电子变压器LED-MR16射灯驱动电源的问题及其解决方法

AN-210 BP1361 在 3*1W LED-MR16 灯杯里的应用 ww.bpsemi.com Page 1 of 8 Elan.Zhang 2009-11-23 介绍 随着 LED 技术的发展，带来了照明界的一场革命。尤其是 1W 和 3W 大功率 LED 技术的成 熟和成本的降低，LED 在 E27、GU10、PAR 灯和 MR16 等领域广泛应用。然而，在电子变压器 驱动的 3*1W的LED-MR16应用中，也存在一些问题。本文就电子变压器驱动 3*1W 的 LED-MR16 恒流驱动电源问题进行系统分析，并介绍 BP1361 构成的 B2（Buck-Boost）解决。 电子变压器在驱动 LED 时的工作问题 为了更多了解电子变压器驱动 LED 的 MR16 射灯，这里先介绍电子变压器（以市场上买的飞 利浦电子变压器为例）的工作原理以及在驱动 MR16 卤素灯的工作情况。图 1 为目前市场最为常 用的电子变压器的原理图： 图 1 常用电子变压器原理图 其工作原理简单可以简述为：上电后，通过 R1,R2 给 C3 充电。当 Vc3>VDb1+VbeQ2时，Q2 导通。 此时会产生电流 Imag1 从 M点→T1→T2_a→Q2→R6→GND。Imag1 很快将 T2磁化至饱和，使 Q2关 断。同时在退磁时打开 Q1，产生电流 Imag2 从 C4→Q1→R4→T2_a→T1→M点。之后重复以上工作。 也就是说，在电路开启后其工作是依靠 T2 不断的磁化与退磁来维持，通常工作频为 25~50KHz 左 右。在这里需要说明的是 T2的磁化是建立在一定的磁化电流（Imag）的基础上的，在电路的各个 参数设计完成后，磁化电流（Imag）的大小正比于输出功率。对于卤素灯通常的功率范围为 10~50W， 输出电压通常为 12Vac，其负载等效模型为一纯阻。 那对于输出负载变成 LED 的 MR16 灯杯时，电子变压器的工作状就发生了变化。这主要由两个 原因引起。 第一、 对于 LED 的 MR16 灯杯通常的功率只有 1~3W，而原先的电子变压器是按 10~50W 设 计的,也就是说输出功率只有不到原来的 1/10，在半桥回路中产生的磁化电流 Imag AN-210 BP1361 在 3*1W LED-MR16 灯杯里的应用 ww.bpsemi.com Page 2 of 8 Elan.Zhang 2009-11-23 已经不能使 T2饱和，使电子变压器工作在不正常状态。 第二、 图2为目前应用最为广泛的MR16灯杯中由BUCK电路构成的LED恒流驱动电源的原 理图。从图中可以看出在整流桥(D1-D4)之后有一个很大的电解电容 CE1 （100~220uF）。对于电子变压器来说相当于负载由原来的纯组性负载变成了一个很 大的容性负载。 图 2 MR16 Buck 恒流原理图 图 3为电子变压器输出带 1颗 3W 时的输出电压情况。 放大后 图 3-A 图 3-B 图 3 变子变压器为 MR16 LED 灯的供电情况 从图 3-A 中可以看出电子变压器的输出电压受到 100Hz(50Hz 经过整流后)的调制。当输入电 压在过零点附近时输出为零（占整个周期的 1/3,约 3mS），这就需要在 LED 恒流电源里有一个很大 的电解电容(几百 uF)去给 Buck 电路提供足够的能量来恒定 LED 的电流。 正如上面第二点所说，几百 uF的容性负载对于电子变压器而言会使其一直工作于间歇状态如 AN-210 BP1361 在 3*1W LED-MR16 灯杯里的应用 ww.bpsemi.com Page 3 of 8 Elan.Zhang 2009-11-23 图 3-B 所示。结合图 1和图 2可以很容易分析出产生这种情况的原因：当电子变压器上电后，R1， R2 给 C3 充电，当 Vc3>VDb1+VbeQ2后，Q2 导通工作，产生磁化电流（Imag）使整个半桥电路开始工 作，并给 LED 驱动电源中的电解电容 CE1 及为 LED 提供能量（如图 4-B 中的 A区）。当 CE1 中的电 压被充至与电子变压器的输出电压相等时，电子变压器中的 T1输出绕组中的电流为零,Imag 也下 降到零，从而使整个整流桥电路停振(如图 4-B 的 B区)。停振后，R1，R2 再次给 C3充电，之后 一直重复上面的工作（如图 4-A）。通常不同生产厂家的电子变压器的间歇频率也不一样，这主要 是 R1，R2 及 C3 的设计值不一样导致。 放大后 图 4-A 图 4-B 放大后 图 4 电子变压器为 MR16 LED 灯的供电时的工作情况 BP1361 在直流电压输入和单颗 LED 在 MR16 中的应用 虽然电子变压器在 LED-MR16 射灯里的工作状态不是很理想，但并不会对其可靠性产生太大的 影响，这也是目前 LED-MR16 灯杯大量出货的基础。目前市场上也有很多的针对 LED-MR16 的专用 恒流 IC，上海晶丰明源半导体（BPSemi）推出的 BP1361 系列就是其中做得较好的一款 IC。图 5 是 BP1361 的应用原理图。 图 5 BP1361 应用原理图 AN-210 BP1361 在 3*1W LED-MR16 灯杯里的应用 ww.bpsemi.com Page 4 of 8 Elan.Zhang 2009-11-23 从图 5 中可以看出，其应用电路只有很少的外围元件。除此外，还可以做到很宽的输入电压 范围从 5V到 30V；宽输入电压输出精度达到±3%；很高的系统效率,最高达 97%；开路/短路/过温 保护；PWM 或模拟调光。 对于直流电压输入或者电子变压器驱动单颗 LED 的 MR16 灯杯应用中，降压恒流基本可以满足 需要。 图 6与图 7是 BP1361 在驱动 1W及 3W 的 LED 在降压恒流应用中的输出特性。可以看到在输入 电压很宽的范围其恒流精度可以做到±2.5%以内。 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Io u t (m A ) Vin (V) 1*1W 3*1W 5*1W 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Io u t D e vi a ti o n ( % ) Vin (V) 1*1W 3*1W 5*1W 图 6a 1W LED 输出电流与输入电压 图 6b 1W LED 输出电流变化率与输入电压 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 500 550 600 650 700 750 800 Io u t (m A ) Vin (V) 1*3W 3*3W 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 D e v ia tio n ( % ) Vin (V) 1*3W 3*3W 图 7a 3W LED 输出电流与输入电压 图 7b 3W LED 输出电流变化率与输入电压 BP1361 在 3*1W 的 LED-MR16 灯杯里的应用 正如本文开头所说的，虽然 BUCK 电路在单颗 LED-MR16 灯杯中的应用可以做到很好的恒流。 但在多颗串联的应用中就成了问题。主要是因为以下几个原因（结合图 1和图 2来说明）： 1． 在输出功做到 3*1W 时，恒流电路中的储能电容 CE1 就需要最大的容量。比如：3 颗 LED 正向电压为 3*3.3=9.9V，电子变压器输出峰值电压约为（12V-1V(整流桥压降)） AN-210 BP1361 在 3*1W LED-MR16 灯杯里的应用 ww.bpsemi.com Page 5 of 8 Elan.Zhang 2009-11-23 *1.414=15.5V，在 100Hz 的周期内需要滤波电容 CE1 给输出提供能量的时间最长约为 td=8mS。就算 Buck 电路工作于 90%的占空比 9.9 *1.1=10.9V，忽略采样电压（100mV）、 开关管和电感引起的压降，那么在 8mS 的时间内ΔVCE 只有 15.5-10.9=4.6V。在输出 电流为 Iout=350mA 时，电容的放电平均电流为 Icd=Pout/Vin/Eff =3/12/0.9=280mA， 则 CE1 的容量就需要： CE1= VCE *  tdIdc CE1= uF 6.4 8*280 =487（uF）。 由此可看出在 3*1W 的应用中需要一个大于 487（uF）的电容才能使 Buck 电路正常工作， 这么大容量的电容放在体积要求很苛刻的 MR16 灯杯中是不可能的。 2． 另外，市场上很多的电子变压器都带有输出短路保护功能。实验证明，大多数带有输 出短路保护功能的电子变压器，在输出电容(CE1)加大到 500uF 左右时，就会被电子变 压器误认为输出短路而使电子变压器出现保护不工作 由此可说明 Buck 电路用于 3*1W 的 LED-MR16 不是很合适。那有没有一些好的办法，在 牺牲一定的恒流精度，也不用这么大的电解电容（CE1）来实现驱动 3 颗 1W 的 LED 呢？针对 这种情况，目前市面上出现的一些方案，比如 Cuk 方案，如图 8。我们以市场上买来的一款 Cuk 作对比测试，数据仅供参考。 图 8 Cuk 电路组成的 3*1W MR16 灯杯电路 这款电路的利用了 Cuk 电路的升降压原理解决了前面提到的需要一个很大的输入电容 （CE1）的情况。但从市场反应以及在实验室里的测试情况，发现它还是存在一些不足的地方。 首先，由于 Cuk 电路对回路中的互感器（图 8 中的 T1，应用磁集成技术）要求很高，除 了价格比较贵外，也不是通用器件。这对于用客户而言不是一件什么好事。 其次，从实验室里的测试数据来看。对于 3*1W，输出电流为 350mA 时，所测试到的数据 也并不是太好。如图 9、图 10及图 11。 AN-210 BP1361 在 3*1W LED-MR16 灯杯里的应用 ww.bpsemi.com Page 6 of 8 Elan.Zhang 2009-11-23 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 150 200 250 300 350 400 450 500 Io u t (m A ) Vin (V) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Io u t D e v ia ti o n ( % ) Vin (V) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 50 55 60 65 70 75 80 85 E ff ( % ) Vin (V) 图 9 输出电流随输入电压变化曲线图 图 10 输出电流的变化率随输入电压变化曲线图 图 11 系统效率随输入电压变化的曲线图 从图 9 中可以看出，在输入电压为 7V 以下时，电路基本不工作，且 LED 灯出现闪烁现 象。在 7V到 17V 的区间内输出电流变化有 230mA，达到输出电流的 65%。图 10 可以很清楚的 看出输出电流的变化率与输入电压的变化关系。另外其系统效率也不是很好，温升比较厉害， 如图 11。 针对 Cuk 电路存在以上的问题，上海晶丰明源半导体（BPSemi）利用 BP1361 开发出了 针对 3颗 1W 串联，性能更为优越的 B2（Buck-Boost）方案。图 12是其应用原理图。 图 12 B2（Buck-Boost） 从图 12中可以看出，由 B2构成的 3颗 1W 串联方案，其电路更为简单。只需用很少的外围元 件，同之前的 Buck 电路中应用的元件基本一样（采用电阻由 0.3 欧姆换成 0.15 欧姆，输出并联 一个电容）。更重要的是没有 Cuk 电路里面那个复杂的电感。 从实验室的测试数据来看，B2方案同样也比 Cuk 电路更好性能。如图 13、图 14及图 15。 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 150 200 250 300 350 400 450 Io u t (m A ) Vin (V) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Io u t D e v ia ti o n ( % ) Vin (V) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 50 55 60 65 70 75 80 85 E ff ( % ) Vin (V) 图 13 输出电流随输入电压变化曲线图 图 14 输出电流的变化率随输入电压变化曲线图 图 15 系统效率随输入电压变化的曲线图 AN-210 BP1361 在 3*1W LED-MR16 灯杯里的应用 ww.bpsemi.com Page 7 of 8 Elan.Zhang 2009-11-23 从图 13可以看出，BP1361 的 B2方案可做到更低的工作电压（图中红线部分，BP1361 从 4.8V 开始工作）。在 7V 到 17V 的区间内输出电流变化为输出电流的 58%，比 Cuk 方案低 7%，图 14 为输 出电流的变化率与输入电压的变化关系。其系统效率也要比Cuk方案好，在7V时，B 2方案为62.5%， Cuk 方案为 52.5%，高 10%。 通过以上的分析以及实验发现通过降压 DC-DC 改造的 Cuk 和 B2方案都不是真正意思上的升降 压型的恒流控制，但是我们发现针对于 3*1W 的 LED-MR16 应用，B2方案很好地满足了大多数客户 应用的需要。因为电子变压器通过整流滤波出来的波形如图 16 所示 VCE，最高电压 15.8V，最低 5.6V，平均值 11.5V。LED-MR16 输出电流 IOUT最高值 380mA，最小值 200mA，平均值 328mA。这对 于 LED 其亮度和寿命主要由输出电流平均值决定的来说，BP1361 的 B2方案好正是一种性价比极好 的解决方案。 图 16 B 2 方案用电子变压器带动 3*1W 时的工作波形 图 16 中我们发现 VCE 的电压最低到 5.6V（不同电子变压器 VCE 值会有差异），这就对驱动芯 片的工作电压的范围就提出了要求，如果工作电压不能到达 5.6V 或更低，则需要更大的滤波电容 （这对灯杯体积提出了更高的要求），否则 LED 输出电流就会在 VCE 低于芯片工作电压时降为零， 就可能会出现 100Hz 的低频闪烁，如图 17所示 3*1W 的 LED-MR16 射灯在输出电压低于驱动芯片工 作电压时工作波形。 图 17 输出电压低于驱动芯片工作电压时工作波形 AN-210 BP1361 在 3*1W LED-MR16 灯杯里的应用 ww.bpsemi.com Page 8 of 8 Elan.Zhang 2009-11-23 LED-MR16 射灯相比卤素灯具有功耗低、热量小、寿命长和不用处理卤素等优势，LED-MR16 射灯代替卤素射灯将是大势所趋。当然，如何解决 LED-MR16 射灯跟电子变压器兼容等问题将会 影响 LED-MR16 射灯的发展。本文介绍了电子变压器驱动 3*1W 的 LED-MR16 射灯驱动电源的 问题及其解决方案，为LED-MR16兼容电子变压器探索了一种性价比很好的驱动电源的实现方法。 最多技术文献，请访问晶丰明源半导体网站：www.bpsemi.com Add：上海市张江高科技园区毕升路 299 弄 6 号 502 室 Tel: (86) 21-5027 5096 Fax: (86)21-5027 5095 Web: www.bpsemi.com