MR16驱动设计优化

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：市面上MR16灯杯的驱动芯片有XL3002、PAM2861、SN3350、BP1361、PT4115等。接下来我们以市场上比较常用的MR16灯杯驱动芯片PT4115为例讲述。图4-2 PT4115内部框图及应用电路表4-1 PT4115应用电路外部元器件选择条件及BOM表（续）注：1.驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热。整流二极管的选择目前，市面上MR16射灯的最大输出电流通常设置为350～900mA。PT4115推荐使用的电感参数范围为27～100μH。

市面上MR16灯杯的驱动芯片有XL3002、PAM2861、SN3350、BP1361、PT4115等。接下来我们以市场上比较常用的MR16灯杯驱动芯片PT4115为例讲述。

1.PT4115芯片的特点

1）连续电感电流导通模式的降压恒流源。

2）采用抖频技术，有效降低EMI。

注意：

抖频技术（Frequency Jitter）：是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI问题的新方法，是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄变宽，带来降低EMI、减小电磁干扰的方法。

3）采用SOT89-5封装，有利于驱动芯片管芯的快速散热。

2.PT4115芯片应用特点

1）电感越大，工作频率越低，恒流效果越好。

2）输出电流越大，需要电感值越小。电感选择方便。

3）输出电压越高，效率越高，3颗1W串联比1颗3W的效率高。

4）系统损耗由R_s损耗（0.1×I_out）、电感DCR损耗（DCR×I²_out）、功率开关导通损（R_sw×I²_out）、功率开关开关损耗（正比于开关频率）等主要部分组成。

5）通常电感越大，功率开关损耗越小，但是DCR会变大，对应电感损耗变大。

6）面反馈电压为100mV，R_s损耗较小，功率开关导通电阻R_aw为0.6，也比较小，效率比一般产品高。

7）内部含有过温保护功能，外部可以设计过温保护，对LED有双重保护。

8）采用SOT 89.5封装，热阻仅为45℃/W，散热特性很好。

3.PT4115应用电路

PT4115内部框图及应用电路，如图4-2所示。其应用电路外部元器件的选择条件见表4-1a。

图4-2 PT4115内部框图及应用电路

表4-1 PT4115应用电路外部元器件选择条件及BOM表

（续）

注：1.驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热。如将管芯直接绑定在铜板上，并有一引脚直接延伸到封装外，便于直接焊接在PCB的铜箔上迅速导热。如在一个类似1.5mm×1.2mm的硅片管芯上，要长时间通过300～1000mA的电流，必然有功耗，会发热，芯片PT4115本身的物理散热结构也是至关重要的。

2.DIM端内部是一个200kΩ上拉电阻，接到内部5V电源。DIM端的电压由R_up和NTC分压决定，利用模拟调光的原理及温度对LED电流的负反馈实现动态温度控制。NTC也可以由二极管，或者二极管串热敏电阻等方法来实现。

3.电流采样电阻布板中要尽量减小R_s两端专线引起的寄生电阻，以保证采样电流准确。

驱动3颗1W串联白光LED的电路原理图，见图4-2b；BOM表，见表4-1b。它是12～24V电压范围里交、直流两用的，VD₁～VD₄组成整流桥。C_in是滤波电容，把脉动直流变换成平滑的直流。R_s是取样电阻，决定恒流源的绝对精度。L是镇流电感，把100kHz的脉冲电流变换成三角波电流，L的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。VD₅是续流二极管，在芯片内部MOS管处于截止状态时为存储在电感中的电流提供放电电路。由于工作在高频脉冲状态，故VD₅应选用正向压降小、恢复速度快的肖特基二极管。芯片的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻做辅助温度控制和自动亮度控制。如果不用这些功能，则DIM端口悬空。整流桥有2个功能：输入12～24V交流电时，把交流整流成直流；输入直流电时，起极性转换作用。

（1）整流二极管的选择

目前，市面上MR16射灯的最大输出电流通常设置为350～900mA。由于MR16的驱动板空间有限，所以通常建议选用体积小、导通压降低的肖特基二极管（1A，40V）搭建整流桥，推荐型号为MBRS140，其封装体积较小，300mV左右的导通压降有利于最大可能地提高转换效率。但是如果输入、输出压差超过8～10V以上，从散热的角度及保证系统能够长时间稳定工作的方面考虑，则应选择体积稍大、散热条件较好的SS14产品，SS14在成本方面也有优势，但是其导通压降大约在500mV左右。

为了保证最大的效率及性能，应选择快速恢复、低正向压降、低寄生电容、低漏电的肖特基二极管。其电流能力及耐压视具体的应用而定，但应保持30%的余量，以稳定可靠地工作。

另外值得注意的一点是，应考虑温度高于85℃时肖特基二极管的反向漏电流。过高的漏电流会导致系统的功率耗散增加。AC 12V整流二极管一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功率耗散。

（2）镇流电感的选择

电感是该电路中的关键元件，从原理上讲，电感量越大，恒流精度越高。例如，用47μH的电感，输入电压在8～30V范围里变化，恒流精度是30%；如果用220的电感，恒流精度就能提高到9%以下。影响电感质量的重要因素是磁性材料，建议采用锰锌4000、居里点400的磁性。磁性电感的最大缺点是很容易产生磁饱和，这在设计中经常发生。一旦发生磁饱和，会瞬间烧坏芯片或LED。因而，推荐按表4-1a中的数值选择电感，尤其注意电感的饱和电流一定要不小于表中的值。一般饱和电流小的电感铜线较细，值也较小，这种电感即使未发生磁饱和其稳流效果也会很差。

PT4115推荐使用的电感参数范围为27～100μH。电感的饱和电流必须要比输出电流高30%～50%。LED输出电流越小，建议采用的电感值越大。在电流能力满足要求的前提下，希望电感取得大一些，这样恒流的效果会更好一些。在布板时电感应尽量靠近V_IN和SW，以避免寄生电阻所造成的效率损失。

（3）旁路电容

在电源输入中必须就近接一个低等效串联电阻（ESR）的旁路电容，ESR越大，效率损失越大。该旁路电容要能承受较大的峰值电流，并能使电源的输入电流平均，减小对输入电源的冲击。直流输入时，该旁路电容的最小值为4.7μF，在交流输入或低电压输入时，旁路电容需要100μF的钽电容或类似电容，电容的耐压不低于25V。该旁路电容尽可能靠近芯片的输入引脚。

（4）芯片过热保护（TSD）

PT4115内部设置了过热保护功能（TSD），以保证系统稳定可靠地工作。当芯片温度超出160℃时，芯片即进入TSD保护状态并停止电流输出，而当温度低于140℃时，芯片即会重新恢复至工作状态。

（5）负载电流的热补偿

高亮度LED有时需要提供温度补偿电流，以保证可靠稳定地工作，这些LED通常被设计在驱动板之外。PT4115的内部温度补偿电路已将输出电流达到尽可能的稳定。PT4115还可以通过DIM引脚外接热敏电阻（NTC）或者二极管（负温度系数）到LED附近，检测LED温度动态、调节LED电流以保护LED。随着温度升高，DIM端电压降低，从而降低LED输出电流，实现系统的温度补偿。

（6）PCB注意事项

PT4115是工作在几百kHz高频下的功率器件，设计PCB时要注意电流容量、散热和EMI。首先要注意PCB上的铜箔厚度、过孔的直径和数量。推荐按照2.5A/cm²的规范设计电流回路的有效截面积，因而VD₁～VD₄、R_s、LED、L、SW、VD₅等节点的PCB铜箔宽度不小于3mm，并镀锡加筋，金属化过孔直径不小于0.3mm，用4孔并联，焊锡填充。

MR16射灯的灯座中，空间小，散热条件差，要挖掘一切潜力保证散热。芯片的Ex_- posed Pad要可靠地焊接在PCB敷铜上，以减小热阻，协助散热，双面敷铜总面积不应小于180mm²，并且用多个金属化过孔连接起来。当输入功率减去输出功率大于1.5W时，不适于安装在MR16灯座中。PT4115的开关频率在1MHz以下，芯片在扩频模式下工作，设计中已经考虑到EMI。PCB用滤波和屏蔽手段可进一步减小EMI。

注意：

Exposed Pad是指具有裸露焊盘封装元器件，用来改善器件散热的焊盘。通常为非电气绝缘，可根据电气连接要求将其接地或接电源。

合理的PCB布局对于最大程度地保证系统稳定性及低噪声来说很重要。使用多层PCB是避免噪声干扰的一种很有效的办法。为了有效减小电流电路的噪声，输入旁路电容应当另行接地。PCB铜箔与PT4115的散热PAD和GND的接触面积要尽可能大，以利于散热。

SW端处在快速开关的节点，所以PCB走线应当尽可能地短，另外，芯片的GND端应保持良好接地。

（7）注意事项

PT4115是通过40V的CMOS工艺制造的，电子功率器件要安全可靠地工作，必须留有足够的冗余度。如果没有良好的散热条件，则不推荐在高于AC 25V、DC 30V和电源电压波动大于12%的环境中使用。

MR16驱动设计优化

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