摘要：利用LED替代MR16鹵素燈能夠有效降低能耗，節省電路及系統維護的成本。本應用筆記詳細說明了在當前的MR16照明系統中采用LED的優勢，文中給出的5W白光LED驅動電路結合散熱器，能夠在MR16照明燈中替代10W的鹵素燈。

本文還發表于Maxim工程期刊，第61期(PDF, 1MB)。

LED照明可有效節能

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。推廣節能照明技術將大大節省電能，減少二氧化碳排放量，并減少新建發電廠的需求。

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技術為鹵素燈提供了高性價比、MR16兼容的固態照明替代方案。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省了50%的功耗。

此外，典型鹵素燈的使用時間在2000hrs以內，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品有效期內的燈泡更換率，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，該參考設計采用大多數MR16應用中的12VAC ±10%典型輸入電壓。


圖1. 采用MAX16820 LED驅動器構建的5W MR16 LED燈驅動電路，圖中LED為LedEngin的5W WLED。

表1. 5W MR16 LED驅動電路的元件列表

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燈驅動電路的電氣參數

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，能夠驅動外部高性價比MOSFET，以提供寬范圍的LED電流驅動能力。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，使驅動電路可以放置到MR16燈具內。

圖1所示5W MR16 LED燈驅動器，包括整流橋(D1–D4)、100μF濾波電容(C1和C2)以及buck轉換電路。該buck LED轉換器由MAX16820、buck電感(L1)、功率MOSFET (Q1)、續流二極管(D5)以及檢流電阻(R1)組成。

5W高亮度LED (HB LED)需要1A的驅動電流。Buck LED驅動器設計可提供1A的直流輸出電流。驅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建簡單、高度可靠的驅動器，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。總電容至少為200μF，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的正向導通電壓。

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。


圖5. 測試平臺中，CH1所示為MOSFET柵極驅動器電壓包絡，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。基于MAX16820的滯回控制模式具有良好的電源調整率，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燈驅動器，測試結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電流仍穩定在1A。

圖7所示MR16燈驅動器的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燈驅動器的PCB絲網印刷層(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的結溫限制在+120°C以內。作為一個低成本散熱方案，散熱片可把LED結產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。

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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).