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意照明。常見的MR16鹵素燈的光通量范圍為150流明(lm)至800lm，光效約為15lm/W，或15%的發光效率。低效率、產生熱量和鹵素囊處理問題是這種技術的缺點。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具有節能環保的優點，耗電相當低，一般LED的工作電壓是2至3.6V。LED是一種冷發光技術，發熱量比普通照明光源低很多;LED完全封裝在環氧樹脂中，燈體內也沒有松動部分，不易損壞，在恰當的電流和電壓下，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，發熱量的處理有一定難度，因此驅動電源是LED燈整體壽命的一個關鍵要素。

　　用LEDMR16燈替代低效MR16鹵素燈

　　安森美半導體的CAT4201是一款能驅動3顆串聯LED的300mALED驅動器，可應用于MR-16LED燈設計。由于器件經過了優化，因此在外部元件數量和熱性能方面都更臻完善。

　　·電路特點

　　CAT4201采用降壓拓撲結構，不要求輸入/輸出(I/O)電氣隔離，輸入電壓為12Vac，輸出功率為2.7W;其他規格包括：輸出電壓為9.1V，額定輸入功率3.4W，額定平均電流為300mA，最大平均電流310mA，最小平均電流295mA，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、易于配置的可調光LED驅動器。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。VBAT、CTRL和SW引腳的額定電壓為40V，所以可以用足夠的電壓驅動12個LED。RSET引腳決定輸出直流電流;CTRL用于調光信號輸入。SW是內部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換器。在交流應用情況下，輸入經整流橋進行整流。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。在第一開關相位期間，內部MOSFET隨線性上升電流對電感器充電，直到MOSFET關閉;在第二相位期間，MOSFET被關斷，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引腳的電壓被調節在1.2V，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+40V，因此整流橋上的輸入電壓高達24Vac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。220μF的電容對這個設計已經足夠了。對于12Vac輸入，C1額定電壓應該是25V。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4.7μF，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10μF的電容。L的值建議為22μH，以將開關頻率設置在約為150kHz。LED電流范圍為0至350mA，所以800mA左右的電感有效額定電流就足夠了。

　　流經整流器的總連續電流始終低于400mA，即使提供的輸出電流為350mA。因此，對整流器來說0.5A的連續額定電流就足夠了。仔細觀察續流二極管D5兩端的電壓可以發現，盡管有12Vac輸入，也會出現超過20V的電壓尖峰。較高的輸入電壓(如15V)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30V或40V。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電壓調節在1.2V。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系：

　　計算得出，對于300mA輸出，IRSET=0.12mA。RSET電阻值應該是10kΩ。較小的RSET電阻可能會增加輸出電流，為了穩定運行建議使用至少8.0kΩ的電阻。如果輸入電壓足夠高(如15Vac)，可以設置RSET為8.2kΩ，因此可保證至少350mA的輸出電流。CTRL經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。其測試設備包括：GlobalSpecialties1506AC隔離型電壓可變AC線路電源;VoltechPM1000電源分析儀;泰克TDS754D數字熒光示波器;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系

　　在根據圖1的電路圖配置的電路中，Vin=12Vac50Hz。由于AC線路輸入，LED電流出現了很輕微的低頻(AC頻率的兩倍，2×50HZ)波動。使用較大容量的C1或較高的Vin將進一步平穩與AC相關的紋波電流。

圖3：LED電流波形

　　在根據圖1的電路圖配置的電路中，啟動和斷電瞬態如圖4所示。

圖4：啟動和斷電瞬態

　　設計緊湊

　　CAT4201驅動器的優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。這款超小設計可以放進MR16型LED射燈的標準連接器(燈座)空間內，將這些對溫度敏感的元件與發熱的LED盡量分隔開。

　　由于經過了優化，該設計在元件數量和熱性能方面都更臻完善。這款設計一般可在鏡面部分使用3個1WLED，還可以做出調整，滿足照明系統設計人員的要求。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、尺寸及元件數量。

圖5：微型LED驅動板可以嵌入燈座內

　　總結

　　該設計中提供了使用CAT4201設計驅動3顆LED的MR-16燈所需的各種要素。CAT4201有助于實現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250mA)的應用。選擇較小正向電壓的高品質LED對實現更大輸出電流的設計非常重要。