中的切角調(diào)光器可能放置在變壓器的前端。典型應(yīng)用中大多采用后沿切角調(diào)光器，因為前沿調(diào)光器(例如，三端雙向可控硅開關(guān))調(diào)光器不能正確地配合電子變壓器工作。

后沿調(diào)光器通過在交流電的每半個周期切斷最后部分來降低燈的亮度。

有些基礎(chǔ)架構(gòu)中仍然使用磁變壓器，而非電子變壓器。類似于電子變壓器，磁變壓器同樣要求阻性負(fù)載和最小負(fù)載電流。系統(tǒng)中使用調(diào)光器(通常采用前沿調(diào)光配合磁變壓器工作)時，調(diào)光器要求阻性負(fù)載和一個最小負(fù)載電流。簡而言之，LED驅(qū)動器將面臨與電子變壓器相同的設(shè)計挑戰(zhàn)。

 

電路說明

電路采用buck-boost轉(zhuǎn)換器，外部元件包括：電感L1、開關(guān)MOSFET Q1、功率二極管D6。工作在固定頻率、連續(xù)導(dǎo)通模式。

本文介紹的方案采用有源功率因數(shù)修正(PFC)架構(gòu)控制輸入電流并對其進(jìn)行整形，以便配合電子變壓器和調(diào)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(nèi)保持在調(diào)光器和變壓器要求的最小值以上，從而避免電流的瞬態(tài)跳變。有源PFC也是設(shè)計調(diào)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(shè)計方案更具競爭力。設(shè)計中的輸入電容(C2)容值很小，允許使用陶瓷電容。方案中由于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(huán)境下。即使采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(qū)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(nèi)將其數(shù)值(變壓器和調(diào)光器負(fù)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(gòu)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(nèi)保持該電流恒定。

由于該方案不帶電解電容，LED電流為整流后的正弦波(沒有調(diào)光)或者是被部分切角的整流正弦波(帶有調(diào)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(hù)(OVP)。借助OVP電路，當(dāng)LED出現(xiàn)開路或斷開時，驅(qū)動器將自動關(guān)閉，不會損壞驅(qū)動器。