浅谈LED-MR16射灯电源的问题及其BP1361解决方案

　　概述

　　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。LED（Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。

　　LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的，LED的角度越小它的亮度越高，没有什么超亮不超亮的，那是骗小孩的，如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的大家的亮度都差不多的，只是生产工艺不一样，使用寿命略有不同，因为大家用的都是那几家国外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有几百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了，亮度相差好几十倍了，如果是用于照明用的，在户外是用大功率的LED了，亮度就更高了，单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百都有。

　　电子变压器在驱动LED时的工作问题

　　电子变压器，输入为AC220V，输出为AC12V，功率可达50W-300W。它主要是在高频电子镇流器电路的基础上研制出来的一种变压器电路，其性能稳定，体积小，功率大，因而克服了传统的硅钢片变压器体大、笨重、价高等缺点。电子变压器就是无稳压型开关电源，它实际上就是一种逆变器。首先把交流电整流成直流电。然后用电子元件组成一个高频振荡器把直流电变为高频交流电，通过开关变压器输出所需要的电压然后二次整流供用电器使用。开关电源具有体积小，重量轻，价格低等优点，所以被广泛用在各种电器中。

　　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。

　　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。

　　、 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。

　　图3-A

　　放大后

　　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）。

　　图4-A

　　放大后

　　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

　　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；宽输入电压输出达到±3%；很高的系统效率，达97%；开路/短路/过温保护；PWM或模拟调光。

　　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可以做到±2.5%以内。

　　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

　　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，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。

　　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。

　　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。

　　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，因为电子变压器通过整流滤波出来的波形如图16所示VCE，电压15.8V，5.6V，平均值11.5V。LED-MR16输出电流IOUT值380mA，值200mA，平均值328mA。

　　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的电压到5.6V，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。ＬＥＤ－ＭＲ１６灯杯，属于半导体照明技术领域。由透镜、ＬＥＤ光源组件、灯体、电源驱动组件、灯座组件等安装组成，灯座组件由塑料灯座与金属灯头（灯脚）组成，ＬＥＤ光源组件由ＬＥＤ颗粒与基板组成，透镜由平面镜面和镜圈构成一体，透镜上的插脚与灯体用胶粘结连接，螺钉穿过基板、灯体拧入灯座组件上的螺纹孔，将ＬＥＤ光源组件安装于灯体光源安装面上，灯座组件安装于灯体灯座安装面上，ＬＥＤ光源组件与灯体之间设有实现热接触的导热硅脂，电源驱动组件安装于灯座组件内部。本实用新型结构合理，透镜采用一体化设计，光效高，节省材料，光斑均匀。制造成本低，装配方便快捷，散热效果好，使用寿命长。