5W白光LED灯电路设计

2011-05-29 11:12:51来源: 互联网

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:

式1

式2

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 hbled@maxim-ic.com (English only)。

关键字:电路  电路设计  设计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0529/article_9280.html
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