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优化MR16 LED灯泡设计,实现变压器和调光器的最佳兼容性
材料来源:Dialog公司           录入时间:2015/9/9 10:36:16

优化MR16 LED灯泡设计,实现变压器和调光器的最佳兼容性

作者:Hubie Notohamiprodjo,Dialog半导体公司固态照明产品市场总监

固态照明设计即使对于最优秀的电气设计工程师来说也是一个挑战,特别是设计低压MR16卤素灯的替代产品——这时要求LED灯源在现有变压器和调光器下工作。由于LED替代灯泡的功率极低,MR16照明具有独特的电子变压器(ET)兼容性问题。用于MR16的电子变压器需要满足最小电流要求才能正常工作。MR16卤素灯的功率可以达到该要求。而LED替代灯泡的功耗降低了80%以上,如果设计不当,会由于功率太低造成电子变压器完全停止工作,加上LED照明常见的调光器兼容性问题(如闪烁和微光),使MR16灯泡设计更加复杂,使其成为最难开发的LED照明类型之一。

低压MR16 LED替代灯泡需要智能的解决方案来优化与现有变压器和调光器的兼容性,同时提供优秀的LED光源的视觉体验、性能和使用寿命。本文讨论了解决这些问题的设计方法和权衡。

嵌入式(Recessed down)灯一直是最受欢迎的家用照明形式之一,这不仅是因为它有很好的装饰性,还因为卤素灯泡的光输出效率高于传统白炽灯泡。MR16灯泡的光效率是传统灯光泡的2-3倍,并采用低成本电子变压器,是一种高效且极具吸引力的室内照明解决方案。现在,凭借效率更高的LED照明优势,降低功耗达80%以上的MR16 LED光源会取代已安装的现有卤素灯泡。但已安装的电子变压器不会与卤素灯泡一起被替换,LED替代灯泡需要在这些已有的电子变压器上运行。

电子变压器的基本原理包括一个传统全桥整流器、一个自振荡斩波电路和一个输出电源变压器。自振荡电路的工作频率高于线路频率,通常在20kHz和300kHz之间,这允许在变压器的输出级上采用较小的磁芯,并使电子变压器的总成本低于磁性变压器。电子变压器影响LED照明的主要部分是其自振荡中间级。

图1显示了典型电子变压器的原理图。其电路由三个主要部分组成:带有小变压器的自振荡半桥电路——用于驱动功率晶体管的基极;启动级——用于启动进入自振荡模式;以及主电源变压器级。半桥电路的充电/放电由与主电源变压器串联的小变压器驱动。当流经变压器的电流不够大时,就没有足够的能量来快速开关功率器件并维持稳定的振荡,输出级可能表现出不稳定的开关状态或完全不工作。卤素灯泡可以和电子变压器一起很好地工作,因为它们的最小负荷为35W,所以能够提供足够的负荷来使任何电子变压器正常工作。而用于取代50W卤素灯泡的LED灯泡的平均负荷为8W,替代35W卤素灯泡的通常仅为4W。由于无法满足电子变压器的最小负荷要求,当在现有安装条件下使用LED灯泡时,会产生严重的兼容性问题。即使用一个变压器为多个灯泡供电,兼容性仍然是个问题,会导致由于电子变压器在轻负载条件下的不稳定工作而产生微闪。

图1. 电子变压器的简化原理图

 为了使基于LED的MR16灯泡兼容已安装的电子变压器,控制器需要在满输出功率以及调光时使电子变压器保持正确振荡。调光兼容性要求增加了LED驱动器电路的复杂性,就是因为LED灯泡的电流小,保持变压器振荡的能量有限。

低压电子变压器常常与前切或者后切调光器结合使用,这与传统调光器与磁性变压器结合使用一样。LED驱动器需要测量和理解该波形,并按相位相应地减小输出电流。当调光器输出相位较小时,LED驱动器还需要对电子变压器进行功率补偿,以确保稳定工作。一种简单办法是使用需要大量连续电流的泄放电路。但温度设计限制不允许这种方法,更不用说对效率的影响了。MR16卤素灯泡在热环境中的应用很成功,热限制不是问题,但LED在过高温度下工作会缩短使用寿命。如果泄放电路消耗恒定的电流,持续发热并使LED灯泡内部温度升高,会对LED以及构成LED驱动器电路的无源器件造成寿命大幅缩短的问题。

Dialog半导体公司的iW3662 LED驱动控制器使MR16灯泡能够提供5% - 100%的极宽调光范围。iW3662集成了一个可配置为单级或双级工作的控制器。前级是升压级,次级可配置为开关型的降压级,或者配置为线性稳流器来控制流向LED的电流。这使得控制器可以驱动高压LED芯片(COB)(采用升压-线性模式)或低压LED芯片(采用升压-降压模式)。该器件的用于管理输入和输出电流的数字控制算法,可确保其能够根据检测到的调光相角来调节LED电流,从输入获得足够的电流来保持电子变压器的正常工作,以及监测温度,防止过热故障,同时保持良好的效率。

图2显示了使用iW3662为高压COB芯片LED供电的典型应用原理图。升压输入级提供功率转换,次级配置成为线性稳流器,为LED提供调光所需的恒流控制。

图2. 采用升压-线性模式配置的iW3662 MR16 LED驱动器,用于高压CoB LED

iW3662 LED驱动器集成了两个附加电路,它们与升压转换器级配合使用,使调光器和电子变压器保持运行正常。在调光模式期间,当所要求的输出电流比较低,为了使输入电路保持正确运行,控制器会动态启用泄放电路,增加输入电流。当升压转换器和负荷可产生足够的电流来保持电子变压器和调光器兼容性时,泄放电路会停止工作。这种动态泄放电路可协助MR16应用提高调光器兼容性。

当输入电压处于其最大值时,为满足电子变压器兼容性所需的额外能量可以储存起来,从而提高效率和减少发热,该技术集成在iW3662的主升压转换器级中。在最低调光条件下动态加载的泄放电路,与输入升压转换级的滞后控制的组合,为MR16照明提供了一种最佳解决方案。该功能实现的关键是能使输入电路实现多种功能,而无需增加过多外围元件的核心数字控制算法。尺寸因素非常重要,因为MR16灯泡小于其他传统类型灯泡,这限制了MR16 LED驱动器解决方案的可用空间大小。iW3662是一种物料成本低、具有良好效率、并使MR16灯泡能够提供100%至最低5%调光范围(取决于调光器)的解决方案。

图3. MR16应用原理图–MR16灯泡座中的LED驱动电路

 图3显示了基于MR16的230VAC照明系统的简化示意图。线路电压直接连接基于TRIAC的调光器。调光器的输出向电子变压器提供供电电压,电子变压器输出经过调制的12VAC,为MR16灯泡供电。在这个例子中,LED驱动器电路使用iW3662,集成在MR16灯座中。灯座空间非常小,高度集成的iW3662解决方案能够让电路实现足够小的尺寸并安装在灯座中,而无需牺牲性能。

表1显示了iW3662 LED驱动器使用三个不同后切调光器和五个不同的电子变压器得出的测试数据,iW3662为一个5W MR16 LED灯泡供电。采用iW3662设计的MR16驱动器可以兼容前切和后切调光器。

表1. 采用后缘调光器+电子变压器组合的iW3662 LED驱动器电路兼容性测试结果

 图4显示了在单个5W MR16LED灯泡应用中,iW3662与前切调光器和电子变压器结合使用的调光能力。在此应用中,iW3662克服了传统上难以采用的调光器/变压器技术组合问题,实现了完整的调光范围。前切调光器在LED应用中与电子变压器一起使用时,会由于残余电压而造成调光器兼容性问题。不过,数字控制能够有效地解决这些问题,可以提供与后切调光器相媲美的调光特性。iW3662 LED驱动器可优化MR16设计,实现卓越的变压器和调光器兼容性,不仅提供良好的调光性能,还可减小电路尺寸和降低总物料成本。

图4. 采用DruckWechsel前缘调光器和YT70电子变压器的iW3662的调光曲线

MR16 LED替代灯泡带来了大量设计挑战。借助先进的数字控制算法和高性能模拟电路,我们能够实现具有最佳性能、尺寸和成本组合的优秀解决方案。


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