MR16及换代灯的LED驱动方案

中心议题：
        *用于12VAC输入的MR16及类似的换代灯

引言

该应用笔记介绍的LED驱动方案用于12VAC输入的MR16及类似的换代灯。该方案可配合磁变压器和电子变压器工作，支持磁变压器的前沿调光和电子变压器的后沿调光。电路中无需使用电解电容，从而有效延长了LED灯的工作寿命，因为电解电容是制约这类系统使用寿命的关键因素。

方案规格

•输入电压：12VAC
•输出LED功率：5W
•输出串联的LED个数：3至4个
电路板端子(图1)
•输入：VIN1、VIN2，输入交流电源
•输出：LED+、LED-，输出分别连接LED阳极和阴极

图1. 参考设计原理图

电子变压器及调光的兼容性问题

电子变压器是传统磁变压器的替代产品，具有更低成本、更小尺寸，而且更加轻便，能够将120VAC/230VAC电源电压转换成12VAC，用于MR16灯供电。电子变压器对频率为35kHz至40kHz的输入交流电压进行调制，然后将信号送入高频变压器，把120VAC/230VAC转换成12VAC。由于采用了高频调制技术，允许使用尺寸小而且轻便的变压器，成本也降低了许多。利用自激电路实现35kHz至40kHz调制，驱动双极型晶体管的基极，晶体管功能如同半桥开关。

电子变压器是针对卤素灯(而非LED灯)负载设计的，为了配合变压器正常工作，要求在整个交流电周期内保持一个最小负载电流。如果负载电流下降到该电流以下，或者出现大的负载电流瞬变导致其低于最小负载电流，变压器将在交流电周期内关断，从而造成灯的闪烁。使用卤素灯时，由于负载表现为纯电阻，而且功率超过20W，任何时候都有足够的负载电流，不会出现闪烁问题。此外，电子变压器是专门针对卤素灯等电阻负载设计的。

当电子变压器配合LED灯工作时，需要解决两个问题。

•通常情况下，LED灯并非纯电阻负载。特别是当驱动器是由一个简单的电压整流器和后续的DC-DC转换器构成时，输入电流是输入电压每半个周期的短脉冲电流，这不利于变压器工作。

•LED灯的效率高于卤素灯，这当然是件好事。但另一方面，由于LED灯的负载电流很小，在与电子变压器配合工作时存在兼容性问题。

除了电子变压器，系统中的切角调光器可能放置在变压器的前端。典型应用中大多采用后沿切角调光器，因为前沿调光器(例如，三端双向可控硅开关)调光器不能正确地配合电子变压器工作。

后沿调光器通过在交流电的每半个周期切断最后部分来降低灯的亮度。

有些基础架构中仍然使用磁变压器，而非电子变压器。类似于电子变压器，磁变压器同样要求阻性负载和最小负载电流。系统中使用调光器(通常采用前沿调光配合磁变压器工作)时，调光器要求阻性负载和一个最小负载电流。简而言之，LED驱动器将面临与电子变压器相同的设计挑战。
 

电路说明

电路采用buck-boost转换器，外部元件包括：电感L1、开关MOSFET Q1、功率二极管D6。工作在固定频率、连续导通模式。

本文介绍的方案采用有源功率因数修正(PFC)架构控制输入电流并对其进行整形，以便配合电子变压器和调光器工作。有源PFC提供最佳的输入电流控制，使输入电流在交流电的绝大部分周期内保持在调光器和变压器要求的最小值以上，从而避免电流的瞬态跳变。有源PFC也是设计调光灯的最佳方案，可以避免闪烁。

有源PFC不需要在输入端使用大电容(例如，电解电容)，从而使该设计方案更具竞争力。设计中的输入电容(C2)容值很小，允许使用陶瓷电容。方案中由于避免了电解电容的使用，可有效延长LED灯的使用寿命。

LED灯需要通过散热耗散绝大部分功率，而MR16 LED灯的尺寸非常小，所能提供的散热空间也非常有限，这就使得这些灯管通常工作在+80°C至+100°C高温环境下。即使采用最高级的电解电容，在如此高的温度下也很难支撑10,000小时以上的工作时间，由此制约了LED灯的使用寿命。

方案中的有源PFC将输入电流整形为方波，如图2所示。

图2. LED驱动器的输入电流

输入电流整形成方波是最好的控制方案：能够在整个交流电周期内将其数值(变压器和调光器负载电流)保持在所要求的最小值以上。

控制电路由R8 (检流电阻)、R7和C9构成，R7和C9提供平均MOSFET电流，与平均输入电流相同；MAX16834能够在交流输入的每个周期内保持该电流恒定。

由于该方案不带电解电容，LED电流为整流后的正弦波(没有调光)或者是被部分切角的整流正弦波(带有调光)，交流电压周期之间没有储存能量(图3)。

图3. LED电流为整流后的正弦波，频率是交流电的两倍

MAX16834的输出端具有过压保护(OVP)。借助OVP电路，当LED出现开路或断开时，驱动器将自动关闭，不会损坏驱动器。
 

测试结果

该参考设计电路板在以下条件下进行测试：

•电子变压器：Lightech LET-60
•电子变压器输入电压：120VAC、60Hz
•驱动电路输入电压：以40kHz信号调制的12VAC、60Hz
•输出：4只串联LED

测量结果(没有调光)：

•LED功率：4.2W
•效率：77%
•输入功率因数：0.943

该设计方案可配合下表所示电子变压器使用。
 

此外，该方案还结合下列调光器/电子变压器进行了测试。
 

测试方案也能够配合下列调光器/磁变压器工作。
 

测试过程

•关闭120VAC/230VAC电源。
•将后沿调光器(需要调光时)的输入连接到电源。
•调光器输出连接到电子变压器输入；没有调光时，将变压器输入连接到电源。
•调光器输出连接到电路板的VIN1和VIN2输入。
•将LED连接到LED+ (阳极)和LED- (阴极)之间。
•打开电源。