摘要
LED 的M16/AR111 射燈作為替換型燈具，其驅(qū)動電源設(shè)計除了要滿足高效、可靠、經(jīng)濟的要求外，還要兼容原有MR16/AR111 鹵素燈供電架構(gòu)中的電子變壓器。本文首先從電子變壓器的工作機理出發(fā)，闡述了電子變壓器兼容性問題的由來，并結(jié)合TI 公司的新一代MR16/AR111 LED 射燈專用驅(qū)動芯片TPS92560，給出了驅(qū)動電源的設(shè)計注意事項，最后給出樣機的實驗數(shù)據(jù)。
1. 引言
MR16/AR111 射燈由于可自由變換照射角度且體積小巧，既可作為整體照明起主導作用，又可作為局部照明用來制造效果和點綴氣氛。故在商業(yè)照明和家居照明中得到了廣泛的使用。LED 的MR16/AR111 射燈與原先的鹵素燈相比，具有節(jié)能、壽命長、顏色豐富、發(fā)熱量低等優(yōu)點，近年來成為LED 燈泡替換工程的熱點。作為一種替換性燈泡，必須要兼容原有鹵素燈供電架構(gòu)中的電子變壓器。而市面上的電子變壓器品牌型號又極其繁多，這就要求一個出色的MR16/AR11 LED 射燈驅(qū)動電源方案必須能夠完美兼容足夠多品牌型號的電子變壓器。
2. 電子變壓器原理與LED 驅(qū)動電源拓撲架構(gòu)分析
電子變壓器是一種小型的變頻器，可以把市電的110V 或220V 交流電壓變換成12V 交流電壓。具有體積小、重量輕、價格低等優(yōu)點。圖1 是某型電子變壓器的電路圖。二極管D1~D4 構(gòu)成了整流橋，把市電變成直流電，三極管Q1、Q2 與電容C2、C3 組成了半橋式變換器，耦合繞組T1、T2、T3 為自激驅(qū)動變壓器。電阻R1、電容C1 和雙向觸發(fā)二極管DIAC 構(gòu)成了啟動觸發(fā)電路。AC 正半波時，經(jīng)過R1、C1 的延時，Q2 導通。電流由C2、C3 的中點經(jīng)過繞組T4、T3、Q2 形成回路。此時T3 繞組上感應(yīng)左負右正電壓，T1 繞組感應(yīng)上正下負電壓，T2 繞組感應(yīng)上負下正電壓。這給Q1 的開通與Q2 的關(guān)斷創(chuàng)造條件。當Q1 開通后，電流由Q1 經(jīng)過T3、T4 流到C2 與C3 的中點。Q1、Q2 的開關(guān)頻率即為電子變壓器的工作頻率。AC 負半波期間線路的工作原理類似。當電子變壓器負載是鹵素燈時，鹵素燈是一種純阻性負載，自激驅(qū)動變壓器繞組有足夠的勵磁電流流過，可以保證Q1、Q2 能夠正常地開關(guān)動作。
目前市面上常見MR16/AR111 LED 驅(qū)動電源是降壓Buck 架構(gòu)的（圖2）。由于電子變壓器的輸出是一個工頻交流脈絡(luò)電壓，為了保證輸出端LED 電流連續(xù)，Buck 驅(qū)動電路的整流橋后通常會放一顆大容量的儲能電解電容。這就使得作為負載的LED 燈泡只在工頻周期內(nèi)極短的時間內(nèi)從變壓器取電流，而大部分時間是不從電子變壓器取電流的。這樣對前級的電子變壓器而言，保證其內(nèi)部自激振蕩線路正常工作所需的最小電流在變壓器工頻周期的大部分時間是不能滿足的。我們稱電子變壓器的這種工作狀態(tài)為不穩(wěn)定狀態(tài)，輸出LED 燈的閃爍現(xiàn)象與變壓器此工作模態(tài)有很大關(guān)系。
既然降壓拓撲架構(gòu)的電容性輸入特性會引起電子變壓器的不穩(wěn)定工作，我們希望一個好的MR16 LED 燈泡應(yīng)該像鹵素燈一樣，表現(xiàn)出一個純阻性的負載特性，讓電子變壓器可以穩(wěn)定連續(xù)工作。圖3 分別是Buck、Boost、Buck-Boost 的輸入電流波形。不難發(fā)現(xiàn)，只有Boost 的輸入電流為連續(xù)的，容易實現(xiàn)接近純阻性的高PF 值。而Buck 與Buck-Boost 的輸入電流在開關(guān)管TOFF 期間都會斷續(xù)，前面分析我們知道，這段時間內(nèi)電子變壓器是停止工作的。
3. TPS92560 方案特點及驅(qū)動電路設(shè)計注意事項
TPS92560產(chǎn)品信息：
www.ti.com.cn/pwr-pss-lpp-tps92560-china009-contrib-pf-cn
TPS92560 芯片內(nèi)部集成了兩顆整流用的MOSFET，這樣外部的整流橋僅需要兩顆肖特基二極管，進一步縮小PCB板的空間，且提高了電源的變換效率。同時這兩顆集成的MOSFET 還有助于優(yōu)化LED 燈的電子變壓器兼容性。因為這兩顆集成的MOSFET 初始狀態(tài)被設(shè)置成導通ON，當MR16 燈接上變壓器瞬間，這兩顆MOSFET 好比給電子變壓器接上了負載，在MR16 燈沒有被點亮之前，讓電子變壓器更好地起振，于是優(yōu)化了系統(tǒng)的啟動過程，提高變壓器的兼容性。圖4 為TPS92560 Boost 架構(gòu)典型應(yīng)用線路。
TPS92560 通過調(diào)制流過Boost 主MOSFET 上的電流來實現(xiàn)對輸入電流的控制。這樣帶來了兩個好處。
第一，輸入inrush 電流被限制的很低，優(yōu)化了電子變壓器的工作指標，提高了系統(tǒng)的可靠性；
第二，通過對輸入電流的限制，使得系統(tǒng)可以持續(xù)從電子變壓器端取電流，更好地滿足電子變壓器自激振蕩的振蕩電流需求，保證在大部分時間內(nèi)，電子變壓器都在正常穩(wěn)定工作。圖5 為TPS92560 Boost 線路與傳統(tǒng)Buck 降壓線路輸入電流的對比波形。
如果用戶對流過LED 電流的輸入調(diào)整率及精度有更高的需求，TPS92560 只需要增加兩顆TL431 便實現(xiàn)了對LED流過電流的精確調(diào)節(jié)，見圖6。電阻R7 作為流過LED 電流的采樣電阻，采樣的電壓疊加U2、R3、R4 產(chǎn)生的直流分量后，跟蹤U3 的基準2.5V。這里的U3 功能類似于常見的控制環(huán)積分調(diào)節(jié)器。當LED 燈流過的電流變化時，會引起U3 陰極電流的變化，進而調(diào)節(jié)TPS92560 的ADJ 腳電壓。實現(xiàn)真正意義上的對LED 電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。
對于功率較大的AR111 燈具，為了優(yōu)化熱設(shè)計需要提高電源的效率，可以旁路內(nèi)部集成的整流MOSFET, 通過外接肖特基二極管或者MOSFET 來對電子變壓器輸出的交流電壓進行整流。需要注意的是，當選用的拓撲主電路是SEPIC 時，TPS92560 兩只AC 腳不能被懸空。因為這樣芯片內(nèi)部Vcc 電壓將無法建立，導致系統(tǒng)無法啟動。
TPS92560 的AC 腳還可以串聯(lián)一顆100~1K 歐姆的電阻連接到電子變壓器的輸出端（圖7 所示），使得電流的大部分流過外接整流橋。
需要注意的是，考慮MR16 應(yīng)用苛刻的PCB 尺寸要求，TPS92560 的開關(guān)頻率建議設(shè)置在1M~1.5MHz 之間。這樣MOSFET 的驅(qū)動損耗會成為影響變換器效率的重要分量。對于輸出電壓較高的應(yīng)用架構(gòu)，假如芯片的VP 按照典型應(yīng)用線路連接到輸出LED 燈的正端，那么芯片內(nèi)部產(chǎn)生Vcc 的LDO 損耗（Vcc 由VP 通過LDO 降壓得到）會較大，芯片本體會變燙，線路變換效率降低。改善效率的方法有：選取較小輸入等效電容的MOSFET，降低開關(guān)頻率，或從低電壓處取電供給VP 腳等。
4. 樣機實驗數(shù)據(jù)
用圖6 線路圖制作了一臺7W 的基于TPS92560 控制芯片的MR16 LED 驅(qū)動電源。電氣規(guī)格見（表1）。圖8 是AC輸入的電源效率曲線，12V 交流輸入下，變換效率為81%。圖9 分別為輸出LED 燈電流、電子變壓器輸出電流、電子變壓器輸出電壓波形，可以看到在工頻周期的大部分時間內(nèi)，電子變壓器都在穩(wěn)定持續(xù)工作。表2 是樣機所做的電子變壓器兼容性測試報告，可以完全兼容所列的50 余款各種型號的電子變壓器。且輸出的LED 燈電流精度控制在±3%以內(nèi)。
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