基于一種用高能效LED MR16燈替代低能效MR16鹵素?zé)舻脑O(shè)計(jì)方案

MR16燈屬于多面向反射燈的一種，廣泛用于商業(yè)零售和家居的裝飾性照明，由于它通常以鹵素?zé)艚z作為光源，故有諸多缺點(diǎn)如低效率、產(chǎn)生較多熱量和鹵素囊處理等問(wèn)題。。但當(dāng)前的led技術(shù)提供了與MR16兼容、高度可靠、具有高性價(jià)比的鹵素?zé)籼娲桨?。例如?a href="http://www.ttokpm.com/tags/安森美/" target="_blank">安森美半導(dǎo)體能驅(qū)動(dòng)3顆串聯(lián)LED的驅(qū)動(dòng)器CAT4201就為設(shè)計(jì)MR16 LED燈的工程師提供了一個(gè)新的選擇。以下將結(jié)合MR16燈的特點(diǎn)，介紹用替代MR16鹵素?zé)舻母吣苄R16 LED燈驅(qū)動(dòng)器解決方案。

鹵素?zé)襞cLED的特性

MR16鹵素?zé)魬{借其獨(dú)特的尺寸、可配置性、聚光能力、美觀性和實(shí)用性，應(yīng)用于很多零售和消費(fèi)性應(yīng)用的創(chuàng)意照明。常見的MR16鹵素?zé)舻墓馔糠秶鸀?50流明（lm）至800 lm，光效約為15 lm/W，或15%的發(fā)光效率。低效率、產(chǎn)生熱量和鹵素囊處理問(wèn)題是這種技術(shù)的缺點(diǎn)。另外，典型的鹵素?zé)襞輭勖s為2，000小時(shí)。還可能由于猛烈的振動(dòng)導(dǎo)致燈絲斷路使燈泡過(guò)早損壞。

相比較，LED具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，耗電相當(dāng)?shù)?，一般LED的工作電壓是2至3.6 V。LED是一種冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比普通照明光源低很多；LED完全封裝在環(huán)氧樹脂中，燈體內(nèi)也沒(méi)有松動(dòng)部分，不易損壞，在恰當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流和電壓下，LED的使用壽命可達(dá)5至10萬(wàn)小時(shí)；LED由無(wú)毒的材料制成，沒(méi)有污染。LED目前的不足是價(jià)格相對(duì)較貴，發(fā)熱量的處理有一定難度，因此驅(qū)動(dòng)電源是LED燈整體壽命的一個(gè)關(guān)鍵要素。

用LED MR16燈替代低效MR16鹵素?zé)?/p>

安森美半導(dǎo)體的CAT4201是一款能驅(qū)動(dòng)3顆串聯(lián)LED的300 mA LED驅(qū)動(dòng)器，可應(yīng)用于MR-16 LED燈設(shè)計(jì)。由于器件經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，因此在外部元件數(shù)量和熱性能方面都更臻完善。

·電路特點(diǎn)

CAT4201采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不要求輸入/輸出（I/O）電氣隔離，輸入電壓為12 Vac，輸出功率為2.7 W；其他規(guī)格包括：輸出電壓為9.1 V，額定輸入功率3.4 W，額定平均電流為300 mA，最大平均電流310 mA，最小平均電流295 mA，典型能效為83％。圖1是采用CAT4201的MR16燈電路。

圖1：采用CAT4201的MR16燈電路

CAT4201是一款降壓型、易于配置的可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器。該器件采用5引腳SOT-23封裝；分立元件不到10個(gè)（其中大部分是表面貼裝元件），整個(gè)電路板可小到足以放入MR16燈的燈座內(nèi)。VBAT、CTRL和SW引腳的額定電壓為40 V，所以可以用足夠的電壓驅(qū)動(dòng)12個(gè)LED。RSET引腳決定輸出直流電流；CTRL用于調(diào)光信號(hào)輸入。SW是內(nèi)部MOSFET的輸出引腳。

·工作原理

該應(yīng)用電路的工作原理并不復(fù)雜，是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器。在交流應(yīng)用情況下，輸入經(jīng)整流橋進(jìn)行整流。VBAT和GND直接連接至大容量電容C1的兩個(gè)端點(diǎn)，從而降低了電流紋波。在第一開關(guān)相位期間，內(nèi)部MOSFET隨線性上升電流對(duì)電感器充電，直到MOSFET關(guān)閉；在第二相位期間，MOSFET被關(guān)斷，而儲(chǔ)存在電感器中的電流將通過(guò)肖特基二極管（D5）放電，同時(shí)電流衰減，直至下一個(gè)開關(guān)周期。輸出電容用來(lái)減少LED中的電流紋波。RSET引腳的電壓被調(diào)節(jié)在1.2 V，因此連接至RSET的電阻決定RSET電流。RSET電流與CAT4201的恒流輸出大致成正比。

·電路配置

在電路配置方面，VBAT的額定電壓為-0.3至40 V，因此整流橋上的輸入電壓高達(dá)24 Vac也是安全的。要保持較高輸入電壓水平就需要一個(gè)大容量的C1。大幅波動(dòng)的經(jīng)整流的AC電流將在雙倍AC線路頻率條件下把輸出電流拉至零，因此減少了輸出電流。220 μF的電容對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)足夠了。對(duì)于12 Vac輸入，C1額定電壓應(yīng)該是25 V。由于需要較低的正向電壓，整流橋選用了MBR0520L表面貼裝肖特基二極管。

輸出電容C2建議至少為4.7 μF，以減少輸出紋波。較大容量的C2將有效抑制輸出紋波，同時(shí)可提高幾毫安的輸出電流。不過(guò)，由于其對(duì)總能效的貢獻(xiàn)微不足道，且人眼無(wú)法感知高頻波動(dòng)，沒(méi)有必要使用大于10 μF的電容。L的值建議為22 μH，以將開關(guān)頻率設(shè)置在約為150 kHz。LED電流范圍為0至350 mA，所以800 mA左右的電感有效額定電流就足夠了。

流經(jīng)整流器的總連續(xù)電流始終低于400 mA，即使提供的輸出電流為350 mA。因此，對(duì)整流器來(lái)說(shuō)0.5 A的連續(xù)額定電流就足夠了。仔細(xì)觀察續(xù)流二極管D5兩端的電壓可以發(fā)現(xiàn)，盡管有12 Vac輸入，也會(huì)出現(xiàn)超過(guò)20 V的電壓尖峰。較高的輸入電壓（如15 V）進(jìn)一步加大了二極管的應(yīng)力，增加了故障風(fēng)險(xiǎn)。所以D5上的額定電壓應(yīng)為30 V或40 V。安森美半導(dǎo)體的肖特基整流器MBR0540可用作D5。

RSET引腳用來(lái)配置輸出電流值。RSET電壓調(diào)節(jié)在1.2 V。在RSET和GND之間增加一個(gè)電阻可以決定RSET電流，該電流與輸出恒壓為近似的線性關(guān)系：

計(jì)算得出，對(duì)于300 mA輸出，IRSET = 0.12 mA。RSET電阻值應(yīng)該是10kΩ。較小的RSET電阻可能會(huì)增加輸出電流，為了穩(wěn)定運(yùn)行建議使用至少8.0 kΩ的電阻。如果輸入電壓足夠高（如15 Vac），可以設(shè)置RSET為8.2 kΩ，因此可保證至少350 mA的輸出電流。CTRL經(jīng)R2從LED的陰極獲得電壓。R2的值并不重要。

性能及特點(diǎn)

從以下圖2至圖4顯示的波形可以了解電路的基本性能及特點(diǎn)。其測(cè)試設(shè)備包括：Global Specialties 1506 AC隔離型電壓可變AC線路電源；Voltech PM1000電源分析儀；泰克TDS754D數(shù)字熒光示波器；泰克TCP202電流探頭；安捷倫34401A萬(wàn)用表。

圖2：輸入電壓、輸出電流與效率的關(guān)系

在根據(jù)圖1的電路圖配置的電路中，Vin=12 Vac 50Hz。由于AC線路輸入，LED電流出現(xiàn)了很輕微的低頻（AC頻率的兩倍，2 × 50HZ）波動(dòng)。使用較大容量的C1或較高的Vin將進(jìn)一步平穩(wěn)與AC相關(guān)的紋波電流。

圖3：LED電流波形

在根據(jù)圖1的電路圖配置的電路中，啟動(dòng)和斷電瞬態(tài)如圖4所示。

圖4：?jiǎn)?dòng)和斷電瞬態(tài)

設(shè)計(jì)緊湊

CAT4201驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)是緊湊的電路和高能效，使得它非常適合替代基于燈絲的燈泡，如射燈應(yīng)用。這款超小設(shè)計(jì)可以放進(jìn)MR16型LED射燈的標(biāo)準(zhǔn)連接器（燈座）空間內(nèi)，將這些對(duì)溫度敏感的元件與發(fā)熱的LED盡量分隔開。

由于經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，該設(shè)計(jì)在元件數(shù)量和熱性能方面都更臻完善。這款設(shè)計(jì)一般可在鏡面部分使用3個(gè)1 W LED，還可以做出調(diào)整，滿足照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的要求。在最終的解決方案中，LED電流及電容器的大小都要有所取舍，以達(dá)致最理想的能效、精度、尺寸及元件數(shù)量。

圖5：微型LED驅(qū)動(dòng)板可以嵌入燈座內(nèi)

總結(jié)

該設(shè)計(jì)中提供了使用CAT4201設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)3顆LED的MR-16燈所需的各種要素。CAT4201有助于實(shí)現(xiàn)MR-16兼容適配器更小的尺寸和更少的元件。

減少電容器和電感值，或不使用CTRL電阻有可能進(jìn)一步降低成本和縮小PCB尺寸。使用小容量電容器會(huì)導(dǎo)致平均輸出電流的大幅下降，因此不推薦這樣做，但適用于亮度較低的（200至250 mA）的應(yīng)用。選擇較小正向電壓的高品質(zhì)LED對(duì)實(shí)現(xiàn)更大輸出電流的設(shè)計(jì)非常重要。
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