LED日光灯设计方案

LED 日光灯设计方案日光灯设计方案 日光灯作为一种光亮柔和而有效的光源在全世界广受欢迎 无论是在家居 商店 办公室 学校 超市 医院 剧场 还是在商业冰柜 广告灯箱 地铁 人行隧道 人防工程 夜 市灯饰照明等 只要需要照明的地方均可见到日光灯 传统的荧光日光灯其电源的利用率并不理想 附加镇流器功耗较大 开启时需要辅助 高压 日光灯管内置的水银在废弃时无法处理 成为污染环境的公害 日光灯管的荧光粉 在充入日光灯管过程中 含有较多量的汞 水银 因此日光灯管破裂后 跑出来的水银蒸 气对人体的危害较大 权威资料显示 汞蒸气达 0 04 至 3 毫克时会使人在 2 至 3 月内慢 性中毒 达 1 2 至 8 5 毫克时会诱发急性汞中毒 如若其量达到 20 毫克 会直接导致动物 死亡 作为第四代新型节能光源 LED 光源诞生之时即被用来做各类灯具的发光光源 0 06W 的白光 LED 草帽灯 食人鱼是最早被用在 LED 日光灯的发光灯条上的 每个 LED 日光灯管使用数量不等 约 280 360 颗 现在新一代的 LED 日光灯发光灯条使用从 0 06W 到 1W 显色为纯白 青白 暖白 冷白的贴片 LED 平面光源 节能省电是 LED 日光灯的最大特点 以 T8 日光灯为例 标称 36W 的荧光日光灯 CFL 其附加镇流器耗电 8W 工作时实际耗电 44W 照亮流明为 420lm 使用寿命 3 千小时 而同样规格的 LED 日光灯 工作时实际耗电仅 16W 照亮流明为 550lm 使用 寿命可达 3 万小时 PWM LED 驱动控制器 PT4107 LED 日光灯的 LED 灯条电源驱动方案有很多种 目前非隔离方案因其效率高而占主 流 而用 PWM LED 驱动控制器来做 LED 日光灯驱动电源的又占绝大多数 PT4107 是一个典型的 PWM LED 驱动控制器 其内部拓扑结构如图 1 PT4107 是一款高压降压式 PWM LED 驱动控制器 通过外部电阻和内部的齐纳二极 管 可以将经过整流的 110V 或 220V 交流电压箝位于 20V 当 Vin 上的电压超过欠压闭 锁阈值 18V 后 芯片开始工作 按照峰值电流控制的模式来驱动外部的 MOSFET 在外 部 MOSFET 的源端和地之间接有电流采样电阻 该电阻上的电压直接传递到 PT4107 芯 片的 CS 端 当 CS 端电压超过内部的电流采样阈值电压后 GATE 端的驱动信号终止 外部 MOSFET 关断 阈值电压可以由内部设定 或者通过在 LD 端施加电压来控制 如果 要求软启动 可以在 LD 端并联电容 以得到需要的电压上升速度 并和 LED 电流上升速 度相一致 PT4107 的主要技术特点 从 18V 到 450V 的宽电压输入范围 恒流输出 采用频率 抖动减少电磁干扰 利用随机源来调制振荡频率 这样可以扩展音频能量谱 扩展后的能 量谱可以有效减小带内电磁干扰 降低系统级设计难度 可用线性及 PWM 调光 支持上 百个 0 06W LED 的驱动应用 工作频率 25kHz 300kHz 可通过外部电阻来设定 PT4107 封装如图 2 各引脚功能如下 1 GND 芯片接地端 2 CS LED 峰值电流采样输入端 3 LD 线性调光接入端 4 RI 振荡电阻接入端 5 ROTP 过温保护设定端 6 PWMD PWM 调光兼使能输入端 芯片内部有 100K 上拉电阻 7 VIN 芯片电源端 8 GATE 驱动外挂 MOSFET 栅极 设计全电压 20W 日光灯开关恒流源 以 AC 85V 245V 全电压输入为例 采用 PT4107 PWM LED 驱动控制器来做 LED 日光灯驱动电源的主芯片 设计一个比较理想的应用电路方案 图 3 该方案由全电路由抗 浪涌保护 EMC 滤波 全桥整流 无源功率因素校正 PFC 降压稳压器 PWM LED 驱 动控制器 扩流恒流电路组成 按此理念 设计成的全电压 20W 日光灯开关恒流源电原理图如图 4 所示 从 AC 220V 看进去 交流市电入口接有 1A 保险丝 FS1 和抗浪涌负温度系数热敏电阻 NTC 之 后是 EMI 滤波器 由 L1 L2 和 CX1 组成 BD1 是整流全桥 内部是 4 个高压硅二极管 C1 C2 R1 D1 D3 组成无源功率因数校正电路 PT4107 芯片由 T1 D4 C4 R2 R4 组成的电子滤波器降压稳压后供电 这个滤波器输入阻抗很高 输 出阻抗很小 整流后近 300V 直流高压经此三极管降压向 PT4107 Vin 提供约 18 20V 稳 定电压 确保芯片在全电压范围里稳定工作 这个电路不像先前方案的电阻降压电路那样耗能而发烫 PWM 控制芯片 U1 PT4107 和功率 MOS 管 Q1 镇流功率电感 L3 续流二极管 D5 组成降压稳压电路 U1 采集电流 采样电阻 R6 R9 上的峰值电流 由内部逻辑在单周期内控制 GATE 脚信号的脉冲占空比 进行恒流控制 输出恒流与 D5 L3 的续流电路合并向 LED 光源恒流供电 改变电阻 R6 R9 的阻值可改变整个电路的输出电流 但 D5 L3 也要随之改动 R5 是芯片振荡电 路的一部分 改变它可调节振荡频率 电位器 RT 在本电路中不是用来调光 而是用来微 调恒流源的电流 使电路达到设计功率 由于器件的分散性 批量生产时每一块电源板的 输出电流会略有不同 在生产线上可用此电位器来调整每块电源板的输出电流 为保证已 调好电源板的稳定性 一定要选用涡轮涡杆微调电位器 并在调好后滴胶固封 本电路的参数是按每串 22 个 0 06W LED 共 15 串并联 驱动 330 个 60 毫瓦的白光 LED 负载设计的 每串的电流是 17 8 毫安 设计输出为 36 80V 25OmA 如果改变 LED 数量 则需修正 R6 R9 的参数 PCB 板的排列是做好产品的关键 因此 PCB 板的走线要按电力电子规范要求来设计 本电路可用于 T10 T8 日光灯管 因两管空间大小不同 二块 PCB 板的宽度将不同 需 要降低所有零件的高度 以便放入 T10 T8 灯管 图 5 是 T10 恒流源板的实物照片 33 个元件安装在 235 25 0 8 毫米的环氧单面印制板上 关键的设计和考虑因素 1 抗浪涌的 NTC 抗浪涌的 NTC 选用 300 0 3A 热敏电阻 如改变此方案的输出 比如增大电流 则 NTC 的电流也要选大一些 以免过流自发热 2 EMC 滤波 在交流电源输入端 一般需要增加由共轭电感 X 电容和 Y 电容组成的滤波器 以增 加整个电路抗 EMI 的效果 滤除掉传导干扰信号和辐射噪声 本电路采用共轭电感加 X 电 容器的简洁方式 主要还是出于整体成本的考虑 本着够用就好的设计原则 X 电容器应 标有安全认证标志和耐压 AC275V 字样 其真正的直流耐压在 2 000V 以上 外观多为橙 色或蓝色 共轭电感是绕在同一个磁芯上的两个电感量相同的电感 主要用来抑制共模干 扰 电感量在 10 30mH 范围内选取 为缩小体积和提高滤波效果 优先选用高导磁率微 晶材料磁芯制作的产品 电感量应尽量选较大的值 使用二个相同电感替代一个共轭电感 也是一个降低成本的方法 3 全桥整流 全桥整流器 BD1 主要进行 AC DC 变换 因此需要给予 1 5 系数的安全余量 建议选 用 600V 1A 4 无源 PFC 普通的桥式整流器整流后输出的电流是脉动直流 电流不连续 谐波失真大 功率因 数低 因此需要增加低成本的无源功率因数补偿电路 如图 6 所示 这个电路叫做平衡半 桥补偿电路 C1 和 D1 组成半桥的一臂 C2 和 D2 组成半桥的另一臂 D3 和 R 组成充电 连接通路 利用填谷原理进行补偿 滤波电容 C1 和 C2 串联 电容上的电压最高充到输 入电压的一半 一旦线电压降到输入电压的一半以下 二极管 D1 和 D2 就会被正向偏置 使 C1 和 C2 开始并联放电 这样 正半周输入电流的导通角从原来的 75 105 上升到 30 150 负半周输入电流的导通角从原来的 255 285 上升到 210 330 图 7 与 D3 串联的电阻 R 有助于平滑输入电流尖峰 还可以通过限制流入电容 C1 和 C2 的电流来 改善功率因数 采用这个电路后 系统的功率因数从 0 6 提高到 0 89 R 有浪涌缓冲和限 流功能 因此不宜省略 5 降压稳压电路 给 PT4107 供电的电路是倍容式纹波滤波器 图 8 具有电容倍增式低通滤波器和串联 稳压调整器双重作用 在射极输出器的基极到地接一个电容 C4 由于基极电流只有射极电 流的 1 1 相当于在发射极接了一个容值为 1 C4 的大电容 这就是电容倍增式滤 波器的原理 如果在基极到地之间再连接一个齐纳二极管 就是一个简单的串联稳压器 该电路能有效地消除高频开关纹波 请注意 T1 要选择双极型晶体管的 Vbceo500V Ic 100mA 稳压二极管 D4 要用 20V 1 4W 任何型号的小功率稳压管 6 镇流功率电感 镇流功率电感 L3 与 Q1 MOS 管 以及 R6 R7 R8 R9 并联的电流采样电阻 是 此电路恒流输出的三大关键元件 镇流功率电感 L3 要求 Q 值高 饱和电流大 电阻小 标称 3 9mH 的电感 在 40kHz 100kHz 频率范围里 Q 值应大于 90 设计时要选用饱和 电流是正常工作电流 2 倍的功率电感 本电路设计输出电流 250mA 因此选 500mA 选 用功率电感的绕线电阻要小于 2 居里温度大于 400 oC 的优质功率电感 一旦电感发生 饱和 MOS 管 LED 光源 PWM 控制芯片就会瞬间烧毁 建议使用高导磁率微晶材料的 功率电感 它可以确保恒流源长期安全可靠地工作 L3 电感要选用 EE13 磁芯的磁路闭合电感器 或高度低一点的 EPC13 磁芯 图 9 现 在 LED 日光灯大多数选用半铝半 PV 塑料的灯管 以帮助 LED 光源散热 工字磁芯电感 器的磁路是开放的 当使用工字磁芯电感器的电源驱动板进入半铝半 PV 塑料灯管时 由 于金属铝能使其磁路发生变化 往往会使已调试好的电源驱动板输出电流变小 7 续流二极管 续流二极管 D5 一定要选用快速恢复二极管 它要跟上 MOS 管的开关周期 如果在 此使用 1N4007 那么在工作时会烧毁的 此外 续流二极管通过的电流应是 LED 光源负 载电流的 1 5 2 倍 本电路要选用 1A 的快速恢复二极管 8 PT4107 开关频率设定 PT4107 开关频率的高低决定功率电感 L3 和输入滤波电容器 C1 C2 C3 的大小 如果开关频率高 则可选用更小体积的电感器和电容器 但 Q1 MOSFET 管的开关损耗也 将增大 导致效率下降 因此 对 AC 220V 的电源输入来说 50kHz 100kHz 是比较适 合的 PT4107 开关频率设定电阻 R5 计算公式如下 当 F 50kHz 时 R5 500K 9 MOSFET 管的选择 MOSFET 管 Q1 是本电路输出的关键器件 首先 它的 RDS ON 要小 这样它工作 时本身的功耗就小 另外 它的耐压要高 这样在工作中遇到高压浪涌不易被击穿 在 MOSFET 的每次开关过程中 采样电阻 R6 R9 上将不可避免的出现电流尖峰 为避免这种情况发生 芯片内部设置了 400ns 的采样延迟时间 因此 传统的 RC 滤波器 可以被省去 在这段延迟时间内 比较器将失去作用 不能控制 GATE 引脚的输出 10 电流采样电阻 电阻 R6 R7 R8 R9 并联作为采样电阻 这样可以减小电阻精度和温度对输出电 流的影响 并且可以方便地改变其中一个或几个电阻的阻值 达到修改电流的目的 建议 选用千分之一精度 温度系数为 50ppm 的 SMD 1206 1 4W 电阻 电流采样电阻 R6 R9 的总阻值设定和功率选用 要按整个电路的 LED 光源负载电流为依据来计算 R 6 9 0 275 ILED PR 6 9 ILED2 x R 6 9 11 电解电容器 LED 光源是一种长寿命光源 理论寿命可达 50 000 小时 但是 应用电路设计不合 理 电路元器件选用不当 LED 光源散热不好 都会影响它的使用寿命 特别是在驱动电 源电路里 作为 AC DC 整流桥的输出滤波器的电解电容器 它的使用寿命在 5 000 小时 以下 这就成了制造长寿命 LED 灯具技术的拦路虎 本电路设计使用了 C1 C2 C4 C5 C7 多颗铝电解电容器 铝电解电容器的寿命还与使用环境温度有很 大关系 环境温度升高电解质的损耗加快 环境温度每升高 6 oC 电解电容器寿命就会减 少一半 LED 日光灯管内温度因空气不易流动 如电源驱动板设计不合理 管内温度会比 较高 电解电容器的寿命因此大打折扣 选用固态电解电容器 也许是延长寿命的好办法 之一 但导致成本上升 应用 PT4107 可以设计以多颗 0 06W WLED 光源串并联为负载的 电压输入为 AC 110V 或 AC 22