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創新兩級式拓撲克服LED調光驅動設計挑戰

上網時間: 2014年10月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MR16  LED  SSL3401  驅動電源  固態照明 

作者:祁豐、李季明,恩智浦半導體電源和照明事業部應用工程師

隨著世界各國對於能源問題的日益重視,使用綠色環保節能的LED晶片替代傳統光源已經成為通用照明市場一個顯著的發展趨勢。就目前而言,最具有市場滲透力和商業前景的LED照明燈具是不需要更改現有基礎設施就能直接使用的LED替代燈。在眾多傳統燈具中,MR16鹵素燈憑藉著在商場、家庭、醫院等地的聚光燈和洗牆燈的廣泛應用,成為LED替代燈重點發展的應用領域之一。

然而,MR16的小尺寸及其必須與變壓器和調光器配合使用的特性也為LED驅動電源設計帶來了挑戰。本文主要討論LED替代MR16的驅動電源設計所面臨的技術難點,對適用的拓撲進行分析和比較。在此基礎上提出一種可同時兼顧相容性、體積和成本的兩級式方案。

MR16中LED驅動電源的設計挑戰

一個典型的可調光MR16系統如圖1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LED驅動電源供電。位於市電和變壓器之間的調光器透過控制市電的導通相位改變交流輸入的有效值,實現調節光輸出強度的作用。通常電子變壓器主要搭配前/後切調光器,而磁變壓器主要和前切調光器配合使用。

調光MR16燈系統示意圖。
圖1:調光MR16燈系統示意圖。

磁變壓器是透過工頻耦合的方式,利用不同的匝數比,將高壓市電輸入轉換為低壓交流輸入為MR16燈供電。傳統的鹵素燈是純阻型負載,並且功率都在20W以上。當前切調光器導通時,可以有效避免輸入電流的過衝和振盪。而較大的輸入功率有助於調光器中的可控矽維持可靠導通。鹵素燈與前切調光器和磁變壓器配合工作時的波形如圖2所示。由於整流橋和輸入電容的存在,LED驅動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衝很容易造成調光器和驅動電源的損壞。而輸入電壓的突然變化還易於引起迴路中電感和電容的振盪,使可控矽無法可靠導通,造成LED燈閃爍。

配合磁變壓器和前切調光器的MR16工作波形
圖2: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

電子變壓器與磁變壓器相比,具有體積小、效率高的優勢,因此得到了廣泛的應用。典型的電子變壓器結構如圖3所示。出於成本考慮,電子變壓器採用的是自激振盪式半橋變換器,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。

電子變壓器結構示意圖
圖3: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可以週期性飽和。而且無論是前切調光器或後切調光器,都需要一定的負載電流來實現交流矽控閘流體(TRIAC)的可靠導通或輸入電壓重設。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光器和電子變壓器間歇性作業,引起燈光的閃爍。

電子變壓器和前切調光器的MR16波形
圖4: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

除了相容性的問題之外,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MR16燈頭內部尺寸。與非調光驅動相比,調光驅動電源會增加一部份週邊線路來改善與調光器及變壓器的相容性。而有限的空間以及客戶對於成本的要求使得驅動方案需要具盡可能少的元件數量和小型體積。

MR16替代燈燈頭尺寸示意圖。
圖5:MR16替代燈燈頭尺寸示意圖

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面:

  .調光相容性:與調光器和變壓器連接時作業穩定無閃爍;

  .效率:主要評估在12V AC輸入時的驅動效率,目前的要求集中在75%~80%之間;

  .輸出電壓範圍: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,需要和體積進行折衷,通常要求峰-峰值≦30%;

  .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比較後結果如表1。

表1:MR16應用拓撲的比較
表1:MR16應用拓撲的比較

改良型兩級式拓撲結構

從前面的討論可知,連續的輸入電流可以改善驅動電源與調光器和變壓器的相容性,而連續的輸出電流則能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。但是兩個開關電源的組合使得元件的數量較多,成本較高,而且整機的效率也有所降低。此外,出於系統成本和整燈光效的角度考慮,越來越多的燈具製造商傾向於在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,提出可以同時兼顧相容性、體積和成本的兩級式方案,如圖6所示。

圖6:兩級式MR16驅動結構
圖6:兩級式MR16驅動結構

該驅動方案的輸入級採用Boost型升壓結構,輸入電流連續並受控,並配合受控的假負載,以改善與調光器和變壓器的相容性。輸出級採用線性電流源的方式,可大幅降低輸出電流紋波。與Boost+Buck的兩級結構相比,輸出級電感和電容被省略,從而有效控制驅動的體積和成本。雖然受線性電流源的限制,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,該結構在性能和系統成本上依然具有較大優勢。

SSL3401是恩智浦半導體基於這種改良型兩級式拓撲最新推出的數位控制晶片。圖7為其應用架構圖。得益於內部整合的MCU核心,所有的控制都可以透過演算法來實現,大幅簡化週邊控制線路。透過檢測是否連接調光器,該晶片可提供不同的輸入電流和Boost輸出電壓控制方式,最佳化調光相容性和驅動電源的效率。此外,短路保護、開路保護和過溫保護等必要的保護功能也都整合在晶片中。

SSL3401應用架構圖
圖7:SSL3401應用架構圖

結語

本文結合MR16驅動設計中遇到的常見問題,在比較過幾種常見拓撲的優缺點後,提出一種針對MR16替代燈最佳化的兩級式驅動電源解決方案,它更能夠兼顧對於調光相容性、體積和成本等要求。





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