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摘要：利用LED替代MR16鹵素燈能夠有效降低能耗，節(jié)省電路及系統(tǒng)維護的成本。本應用筆記詳細說明了在當前的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)動電路結(jié)合散熱器，能夠在MR16照明燈中替代10W的鹵素燈。
本文還發(fā)表于Maxim工程期刊，第61期(PDF, 1MB)。
例如，美國能源部預計僅將嵌入式聚光燈替換成LED一項，每年就可節(jié)省81.2萬億瓦時(TWh)的電能，相當于670萬個家庭的年用電量。綜上，僅此一項所節(jié)省的電能即可減少13個1000MW火電廠的建造2。
MR16鹵素燈因其較高的效率，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鹵素燈的效率約為每瓦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，但MR16鹵素燈仍有許多待改進之處。
如今的LED技術(shù)為鹵素燈提供了高性價比、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時的典型光效為45lm/W。實際工作條件下，該指標等效于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燈節(jié)省了50%的功耗。
此外，典型鹵素燈的使用時間在2000hrs以內(nèi)，LedEngin預計其LED在長期工作(100,000hrs、TJ = +120°C)后仍可保持相當高(90%)的光照強度。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，從而降低維護和使用費用。
圖1. 采用MAX16820 LED驅(qū)動器構(gòu)建的5W MR16 LED燈驅(qū)動電路，圖中LED為LedEngin的5W WLED。
表1. 5W MR16 LED驅(qū)動電路的元件列表
表2. 5W MR16 LED燈驅(qū)動電路的電氣參數(shù)
MAX16820是針對LED驅(qū)動應用，特別是基于LED的MR16設計而設計，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)動外部高性價比MOSFET，以提供寬范圍的LED電流驅(qū)動能力。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25W或更高的功率，其2MHz (典型值)的開關頻率允許使用小尺寸外部電感和電容，使驅(qū)動電路可以放置到MR16燈具內(nèi)。
圖1所示5W MR16 LED燈驅(qū)動器，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)動電流。Buck LED驅(qū)動器設計可提供1A的直流輸出電流。驅(qū)動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)動器，并具有5%的LED電流精度。
為了保證5W HB LED在整個電源、頻率范圍內(nèi)提供固定的1A電流，應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?？傠娙葜辽贋?00μF，可使用標稱值為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的大小可由下式計算：
若VAC_IN = 12V，δ = 10%、VO = 3.6V，電感L1應大于37μH。由此，這里L1選則了39μH的標準電感，而δ是所允許的交流輸入電壓波動百分比，VO是LED的正向?qū)妷骸?br>
該設計利用LedEngin 5W、基于WLED的MR16燈進行了測試，裝置如圖2所示。圖3至圖6所示為該設計的測試波形。輸入電壓為12VAC (標稱值)，輸出電流紋波約為10%。
圖2. LedEngin基于LED的MR16燈有一個獨特的散熱片，用于向空中散熱。基于MAX16820的燈驅(qū)動器電路板放置在散熱片后面。
圖3. 第一個MR16參考設計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輸出電流紋波的細節(jié)。
圖5. 測試平臺中，CH1所示為MOSFET柵極驅(qū)動器電壓包絡，CH2所示為漏-源電壓包絡。
圖6. CH1所示為MOSFET柵極驅(qū)動波形，CH2所示為漏-源電壓波形。
如圖4所示，當采用200μF的直流濾波電容時，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)動器，測試結(jié)果表明交流輸入電壓的紋波和變化量會超過8.5V，但輸出LED電流仍穩(wěn)定在1A。
圖7所示MR16燈驅(qū)動器的PCB有兩層。頂層和低層放置了所有元件和兩個交流輸入連接焊盤、兩個直流輸出連接焊盤(標記為LED+和LED-)。
圖7. 在5W MR16 LED燈驅(qū)動器的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)動器的PCB安裝在散熱片的背面。
值得注意的是5W MR16 LED燈的獨特散熱槽設計，與鹵素燈中把燈管產(chǎn)生的熱量直接輻射到周圍空氣不同，在基于LED的設計中，熱量首先被傳導到散熱片(如圖2中所示)，然后再通過對流方式耗散到空中。
如需獲取Maxim最新的MR16驅(qū)動器配合標準調(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 (English only)。
參考文獻
1Energy Information Administration, Annual Energy Outlook 2008 (Washington DC, June 2008).
2U.S. Department of Energy, Energy Savings Estimates of Light Emitting Diodes in Niche Lighting Applications (Washington DC, 2008).
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，美國能源部預計僅將嵌入式聚光燈替換成LED一項，每年就可節(jié)省81.2萬億瓦時(TWh)的電能，相當于670萬個家庭的年用電量。綜上，僅此一項所節(jié)省的電能即可減少13個1000MW火電廠的建造2。
MR16鹵素燈因其較高的效率，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鹵素燈的效率約為每瓦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，但MR16鹵素燈仍有許多待改進之處。
如今的LED技術(shù)為鹵素燈提供了高性價比、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時的典型光效為45lm/W。實際工作條件下，該指標等效于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燈節(jié)省了50%的功耗。
此外，典型鹵素燈的使用時間在2000hrs以內(nèi)，LedEngin預計其LED在長期工作(100,000hrs、TJ = +120°C)后仍可保持相當高(90%)的光照強度。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，從而降低維護和使用費用。
MR16 LED的參考設計
在圖1所示MR16 LED參考設計中，Maxim選擇LedEngin的5W白光LED (WLED)，用于演示MAX16820的1000mA電流驅(qū)動能力。表1和表2列出了詳細的MR16參考設計的元件和電氣參數(shù)，該參考設計采用大多數(shù)MR16應用中的12VAC ±10%典型輸入電壓。圖1. 采用MAX16820 LED驅(qū)動器構(gòu)建的5W MR16 LED燈驅(qū)動電路，圖中LED為LedEngin的5W WLED。
表1. 5W MR16 LED驅(qū)動電路的元件列表
| 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)動應用，特別是基于LED的MR16設計而設計，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)動外部高性價比MOSFET，以提供寬范圍的LED電流驅(qū)動能力。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25W或更高的功率，其2MHz (典型值)的開關頻率允許使用小尺寸外部電感和電容，使驅(qū)動電路可以放置到MR16燈具內(nèi)。
圖1所示5W MR16 LED燈驅(qū)動器，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)動電流。Buck LED驅(qū)動器設計可提供1A的直流輸出電流。驅(qū)動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)動器，并具有5%的LED電流精度。
為了保證5W HB LED在整個電源、頻率范圍內(nèi)提供固定的1A電流，應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?？傠娙葜辽贋?00μF，可使用標稱值為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的大小可由下式計算：
若VAC_IN = 12V，δ = 10%、VO = 3.6V，電感L1應大于37μH。由此，這里L1選則了39μH的標準電感，而δ是所允許的交流輸入電壓波動百分比，VO是LED的正向?qū)妷骸?br>
該設計利用LedEngin 5W、基于WLED的MR16燈進行了測試，裝置如圖2所示。圖3至圖6所示為該設計的測試波形。輸入電壓為12VAC (標稱值)，輸出電流紋波約為10%。
圖2. LedEngin基于LED的MR16燈有一個獨特的散熱片，用于向空中散熱。基于MAX16820的燈驅(qū)動器電路板放置在散熱片后面。
圖3. 第一個MR16參考設計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輸出電流紋波的細節(jié)。
圖5. 測試平臺中，CH1所示為MOSFET柵極驅(qū)動器電壓包絡，CH2所示為漏-源電壓包絡。
圖6. CH1所示為MOSFET柵極驅(qū)動波形，CH2所示為漏-源電壓波形。
如圖4所示，當采用200μF的直流濾波電容時，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)動器，測試結(jié)果表明交流輸入電壓的紋波和變化量會超過8.5V，但輸出LED電流仍穩(wěn)定在1A。
圖7所示MR16燈驅(qū)動器的PCB有兩層。頂層和低層放置了所有元件和兩個交流輸入連接焊盤、兩個直流輸出連接焊盤(標記為LED+和LED-)。
圖7. 在5W MR16 LED燈驅(qū)動器的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)動器的PCB安裝在散熱片的背面。
值得注意的是5W MR16 LED燈的獨特散熱槽設計，與鹵素燈中把燈管產(chǎn)生的熱量直接輻射到周圍空氣不同，在基于LED的設計中，熱量首先被傳導到散熱片(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參考設計能夠顯著提高亮度。因此，該設計省去了為了滿足MR16需求，在10W鹵素燈方案中所需的多個輻射源。如需獲取Maxim最新的MR16驅(qū)動器配合標準調(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 (English only)。
參考文獻
1Energy Information Administration, Annual Energy Outlook 2008 (Washington DC, June 2008).
2U.S. Department of Energy, Energy Savings Estimates of Light Emitting Diodes in Niche Lighting Applications (Washington DC, 2008).
工商網(wǎng)監(jiān)
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