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[導(dǎo)讀]換代燈的LED驅(qū)動(dòng)方案介紹

本應(yīng)用筆記討論了MR16及類似換代燈的

圖1. 參考設(shè)計(jì)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(duì)頻率為35kHz至40kHz的輸入交流電壓進(jìn)行調(diào)制,然后將信號(hào)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(shí)現(xiàn)35kHz至40kHz調(diào)制,驅(qū)動(dòng)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(duì)鹵素?zé)?而非LED燈)負(fù)載設(shè)計(jì)的,為了配合變壓器正常工作,要求在整個(gè)交流電周期內(nèi)保持一個(gè)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(shí),由于負(fù)載表現(xiàn)為純電阻,而且功率超過20W,任何時(shí)候都有足夠的負(fù)載電流,不會(huì)出現(xiàn)閃爍問題。此外,電子變壓器是專門針對(duì)鹵素?zé)舻入娮柝?fù)載設(shè)計(jì)的。

當(dāng)電子變壓器配合鹵素?zé)艋虬谉霟艄ぷ鲿r(shí),需要解決兩個(gè)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(dòng)器是由一個(gè)簡單的電壓整流器和后續(xù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成時(shí),輸入電流是輸入電壓每半個(gè)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(shí)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?yàn)榍把卣{(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(gè)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(shí),調(diào)光器要求阻性負(fù)載和一個(gè)最小負(fù)載電流。簡而言之,LED驅(qū)動(dòng)器將面臨與電子變壓器相同的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)方案更具競爭力。設(shè)計(jì)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(jí)的電解電容,在如此高的溫度下也很難支撐10,000小時(shí)以上的工作時(shí)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(dòng)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(gè)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(gè)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(chǔ)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(shí),驅(qū)動(dòng)器將自動(dòng)關(guān)閉,不會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)器。

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測試結(jié)果

該參考設(shè)計(jì)電路板在以下條件下進(jìn)行測試:

  • 電子變壓器:Lightech LET-60
  • 電子變壓器輸入電壓:120VAC、60Hz
  • 驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓:以40kHz信號(hào)調(diào)制的12VAC、60Hz
  • 輸出:4只串聯(lián)LED

測量結(jié)果(沒有調(diào)光):

  • LED功率:4.2W
  • 效率:77%
  • 輸入功率因數(shù):0.943

該設(shè)計(jì)方案可配合下表所示電子變壓器使用。

Input Voltage Maker Model
120VAC B+L Technologies FX95100
120VAC Eaglerise Electric & Electronic (Foshan) Co Ltd. B04558F1
120VAC Q Tran®, Inc. QT10-120/12-NTP-RC
120VAC Hatch RS1260M-LED
120VAC Hatch VS12-60WD
120VAC Hatch VS12-75WD
120VAC Hatch RS12-60PILB-LED
120VAC Hatch RS12-80m
120VAC Hatch RS12-15m
120VAC Hatch RS12-30m
120VAC Lightech LET-60
120VAC Lightech LVT-60
110VAC Nobile AFM-70KC
120VAC Progress Lighting® P8560-31
120VAC Wang House Technology WH-801E6A
120VAC Wang House Technology WH-601E2CA-2M
220VAC Hatch RS12-60-230m
220VAC Leadman Electronics® KY-05036S-12
220VAC Ly SHLY 021-66770066
220VAC Nobile EN-35M
230VAC Nobile EN-35ST
230VAC Nobile EN-60D2
80-270VAC NVC® Lighting Technology Corporation NLD-15W/12V
220VAC OSRAM® ECO-ET 60/220

此外,該方案還結(jié)合下列調(diào)光器/電子變壓器進(jìn)行了測試。

Input Voltage Dimmer Maker Dimmer Model Electronic Transformer
120V Lutron® Electronics Nova NELV-450 Hatch R12-60M-LED
B + L FX95100
120V Lutron Electronics Skylark SELV-300P B + L FX95100
120V Lutron Electronics Diva DVELV-300P Hatch R12-80M
B + L FX95100

測試方案也能夠配合下列調(diào)光器/磁變壓器工作。

Input Voltage Dimmer Maker Dimmer Model Magnetic Transformer
120V Lutron Electronics Nova NLV-600 Q Tran Qt10-120-12-NTP-PC10VA
Eaglerise B04558F1 40VA
Schneider Electric® 150VA150SV43A (Square D)
120V Lutron Electronics Diva DLV-600P Q Tran Qt10-120-12-NTP-PC10VA
Eaglerise B04558F1 40VA
120V Lutron Electronics Skylark SLV-600P Q Tran Qt10-120-12-NTP-PC10VA
120V Lutron Electronics Maestro MALV-600 Q Tran Qt10-120-12-NTP-PC10VA
Schneider Electric 150VA150SV43A (Square

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