5W白光LED燈電路設(shè)計(jì)
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利用LED替代MR16鹵素?zé)裟軌蛴行Ы档湍芎?，?jié)省電路及系統(tǒng)維護(hù)的成本。本應(yīng)用筆記詳細(xì)說明了在當(dāng)前的MR16照明系統(tǒng)中采用LED的優(yōu)勢，文中給出的5W白光LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合散熱器，能夠在MR16照明燈中替代10W的鹵素?zé)簟?
本文還發(fā)表于Maxim工程期刊，第61期(PDF, 1MB)。
LED照明可有效節(jié)能
如今，照明占美國用電量的近五分之一1，其絕大部分仍然使用低效率( 5%)的白熾燈。推廣節(jié)能照明技術(shù)將大大節(jié)省電能，減少二氧化碳排放量，并減少新建發(fā)電廠的需求。例如，美國能源部預(yù)計(jì)僅將嵌入式聚光燈替換成LED一項(xiàng)，每年就可節(jié)省81.2萬億瓦時(shí)(TWh)的電能，相當(dāng)于670萬個(gè)家庭的年用電量。綜上，僅此一項(xiàng)所節(jié)省的電能即可減少13個(gè)1000MW火電廠的建造2。
MR16鹵素?zé)粢蚱漭^高的效率，被廣泛用于替代商用和家用照明中的白熾燈。常用MR16燈的功耗范圍為10W至50W，其光通量范圍為150流明(lm)至800lm。因此，典型的MR16鹵素?zé)舻男始s為每瓦15流明(lm/W)或發(fā)光效率為15%。雖然低效率白熾燈有所改進(jìn)，但MR16鹵素?zé)羧杂性S多待改進(jìn)之處。
如今的LED技術(shù)為鹵素?zé)籼峁┝烁咝詢r(jià)比、MR16兼容的固態(tài)照明替代方案。例如，LedEngin?最新一代的5W (單芯片、4mm × 4mm封裝)和10W (四芯片、7mm × 7mm封裝)大功率LED在電流為1000mA、結(jié)溫(TJ)為+120°C時(shí)的典型光效為45lm/W。實(shí)際工作條件下，該指標(biāo)等效于155lm (1000mA、TJ = +120°C、5W封裝)和345lm (700mA、TJ = +120°C、10W封裝)的典型光通量。這些LED在相同亮度條件下比鹵素?zé)艄?jié)省了50%的功耗。
此外，典型鹵素?zé)舻氖褂脮r(shí)間在2000hrs以內(nèi)，LedEngin預(yù)計(jì)其LED在長期工作(100,000hrs、TJ = +120°C)后仍可保持相當(dāng)高(90%)的光照強(qiáng)度。LED較長的使用壽命有效降低了產(chǎn)品有效期內(nèi)的燈泡更換率，從而降低維護(hù)和使用費(fèi)用。
MR16 LED的參考設(shè)計(jì)
在圖1所示MR16 LED參考設(shè)計(jì)中，Maxim選擇LedEngin的5W白光LED (WLED)，用于演示MAX16820的1000mA電流驅(qū)動(dòng)能力。表1和表2列出了詳細(xì)的MR16參考設(shè)計(jì)的元件和電氣參數(shù)，該參考設(shè)計(jì)采用大多數(shù)MR16應(yīng)用中的12VAC ±10%典型輸入電壓。
圖1. 采用MAX16820 LED驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建的5W MR16 LED燈驅(qū)動(dòng)電路，圖中LED為LedEngin的5W WLED。
表1. 5W MR16 LED驅(qū)動(dòng)電路的元件列表
| Designation | Description |
| D1–D4 | Rectifier diodes FBR130 |
| C1, C2 | 100μF/25V tantalum capacitors or one 220μF/25V electrolytic capacitor |
| C4 | 1μF/25V ceramic capacitor |
| R1 | 0.2Ω ±1% sense resistor IRC LRC-LR1206LF-01-R200-F |
| C3 | 1μF/6.3V ceramic capacitor |
| Q1 | MOSFET FDN359BN |
| D5 | Freewheeling diode FBR130 |
| U1 | MAX16820 |
| L1 | 39μH/1.2A buck inductor Sumida CDRH6D38NP-390NC |
表2. 5W MR16 LED燈驅(qū)動(dòng)電路的電氣參數(shù)
| VIN (min) | 10.8VAC |
| VIN (max) | 13.2VAC |
| VLED (min) | 5V |
| VLED (max) | 3.1V |
| ILED | 1A |
| ILED Tolerance | ±15% |
| Open-LED Protection | Yes |
| Shorted-LED Protection | Yes |
MAX16820是針對LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，特別是基于LED的MR16設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)，是MR16 LED燈電路的理想選擇。MAX16820采用超小型、6引腳TDFN封裝，工作在4.5V至28V輸入電壓，能夠驅(qū)動(dòng)外部高性價(jià)比MOSFET，以提供寬范圍的LED電流驅(qū)動(dòng)能力。MAX16820工作在汽車級溫度范圍(–40°C至+125°C)，可安全工作于MR16燈具的高溫環(huán)境中。此外，MAX16820還可提供高達(dá)25W或更高的功率，其2MHz (典型值)的開關(guān)頻率允許使用小尺寸外部電感和電容，使驅(qū)動(dòng)電路可以放置到MR16燈具內(nèi)。
圖1所示5W MR16 LED燈驅(qū)動(dòng)器，包括整流橋(D1–D4)、100μF濾波電容(C1和C2)以及buck轉(zhuǎn)換電路。該buck LED轉(zhuǎn)換器由MAX16820、buck電感(L1)、功率MOSFET (Q1)、續(xù)流二極管(D5)以及檢流電阻(R1)組成。
5W高亮度LED (HB LED)需要1A的驅(qū)動(dòng)電流。Buck LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)可提供1A的直流輸出電流。驅(qū)動(dòng)器采用滯回控制方案，控制buck電感的電流，提供LED所需的1A電流。MAX16820的滯回控制有助于構(gòu)建簡單、高度可靠的驅(qū)動(dòng)器，并具有5%的LED電流精度。
為了保證5W HB LED在整個(gè)電源、頻率范圍內(nèi)提供固定的1A電流，應(yīng)在直流總線上連接濾波電容，以限制直流電源線的電壓紋波。總電容至少為200μF，可使用標(biāo)稱值為220μF/25V的鉭電容或電解電容，以降低成本。
為了保證足夠的輸出電流精度，電感電流的最大ΔI/ΔT應(yīng)低于0.4A/μs。如圖1所示，電感的最大壓降為VL1MAX，電感L1的大小可由下式計(jì)算：
若VAC_IN = 12V，δ = 10%、VO = 3.6V，電感L1應(yīng)大于37μH。由此，這里L(fēng)1選則了39μH的標(biāo)準(zhǔn)電感，而δ是所允許的交流輸入電壓波動(dòng)百分比，VO是LED的正向?qū)妷骸?BR>
該設(shè)計(jì)利用LedEngin 5W、基于WLED的MR16燈進(jìn)行了測試，裝置如圖2所示。圖3至圖6所示為該設(shè)計(jì)的測試波形。輸入電壓為12VAC (標(biāo)稱值)，輸出電流紋波約為10%。
圖2. LedEngin基于LED的MR16燈有一個(gè)獨(dú)特的散熱片，用于向空中散熱。基于MAX16820的燈驅(qū)動(dòng)器電路板放置在散熱片后面。
圖3. 第一個(gè)MR16參考設(shè)計(jì)平臺測試的輸入交流電流如CH1所示，輸出直流電流如CH2所示。
圖4. CH2輸出電流紋波的細(xì)節(jié)。
圖5. 測試平臺中，CH1所示為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器電壓包絡(luò)，CH2所示為漏-源電壓包絡(luò)。
圖6. CH1所示為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)波形，CH2所示為漏-源電壓波形。
如圖4所示，當(dāng)采用200μF的直流濾波電容時(shí)，直流電源總線的電壓紋波為8.5V?；贛AX16820的滯回控制模式具有良好的電源調(diào)整率，由于輸入總線電壓紋波很小，因此減少了輸出LED電流的變化。對于5W MR16 LED燈驅(qū)動(dòng)器，測試結(jié)果表明交流輸入電壓的紋波和變化量會(huì)超過8.5V，但輸出LED電流仍穩(wěn)定在1A。
圖7所示MR16燈驅(qū)動(dòng)器的PCB有兩層。頂層和低層放置了所有元件和兩個(gè)交流輸入連接焊盤、兩個(gè)直流輸出連接焊盤(標(biāo)記為LED+和LED-)。
圖7. 在5W MR16 LED燈驅(qū)動(dòng)器的PCB絲網(wǎng)印刷層(頂層和底層)上可以看到直流輸出的連接焊盤LED+和LED-。
在HB LED應(yīng)用中，如果想要在100khr后仍能長期保持90%的流明效率，最好把5W LedEngin LED的結(jié)溫限制在+120°C以內(nèi)。作為一個(gè)低成本散熱方案，散熱片可把LED結(jié)產(chǎn)生的熱量耗散到空氣中。5W MR16 LED燈的散熱片可耗散5W的LED功率，5W MR16 LED燈驅(qū)動(dòng)器的PCB安裝在散熱片的背面。
值得注意的是5W MR16 LED燈的獨(dú)特散熱槽設(shè)計(jì)，與鹵素?zé)糁邪褵艄墚a(chǎn)生的熱量直接輻射到周圍空氣不同，在基于LED的設(shè)計(jì)中，熱量首先被傳導(dǎo)到散熱片(如圖2中所示)，然后再通過對流方式耗散到空中。
結(jié)論
與其它低功率(1W和3W) LED方案相比，大功率、5W MR16 LED參考設(shè)計(jì)能夠顯著提高亮度。因此，該設(shè)計(jì)省去了為了滿足MR16需求，在10W鹵素?zé)舴桨钢兴璧亩鄠€(gè)輻射源。如需獲取Maxim最新的MR16驅(qū)動(dòng)器配合標(biāo)準(zhǔn)調(diào)光方式和電子變壓器工作的解決方案，請發(fā)送申請至：hbled@maxim-ic.com hbled@maxim-ic.com (English only)。
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