LED-MR16射灯电源的问题及其BP1361解决方案

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)）*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：

　　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。

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）原理图

　　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。

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

　　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

总结

　　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。