用LED替代低效率的MR16卤素灯

10 用LED替代低效率的 MR16卤素灯 虽然MR16卤素灯的诸多缺点限制了它的应用潜力， 但仍然被广泛用于专业商店和家居的装饰性照明。常 见的MR16卤素灯功耗在10W至50W，光通量范围为 150流明(lm)至800lm，约等效于15lm/W的效率，或 15%的发光效率。典型的卤素灯泡寿命约为2000小时。 此外，灯丝还可能由于猛烈的振动导致灯泡过早损坏。 当前的LED技术提供了与MR16兼容、高度可靠、具 有高性价比的卤素灯替代品。例如，LedEnginTM公司 的新一代5W (单片，4mm x 4mm封装)和10W (四片， 7mm x 7mm封装)大功率LED，在电流为1000mA、结 温(TJ) +120°C时，具有45lm/W的典型光效。实际工作 条件下，5W封装相当于155lm的典型光输出通量(电 流为1000mA，结温TJ = +120°C时)，而10W封装提供 3 4 5 l m 的 典 型 光 输 出 通 量 ( 电 流 为 7 0 0 m A ， 结 温 TJ = +120°C时)。当LED产生与卤素灯相同的亮度时， 功耗大约降低50%。此外，LedEngin即将推出具有高 达90%发光效率(100khr，结温TJ = +120°C时)的LED， 在整个产品的有效使用期内无需更换灯泡。 MR16 LED的参考设计 在图1所示MR16 LED参考设计中，Maxim选择LedEngin 的5W白光LED (WLED)，用于演示MAX16820的1000mA 电流驱动能力。表1和表2列出了详细的MR16参考设 计的元件和电气参数，该参考设计采用大多数MR16 应用中的12VAC ±10%典型输入电压。 Q D C4 1µF C2 100µF/20V 1 3 2 GND C3 1µF L 39µH 0.2Ω R D3D1 D2 D4 111 11 222 22 12VAC INPUT C1 100µF/20V 1 2 3 6 5 4 LE D LE D AC1 AC2 MAX16820 U1 图1. 采用MAX16820 LED驱动器构建的5W MR16 LED灯驱动电路。图中LED为LedEngin的5W WLED。 名称 说明 D1–D4 整流二极管1N4001 C1, C2 100µF/20V钽电容或220µF/25V电解电容 C4 1µF/25V陶瓷电容 R 0.2Ω ±1%检流电阻IRC LRC-LR1206LF-01-R200-F C3 1µF/6.3V陶瓷电容 Q MOSFET FDN359BN D 续流二极管FBR130 U1 MAX16820 L 39µH/1.2A buck电感Sumida CDRH6D38NP-390NC 表1. 5W MR16 LED驱动电路的元件列表 11 表2. 5W MR16 LED灯驱动电路的电气参数 VIN (最小值)...........................................................10.8VAC VIN (最大值)...........................................................13.2VAC VLED (最小值)...................................................................5V VLED (最大值)................................................................3.1V ILED.....................................................................................1A ILED容限 .......................................................................±15% LED开路保护....................................................................有 LED短路保护....................................................................有 MAX16820是针对LED驱动应用，特别是基于LED的 MR16 而设计，是 MR16 LED 灯电路的理想选择。 MAX16820采用超小型、6引脚TDFN封装，工作在 4 . 5 V 至 2 8 V 输 入 电 压 ， 能 够 驱 动 外 部 高 性 价 比 M O S F E T ， 以 提 供 宽 范 围 的 L E D 电 流 驱 动 能 力 。 MAX16820工作在汽车级温度范围(-40°C至+125°C)， 可 安 全 工 作 于 M R 1 6 灯 具 的 高 温 环 境 中 。 此 外 ， MAX16820 还可提供高达 25W 或更高的功率，其 2MHz (典型值)的开关频率允许使用小尺寸外部电感 和电容，使驱动电路可以放置到MR16灯具内。 图1所示5W MR16 LED灯驱动器，包括整流桥(D1-D4)、 100µF 滤波电容(C1 和 C2)以及 buck 转换电路。该 buck LED转换器由MAX16820、buck电感(L)、功率 MOSFET (Q)、续流二极管(D)以及检流电阻(R)组成。 5W高亮度LED (HB LED)需要1A的驱动电流。Buck LED驱动器设计可提供1A的直流输出电流。驱动器 采用滞回控制，控制buck电感的电流，提供LED 所需的1A电流。MAX16820的滞回控制有助于构建简 单、高度可靠的驱动器，并具有5%的LED电流精度。 为了保证5W HB LED在整个电源、频率范围内提供固 定的1A电流，应在直流总线上连接滤波电容，以限 制直流电源线的电压纹波。总电容至少为200µF，可 使用标称值为220µF/25V的钽电容或电解直流电容， 以降低成本。 为了保证足够的输出电流精度，电感电流的最大 ΔI/ΔT应低于0.4A/µs。如图1所示，电感的最大压降 为VLMAX，电感L的大小可由下式计算： 若VAC_IN = 12V，δ = 10%、VO = 3.6V，电感L应大 于37µH。由此，这里选择了39µH的电感，而δ 是所允许的交流输入电压波动百分比，VO是LED的 正向导通电压。 该设计利用LedEngin 5W、基于WLED的MR16灯进行 了测试，装置如图2所示。图3至图6所示为该设计 的测试波形。输入电压为12VAC (标称值)，输出电流 纹波约为10%。 Location of Driver Board 图2. LedEngin基于LED的MR16灯有一个独特的散热片，用于向空中散热。基于MAX16820的灯驱动器电路板放置在散热片后面。 x (1 + δ ) x √ 2 - VO VLMAX - VAC_IN Eq. 1 L = VLMAX Eq. 2 ∆I/∆T 等式1 等式2 如图4所示，当采用200µF的直流滤波电容时，直流 电源总线的电压纹波为8.5V。基于MAX16820的滞回 控制模式具有良好的电源调整率，由于输入总线电压 纹波很小，因此减少了输出LED电流的变化。对于 5W MR16 LED灯驱动器，测试结果表明交流输入电 压的纹波和变化量会超过8.5V，但输出LED电流仍稳 定在1A。 图 7所示MR16灯驱动器的PCB有两层。顶层放置了 所有元件和两个交流输入连接焊盘、两个直流输出连 接焊盘(标记为LED+和LED-)。底层只用于接地。 在HB LED应用中，如果想要在100khr后仍能长期保 持90%的流明效率，最好把5W LedEngin LED的结温限 制在+120°C以内。作为一个低成本散热方案，散热片 12 GND D4 D3 C4 D1 D2 C1 C2 D L2 AC AC ++ U1 C3 .Q1.Q1 26 NetL_1 23 NetU1_2 2 NetFBRH_1 2 NetD1 1 NetL_1 1 FBR130 4 NetD_1 2 NetD_1 4 NetD_1 LED- GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND R1 LE D+ 图7. 在5W MR16 LED灯驱动器的PCB丝网印刷层(顶层)上可以看到 直流电源的连接焊盘LED+和LED-。 图5. 测试平台中，CH1所示为MOSFET栅极驱动器电压包络，CH2 所示为漏-源电压包络。 图6. CH1所示为MOSFET栅极驱动波形，CH2所示为漏-源电压波形。 图3. 第一个MR16参考设计平台测试的输入交流电流如CH1所示， 输出直流电流如CH2所示。 图4. CH2输出电流纹波的细节。 可把LED结产生的热量耗散到空气中。5W MR16 LED 灯的散热片可耗散5W的LED功率。5W MR16 LED灯 驱动器的PCB安装在散热片的背面。 值得注意的是5W MR16 LED灯的独特散热槽设计， 与卤素灯中把灯管产生的热量直接辐射到周围空气不 同，在基于LED的设计中，热量首先被传导到散热片 (如图2中所示)，然后再通过对流方式耗散到空中。 13 结论 与其它低功率(1W和3W) LED方案相比，大功率、5W MR16 LED参考设计能够显著提高亮度。因此，该设 计省去了为了满足MR16需求，在10W卤素灯方案中 所需的多个辐射源。 LedEngin是LedEngin, Inc.的商标。