電子發燒友App
本應用筆記討論了MR16及類似換代燈的LED驅動方案，電路采用12VAC輸入驅動LED。該方案可配合磁變壓器和電子變壓器工作，具有調光功能。電路中無需使用電解電容，有助于延長LED燈的工作壽命。文中給出了測試裝置及結果。
圖1. 參考設計原理圖
電子變壓器是針對鹵素燈(而非LED燈)負載設計的，為了配合變壓器正常工作，要求在整個交流電周期內保持一個最小負載電流。如果負載電流下降到該電流以下，或者出現大的負載電流瞬變導致其低于最小負載電流，變壓器將在交流電周期內關斷，從而造成燈的閃爍。使用鹵素燈時，由于負載表現為純電阻，而且功率超過20W，任何時候都有足夠的負載電流，不會出現閃爍問題。此外，電子變壓器是專門針對鹵素燈等電阻負載設計的。
當電子變壓器配合鹵素燈或白熾燈工作時，需要解決兩個問題。
后沿調光器通過在交流電的每半個周期切斷最后部分來降低燈的亮度。
有些基礎架構中仍然使用磁變壓器，而非電子變壓器。類似于電子變壓器，磁變壓器同樣要求阻性負載和最小負載電流。系統中使用調光器(通常采用前沿調光配合磁變壓器工作)時，調光器要求阻性負載和一個最小負載電流。簡而言之，LED驅動器將面臨與電子變壓器相同的設計挑戰。
本文介紹的方案采用有源功率因數修正(PFC)架構控制輸入電流并對其進行整形，以便配合電子變壓器和調光器工作。有源PFC提供最佳的輸入電流控制，使輸入電流在交流電的絕大部分周期內保持在調光器和變壓器要求的最小值以上，從而避免電流的瞬態跳變。有源PFC也是設計調光燈的最佳方案，可以避免閃爍。
有源PFC不需要在輸入端使用大電容(例如，電解電容)，從而使該設計方案更具競爭力。設計中的輸入電容(C2)容值很小，允許使用陶瓷電容。方案中由于避免了電解電容的使用，可有效延長LED燈的使用壽命。
LED燈需要通過散熱耗散絕大部分功率，而MR16 LED燈的尺寸非常小，所能提供的散熱空間也非常有限，這就使得這些燈管通常工作在+80°C至+100°C高溫環境下。即使采用最高級的電解電容，在如此高的溫度下也很難支撐10,000小時以上的工作時間，由此制約了LED燈的使用壽命。
方案中的有源PFC將輸入電流整形為方波，如圖2所示。
圖2. LED驅動器的輸入電流
輸入電流整形成方波是最好的控制方案：能夠在整個交流電周期內將其數值(變壓器和調光器負載電流)保持在所要求的最小值以上。
控制電路由R8 (檢流電阻)、R7和C9構成，R7和C9提供平均MOSFET電流，與平均輸入電流相同；MAX16834能夠在交流輸入的每個周期內保持該電流恒定。
由于該方案不帶電解電容，LED電流為整流后的正弦波(沒有調光)或者是被部分切角的整流正弦波(帶有調光)，交流電壓周期之間沒有儲存能量(圖3)。
圖3. LED電流為整流后的正弦波，頻率是交流電的兩倍。
MAX16834的輸出端具有過壓保護(OVP)。借助OVP電路，當LED出現開路或斷開時，驅動器將自動關閉，不會損壞驅動器。
此外，該方案還結合下列調光器/電子變壓器進行了測試。
測試方案也能夠配合下列調光器/磁變壓器工作。
引言
該應用筆記介紹的LED驅動方案用于12VAC輸入的MR16及類似的換代燈。該方案可配合磁變壓器和電子變壓器工作，支持磁變壓器的前沿調光和電子變壓器的后沿調光。電路中無需使用電解電容，從而有效延長了LED燈的工作壽命，因為電解電容是制約這類系統使用壽命的關鍵因素。方案規格
- 輸入電壓：12VAC
- 輸出LED功率：5W
- 輸出串聯的LED個數：3至4個
電路板端子(圖1)
- 輸入：VIN1、VIN2，輸入交流電源
- 輸出：LED+、LED-，輸出分別連接LED陽極和陰極
圖1. 參考設計原理圖
電子變壓器及調光的兼容性問題
電子變壓器是傳統磁變壓器的替代產品，具有更低成本、更小尺寸，而且更加輕便，能夠將120VAC/230VAC電源電壓轉換成12VAC，用于MR16燈供電。電子變壓器對頻率為35kHz至40kHz的輸入交流電壓進行調制，然后將信號送入高頻變壓器，把120VAC/230VAC轉換成12VAC。由于采用了高頻調制技術，允許使用尺寸小而且輕便的變壓器，成本也降低了許多。利用自激電路實現35kHz至40kHz調制，驅動雙極型晶體管的基極，晶體管功能如同半橋開關。電子變壓器是針對鹵素燈(而非LED燈)負載設計的，為了配合變壓器正常工作，要求在整個交流電周期內保持一個最小負載電流。如果負載電流下降到該電流以下，或者出現大的負載電流瞬變導致其低于最小負載電流，變壓器將在交流電周期內關斷，從而造成燈的閃爍。使用鹵素燈時，由于負載表現為純電阻，而且功率超過20W，任何時候都有足夠的負載電流，不會出現閃爍問題。此外，電子變壓器是專門針對鹵素燈等電阻負載設計的。
當電子變壓器配合鹵素燈或白熾燈工作時，需要解決兩個問題。
- 通常情況下，LED燈并非純電阻負載。特別是當驅動器是由一個簡單的電壓整流器和后續的DC-DC轉換器構成時，輸入電流是輸入電壓每半個周期的短脈沖電流，這不利于變壓器工作。
- LED燈的效率高于鹵素燈，這當然是件好事。但另一方面，由于LED燈的負載電流很小，在與電子變壓器配合工作時存在兼容性問題。
后沿調光器通過在交流電的每半個周期切斷最后部分來降低燈的亮度。
有些基礎架構中仍然使用磁變壓器，而非電子變壓器。類似于電子變壓器，磁變壓器同樣要求阻性負載和最小負載電流。系統中使用調光器(通常采用前沿調光配合磁變壓器工作)時，調光器要求阻性負載和一個最小負載電流。簡而言之，LED驅動器將面臨與電子變壓器相同的設計挑戰。
電路說明
電路采用buck-boost轉換器，外部元件包括：電感L1、開關MOSFET Q1、功率二極管D6。工作在固定頻率、連續導通模式。本文介紹的方案采用有源功率因數修正(PFC)架構控制輸入電流并對其進行整形，以便配合電子變壓器和調光器工作。有源PFC提供最佳的輸入電流控制，使輸入電流在交流電的絕大部分周期內保持在調光器和變壓器要求的最小值以上，從而避免電流的瞬態跳變。有源PFC也是設計調光燈的最佳方案，可以避免閃爍。
有源PFC不需要在輸入端使用大電容(例如，電解電容)，從而使該設計方案更具競爭力。設計中的輸入電容(C2)容值很小，允許使用陶瓷電容。方案中由于避免了電解電容的使用，可有效延長LED燈的使用壽命。
LED燈需要通過散熱耗散絕大部分功率，而MR16 LED燈的尺寸非常小，所能提供的散熱空間也非常有限，這就使得這些燈管通常工作在+80°C至+100°C高溫環境下。即使采用最高級的電解電容，在如此高的溫度下也很難支撐10,000小時以上的工作時間，由此制約了LED燈的使用壽命。
方案中的有源PFC將輸入電流整形為方波，如圖2所示。
圖2. LED驅動器的輸入電流
輸入電流整形成方波是最好的控制方案：能夠在整個交流電周期內將其數值(變壓器和調光器負載電流)保持在所要求的最小值以上。
控制電路由R8 (檢流電阻)、R7和C9構成，R7和C9提供平均MOSFET電流，與平均輸入電流相同；MAX16834能夠在交流輸入的每個周期內保持該電流恒定。
由于該方案不帶電解電容，LED電流為整流后的正弦波(沒有調光)或者是被部分切角的整流正弦波(帶有調光)，交流電壓周期之間沒有儲存能量(圖3)。
圖3. LED電流為整流后的正弦波，頻率是交流電的兩倍。
MAX16834的輸出端具有過壓保護(OVP)。借助OVP電路，當LED出現開路或斷開時，驅動器將自動關閉，不會損壞驅動器。
測試結果
該參考設計電路板在以下條件下進行測試： 測量結果(沒有調光)：- LED功率：4.2W
- 效率：77%
- 輸入功率因數：0.943
| Input Voltage | Maker | Model |
| 120VAC | B+L Technologies | FX95100 |
| 120VAC | Eaglerise Electric & Electronic (Foshan) Co Ltd. | B04558F1 |
| 120VAC | Q Tran?, Inc. | QT10-120/12-NTP-RC |
| 120VAC | Hatch | RS1260M-LED |
| 120VAC | Hatch | VS12-60WD |
| 120VAC | Hatch | VS12-75WD |
| 120VAC | Hatch | RS12-60PILB-LED |
| 120VAC | Hatch | RS12-80m |
| 120VAC | Hatch | RS12-15m |
| 120VAC | Hatch | RS12-30m |
| 120VAC | Lightech | LET-60 |
| 120VAC | Lightech | LVT-60 |
| 110VAC | Nobile | AFM-70KC |
| 120VAC | Progress Lighting? | P8560-31 |
| 120VAC | Wang House Technology | WH-801E6A |
| 120VAC | Wang House Technology | WH-601E2CA-2M |
| 220VAC | Hatch | RS12-60-230m |
| 220VAC | Leadman Electronics? | KY-05036S-12 |
| 220VAC | Ly SHLY | 021-66770066 |
| 220VAC | Nobile | EN-35M |
| 230VAC | Nobile | EN-35ST |
| 230VAC | Nobile | EN-60D2 |
| 80-270VAC | NVC? Lighting Technology Corporation | NLD-15W/12V |
| 220VAC | OSRAM? | ECO-ET 60/220 |
此外，該方案還結合下列調光器/電子變壓器進行了測試。
| Input Voltage | Dimmer Maker | Dimmer Model | Electronic Transformer |
| 120V | Lutron? Electronics | Nova NELV-450 | Hatch R12-60M-LED |
| B + L FX95100 | |||
| 120V | Lutron Electronics | Skylark SELV-300P | B + L FX95100 |
| 120V | Lutron Electronics | Diva DVELV-300P | Hatch R12-80M |
| B + L FX95100 |
測試方案也能夠配合下列調光器/磁變壓器工作。
| Input Voltage | Dimmer Maker | Dimmer Model | Magnetic Transformer |
| 120V | Lutron Electronics | Nova NLV-600 | Q Tran Qt10-120-12-NTP-PC10VA |
| Eaglerise B04558F1 40VA | |||
| Schneider Electric? 150VA150SV43A (Square D) | |||
| 120V | Lutron Electronics | Diva DLV-600P | Q Tran Qt10-120-12-NTP-PC10VA |
| Eaglerise B04558F1 40VA | |||
| 120V | Lutron Electronics | Skylark SLV-600P | Q Tran Qt10-120-12-NTP-PC10VA |
| 120V | Lutron Electronics | Maestro MALV-600 | Q Tran Qt10-120-12-NTP-PC10VA |
| Schneider Electric 150VA150SV43A (Square D) |
測試過程
- 關閉120VAC/230VAC電源。
- 將后沿調光器(需要調光時)的輸入連接到電源。
- 調光器輸出連接到電子變壓器輸入；沒有調光時，將變壓器輸入連接到電源。
- 調光器輸出連接到電路板的VIN1和VIN2輸入。
- 將LED連接到LED+ (陽極)和LED- (陰極)之間。
- 打開電源。
Leadman Electronics是Leadman Electronics International Inc.的注冊商標。
Lutron是Lutron Electronics Co., Inc.的注冊商標。
NVC是惠州雷士光電科技有限公司的注冊商標。
OSRAM是德國Osram Gesellschaft mit beschr?nkter Haftung GMBH Fed Rep的注冊商標。
Progress Lighting是Progress Lighting, Inc.的注冊商標。
Q Tran是Q Tran, Incorporated的注冊商標。
Schneider Electric是法國Schneider SA Corporation的注冊商標。
工商網監
評論