5W白光LED灯电路设计
5w白光led灯电路设计
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。
如需获取maxim最新的mr16驱动器配合标准调光方式和电子变压器工作的解决方案，请发送申请至： hbled@maxim-ic.com (english only)。
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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。
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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-。
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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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