如何應(yīng)對LED調(diào)光驅(qū)動的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　隨著世界各國對于能源問題的日益重視，使用綠色環(huán)保節(jié)能的LED芯片替代傳統(tǒng)光源已經(jīng)成為通用照明市場一個(gè)顯著的發(fā)展趨勢。就目前而言，最具有市場滲透力和商業(yè)前景的LED照明燈具是不需要更改現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施就能直接使用的LED替代燈。在眾多傳統(tǒng)燈具中，MR16鹵素?zé)魬{借其在商場、家居、醫(yī)院等地的聚光燈和洗墻燈上的廣泛應(yīng)用，成為了LED替代燈重點(diǎn)發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域之一。然而，MR16的小尺寸以及需要與變壓器和調(diào)光器配合使用的特點(diǎn)又給LED驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)性。本文主要討論LED替代MR16的驅(qū)動電源設(shè)計(jì)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)，對適用的拓?fù)溥M(jìn)行分析和比較。在此基礎(chǔ)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(qū)動電源的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　一個(gè)典型的可調(diào)光MR16系統(tǒng)如圖1所示。市電經(jīng)過一個(gè)電子或磁變壓器轉(zhuǎn)換為低壓12V交流輸入，為鹵素?zé)艋蛘週ED驅(qū)動電源供電。位于市電和變壓器之間的調(diào)光器通過控制市電的導(dǎo)通相位從而改變交流輸入的有效值，起到調(diào)節(jié)光輸出強(qiáng)度的作用。通常電子變壓器主要搭配前/后切調(diào)光器，而磁變壓器主要和前切調(diào)光器配合使用。

　　圖1:調(diào)光MR16燈系統(tǒng)示意圖。

　　磁變壓器是通過工頻耦合的方式，利用不同的匝數(shù)比，將高壓市電輸入轉(zhuǎn)換為低壓交流輸入給MR16燈供電。傳統(tǒng)的鹵素?zé)羰羌冏栊拓?fù)載，并且功率都在20W以上。當(dāng)前切調(diào)光器導(dǎo)通時(shí)，可以有效避免輸入電流的過沖和振蕩。而較大的輸入功率有助于調(diào)光器中的可控硅維持可靠導(dǎo)通。鹵素?zé)襞c前切調(diào)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(qū)動電源通常呈現(xiàn)容性負(fù)載特性。當(dāng)調(diào)光器導(dǎo)通瞬間，由容性負(fù)載引起的電流過沖很容易造成調(diào)光器和驅(qū)動電源的損壞。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(dǎo)通，造成LED燈閃爍。

　　圖2:配合磁變壓器和前切調(diào)光器的MR16工作波形：(綠)高壓側(cè)輸入電壓波形;(藍(lán))高壓側(cè)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(yīng)用。典型的電子變壓器結(jié)構(gòu)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(dāng)負(fù)載電流使T1飽和時(shí)實(shí)現(xiàn)TR1和TR2的開關(guān)切換。電子變壓器在額定負(fù)載下的工作頻率在30kHz~50kHz之間，負(fù)載越輕，工作頻率越高。

　　圖3:電子變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

　　要使電子變壓器可以正常工作，負(fù)載電流必須足夠大，使T1可以周期性飽和。而且無論是前切調(diào)光器，還是后切調(diào)光器都需要一定的負(fù)載電流來實(shí)現(xiàn)可控硅的可靠導(dǎo)通或者輸入電壓復(fù)位。與鹵素?zé)粝啾龋琇ED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(diào)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(diào)光器的MR16工作波形：(藍(lán))高壓側(cè)輸入電壓波形;(綠)高壓側(cè)輸入電流波形;(黃)負(fù)載電流波形。

　　除了兼容性的問題之外，MR16燈的內(nèi)部空間也對驅(qū)動的設(shè)計(jì)提出了考驗(yàn)。圖5是一個(gè)常見的MR16燈頭的內(nèi)部尺寸。與非調(diào)光驅(qū)動相比，調(diào)光驅(qū)動電源會增加一部分外圍線路來改善與調(diào)光器及變壓器的兼容性。而有限的空間以及客戶對于成本的要求使得驅(qū)動方案需要具有盡可能少的元器件數(shù)量和小的體積。

　　圖5:MR16替代燈燈頭尺寸示意圖。

　　MR16驅(qū)動電源常見拓?fù)涞姆治雠c比較

　　對于調(diào)光MR16驅(qū)動電源的要求主要可以歸納為幾個(gè)方面：

　　●調(diào)光兼容性---與調(diào)光器和變壓器連接時(shí)工作穩(wěn)定無閃爍;

　　●效率---主要評估在12V AC輸入下的驅(qū)動效率，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---高頻紋波會影響LED的溫度和光通量，而低頻紋波會影響人眼的舒適度，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(shù)量---處于對成本和體積的考量，希望元件數(shù)量越少越好;[!--empirenews.page--]

　　基于以上要求，對MR16應(yīng)用中常見的拓?fù)溥M(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所述。

　　表1:MR16應(yīng)用拓?fù)涞谋容^

　　改進(jìn)的兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　從前面的討論可知，連續(xù)的輸入電流可以改善驅(qū)動電源與調(diào)光器和變壓器的兼容性，而連續(xù)的輸出電流可以減小輸出濾波器的體積。在表1所示的拓?fù)渲校挥蠦oost+Buck的兩級結(jié)構(gòu)具有這樣的特性。但是兩個(gè)開關(guān)電源的組合使得元器件的數(shù)量較多，成本較高，而且整機(jī)的效率也有所降低。另外，出于系統(tǒng)成本和整燈光效的角度考慮，越來越多的燈具制造商傾向于在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(qū)動電源的負(fù)載由低壓大電流向高壓小電流轉(zhuǎn)變。綜上所述，提出可以同時(shí)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(qū)動結(jié)構(gòu)。

　　Output: 輸出;Current control: 電流控制;Dummy load control: 假負(fù)載控制。

　　這個(gè)驅(qū)動方案的輸入級采用Boost型升壓結(jié)構(gòu)，輸入電流連續(xù)并受控，并配合受控的假負(fù)載，以改善與調(diào)光器和變壓器的兼容性。輸出級采用線性電流源的方式，輸出電流紋波被大大降低。與Boost+Buck的兩級結(jié)構(gòu)相比，輸出級的電感和電容被省去，從而有效控制驅(qū)動的體積和成本。雖然受線性電流源的限制，LED電壓的范圍變窄，但考慮到LED的選擇向高壓小電流轉(zhuǎn)變的趨勢，該結(jié)構(gòu)在性能和系統(tǒng)成本上依然具有較大優(yōu)勢。

　　SSL3401是恩智浦半導(dǎo)體公司基于這種改進(jìn)型的兩級式拓?fù)渥钚峦瞥龅臄?shù)字控制芯片。圖7為它的應(yīng)用框圖。得益于內(nèi)部集成的MCU內(nèi)核，所有的控制都可以通過算法來實(shí)現(xiàn)，大大簡化了外圍控制線路。通過檢測是否連接調(diào)光器，該芯片可以提供不同的輸入電流和Boost輸出電壓控制方式，優(yōu)化了調(diào)光兼容性和驅(qū)動電源的效率。此外，短路保護(hù)，開路保護(hù)和過溫保護(hù)等必要的保護(hù)功能也都集成在芯片中。

　　圖7:SSL3401應(yīng)用框圖。

　　結(jié)論

　　本文結(jié)合MR16驅(qū)動設(shè)計(jì)中遇到的常見問題，在比較過幾種常見拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)后，提出了一種優(yōu)化過的，針對MR16替代燈的兩級式驅(qū)動電源解決方案。該方案可以較好的兼顧調(diào)光兼容性、體積和成本的要求。利用恩智浦半導(dǎo)體最新的數(shù)字控制芯片SSL3401 開發(fā)的MR16驅(qū)動電源參考設(shè)計(jì)驗(yàn)證了該方案的性能和優(yōu)越性。