電子變壓器驅動LED-MR16射燈電源的問題及其BP1361解決方案

　概述

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

　　電子變壓器在驅動LED時的工作問題

　　為了更多了解電子變壓器驅動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動MR16鹵素燈的工作情況。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Vc3>VDb1+VbeQ2時，Q2導通。此時會產生電流Imag1從M點→T1→T2_a→Q2→R6→GND。Imag1很快將T2磁化至飽和，使Q2關斷。同時在退磁時打開Q1，產生電流Imag2從C4→Q1→R4→T2_a→T1→M點。之后重復以上工作。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）的基礎上的，在電路的各個參數設計完成后，磁化電流（Imag）的大小正比于輸出功率。對于鹵素燈通常的功率范圍為10~50W，輸出電壓通常為12Vac，其負載等效模型為一純阻。

　　那對于輸出負載變成LED的MR16燈杯時，電子變壓器的工作狀就發生了變化。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設計的,也就是說輸出功率只有不到原來的1/10，在半橋回路中產生的磁化電流Imag已經不能使T2飽和，使電子變壓器工作在不正常狀態。

　　第二、?圖2為目前應用最為廣泛的MR16燈杯中由BUCK電路構成的LED恒流驅動電源的原理圖。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于負載由原來的純組性負載變成了一個很大的容性負載。

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-A?

　　放大后?

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經過整流后)的調制。當輸入電壓在過零點附近時輸出為零（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。

　　正如上面第二點所說，幾百uF的容性負載對于電子變壓器而言會使其一直工作于間歇狀態如圖3-B所示。結合圖1和圖2可以很容易分析出產生這種情況的原因：當電子變壓器上電后，R1，R2給C3充電，當Vc3>VDb1+VbeQ2后，Q2導通工作，產生磁化電流（Imag）使整個半橋電路開始工作，并給LED驅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）。當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)。停振后，R1，R2再次給C3充電，之后一直重復上面的工作（如圖4-A）。通常不同生產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的設計值不一樣導致。

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中的應用

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

圖5? BP1361應用原理圖

　　從圖5中可以看出，其應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到±3%；很高的系統效率,最高達97%；開路/短路/過溫保護；PWM或模擬調光。

　　對于直流電壓輸入或者電子變壓器驅動單顆LED的MR16燈杯應用中，降壓恒流基本可以滿足需要。

　圖6與圖7是BP1361在驅動1W及3W的LED在降壓恒流應用中的輸出特性。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。

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圖6a? 1W LED輸出電流與輸入電壓?? ???????????????????? 圖6b 1W LED輸出電流變化率與輸入電壓

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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燈杯中的應用可以做到很好的恒流。但在多顆串聯的應用中就成了問題。主要是因為以下幾個原因（結合圖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）、開關管和電感引起的壓降，那么在8mS的時間內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功能。實驗證明，大多數帶有輸出短路保護功能的電子變壓器，在輸出電容(CE1)加大到500uF左右時，就會被電子變壓器誤認為輸出短路而使電子變壓器出現保護不工作

　　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）來實現驅動3顆1W的LED呢？針對這種情況，目前市面上出現的一些方案，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，數據僅供參考。

圖8 Cuk電路組成的3*1W MR16燈杯電路

　　這款電路的利用了Cuk電路的升降壓原理解決了前面提到的需要一個很大的輸入電容（CE1）的情況。但從市場反應以及在實驗室里的測試情況，發現它還是存在一些不足的地方。

　　首先，由于Cuk電路對回路中的互感器（圖8中的T1，應用磁集成技術）要求很高，除了價格比較貴外，也不是通用器件。這對于用客戶而言不是一件什么好事。

　　其次，從實驗室里的測試數據來看。對于3*1W，輸出電流為350mA時，所測試到的數據也并不是太好。如圖9、圖10及圖11。

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燈出現閃爍現象。在7V到17V的區間內輸出電流變化有230mA，達到輸出電流的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系。另外其系統效率也不是很好，溫升比較厲害，如圖11。

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

圖12? B2（Buck-Boost）原理圖

　　從圖12中可以看出，由B2構成的3顆1W串聯方案，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，輸出并聯一個電容）。更重要的是沒有Cuk電路里面那個復雜的電感。

　　從實驗室的測試數據來看，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的區間內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系。其系統效率也要比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驗發現通過降壓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，但是我們發現針對于3*1W的LED-MR16應用，B2方案很好地滿足了大多數客戶應用的需要。因為電子變壓器通過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中我們發現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動芯片工作電壓時工作波形。

圖17 輸出電壓低于驅動芯片工作電壓時工作波形

　　總結

　　LED-MR16射燈相比鹵素燈具有功耗低、熱量小、壽命長和不用處理鹵素等優勢，LED-MR16射燈代替鹵素射燈將是大勢所趨。當然，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射燈的發展。本文介紹了電子變壓器驅動3*1W的LED-MR16射燈驅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動電源的實現方法。