用LED替代低效率的MR16卤素灯

摘要：利用LED替代MR16卤素灯能够有效降低能耗，节省电路及系统维护的成本。本应用笔记详细说明了在当前的MR16照明系统中采用LED的优势，文中给出的5W白光LED驱动电路结合散热器，能够在MR16照明灯中替代10W的卤素灯。

本文还发表于Maxim工程期刊，第61期(PDF, 1MB)。

LED照明可有效节能

如今，照明占美国用电量的近五分之一¹，其绝大部分仍然使用低效率(< 5%)的白炽灯。推广节能照明技术将大大节省电能，减少二氧化碳排放量，并减少新建发电厂的需求。

例如，美国能源部预计仅将嵌入式聚光灯替换成LED一项，每年就可节省81.2万亿瓦时(TWh)的电能，相当于670万个家庭的年用电量。综上，仅此一项所节省的电能即可减少13个1000MW火电厂的建造²。

MR16卤素灯因其较高的效率，被广泛用于替代商用和家用照明中的白炽灯。常用MR16灯的功耗范围为10W至50W，其光通量范围为150流明(lm)至800lm。因此，典型的MR16卤素灯的效率约为每瓦15流明(lm/W)或发光效率为15%。虽然低效率白炽灯有所改进，但MR16卤素灯仍有许多待改进之处。

如今的LED技术为卤素灯提供了高性价比、MR16兼容的固态照明替代方案。例如，LedEngin™最新一代的5W (单芯片、4mm × 4mm封装)和10W (四芯片、7mm × 7mm封装)大功率LED在电流为1000mA、结温(TJ)为+120°C时的典型光效为45lm/W。实际工作条件下，该指标等效于155lm (1000mA、TJ = +120°C、5W封装)和345lm (700mA、TJ = +120°C、10W封装)的典型光通量。这些LED在相同亮度条件下比卤素灯节省了50%的功耗。

此外，典型卤素灯的使用时间在2000hrs以内，LedEngin预计其LED在长期工作(100,000hrs、TJ = +120°C)后仍可保持相当高(90%)的光照强度。LED较长的使用寿命有效降低了产品有效期内的灯泡更换率，从而降低维护和使用费用。

MR16 LED的参考设计

在图1所示MR16 LED参考设计中，Maxim选择LedEngin的5W白光LED (WLED)，用于演示MAX16820的1000mA电流驱动能力。表1和表2列出了详细的MR16参考设计的元件和电气参数，该参考设计采用大多数MR16应用中的12VAC ±10%典型输入电压。


图1. 采用MAX16820 LED驱动器构建的5W MR16 LED灯驱动电路，图中LED为LedEngin的5W WLED。

表1. 5W MR16 LED驱动电路的元件列表

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灯驱动电路的电气参数

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是针对LED驱动应用，特别是基于LED的MR16设计而设计，是MR16 LED灯电路的理想选择。MAX16820采用超小型、6引脚TDFN封装，工作在4.5V至28V输入电压，能够驱动外部高性价比MOSFET，以提供宽范围的LED电流驱动能力。MAX16820工作在汽车级温度范围(–40°C至+125°C)，可安全工作于MR16灯具的高温环境中。此外，MAX16820还可提供高达25W或更高的功率，其2MHz (典型值)的开关频率允许使用小尺寸外部电感和电容，使驱动电路可以放置到MR16灯具内。

图1所示5W MR16 LED灯驱动器，包括整流桥(D1–D4)、100µF滤波电容(C1和C2)以及buck转换电路。该buck LED转换器由MAX16820、buck电感(L1)、功率MOSFET (Q1)、续流二极管(D5)以及检流电阻(R1)组成。

5W高亮度LED (HB LED)需要1A的驱动电流。Buck LED驱动器设计可提供1A的直流输出电流。驱动器采用滞回控制方案，控制buck电感的电流，提供LED所需的1A电流。MAX16820的滞回控制有助于构建简单、高度可靠的驱动器，并具有5%的LED电流精度。

为了保证5W HB LED在整个电源、频率范围内提供固定的1A电流，应在直流总线上连接滤波电容，以限制直流电源线的电压纹波。总电容至少为200µF，可使用标称值为220µF/25V的钽电容或电解电容，以降低成本。

为了保证足够的输出电流精度，电感电流的最大ΔI/ΔT应低于0.4A/µs。如图1所示，电感的最大压降为VL1MAX，电感L1的大小可由下式计算：





若VAC_IN = 12V，δ = 10%、VO = 3.6V，电感L1应大于37µH。由此，这里L1选则了39µH的标准电感，而δ是所允许的交流输入电压波动百分比，VO是LED的正向导通电压。

该设计利用LedEngin 5W、基于WLED的MR16灯进行了测试，装置如图2所示。图3至图6所示为该设计的测试波形。输入电压为12VAC (标称值)，输出电流纹波约为10%。


图2. LedEngin基于LED的MR16灯有一个独特的散热片，用于向空中散热。基于MAX16820的灯驱动器电路板放置在散热片后面。


图3. 第一个MR16参考设计平台测试的输入交流电流如CH1所示，输出直流电流如CH2所示。


图4. CH2输出电流纹波的细节。


图5. 测试平台中，CH1所示为MOSFET栅极驱动器电压包络，CH2所示为漏-源电压包络。


图6. CH1所示为MOSFET栅极驱动波形，CH2所示为漏-源电压波形。

如图4所示，当采用200µF的直流滤波电容时，直流电源总线的电压纹波为8.5V。基于MAX16820的滞回控制模式具有良好的电源调整率，由于输入总线电压纹波很小，因此减少了输出LED电流的变化。对于5W MR16 LED灯驱动器，测试结果表明交流输入电压的纹波和变化量会超过8.5V，但输出LED电流仍稳定在1A。

图7所示MR16灯驱动器的PCB有两层。顶层和低层放置了所有元件和两个交流输入连接焊盘、两个直流输出连接焊盘(标记为LED+和LED-)。


图7. 在5W MR16 LED灯驱动器的PCB丝网印刷层(顶层和底层)上可以看到直流输出的连接焊盘LED+和LED-。

在HB LED应用中，如果想要在100khr后仍能长期保持90%的流明效率，最好把5W LedEngin LED的结温限制在+120°C以内。作为一个低成本散热方案，散热片可把LED结产生的热量耗散到空气中。5W MR16 LED灯的散热片可耗散5W的LED功率，5W MR16 LED灯驱动器的PCB安装在散热片的背面。

值得注意的是5W MR16 LED灯的独特散热槽设计，与卤素灯中把灯管产生的热量直接辐射到周围空气不同，在基于LED的设计中，热量首先被传导到散热片(如图2中所示)，然后再通过对流方式耗散到空中。

结论

与其它低功率(1W和3W) LED方案相比，大功率、5W MR16 LED参考设计能够显著提高亮度。因此，该设计省去了为了满足MR16需求，在10W卤素灯方案中所需的多个辐射源。

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参考文献

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).