電子變壓器驅(qū)動LED-MR16射燈電源的問題及其BP1361解決方案

概述

  隨著LED技術(shù)的發(fā)展，帶來了照明界的一場革命。尤其是1W和3W大功率LED技術(shù)的成熟和成本的降低，LED在E27、GU10、PAR燈和MR16等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，在電子變壓器驅(qū)動的3*1W的LED-MR16應(yīng)用中，也存在一些問題。本文就電子變壓器驅(qū)動3*1W的LED-MR16恒流驅(qū)動電源問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，并介紹BP1361構(gòu)成的B2（Buck-Boost）解決方案。

電子變壓器在驅(qū)動LED時的工作問題

為了更多了解電子變壓器驅(qū)動LED的MR16射燈，這里先介紹電子變壓器（以市場上買的飛利浦電子變壓器為例）的工作原理以及在驅(qū)動MR16鹵素?zé)舻墓ぷ髑闆r。圖1為目前市場最為常用的電子變壓器的原理圖：

 
 
圖1 常用電子變壓器原理圖

其工作原理簡單可以簡述為：上電后，通過R1,R2給C3充電。當(dāng)Vc3>VDb1+VbeQ2時，Q2導(dǎo)通。此時會產(chǎn)生電流Imag1從M點(diǎn)→T1→T2_a→Q2→R6→GND。Imag1很快將T2磁化至飽和，使Q2關(guān)斷。同時在退磁時打開Q1，產(chǎn)生電流Imag2從C4→Q1→R4→T2_a→T1→M點(diǎn)。之后重復(fù)以上工作。也就是說，在電路開啟后其工作是依靠T2不斷的磁化與退磁來維持，通常工作頻為25~50KHz左右。在這里需要說明的是T2的磁化是建立在一定的磁化電流（Imag）的基礎(chǔ)上的，在電路的各個參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，磁化電流（Imag）的大小正比于輸出功率。對于鹵素?zé)敉ǔ５墓β史秶鸀?0~50W，輸出電壓通常為12Vac，其負(fù)載等效模型為一純阻。

那對于輸出負(fù)載變成LED的MR16燈杯時，電子變壓器的工作狀就發(fā)生了變化。這主要由兩個原因引起。

第一、 對于LED的MR16燈杯通常的功率只有1~3W，而原先的電子變壓器是按10~50W設(shè)計(jì)的,也就是說輸出功率只有不到原來的1/10，在半橋回路中產(chǎn)生的磁化電流Imag已經(jīng)不能使T2飽和，使電子變壓器工作在不正常狀態(tài)。

第二、 圖2為目前應(yīng)用最為廣泛的MR16燈杯中由BUCK電路構(gòu)成的LED恒流驅(qū)動電源的原理圖。從圖中可以看出在整流橋(D1-D4)之后有一個很大的電解電容CE1（100~220uF）。對于電子變壓器來說相當(dāng)于負(fù)載由原來的純組性負(fù)載變成了一個很大的容性負(fù)載。

 
圖2 MR16 Buck恒流原理圖

 
圖3為電子變壓器輸出帶1顆3W時的輸出電壓情況。

 
圖3-B

圖3  變子變壓器為MR16 LED燈的供電情況

從圖3-A中可以看出電子變壓器的輸出電壓受到100Hz(50Hz經(jīng)過整流后)的調(diào)制。當(dāng)輸入電壓在過零點(diǎn)附近時輸出為零（占整個周期的1/3,約3mS），這就需要在LED恒流電源里有一個很大的電解電容(幾百uF)去給Buck電路提供足夠的能量來恒定LED的電流。

正如上面第二點(diǎn)所說，幾百uF的容性負(fù)載對于電子變壓器而言會使其一直工作于間歇狀態(tài)如圖3-B所示。結(jié)合圖1和圖2可以很容易分析出產(chǎn)生這種情況的原因：當(dāng)電子變壓器上電后，R1，R2給C3充電，當(dāng)Vc3>VDb1+VbeQ2后，Q2導(dǎo)通工作，產(chǎn)生磁化電流（Imag）使整個半橋電路開始工作，并給LED驅(qū)動電源中的電解電容CE1及為LED提供能量（如圖4-B中的A區(qū)）。

   當(dāng)CE1中的電壓被充至與電子變壓器的輸出電壓相等時，電子變壓器中的T1輸出繞組中的電流為零,Imag也下降到零，從而使整個整流橋電路停振(如圖4-B的B區(qū))。停振后，R1，R2再次給C3充電，之后一直重復(fù)上面的工作（如圖4-A）。通常不同生產(chǎn)廠家的電子變壓器的間歇頻率也不一樣，這主要是R1，R2及C3的設(shè)計(jì)值不一樣導(dǎo)致。

 
圖4-A
　　放大后  
 

 
圖4-B 放大后
圖4  電子變壓器為MR16 LED燈的供電時的工作情況
　　BP1361在直流電壓輸入和單顆LED在MR16中的應(yīng)用

雖然電子變壓器在LED-MR16射燈里的工作狀態(tài)不是很理想，但并不會對其可靠性產(chǎn)生太大的影響，這也是目前LED-MR16燈杯大量出貨的基礎(chǔ)。目前市場上也有很多的針對LED-MR16的專用恒流IC，上海晶豐明源半導(dǎo)體（BPSemi）推出的BP1361系列就是其中做得較好的一款I(lǐng)C。圖5是BP1361的應(yīng)用原理圖。

 
  
圖5  BP1361應(yīng)用原理圖

從圖5中可以看出，其應(yīng)用電路只有很少的外圍元件。除此外，還可以做到很寬的輸入電壓范圍從5V到30V；寬輸入電壓輸出精度達(dá)到±3%；很高的系統(tǒng)效率,最高達(dá)97%；開路/短路/過溫保護(hù)；PWM或模擬調(diào)光。對于直流電壓輸入或者電子變壓器驅(qū)動單顆LED的MR16燈杯應(yīng)用中，降壓恒流基本可以滿足需要。

圖6與圖7是BP1361在驅(qū)動1W及3W的LED在降壓恒流應(yīng)用中的輸出特性。可以看到在輸入電壓很寬的范圍其恒流精度可以做到±2.5%以內(nèi)。

  圖6b 1W LED輸出電流變化率與輸入電壓

   
     
圖7a  3W LED輸出電流與輸入電壓       

 圖7b  3W LED輸出電流變化率與輸入電壓

　　BP1361在3*1W 的LED-MR16燈杯里的應(yīng)用

 正如本文開頭所說的，雖然BUCK電路在單顆LED-MR16燈杯中的應(yīng)用可以做到很好的恒流。但在多顆串聯(lián)的應(yīng)用中就成了問題。主要是因?yàn)橐韵聨讉€原因（結(jié)合圖1和圖2來說明）：

1．在輸出功做到3*1W時，恒流電路中的儲能電容CE1就需要最大的容量。比如：3顆LED正向電壓為3*3.3=9.9V，電子變壓器輸出峰值電壓約為（12V-1V(整流橋壓降)）*1.414=15.5V，在100Hz的周期內(nèi)需要濾波電容CE1給輸出提供能量的時間最長約為td=8mS。就算Buck電路工作于90%的占空比9.9 *1.1=10.9V，忽略采樣電壓（100mV）、開關(guān)管和電感引起的壓降，那么在8mS的時間內(nèi)ΔVCE只有15.5-10.9=4.6V。在輸出電流為Iout=350mA時，電容的放電平均電流為Icd=Pout/Vin/Eff =3/12/0.9=280mA， 則CE1的容量就需要：
 

由此可看出在3*1W的應(yīng)用中需要一個大于487（uF）的電容才能使Buck電路正常工作，這么大容量的電容放在體積要求很苛刻的MR16燈杯中是不可能的。

2．另外，市場上很多的電子變壓器都帶有輸出短路保護(hù)功能。實(shí)驗(yàn)證明，大多數(shù)帶有輸出短路保護(hù)功能的電子變壓器，在輸出電容(CE1)加大到500uF左右時，就會被電子變壓器誤認(rèn)為輸出短路而使電子變壓器出現(xiàn)保護(hù)不工作

由此可說明Buck電路用于 3*1W 的LED-MR16不是很合適。那有沒有一些好的辦法，在犧牲一定的恒流精度，也不用這么大的電解電容（CE1）來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動3顆1W的LED呢？針對這種情況，目前市面上出現(xiàn)的一些方案，比如Cuk方案，如圖8。我們以市場上買來的一款Cuk作對比測試，數(shù)據(jù)僅供參考。

   
圖9 輸出電流隨輸入電壓變化曲線圖
  
圖10 輸出電流的變化率隨輸入電壓變化曲線圖
 
  圖11 系統(tǒng)效率隨輸入電壓變化的曲線圖

從圖9中可以看出，在輸入電壓為7V以下時，電路基本不工作，且LED燈出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。在7V到17V的區(qū)間內(nèi)輸出電流變化有230mA，達(dá)到輸出電流的65%。圖10可以很清楚的看出輸出電流的變化率與輸入電壓的變化關(guān)系。另外其系統(tǒng)效率也不是很好，溫升比較厲害，如圖11。

針對Cuk電路存在以上的問題，上海晶豐明源半導(dǎo)體（BPSemi）利用BP1361開發(fā)出了針對3顆1W串聯(lián)，性能更為優(yōu)越的B2（Buck-Boost）方案。圖12是其應(yīng)用原理圖。

 
 
圖12  B2（Buck-Boost）原理圖

從圖12中可以看出，由B2構(gòu)成的3顆1W串聯(lián)方案，其電路更為簡單。只需用很少的外圍元件，同之前的Buck電路中應(yīng)用的元件基本一樣（采用電阻由0.3歐姆換成0.15歐姆，輸出并聯(lián)一個電容）。更重要的是沒有Cuk電路里面那個復(fù)雜的電感。
從實(shí)驗(yàn)室的測試數(shù)據(jù)來看，B2方案同樣也比Cuk電路更好性能。如圖13、圖14及圖15。

  
圖13 輸出電流隨輸入電壓變化曲線圖
 
 
圖14 輸出電流的變化率隨輸入電壓變化曲線圖
 
 
圖15 系統(tǒng)效率隨輸入電壓變化的曲線圖

從圖13可以看出，BP1361的B2方案可做到更低的工作電壓（圖中紅線部分，BP1361從4.8V開始工作）。在7V到17V的區(qū)間內(nèi)輸出電流變化為輸出電流的58%，比Cuk方案低7%，圖14為輸出電流的變化率與輸入電壓的變化關(guān)系。其系統(tǒng)效率也要比Cuk方案好，在7V時，B 2方案為62.5%，Cuk方案為52.5%，高10%。

通過以上的分析以及實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過降壓DC-DC改造的Cuk和B2方案都不是真正意思上的升降壓型的恒流控制，但是我們發(fā)現(xiàn)針對于3*1W的LED-MR16應(yīng)用，B2方案很好地滿足了大多數(shù)客戶應(yīng)用的需要。因?yàn)殡娮幼儔浩魍ㄟ^整流濾波出來的波形如圖16所示VCE，最高電壓15.8V，最低5.6V，平均值11.5V。LED-MR16輸出電流IOUT最高值380mA，最小值200mA，平均值328mA。這對于LED其亮度和壽命主要由輸出電流平均值決定的來說，BP1361的B2方案好正是一種性價比極好的解決方案。

 
 
圖16 B 2方案用電子變壓器帶動3*1W時的工作波形

圖16中我們發(fā)現(xiàn)VCE的電壓最低到5.6V（不同電子變壓器VCE值會有差異），這就對驅(qū)動芯片的工作電壓的范圍就提出了要求，如果工作電壓不能到達(dá)5.6V或更低，則需要更大的濾波電容（這對燈杯體積提出了更高的要求），否則LED輸出電流就會在VCE低于芯片工作電壓時降為零，就可能會出現(xiàn)100Hz的低頻閃爍，如圖17所示3*1W的LED-MR16射燈在輸出電壓低于驅(qū)動芯片工作電壓時工作波形。

 
 
圖17 輸出電壓低于驅(qū)動芯片工作電壓時工作波形

總結(jié)

LED-MR16射燈相比鹵素?zé)艟哂泄牡?、熱量小、壽命長和不用處理鹵素等優(yōu)勢，LED-MR16射燈代替鹵素射燈將是大勢所趨。當(dāng)然，如何解決LED-MR16射燈跟電子變壓器兼容等問題將會影響LED-MR16射燈的發(fā)展。本文介紹了電子變壓器驅(qū)動3*1W的LED-MR16射燈驅(qū)動電源的問題及其解決方案，為LED-MR16兼容電子變壓器探索了一種性價比很好的驅(qū)動電源的實(shí)現(xiàn)方法。