MR16 灯属于多面向反射灯的一种,广泛用于商业零售和家居的装饰性照明,由 于它通常以卤素灯丝作为光源,故有诸多缺点如低效率、产生较多热量和卤素囊处理 等问题.。但当前的 LED 技术提供了与 MR16 兼容、高度可靠、具有高性价比的卤素 灯替代方案。例如,安森美半导体能驱动 3 颗串联 LED 的驱动器 CAT4201 就为设计 MR16 LED 灯的工程师提供了一个新的选择。以下将结合 MR16 灯的特点,介绍用替 代 MR16 卤素灯的高能效 MR16 LED 灯驱动器解决方案。
卤素灯与 LED 的特性 MR16 卤素灯凭借其独特的尺寸、可配置性、聚光能力、美观性和实用性,应用 于很多零售和消费性应用的创意照明。常见的 MR16 卤素灯的光通量范围为 150 流明 (lm)至 800 lm,光效约为 15 lm/W,或 15%的发光效率。低效率、产生热量和卤素囊 处理问题是这种技术的缺点。另外,典型的卤素灯泡寿命约为 2,000 小时。还可能由 于猛烈的振动导致灯丝断路使灯泡过早损坏。
相比较,LED 具有节能环保的优点,耗电相当低,一般 LED 的工作电压是 2 至 3.6 V。LED 是一种冷发光技术,发热量比普通照明光源低很多;LED 完全封装在环 氧树脂中,灯体内也没有松动部分,不易损坏,在恰当的电流和电压下,LED 的使用 寿命可达 5 至 10 万小时;LED 由无毒的材料制成,没有污染。LED 目前的不足是价 格相对较贵,发热量的处理有一定难度,因此驱动电源是 LED 灯整体寿命的一个关键 要素。
用 LED MR16 灯替代低效 MR16 卤素灯
安森美半导体的 CAT4201 是一款能驱动 3 颗串联 LED 的 300 mA LED 驱动器, 可应用于 MR-16 LED 灯设计。由于器件经过了优化,因此在外部元件数量和热性能 方面都更臻完善。
· 电路特点
CAT4201 采用降压拓扑结构,不要求输入/输出(I/O)电气隔离,输入电压为 12 Vac,输出功率为 2.7 W;其他规格包括:输出电压为 9.1 V,额定输入功率 3.4 W,
额定平均电流为 300 mA,最大平均电流 310 mA,最小平均电流 295 mA,典型能效
为 83%。图 1 是采用 CAT4201 的 MR16 灯电路。
CAT4201 是一款降压型、易于配置的可调光 LED 驱动器。该器件采用 5 引脚 SOT-23 封装;分立元件不到 10 个(其中大部分是表面贴装元件),整个电路板可小到
足以放入 MR16 灯的灯座内。VBAT、CTRL 和 SW 引脚的额定电压为 40 V,所以可
以用足够的电压驱动 12 个 LED。RSET 引脚决定输出直流电流;CTRL 用于调光信号
输入。SW 是内部 MOSFET 的输出引脚。
· 工作原理
该应用电路的工作原理并不复杂,是一个简单的降压转换器。在交流应用情况下,
输入经整流桥进行整流。VBAT 和 GND 直接连接至大容量电容 C1 的两个端点,从而
降低了电流纹波。在第一开关相位期间,内部 MOSFET 随线性上升电流对电感器充
电,直到 MOSFET 关闭;在第二相位期间,MOSFET 被关断,而储存在电感器中的
电流将通过肖特基二极管(D5)放电,同时电流衰减,直至下一个开关周期。输出电容
用来减少 LED 中的电流纹波。RSET 引脚的电压被调节在 1.2 V,因此连接至 RSET 的电阻决定 RSET 电流。RSET 电流与 CAT4201 的恒流输出大致成正比。
·电路配置
在电路配置方面,VBAT 的额定电压为-0.3 至+40 V,因此整流桥上的输入电压高 达 24 Vac 也是安全的。要保持较高输入电压水平就需要一个大容量的 C1。大幅波动
的经整流的 AC 电流将在双倍 AC 线路频率条件下把输出电流拉至零,因此减少了输
出电流。220 μF 的电容对这个设计已经足够了。对于 12 Vac 输入,C1 额定电压应该
是 25 V。由于需要较低的正向电压,整流桥选用了 MBR0520L 表面贴装肖特基二极
管。
输出电容 C2 建议至少为 4.7 μF,以减少输出纹波。较大容量的 C2 将有效抑制
输出纹波,同时可提高几毫安的输出电流。不过,由于其对总能效的贡献微不足道,
且人眼无法感知高频波动,没有必要使用大于 10 μF 的电容。L 的值建议为 22 μH,
以将开关频率设置在约为 150 kHz。LED 电流范围为 0 至 350 mA,所以 800 mA 左
右的电感有效额定电流就足够了。
流经整流器的总连续电流始终低于 400 mA,即使提供的输出电流为 350 mA。因
此,对整流器来说 0.5 A 的连续额定电流就足够了。仔细观察续流二极管 D5 两端的电
压可以发现,尽管有 12 Vac 输入,也会出现超过 20 V 的电压尖峰。较高的输入电压(如 15 V)进一步加大了二极管的应力,增加了故障风险。所以 D5 上的额定电压应为 30 V 或 40 V。安森美半导体的肖特基整流器 MBR0540 可用作 D5。
RSET 引脚用来配置输出电流值。RSET 电压调节在 1.2 V。在 RSET 和 GND 之
间增加一个电阻可以决定 RSET 电流,该电流与输出恒压为近似的线性关系:
计算得出,对于 300
mA输出,IRSET = 0.12 mA。RSET电阻值应该是 10k?。较
小的RSET电阻可能会增加输出电流,为了稳定运行建议使用至少 8.0 k?的电阻。如
果输入电压足够高(如 15 Vac),可以设置RSET为 8.2 k?,因此可保证至少 350 mA的输出电流。CTRL经R2 从LED的阴极获得电压。R2 的值并不重要。
性能及特点
从以下图 2 至图 4 显示的波形可以了解电路的基本性能及特点。其测试设备包括: Global Specialties 1506 AC 隔离型电压可变 AC 线路电源;Voltech
PM1000 电源分
析仪;泰克 TDS754D 数字荧光示波器;泰克 TCP202 电流探头;安捷伦 34401A 万
用表。
在根据图 1 的电路图配置的电路中,Vin=12
Vac 50Hz。由于 AC 线路输入,LED 电流出现了很轻微的低频(AC 频率的两倍,2 × 50HZ)波动。使用较大容量的 C1 或较
高的 Vin 将进一步平稳与 AC 相关的纹波电流。
设计紧凑
CAT4201 驱动器的优势是紧凑的电路和高能效,使得它非常适合替代基于灯丝的
灯泡,如射灯应用。这款超小设计可以放进 MR16 型 LED 射灯的标准连接器(灯座)空
间内,将这些对温度敏感的元件与发热的 LED 尽量分隔开。
由于经过了优化,该设计在元件数量和热性能方面都更臻完善。这款设计一般可
在镜面部分使用 3 个 1 W LED,还可以做出调整,满足照明系统设计人员的要求。在
最终的解决方案中,LED 电流及电容器的大小都要有所取舍,以达致最理想的能效、
精度、尺寸及元件数量。
总结
该设计中提供了使用 CAT4201 设计驱动 3 颗 LED 的 MR-16 灯所需的各种要素。 CAT4201 有助于实现 MR-16 兼容适配器更小的尺寸和更少的元件。
减少电容器和电感值,或不使用 CTRL 电阻有可能进一步降低成本和缩小 PCB 尺寸。使用小容量电容器会导致平均输出电流的大幅下降,因此不推荐这样做,但适
用于亮度较低的(200 至 250 mA)的应用。选择较小正向电压的高品质 LED 对实现更
大输出电流的设计非常重要。