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

摘要

LED 的M16/AR111 射燈作為替換型燈具，其驅動(dòng)電源設計除了要滿(mǎn)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(wèn)題的由來(lái)，并結合TI 公司的新一代MR16/AR111 LED 射燈專(zhuān)用驅動(dòng)芯片TPS92560，給出了驅動(dòng)電源的設計注意事項，最后給出樣機的實(shí)驗數據。

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(lái)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 射燈與原先的鹵素燈相比，具有節能、壽命長(cháng)、顏色豐富、發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為L(cháng)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燈供電架構中的電子變壓器。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(gè)出色的MR16/AR11 LED 射燈驅動(dòng)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 驅動(dòng)電源拓撲架構分析

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 為自激驅動(dòng)變壓器。電阻R1、電容C1 和雙向觸發(fā)二極管DIAC 構成了啟動(dòng)觸發(fā)電路。AC 正半波時(shí)，經(jīng)過(guò)R1、C1 的延時(shí)，Q2 導通。電流由C2、C3 的中點(diǎn)經(jīng)過(guò)繞組T4、T3、Q2 形成回路。此時(shí)T3 繞組上感應左負右正電壓，T1 繞組感應上正下負電壓，T2 繞組感應上負下正電壓。這給Q1 的開(kāi)通與Q2 的關(guān)斷創(chuàng )造條件。當Q1 開(kāi)通后，電流由Q1 經(jīng)過(guò)T3、T4 流到C2 與C3 的中點(diǎn)。Q1、Q2 的開(kāi)關(guān)頻率即為電子變壓器的工作頻率。AC 負半波期間線(xiàn)路的工作原理類(lèi)似。當電子變壓器負載是鹵素燈時(shí)，鹵素燈是一種純阻性負載，自激驅動(dòng)變壓器繞組有足夠的勵磁電流流過(guò)，可以保證Q1、Q2 能夠正常地開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

目前市面上常見(jiàn)MR16/AR111 LED 驅動(dòng)電源是降壓Buck 架構的（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，Buck 驅動(dòng)電路的整流橋后通常會(huì )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極短的時(shí)間內從變壓器取電流，而大部分時(shí)間是不從電子變壓器取電流的。這樣對前級的電子變壓器而言，保證其內部自激振蕩線(xiàn)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(mǎn)足的。我們稱(chēng)電子變壓器的這種工作狀態(tài)為不穩定狀態(tài)，輸出LED 燈的閃爍現象與變壓器此工作模態(tài)有很大關(guān)系。

既然降壓拓撲架構的電容性輸入特性會(huì )引起電子變壓器的不穩定工作，我們希望一個(gè)好的MR16 LED 燈泡應該像鹵素燈一樣，表現出一個(gè)純阻性的負載特性，讓電子變壓器可以穩定連續工作。圖3 分別是Buck、Boost、Buck-Boost 的輸入電流波形。不難發(fā)現，只有Boost 的輸入電流為連續的，容易實(shí)現接近純阻性的高PF 值。而B(niǎo)uck 與Buck-Boost 的輸入電流在開(kāi)關(guān)管TOFF 期間都會(huì )斷續，前面分析我們知道，這段時(shí)間內電子變壓器是停止工作的。

3. TPS92560 方案特點(diǎn)及驅動(dòng)電路設計注意事項

TPS92560 芯片內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。因為這兩顆集成的MOSFET 初始狀態(tài)被設置成導通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(méi)有被點(diǎn)亮之前，讓電子變壓器更好地起振，于是優(yōu)化了系統的啟動(dòng)過(guò)程，提高變壓器的兼容性。圖4 為T(mén)PS92560 Boost 架構典型應用線(xiàn)路。

TPS92560 通過(guò)調制流過(guò)Boost 主MOSFET 上的電流來(lái)實(shí)現對輸入電流的控制。這樣帶來(lái)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，提高了系統的可靠性；
第二，通過(guò)對輸入電流的限制，使得系統可以持續從電子變壓器端取電流，更好地滿(mǎn)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，電子變壓器都在正常穩定工作。圖5 為T(mén)PS92560 Boost 線(xiàn)路與傳統Buck 降壓線(xiàn)路輸入電流的對比波形。

如果用戶(hù)對流過(guò)LED 電流的輸入調整率及精度有更高的需求，TPS92560 只需要增加兩顆TL431 便實(shí)現了對LED流過(guò)電流的精確調節，見(jiàn)圖6。電阻R7 作為流過(guò)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(lèi)似于常見(jiàn)的控制環(huán)積分調節器。當LED 燈流過(guò)的電流變化時(shí)，會(huì )引起U3 陰極電流的變化，進(jìn)而調節TPS92560 的ADJ 腳電壓。實(shí)現真正意義上的對LED 電流的閉環(huán)調節。

對于功率較大的AR111 燈具，為了優(yōu)化熱設計需要提高電源的效率，可以旁路內部集成的整流MOSFET, 通過(guò)外接肖特基二極管或者M(jìn)OSFET 來(lái)對電子變壓器輸出的交流電壓進(jìn)行整流。需要注意的是，當選用的拓撲主電路是SEPIC 時(shí)，TPS92560 兩只AC 腳不能被懸空。因為這樣芯片內部Vcc電壓將無(wú)法建立，導致系統無(wú)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(guò)外接整流橋。

需要注意的是，考慮MR16 應用苛刻的PCB 尺寸要求，TPS92560 的開(kāi)關(guān)頻率建議設置在1M~1.5MHz 之間。這樣MOSFET 的驅動(dòng)損耗會(huì )成為影響變換器效率的重要分量。對于輸出電壓較高的應用架構，假如芯片的VP 按照典型應用線(xiàn)路連接到輸出LED 燈的正端，那么芯片內部產(chǎn)生Vcc的LDO 損耗（Vcc由VP 通過(guò)LDO 降壓得到）會(huì )較大，芯片本體會(huì )變燙，線(xiàn)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(kāi)關(guān)頻率，或從低電壓處取電供給VP 腳等。

4. 樣機實(shí)驗數據

用圖6 線(xiàn)路圖制作了一臺7W 的基于TPS92560 控制芯片的MR16 LED 驅動(dòng)電源。電氣規格見(jiàn)（表1）。圖8 是AC輸入的電源效率曲線(xiàn)，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，電子變壓器都在穩定持續工作。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?xún)取?/p>