5W MR16 LED灯的恒流驱动电路

5W MR16 LED灯的恒流驱动电路,LED constant current driver circuit

5W MR16 LED灯的恒流驱动电路

卤素MR16灯(MR16代表灯的杯口径为50mm)广泛应用于专业仓储和室内装饰照明。常用的卤素MR16灯的功耗在10~50W之间，输出光通量为150~800lm(流明)，等效的发光效率为15lm/W(流明/瓦)。卤素灯的典型寿命为2,000小时。此外，卤素灯的灯丝应避免出现大幅度的震动，以免灯泡过早失效。

LED技术提供了一个更具有成本效益的替代方案。比如，LedEngin公司的最新5W高亮度LED(一个芯片，4×4mm封装)和10W高亮度LED(4个芯片，7×7mm封装)的典型发光效率为45lm/W(@1,000mA/Tj＝120℃)。在实际应用中，5W LED可输出155lm(@1,000mA/Tj＝120℃)，10W LED输出345lm(@700mA/Tj=120℃)。可以看出，当输出光通量相同时，LED灯的功耗仅为卤素灯的50%。此外 ，当LED工作结温不超过120℃时，LED工作50,000个小时后仍保持90%的输出光通量。

在MR16灯的参考设计中，Maxim选用LedEngin公司的5W LED来演示MAX16820高达1A的电流驱动能力。在大部分MR16的应用中，输入电压为交流12V±10%。

MAX16820被专门设计用在MR16 LED灯的驱动应用中，采用了非常小的6引脚TDFN封装。MAX16820具有4.5~28V输入电压范围，能驱动具有成本效益的外部MOSFET，这使得采用MAX16820的驱动电路能提供很宽的驱动电流范围。此外，MAX16820的工作温度高达125℃，可以在MR16灯具内的高温环境中安全地工作。虽然MAX16820可以控制的输出功率达到25W，甚至更高，但其2MHz的开关频率使驱动电路可以采用小尺寸的电感和电容，这样便可以将驱动电路放置在MR16灯具中。

图1为5W MR16 LED灯的驱动电路。它由二极管整流桥D1~D4、100uF滤波电容C1&C2和降压型转换器电路组成，其中降压型转换器电路包含了LED驱动器MAX16820、电感(L)、功率MOSFET(Q)、续流二极管(D)和检流电阻(R)。

图1：传统的多芯图1：基于MAX16820的5W MR16 LED灯驱动电路。

5W的高亮度LED需要1A的驱动电流，因此降压型LED驱动电路被设计成可以提供1A的直流输出电流。这里采用滞环电流控制方法来控制降压电感电流(即LED电流)。MAX16820所采用的滞环电流控制方法使驱动电路非常简单，且具有很高的鲁棒性，从而保证7%的LED电流精度。

图2：通道一为交流输入电流，通道二为直流输出电流。

为保证5W LED在整个交流电源线频率周期内正常工作，在整流桥输出端并联了滤波电容来限制输出电压的波纹。该电容的电容值不小于200uF，可以选用220uF/25V的钽电容或电解电容。

图3：通道二为输出电流纹波。

为保证足够高的输出电流精度，电感电流的最大变化率di/dt要小于0.4A/us。在图1中，电感上的最大电压为V_LMAX，电感值可通过下式计算得到：

若V_{AC_IN}=12V、δ=10%、V_O=3.6，则电感值大于37uH，其标准值为39uH。这里，δ为输入交流电压的允许波动百分比、V_O为LED正向电压。实际测试波形如图2至图5所示，这里的输出电流纹波百分比为10%。

图4：通道一为MOSFET栅级驱动包络波形，通道二为MOSFET漏极到源极压差的包络波形。

上述测试波形是对基于LedEngin公司的LED的5W MR16 LED灯具的测试结果。图7为被测的5W MR16 LED灯具的图片。如图4所示，当直流滤波电容为200uF时，直流电压的纹波为8.5V。采用滞环电流控制方法的MAX16820表现出很好的电源电压调节特性，使得LED驱动电流的纹波非常小。测试结果显示，即使5W MR16 LED灯驱动电路的输入交流电压纹波大于8.5V，输出LED电流仍保持1A。

图6为MR16灯驱动电路的PCB版图，它采用两层PCB设计，所用器件都放置在顶层，底层用于接地连接。电路板上有两个交流电压输入焊盘和两个直流输出电流焊盘，后者分别标为LED+和LED-。

图5：通道一为MOSFET栅级驱动波形，通道二为MOSFET漏源极的压差波形。

图6：5W MR16 LED灯驱动电路的PCB版图。

在高亮度LED的应用中，如果要保证使用50,000个小时后的输出光通量仍保持为原来的90%以上，则要限制LED的结温低于120℃。采用散热器是将LED的热量传导到空气中的低成本方案。5W MR16 LED灯具采用散热器散热，LED驱动电路的PCB就安装在散热器的背面。

值得注意的是，MR16灯具的独特外形本身就和散热器很相似。卤素灯具主要将热辐射到空气中，而这款LED灯直接热传导到散热器(图7)，再通过对流将热散发到周围空气中。

图7：MR16灯及MAX16820驱动电路板(图形未等比例缩放)。

与其它的低功率LED(1W和3W LED)方案相比，采用了5W LED和MAX16820的高功率MR16的输出光通量显著增加，无需采用多灯级联方式就可以达到10W卤素灯的照明水平。

作者：Da Feng Weng、Mehmet Nalbant

美信集成产品公司