MR16燈屬于多面向反射燈的一種,，廣泛用于商業(yè)零售和家居的裝飾性照明,，由于它通常以鹵素燈絲作為光源,，故有諸多缺點如低效率、產(chǎn)生較多熱量和鹵素囊處理等問題.。但當前的LED技術(shù)提供了與MR16兼容、高度可靠,、具有高性價比的鹵素燈替代方案。例如,，安森美半導(dǎo)體能驅(qū)動3顆串聯(lián)LED的驅(qū)動器CAT4201就為設(shè)計MR16 LED燈的工程師提供了一個新的選擇,。以下將結(jié)合MR16燈的特點，介紹用替代MR16鹵素燈的高能效MR16 LED燈驅(qū)動器解決方案,。
鹵素燈與LED的特性
MR16鹵素燈憑借其獨特的尺寸,、可配置性、聚光能力,、美觀性和實用性，應(yīng)用于很多零售和消費性應(yīng)用的創(chuàng)意照明,。常見的MR16鹵素燈的光通量范圍為150流明(lm)至800 lm,，光效約為15 lm/W，或15%的發(fā)光效率,。低效率,、產(chǎn)生熱量和鹵素囊處理問題是這種技術(shù)的缺點。另外，典型的鹵素燈泡壽命約為2,000小時,。還可能由于猛烈的振動導(dǎo)致燈絲斷路使燈泡過早損壞,。
相比較，LED具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點,，耗電相當?shù)?，一般LED的工作電壓是2至3.6 V。LED是一種冷發(fā)光技術(shù),，發(fā)熱量比普通照明光源低很多,；LED完全封裝在環(huán)氧樹脂中，燈體內(nèi)也沒有松動部分,，不易損壞,，在恰當?shù)碾娏骱碗妷合拢琇ED的使用壽命可達5至10萬小時,；LED由無毒的材料制成,，沒有污染。LED目前的不足是價格相對較貴,，發(fā)熱量的處理有一定難度,，因此驅(qū)動電源是LED燈整體壽命的一個關(guān)鍵要素。
用LED MR16燈替代低效MR16鹵素燈
安森美半導(dǎo)體的CAT4201是一款能驅(qū)動3顆串聯(lián)LED的300 mA LED驅(qū)動器,，可應(yīng)用于MR-16 LED燈設(shè)計,。由于器件經(jīng)過了優(yōu)化，因此在外部元件數(shù)量和熱性能方面都更臻完善,。
• 電路特點
CAT4201采用降壓拓撲結(jié)構(gòu),，不要求輸入/輸出(I/O)電氣隔離，輸入電壓為12 Vac,，輸出功率為2.7 W,；其他規(guī)格包括：輸出電壓為9.1 V，額定輸入功率3.4 W,，額定平均電流為300 mA,，最大平均電流310 mA，最小平均電流295 mA,，典型能效為83％,。圖1是采用CAT4201的MR16燈電路。
圖1：采用CAT4201的MR16燈電路
CAT4201是一款降壓型,、易于配置的可調(diào)光LED驅(qū)動器,。該器件采用5引腳SOT-23封裝；分立元件不到10個(其中大部分是表面貼裝元件),，整個電路板可小到足以放入MR16燈的燈座內(nèi),。VBAT、CTRL和SW引腳的額定電壓為40 V，所以可以用足夠的電壓驅(qū)動12個LED,。RSET引腳決定輸出直流電流,；CTRL用于調(diào)光信號輸入。SW是內(nèi)部MOSFET的輸出引腳,。
• 工作原理
該應(yīng)用電路的工作原理并不復(fù)雜,，是一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器。在交流應(yīng)用情況下,，輸入經(jīng)整流橋進行整流,。VBAT和GND直接連接至大容量電容C1的兩個端點，從而降低了電流紋波,。在第一開關(guān)相位期間,，內(nèi)部MOSFET隨線性上升電流對電感器充電，直到MOSFET關(guān)閉,；在第二相位期間,，MOSFET被關(guān)斷，而儲存在電感器中的電流將通過肖特基二極管(D5)放電,，同時電流衰減,，直至下一個開關(guān)周期。輸出電容用來減少LED中的電流紋波,。RSET引腳的電壓被調(diào)節(jié)在1.2 V,，因此連接至RSET的電阻決定RSET電流。RSET電流與CAT4201的恒流輸出大致成正比,。
•電路配置
在電路配置方面,，VBAT的額定電壓為-0.3至+40 V，因此整流橋上的輸入電壓高達24 Vac也是安全的,。要保持較高輸入電壓水平就需要一個大容量的C1,。大幅波動的經(jīng)整流的AC電流將在雙倍AC線路頻率條件下把輸出電流拉至零，因此減少了輸出電流,。220 μF的電容對這個設(shè)計已經(jīng)足夠了,。對于12 Vac輸入，C1額定電壓應(yīng)該是25 V,。由于需要較低的正向電壓,，整流橋選用了MBR0520L表面貼裝肖特基二極管。
輸出電容C2建議至少為4.7 μF,，以減少輸出紋波,。較大容量的C2將有效抑制輸出紋波，同時可提高幾毫安的輸出電流,。不過，由于其對總能效的貢獻微不足道，且人眼無法感知高頻波動,，沒有必要使用大于10 μF的電容,。L的值建議為22 μH，以將開關(guān)頻率設(shè)置在約為150 kHz,。LED電流范圍為0至350 mA,，所以800 mA左右的電感有效額定電流就足夠了。
流經(jīng)整流器的總連續(xù)電流始終低于400 mA,，即使提供的輸出電流為350 mA,。因此，對整流器來說0.5 A的連續(xù)額定電流就足夠了,。仔細觀察續(xù)流二極管D5兩端的電壓可以發(fā)現(xiàn),，盡管有12 Vac輸入，也會出現(xiàn)超過20 V的電壓尖峰,。較高的輸入電壓(如15 V)進一步加大了二極管的應(yīng)力,，增加了故障風(fēng)險。所以D5上的額定電壓應(yīng)為30 V或40 V,。安森美半導(dǎo)體的肖特基整流器MBR0540可用作D5,。
RSET引腳用來配置輸出電流值。RSET電壓調(diào)節(jié)在1.2 V,。在RSET和GND之間增加一個電阻可以決定RSET電流,，該電流與輸出恒壓為近似的線性關(guān)系：
計算得出，對于300 mA輸出,，IRSET = 0.12 mA,。RSET電阻值應(yīng)該是10kΩ。較小的RSET電阻可能會增加輸出電流,，為了穩(wěn)定運行建議使用至少8.0 kΩ的電阻,。如果輸入電壓足夠高(如15 Vac)，可以設(shè)置RSET為8.2 kΩ,，因此可保證至少350 mA的輸出電流,。CTRL經(jīng)R2從LED的陰極獲得電壓。R2的值并不重要,。
性能及特點
從以下圖2至圖4顯示的波形可以了解電路的基本性能及特點,。其測試設(shè)備包括：Global Specialties 1506 AC隔離型電壓可變AC線路電源；Voltech PM1000電源分析儀,；泰克TDS754D數(shù)字熒光示波器,；泰克TCP202電流探頭；安捷倫34401A萬用表,。
圖2：輸入電壓,、輸出電流與效率的關(guān)系
在根據(jù)圖1的電路圖配置的電路中,，Vin=12 Vac 50Hz。由于AC線路輸入,，LED電流出現(xiàn)了很輕微的低頻(AC頻率的兩倍,，2 × 50HZ)波動。使用較大容量的C1或較高的Vin將進一步平穩(wěn)與AC相關(guān)的紋波電流,。
圖3：LED電流波形
在根據(jù)圖1的電路圖配置的電路中,，啟動和斷電瞬態(tài)如圖4所示。
圖4：啟動和斷電瞬態(tài)
設(shè)計緊湊
CAT4201驅(qū)動器的優(yōu)勢是緊湊的電路和高能效,，使得它非常適合替代基于燈絲的燈泡,，如射燈應(yīng)用。這款超小設(shè)計可以放進MR16型LED射燈的標準連接器(燈座)空間內(nèi),，將這些對溫度敏感的元件與發(fā)熱的LED盡量分隔開,。
由于經(jīng)過了優(yōu)化，該設(shè)計在元件數(shù)量和熱性能方面都更臻完善,。這款設(shè)計一般可在鏡面部分使用3個1 W LED,，還可以做出調(diào)整，滿足照明系統(tǒng)設(shè)計人員的要求,。在最終的解決方案中,，LED電流及電容器的大小都要有所取舍，以達致最理想的能效,、精度,、尺寸及元件數(shù)量。
圖5：微型LED驅(qū)動板可以嵌入燈座內(nèi)
總結(jié)
該設(shè)計中提供了使用CAT4201設(shè)計驅(qū)動3顆LED的MR-16燈所需的各種要素,。CAT4201有助于實現(xiàn)MR-16兼容適配器更小的尺寸和更少的元件,。
減少電容器和電感值，或不使用CTRL電阻有可能進一步降低成本和縮小PCB尺寸,。使用小容量電容器會導(dǎo)致平均輸出電流的大幅下降,，因此不推薦這樣做，但適用于亮度較低的(200至250 mA)的應(yīng)用,。選擇較小正向電壓的高品質(zhì)LED對實現(xiàn)更大輸出電流的設(shè)計非常重要,。