【導讀】隨著(zhù)能源問(wèn)題的重要性日益提高，傳統照明逐漸被節能環(huán)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(chǎng)主導地位。傳統燈具中，尤以MR16鹵素燈被廣泛應用于聚光燈及洗墻燈等領(lǐng)域，由此也成為L(cháng)ED取代燈的關(guān)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(dòng)電源帶來(lái)難題。本文中主要分析了LED取代MR16驅動(dòng)電源設計過(guò)程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，將兩種使用拓撲進(jìn)行對比和分析提出了能夠兼容，且成本低，體積小的技術(shù)方案。
MR16中LED驅動(dòng)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(yōu)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，當負載電流使T1飽和時(shí)實(shí)現TR1和TR2的開(kāi)關(guān)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可以周期性飽和。而且無(wú)論是前切調光器，還是后切調光器都需要一定的負載電流來(lái)實(shí)現可控硅的可靠導通或者輸入電壓復位。與鹵素燈相比，LED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(gè)典型的可調光MR16系統如圖3所示。市電經(jīng)過(guò)一個(gè)電子或磁變壓器轉換為低壓12V交流輸入，為鹵素燈或者LED驅動(dòng)電源供電。位于市電和變壓器之間的調光器通過(guò)控制市電的導通相位從而改變交流輸入的有效值，起到調節光輸出強度的作用。通常電子變壓器主要搭配前/后切調光器，而磁變壓器主要和前切調光器配合使用。
圖3：調光MR16燈系統示意圖
磁變壓器是通過(guò)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，并且功率都在20W以上。當前切調光器導通時(shí)，可以有效避免輸入電流的過(guò)沖和振蕩。而較大的輸入功率有助于調光器中的可控硅維持可靠導通。鹵素燈與前切調光器和磁變壓器配合工作時(shí)的波形如圖4所示。由于整流橋和輸入電容的存在，LED驅動(dòng)電源通常呈現容性負載特性。當調光器導通瞬間，由容性負載引起的電流過(guò)沖很容易造成調光器和驅動(dòng)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通，造成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(wèn)題之外，MR16燈的內部空間也對驅動(dòng)的設計提出了考驗。圖5是一個(gè)常見(jiàn)的MR16燈頭的內部尺寸。與非調光驅動(dòng)相比，調光驅動(dòng)電源會(huì )增加一部分外圍線(xiàn)路來(lái)改善與調光器及變壓器的兼容性。而有限的空間以及客戶(hù)對于成本的要求使得驅動(dòng)方案需要具有盡可能少的元器件數量和小的體積。
圖5：MR16替代燈燈頭尺寸示意圖
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MR16驅動(dòng)電源常見(jiàn)拓撲的分析與比較
對于調光MR16驅動(dòng)電源的要求主要可以歸納為幾個(gè)方面：
(1)調光兼容性---與調光器和變壓器連接時(shí)工作穩定無(wú)閃爍；
(2)效率---主要評估在12V AC輸入下的驅動(dòng)效率，目前的要求集中在75%~80%之間；
(3)輸出電壓范圍---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(huì )影響LED的溫度和光通量，而低頻紋波會(huì )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%；
(5)元件數量---處于對成本和體積的考量，希望元件數量越少越好；
基于以上要求，對MR16應用中常見(jiàn)的拓撲進(jìn)行了比較，結果如表1所述。
表1：MR16應用拓撲的比較改進(jìn)的兩級式拓撲結構
從前面的討論可知，連續的輸入電流可以改善驅動(dòng)電源與調光器和變壓器的兼容性，而連續的輸出電流可以減小輸出濾波器的體積。在表1所示的拓撲中，只有Boost+Buck的兩級結構具有這樣的特性。但是兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源的組合使得元器件的數量較多，成本較高，而且整機的效率也有所降低。另外，出于系統成本和整燈光效的角度考慮，越來(lái)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(lái)替代大功率LED，即驅動(dòng)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(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驅動(dòng)結構
這個(gè)驅動(dòng)方案的輸入級采用Boost型升壓結構，輸入電流連續并受控，并配合受控的假負載，以改善與調光器和變壓器的兼容性。輸出級采用線(xiàn)性電流源的方式，輸出電流紋波被大大降低。與Boost+Buck的兩級結構相比，輸出級的電感和電容被省去，從而有效控制驅動(dòng)的體積和成本。雖然受線(xiàn)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變的趨勢，該結構在性能和系統成本上依然具有較大優(yōu)勢。
