LED日光燈設(shè)計(jì)方案

1、LED日光燈設(shè)計(jì)方案日光燈作為一種光亮柔和而有效的光源在全世界廣受歡迎，無(wú)論是在家居、商店、 辦公室、學(xué)校、超市、醫(yī)院、劇場(chǎng)，還是在商業(yè)冰柜、廣告燈箱、地鐵、人行隧道、人防工 程、夜市燈飾照明等，只要需要照明的地方均可見(jiàn)到日光燈。傳統(tǒng)的熒光日光燈其電源的利用率并不理想：附加鎮(zhèn)流器功耗較大，開(kāi)啟時(shí)需要輔助高壓；日光燈管內(nèi)置的水銀在廢棄時(shí)無(wú)法處理，成為污染環(huán)境的公害。日光燈管的熒光粉在充入日光燈管過(guò)程中， 含有較多量的汞（水銀），因此日光燈管破裂后， 跑出來(lái)的水銀蒸氣對(duì)人 體的危害較大。權(quán)威資料顯示：汞蒸氣達(dá)至3毫克時(shí)會(huì)使人在2至3月內(nèi)慢性中毒，達(dá)至毫 克時(shí)會(huì)誘發(fā)急性汞中毒，如若其量達(dá)到20毫克，

2、會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)物死亡。作為第四代新型節(jié)能光源，LED光源誕生之時(shí)即被用來(lái)做各類燈具的發(fā)光光源。的白光LED草帽燈、食人魚是最早被用在 LED日光燈的發(fā)光燈條上的。每個(gè) LED日光燈管使用數(shù)量 不等，約280-360顆?，F(xiàn)在新一代的LED日光燈發(fā)光燈條使用從到 1W顯色為純白、青白、 暖白、冷白的貼片 LED平面光源。節(jié)能省電是LED日光燈的最大特點(diǎn)。以 T8日光燈為例，標(biāo)稱 36W的熒光日光燈（CFL）, 其附加鎮(zhèn)流器耗電 8W工作時(shí)實(shí)際耗電44W/照亮流明為420lm,使用壽命3千小時(shí)。而同 樣規(guī)格的LED日光燈，工作時(shí)實(shí)際耗電僅16W照亮流明為550lm,使用壽命可達(dá)3萬(wàn)小時(shí)。PWM LED

3、區(qū)動(dòng)控制器PT4107LED日光燈的LED燈條電源驅(qū)動(dòng)方案有很多種，目前非隔離方案因其效率高而占主流， 而用PWM LED區(qū)動(dòng)控制器來(lái)做 LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源的又占絕大多數(shù)。PT4107是一個(gè)典型的PWM LED區(qū)動(dòng)控制器，其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。PT4107是一款高壓降壓式 PWM LED區(qū)動(dòng)控制器，通過(guò)外部電阻和內(nèi)部的齊納二極管，可以將經(jīng)過(guò)整流的 110V或220V交流電壓箝位于 20V。當(dāng)Vin上的電壓超過(guò)欠壓閉鎖閾值 18V 后，芯片開(kāi)始工作，按照峰值電流控制的模式來(lái)驅(qū)動(dòng)外部的MOSFET在外部MOSFE硒源端和地之間接有電流采樣電阻，該電阻上的電壓直接傳遞到PT4107芯片的CS端。當(dāng)

4、CS端電壓超過(guò)內(nèi)部的電流采樣閾值電壓后，GAT瑞的驅(qū)動(dòng)信號(hào)終止，外部 MOSFE慶斷。閾值電壓可以由內(nèi)部設(shè)定，或者通過(guò)在LD端施加電壓來(lái)控制。 如果要求軟啟動(dòng)， 可以在LD端并聯(lián)電 容，以得到需要的電壓上升速度，并和LED電流上升速度相一致。PT4107的主要技術(shù)特點(diǎn)：從 18V到450V的寬電壓輸入范圍，恒流輸出；采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾，利用隨機(jī)源來(lái)調(diào)制振蕩頻率，這樣可以擴(kuò)展音頻能量譜，擴(kuò)展后的能量譜可以有效減小帶內(nèi)電磁干擾，降低系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)難度；可用線性及PW硼光，支持上百個(gè) LED的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，工作頻率 25kHz-300kHz ,可通過(guò)外部電阻來(lái)設(shè)定。PT4107封裝如圖2,各引腳功能如

5、下：1 GND 芯片接地端；2 CS LED峰值電流采樣輸入端；3 LD 線性調(diào)光接入端；4 RI 振蕩電阻接入端；5 ROTP過(guò)溫保護(hù)設(shè)定端；6 PWMD PWM光兼使能輸入端，芯片內(nèi)部有100K上拉電阻；7 VIN 芯片電源端；8 GATE馬區(qū)動(dòng)外掛 MOSFE柵極；設(shè)計(jì)全電壓20W日光燈開(kāi)關(guān)恒流源以AC 85V245V全電壓輸入為例，采用 PT4107 PWMLED驅(qū)動(dòng)控制器來(lái)做 LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源的主芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)比較理想的應(yīng)用電路方案（ 圖 3） 。 該方案由全電路由抗浪涌保護(hù)、EMCt波、全橋整流、無(wú)源功率因素校正（PFC）、降壓穩(wěn)壓器、PWMLED驅(qū)動(dòng)控制器、擴(kuò)流恒流電路組成。

6、按此理念，設(shè)計(jì)成的全電壓 20W日光燈開(kāi)關(guān)恒流源電原理圖如圖4所示。從AC 220V看進(jìn)去，交流市電入口接有 1A保險(xiǎn)絲FS1和抗浪涌負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC之后是EMI濾波器，由L1、L2和CX1組成。BD1是整流全橋，內(nèi)部是 4個(gè)高壓硅二極管。C1、C2、R1、 D1D3組成無(wú)源功率因數(shù)校正電路。PT4107芯片由T1、D4、C4 R2R4組成的電子濾波器降壓穩(wěn)壓后供電，這個(gè)濾波器輸入阻抗很高，輸出阻抗很小，整流后近300V直流高壓經(jīng)此三極管降壓向PT4107 Vin提供約1820V穩(wěn)定電壓，確保芯片在全電壓范圍里穩(wěn)定工作。這個(gè)電路不像先前方案的電阻降壓電路那樣耗能而發(fā)燙。PWM6制芯片U

7、1（PT4107）和功率MOSf Q1、鎮(zhèn)流功率電感 L3、續(xù)流二極管 D5組成降壓穩(wěn)壓電路，U1采集電流采樣電阻 R6- R9上的峰值電流，由內(nèi)部邏輯在單周期內(nèi)控制 GATE卻信號(hào)的脈沖占空比進(jìn)行恒流控制。輸出恒流與DS L3的續(xù)流電路合并向 LED光源恒流供電，改變電阻R6R9的阻值可改變整 個(gè)電路的輸出電流，但 DS L3也要隨之改動(dòng)。R5是芯片振蕩電路的一部分，改變它可調(diào)節(jié) 振蕩頻率。電位器 RT在本電路中不是用來(lái)調(diào)光，而是用來(lái)微調(diào)恒流源的電流，使電路達(dá)到 設(shè)計(jì)功率。由于器件的分散性，批量生產(chǎn)時(shí)每一塊電源板的輸出電流會(huì)略有不同，在生產(chǎn)線上可用此電位器來(lái)調(diào)整每塊電源板的輸出電流。為保證已

8、調(diào)好電源板的穩(wěn)定性，一定要選用渦輪渦桿微調(diào)電位器，并在調(diào)好后滴膠固封。本電路的參數(shù)是按每串 22個(gè)LED,共15串并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)330個(gè)60毫瓦的白光LED負(fù)載 設(shè)計(jì)的，每串的電流是毫安， 設(shè)計(jì)輸出為36-80V/250mA。如果改變LED數(shù)量，則需修正R6 R9的參數(shù)。PCB板的排列是做好產(chǎn)品的關(guān)鍵，因此PCB板的走線要按電力電子規(guī)范要求來(lái)設(shè)計(jì)。本電路可用于T10、T8日光燈管，因兩管空間大小不同，二塊 PCB板的寬度將不同，需要降低 所有零件的高度，以便放入T10、 T8 燈管。圖5 是 T10 恒流源板的實(shí)物照片，33 個(gè)元件安裝在235X 25X毫米的環(huán)氧單面印制板上。關(guān)鍵的設(shè)計(jì)和考慮因素

9、1抗浪涌的NTC?？估擞康腘TC選用300/熱敏電阻，如改變此方案的輸出，比如增大電流，則NTC的電流也要選大一些，以免過(guò)流自發(fā)熱。2. EMCt波在交流電源輸入端，一般需要增加由共軻電感、X電容和Y電容組成的濾波器，以增加整個(gè)電路抗EMI的效果，濾除掉傳導(dǎo)干擾信號(hào)和輻射噪聲。本電路采用共軻電感加 X電容器的簡(jiǎn)潔方式，主要還是出于整體成本的考慮，本著夠用就好的設(shè)計(jì)原則。X電容器應(yīng)標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和耐壓 AC275V字樣，其真正的直流耐壓在 2,000V以上，外觀多為橙色或藍(lán)色。 共軛電感是繞在同一個(gè)磁芯上的兩個(gè)電感量相同的電感，主要用來(lái)抑制共模干擾，電感量在1030mHe圍內(nèi)選取。為縮小體積和

10、提高濾波效果，優(yōu)先選用高導(dǎo)磁率微晶材料磁芯制作 的產(chǎn)品， 電感量應(yīng)盡量選較大的值。使用二個(gè)相同電感替代一個(gè)共軛電感也是一個(gè)降低成本的方法。3. 全橋整流全橋整流器BD1主要進(jìn)行AC/DC變換，因此需要給予系數(shù)的安全余量，建議選用 600V/1A。4無(wú)源PFC普通的橋式整流器整流后輸出的電流是脈動(dòng)直流，電流不連續(xù)，諧波失真大，功率因數(shù)低， 因此需要增加低成本的無(wú)源功率因數(shù)補(bǔ)償電路，如圖 6 所示。 這個(gè)電路叫做平衡半橋補(bǔ)償電路，C1和D1組成半橋的一臂，C2和D2組成半橋的另一臂,D3和R組成充電連接通路，利用填谷原理進(jìn)行補(bǔ)償。濾波電容C1和C2串聯(lián)，電容上的電壓最高充到輸入電壓的一半，一旦線電

11、壓降到輸入電壓的一半以下， 二極管D1和D2就會(huì)被正向偏置，使C1和C2開(kāi)始并 聯(lián)放電。這樣，正半周輸入電流的導(dǎo)通角從原來(lái)的75°105°上升到30°150° ;負(fù)半周輸入電流的導(dǎo)通角從原來(lái)的255°285°上升到210°330° （圖7）。與D3串聯(lián)的電阻R有助于平滑輸入電流尖峰，還可以通過(guò)限制流入電容C1和C2的電流來(lái)改善功率因數(shù)。采用這個(gè)電路后，系統(tǒng)的功率因數(shù)從提高到。R有浪涌緩沖和限流功能，因此不宜省略。5降壓穩(wěn)壓電路給PT4107供電的電路是倍容式紋波濾波器（圖8）,具有電容倍增式低通濾波器和串聯(lián)穩(wěn)壓調(diào)整

12、器雙重作用。在射極輸出器的基極到地接一個(gè)電容C4,由于基極電流只有射極電流的1/（1 + 3 ）,相當(dāng)于在發(fā)射極接了一個(gè)容值為 （1 + 3 ）C4的大電容，這就是電容倍增式 濾波器的原理。如果在基極到地之間再連接一個(gè)齊納二極管，就是一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)穩(wěn)壓器，該電路能有效地消除高頻開(kāi)關(guān)紋波。請(qǐng)注意，T1 要選擇雙極型晶體管的Vbceo500V，Ic=100mA。穩(wěn)壓二極管 D4要用20V、1/4W任何型號(hào)的小功率穩(wěn)壓管。6鎮(zhèn)流功率電感鎮(zhèn)流功率電感L3與Q1 MOSf,以及R6、R7、R& R9并聯(lián)的電流采樣電阻，是此電 路恒流輸出的三大關(guān)鍵元件。鎮(zhèn)流功率電感L3要求Q值高、飽和電流大、 電

13、阻小。標(biāo)稱 的電感，在40kHz100kHz頻率范圍里 Q值應(yīng)大于90。設(shè)計(jì)時(shí)要選用飽和電流是正常工作電 流2倍的功率電感。本電路設(shè)計(jì)輸出電流250mA因此選500mA選用功率電感的繞線電阻要小于20、居里溫度大于 400 oC的優(yōu)質(zhì)功率電感。一旦電感發(fā)生飽和，MOSf、LED光源、PWM!制芯片就會(huì)瞬間燒毀。建議使用高導(dǎo)磁率微晶材料的功率電感，它可以確保恒流源長(zhǎng) 期安全可靠地工作。L3電感要選用EE13磁芯的磁路閉合電感器，或高度低一點(diǎn)的EPC13B芯（圖9）。現(xiàn)在LED日光燈大多數(shù)選用半鋁半PV塑料的燈管，以幫助 LED光源散熱。工字磁芯電感器的磁路是開(kāi)放的，當(dāng)使用工字磁芯電感器的電源驅(qū)動(dòng)

14、板進(jìn)入半鋁半PV塑料燈管時(shí)，由于金屬鋁能使其磁路發(fā)生變化，往往會(huì)使已調(diào)試好的電源驅(qū)動(dòng)板輸出電流變小。7續(xù)流二極管續(xù)流二極管D5一定要選用快速恢復(fù)二極管，它要跟上 MOSf的開(kāi)關(guān)周期。如果在此使 用1N4007,那么在工作時(shí)會(huì)燒毀的。此外，續(xù)流二極管通過(guò)的電流應(yīng)是LED光源負(fù)載電流的2倍，本電路要選用1A的快速恢復(fù)二極管。8. PT4107開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定PT4107開(kāi)關(guān)頻率的高低決定功率電感L3和輸入濾波電容器 C1、C2、C3的大小。如果開(kāi)關(guān)頻率高，則可選用更小體積的電感器和電容器，但Q1 MOSFETT的開(kāi)關(guān)損耗也將增大，導(dǎo)致效率下降。因此，對(duì)AC220V的電源輸入來(lái)說(shuō)，50kHz100kHz

15、是比較適合的。PT4107開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定電阻 R5計(jì)算公式如下。當(dāng) F=50kHz時(shí)，R5=500©。9. MOSFETT的選擇MOSFETT Q1是本電路輸出的關(guān)鍵器件。首先，它的RDS(ON要小，這樣它工作時(shí)本身的功耗就小。另外，它的耐壓要高，這樣在工作中遇到高壓浪涌不易被擊穿。在MOSFET勺每次開(kāi)關(guān)過(guò)程中， 采樣電阻R6R9上將不可避免的出現(xiàn)電流尖峰。 為避免 這種情況發(fā)生，芯片內(nèi)部設(shè)置了 400ns的采樣延遲時(shí)間。因此，傳統(tǒng)的 RC濾波器可以被省 去。在這段延遲時(shí)間內(nèi)，比較器將失去作用，不能控制GAT目I腳的輸出。10電流采樣電阻電阻R6、 R7、 R8、 R9 并聯(lián)作為采樣

16、電阻，這樣可以減小電阻精度和溫度對(duì)輸出電流的影響， 并且可以方便地改變其中一個(gè)或幾個(gè)電阻的阻值，達(dá)到修改電流的目的。建議選用千分之一精度、溫度系數(shù)為 50Ppm的SMD(1206) 1/4W電阻。電流采樣電阻 R6- R9的總阻值設(shè) 定和功率選用，要按整個(gè)電路的LED光源負(fù)載電流為依據(jù)來(lái)計(jì)算。R(6-9)=ILEDPR(6-9)=ILED2 x R(6-9)11. 電解電容器LED光源是一種長(zhǎng)壽命光源，理論壽命可達(dá)50,000小時(shí)，但是，應(yīng)用電路設(shè)計(jì)不合理、電路元器件選用不當(dāng)、LED光源散熱不好，都會(huì)影響它的使用壽命。特別是在驅(qū)動(dòng)電源電路里，作為AC/DC整流橋的輸出濾波器的電解電容器，它的使用壽命在 5,000小時(shí)以下，這就成了制造長(zhǎng)壽命 LED燈具技術(shù)的攔路虎。本電路設(shè)計(jì)使用了C1、C2、C4 C5 C7多顆鋁電解電容器。鋁電解電容器的壽命還與使用環(huán)境溫度有很大關(guān)系，環(huán)境溫度升高電解質(zhì)的損耗加快，環(huán)境溫度每升高 6 oC,電解電容器壽命就會(huì)減少一半。LED日光燈管內(nèi)溫度因空氣不易流動(dòng)，如電源驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)不合理，管內(nèi)溫度會(huì)比較高，電解電容器的壽命因此大打折扣。選用固態(tài)電解電容器，也許是延長(zhǎng)壽命的好辦法之一，但導(dǎo)致成本上升。應(yīng)用PT4107可以設(shè)計(jì)以多顆 WLED）t源串并聯(lián)為負(fù)載的，電壓輸入為AC110V或AC