为多个1W LED组成的MR16代替灯减少组件数量、实现紧密的参考设计(07-100)

　　引言

　　MR16 灯属于多面向反射器灯的一种，通常以卤素灯丝囊作为光源。它们适用于很多零售和消费性应用，借着独特的尺寸、可配置性、聚光能力和美观性，发挥实用性和创意。不过，低效率、热量产生和卤素囊处理问题往往成为了这种技术的缺点。MR16 灯一般采用 12V DC 或 12V AC 通用电磁式变压器工作。

　　LED 是一个替代卤素灯的理想选择，因为它具有更高效能及无热辐射。

　　这款参考设计可以装设于 MR16 型 LED 射灯的标准连接器空间。它经过了优化，在零件数量以至热性能方面，都更臻完善。这款设计一般可在镜面部分配合 3 个 1W LED 使用，更可以作出调整，满足照明系统设计人员的要求。

　　图 1 采用 ZXLD1350 的 MR16 应用

　　附注：关于ZXLD1350 的规格，请浏览：http://www.zetex.com/3.0/pdf/ZXLD1350.pdf

　　描述

　　图 2 是利用 ZXLD1350 和 ZXSBMR16T8 实现的 MR16 灯解决方案的系统接线图，表 1 则提供了元件清单。

　　图 2 ZXLD1350 MR16 灯解决方案的系统接线图

　　ZXLD1350 是为 350mA 或以下的 LED 电流驱动应用而设计。这款单片式 NMOSFET 大小适中，提供具有成本效益的芯片尺寸，额定电流为 400mA，在迟滞工作模式下 (电流波形从标称电流设定点约升降 +/-15%)提供足够的裕度。ZXLD1350 的主要特点包括：

　　* 高至 380mA 的输出电流

　　* 宽阔的输入电压范围：7V 至 30V

　　* 内部 30V 400mA NDMOS 开关

　　* 高效率 (高于 90%)

　　* 高至 1MHz 的开关频率

　　ZXSBMR16T8 是一款能够节省空间又具有热效率，并且特别为满足 MR16 应用的关键要求设计的器件。它包含一个全桥和一个续流二极管，以低泄漏的 1A、40V 肖特基二极管来实现标称 12V AC 输入工作。相比于采用一体式设计的标准硅式二极管，这种肖特基桥与嵌入式续流二极管的组合有助于提升系统的效率。参考设计中具备旁路焊接点，可以省略桥式整流器，最终的电灯设计亦适用于纯 DC工作。

　　由于 ZXLD1350 采用了迟滞式转换电路拓朴，因此转换效率取决于几项因素 – 输入电压、目标电流和 LED 数量。当中还设有以 Excel 为基础的计算器，用于系统的初始评测和决定零件选择。

　　系统效率和 LED 电流测量皆包含在设计中， ADJ引脚保持浮动，以测量器件中的电流额定值。ADJ引脚的阻抗输入较高 (200K)，容易受到其它来源的泄漏电流所影响。任何从这个引脚载下的电流，都会减低输出电流。为了避免出现任何电磁耦合情况，引脚的周遭设有保护线轨。

　　表1 元件清单

　　从图 2 中的电路原理图可见，只需要使用 0 电阻器，便可运用跳线连接，实现纯 DC 操作。

　　由于系统并没有反极性保护，所以用户要特别小心。

　　图 3 为电路布线设计，说明了节省空间和紧凑设计的优点。底层及顶层皆清楚显示，高效器件布置清晰可见。

　　图 3 电路设计

　　主要布线设计建议如下：

　　* 所有薄器件设于同一边

　　* 以星形联结作为接地线轨

　　* 以接地环保护 ADJ引脚

　　* 请检查：

　　* 把 R1 连接至 ZXLD1350 愈短愈好 (感应线轨);

　　* 滤波电容器 C3 应连接至最接近 Vin 引脚的地方;

　　* 续流电流路径愈短愈好，以保障系统的精密度和效率。

　　电路板顶层和底层图示于图4。

　　图4 电路板一览

　　电感器的选择和开关电路布线设计

　　电路中选用了 100 μH 的屏蔽式电感器，把标称频率设定于约 250kHz 的水平，同时把辐射电磁干扰减至最少。任何开关稳压器的设计，对减低辐射电磁干扰都相当重要。这款参考设计可以把关键的线轨长度减至最低，而关键性区域四周的接地面积则扩至最大。

　　电路性能

　　电路的性能根据两项主要的参数进行评测，包括系统效率和电流精度。

　　参考电路的电流设定于 300mA 的标称值，但只须根据以下公式改变感应电阻器 Rsense，电流便可调整至350mA 或下的水平。

　　Iref = 0.1 / R1 [A]

　　当使用 R1 = 0.33Ω--> Iref = 300mA

　　表 2 列出了 12V 至 15V DC 供电系统的相关数据，有关测试采用了肖特基二极管桥。最重要的参数包括系统效率及额定 LED 电流 (300mA) 和实际 LED 电流之间的误差。在 DC 环境下，频率介于 150kHz 和 300kHz 之间，视输入电压而定。不论输入电压多少，效率皆高于 87%，误差少于 2%。

　　表 2 DC 输入电压

　　表 3 列出了以一个采用 SMD 钽电容器及AC 电磁变压器供电系统的相关数据。系统以节省空间为设计目标，同时避免使用体积更大、可靠性更低的电解电容器。对于体积、可靠性、成本及平均LED电流都有取舍，一般标定 12V AC 的变压器输出电压会变化±10%，三个 LED 的压降约 10V，在图8 可以看到，如电容值少于200 μF ，AC 输入的波形扭歪了。当整流后电压没有被有效地平滑，谷低电压有可能低于 LED 电压，在这情况下，开关电路停止运作， LED 平均电流下降，最后 LED 输出流明也下降。

　　表3 AC 输入电压

　　图5至图8显示由输入电容Cin=C1+C2+C3所影响的输入电压纹波及LX电压。输入电容愈大，输出电流愈准确，亦令平均输出流明愈高。当输入电容达300uF时，整体表现，包括效率及电流准确度都最好。相反，当输入电容降低，输出电流准确度降低多达25%，但效率总高于50%。

　　图 5 Cin=300μF                                             图 6 Cin=200μF

　　图 7 Cin=150μF                                       　图 8 Cin=100μF

　　图 5~ 8：输入纹波及 LX 电压 (Ch3 为 LX 引脚电压，Ch4 为输入电压)

　　结语

　　ZXLD1350 及 ZXSBMR16T8 配合其它被动组件，展现了一个细小、可靠、高效率及小组件数目的方案。这个超小设计可放进连接器的外壳，将这些对温度敏感的组件与发热的 LED 尽量分隔开。在最终的解决方案中，LED电流及电容器的大小都要有所取舍，以达致最理想的效率、准确度、尺寸及组件数量。

　　这是一系列不同 MR16 解决方案和选项参考设计中的第一份设计指南。