TPS92560高變壓器兼容性的MR16/AR111 LED射燈驅(qū)動(dòng)電源專用方案

摘要

LED 的M16/AR111 射燈作為替換型燈具，其驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)除了要滿足高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的要求外，還要兼容原有MR16/AR111 鹵素?zé)艄╇娂軜?gòu)中的電子變壓器。本文首先從電子變壓器的工作機(jī)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(dòng)芯片TPS92560，給出了驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，最后給出樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)作用，又可作為局部照明用來制造效果和點(diǎn)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?zé)粝啾?，具有?jié)能、壽命長(zhǎng)、顏色豐富、發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為L(zhǎng)ED 燈泡替換工程的熱點(diǎn)。作為一種替換性燈泡，必須要兼容原有鹵素?zé)艄╇娂軜?gòu)中的電子變壓器。而市面上的電子變壓器品牌型號(hào)又極其繁多，這就要求一個(gè)出色的MR16/AR11 LED 射燈驅(qū)動(dòng)電源方案必須能夠完美兼容足夠多品牌型號(hào)的電子變壓器。

2. 電子變壓器原理與LED 驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)浼軜?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(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)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(dòng)觸發(fā)電路。AC 正半波時(shí)，經(jīng)過R1、C1 的延時(shí)，Q2 導(dǎo)通。電流由C2、C3 的中點(diǎn)經(jīng)過繞組T4、T3、Q2 形成回路。此時(shí)T3 繞組上感應(yīng)左負(fù)右正電壓，T1 繞組感應(yīng)上正下負(fù)電壓，T2 繞組感應(yīng)上負(fù)下正電壓。這給Q1 的開通與Q2 的關(guān)斷創(chuàng)造條件。當(dāng)Q1 開通后，電流由Q1 經(jīng)過T3、T4 流到C2 與C3 的中點(diǎn)。Q1、Q2 的開關(guān)頻率即為電子變壓器的工作頻率。AC 負(fù)半波期間線路的工作原理類似。當(dāng)電子變壓器負(fù)載是鹵素?zé)魰r(shí)，鹵素?zé)羰且环N純阻性負(fù)載，自激驅(qū)動(dòng)變壓器繞組有足夠的勵(lì)磁電流流過，可以保證Q1、Q2 能夠正常地開關(guān)動(dòng)作。

目前市面上常見MR16/AR111 LED 驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)電路的整流橋后通常會(huì)放一顆大容量的儲(chǔ)能電解電容。這就使得作為負(fù)載的LED 燈泡只在工頻周期內(nèi)極短的時(shí)間內(nèi)從變壓器取電流，而大部分時(shí)間是不從電子變壓器取電流的。這樣對(duì)前級(jí)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(shí)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?fù)浼軜?gòu)的電容性輸入特性會(huì)引起電子變壓器的不穩(wěn)定工作，我們希望一個(gè)好的MR16 LED 燈泡應(yīng)該像鹵素?zé)粢粯?，表現(xiàn)出一個(gè)純阻性的負(fù)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(shí)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(huì)斷續(xù)，前面分析我們知道，這段時(shí)間內(nèi)電子變壓器是停止工作的。

3. TPS92560 方案特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

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(jìn)一步縮小PCB板的空間，且提高了電源的變換效率。同時(shí)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?yàn)檫@兩顆集成的MOSFET 初始狀態(tài)被設(shè)置成導(dǎo)通ON，當(dāng)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(fù)載，在MR16 燈沒有被點(diǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的控制。這樣帶來了兩個(gè)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(biāo)，提高了系統(tǒng)的可靠性；
第二，通過對(duì)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(shí)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(duì)比波形。

如果用戶對(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(zhǔn)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(dāng)LED 燈流過的電流變化時(shí)，會(huì)引起U3 陰極電流的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)TPS92560 的ADJ 腳電壓。實(shí)現(xiàn)真正意義上的對(duì)LED 電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

對(duì)于功率較大的AR111 燈具，為了優(yōu)化熱設(shè)計(jì)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M(jìn)OSFET 來對(duì)電子變壓器輸出的交流電壓進(jìn)行整流。需要注意的是，當(dāng)選用的拓?fù)渲麟娐肥荢EPIC 時(shí)，TPS92560 兩只AC 腳不能被懸空。因?yàn)檫@樣芯片內(nèi)部Vcc電壓將無法建立，導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動(dòng)。

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(dòng)損耗會(huì)成為影響變換器效率的重要分量。對(duì)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(huì)較大，芯片本體會(huì)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(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

用圖6 線路圖制作了一臺(tái)7W 的基于TPS92560 控制芯片的MR16 LED 驅(qū)動(dòng)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(shí)間內(nèi)，電子變壓器都在穩(wěn)定持續(xù)工作。表2 是樣機(jī)所做的電子變壓器兼容性測(cè)試報(bào)告，可以完全兼容所列的50 余款各種型號(hào)的電子變壓器。且輸出的LED 燈電流精度控制在±3%以內(nèi)。