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,，應用于很多零售和消費性應用的創(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?，LED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

　　該應用電路的工作原理并不復雜,，是一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器,。在交流應用情況下，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力，增加了故障風險,。所以D5上的額定電壓應為30 V或40 V,。安森美半導體的肖特基整流器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。