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T1可ke以yi周zhou期qi性xing飽bao和he。而er且qie無wu論lun是shi前qian切qie調tiao光guang器qi,還hai是shi後hou切qie調tiao光guang器qi都dou需xu要yao一yi定ding的de負fu載zai電dian流liu來lai實shi現xian可ke控kong矽gui的de可ke靠kao導dao通tong或huo者zhe輸shu入ru電dian壓ya複fu位wei。與yu鹵lu素su燈deng相xiang比bi,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20Wyishang。dangqianqietiaoguangqidaotongshi,keyiyouxiaobimianshurudianliudeguochonghezhendang。erjiaodadeshurugonglvyouzhuyutiaoguangqizhongdekekongguiweichikekaodaotong。lusudengyuqianqietiaoguangqihecibianyaqipeihegongzuoshideboxingrutu4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chengLED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MR16dengtoudeneibuchicun。yufeitiaoguangqudongxiangbi,tiaoguangqudongdianyuanhuizengjiayibufenwaiweixianlulaigaishanyutiaoguangqijibianyaqidejianrongxing。eryouxiandekongjianyijikehuduiyuchengbendeyaoqiushidequdongfanganxuyaojuyoujinkenengshaodeyuanqijianshulianghexiaodetiji。

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LED的de溫wen度du和he光guang通tong量liang,而er低di頻pin紋wen波bo會hui影ying響xiang人ren眼yan的de舒shu適shi度du,但dan較jiao小xiao的de輸shu出chu電dian流liu紋wen波bo需xu要yao較jiao大da的de輸shu出chu電dian感gan和he電dian容rong,需xu要yao和he體ti積ji進jin行xing折zhe中zhong,通tong常chang要yao求qiu峰feng-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(biao)1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zaiLED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Boost型(xing)升(sheng)壓(ya)結(jie)構(gou),輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)連(lian)續(xu)並(bing)受(shou)控(kong),並(bing)配(pei)合(he)受(shou)控(kong)的(de)假(jia)負(fu)載(zai),以(yi)改(gai)善(shan)與(yu)調(tiao)光(guang)器(qi)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)兼(jian)容(rong)性(xing)。輸(shu)出(chu)級(ji)采(cai)用(yong)線(xian)性(xing)電(dian)流(liu)源(yuan)的(de)方(fang)式(shi),輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)紋(wen)波(bo)被(bei)大(da)大(da)降(jiang)低(di)。與(yu)Boost+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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