【導讀】隨著能源問題的重要性日益提高，傳統(tǒng)照明逐漸被節(jié)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(jù)市場主導地位。傳統(tǒng)燈具中，尤以MR16鹵素燈被廣泛應用于聚光燈及洗墻燈等領域，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(diào)光器和變壓器配合使用，這給LED驅(qū)動電源帶來難題。本文中主要分析了LED取代MR16驅(qū)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(qū)動電源的設計挑戰(zhàn)
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(jié)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飽和時實現(xiàn)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(jié)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。而且無論是前切調(diào)光器，還是后切調(diào)光器都需要一定的負載電流來實現(xiàn)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2：配合電子變壓器和前切調(diào)光器的MR16工作波形：（藍）高壓側(cè)輸入電壓波形；（綠）高壓側(cè)輸入電流波形；（黃）負載電流波形。
一個典型的可調(diào)光MR16系統(tǒng)如圖3所示。市電經(jīng)過一個電子或磁變壓器轉(zhuǎn)換為低壓12V交流輸入，為鹵素燈或者LED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3：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)的鹵素燈是純阻型負載，并且功率都在20W以上。當前切調(diào)光器導通時，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通。鹵素燈與前切調(diào)光器和磁變壓器配合工作時的波形如圖4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)容性負載特性。當調(diào)光器導通瞬間，由容性負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通，造成LED燈閃爍。
圖4：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）高壓側(cè)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(nèi)部空間也對驅(qū)動的設計提出了考驗。圖5是一個常見的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
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MR16驅(qū)動電源常見拓撲的分析與比較
對于調(diào)光MR16驅(qū)動電源的要求主要可以歸納為幾個方面：
(1)調(diào)光兼容性---與調(diào)光器和變壓器連接時工作穩(wěn)定無閃爍；
(2)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；
(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，需要和體積進行折中，通常要求峰-峰值≤30%；
(5)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；
基于以上要求，對MR16應用中常見的拓撲進行了比較，結(jié)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(jié)構
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所示的拓撲中，只有Boost+Buck的兩級結(jié)構具有這樣的特性。但是兩個開關電源的組合使得元器件的數(shù)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(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
這個驅(qū)動方案的輸入級采用Boost型升壓結(jié)構，輸入電流連續(xù)并受控，并配合受控的假負載，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)構在性能和系統(tǒng)成本上依然具有較大優(yōu)勢。
