LED-MR16射燈電源的問題及其BP1361解決方案

　　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。