全電壓20W日光燈開關(guān)恒流源的特性及原理

 基本特性
 
    交流非隔離式高頻開關(guān)降壓恒流模式
    交流85～245V，50～60Hz工作范圍
    串聯(lián)充電、并聯(lián)放電無源功率因數(shù)校正 
    可內(nèi)置于28毫米燈管里安裝
    工作環(huán)境溫度0～75oC
    滿足IEC61000-3-2：2001要求

    電路原理圖和實物照片

    電路見圖 1，交流市電入口接有 1A 保險絲 FS1 和抗浪涌負溫度系數(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 個高壓硅二極管。C1、C2、R1、D1～D3 組成無源功率因數(shù)校正，工作原理見本公司《用 PT4107 設計 LED 日光燈的優(yōu)化方法》一文。PWM 控制芯片 U1 和功率 MOS 管 Q1、鎮(zhèn)流電感 L3、續(xù)流二極管 D5組成 Buck 降壓變換，U1 采集傳感電阻 R6～R9 上的峰值電流，由內(nèi)部邏輯控制 GATE 腳信號的脈沖占空比進行恒流控制。芯片由 T1、D4、C4、R2～R4 組成的電子濾波器降壓后供電，這個濾波器內(nèi)阻很高，輸出阻抗很小，能提供約 16V 穩(wěn)定電壓，確保芯片在全電壓范圍里穩(wěn)定工作。R5 是芯片振蕩電路的一部分，改變它會調(diào)節(jié)振蕩頻率。電位器RT 在本電路中不是用來調(diào)光，而是用來微調(diào)恒流源的電流，使電路達到設計功率。本電路的參數(shù)是為22個LED串聯(lián)，15串并聯(lián)，驅(qū)動330個60毫瓦的白光LED設計的，每串的電流是17.8毫安。

圖1：20W LED日光燈恒流源電原理圖

    圖2是恒流源的實際照片，33個元件安裝在235×25×0.8 毫米的環(huán)氧單面印制板上，PCB走線是按電力電子規(guī)范要求設計的，可以直接安裝在28毫米的燈管之中。
 

圖2：20W LED日光燈恒流源實物照片

    電氣參數(shù)和 BOM

    這個恒流源的主要電氣參數(shù)如表1，表中的參數(shù)是在CCM模式下測試得到的。它是針對85～245V交流電源設計的，實際上能在更寬的電壓范圍里工作，如60～270V，但輸出電流會發(fā)生變化。驅(qū)動不同廠商的LED輸出電壓會略有變化，這是LED的正向壓降不同而造成的，不會影響恒流精度。改變振蕩頻率和元件參數(shù)會使電路改變工作狀態(tài)，例如降低頻率或減小L3的電感量會使電路進入DCM模式，這時電路的電氣參數(shù)就會改變。電路的元器件在成本和可靠性方面作了折中，元器件的數(shù)目已減到最低程度。表2是詳細的材料表，為了保證質(zhì)量，盡量選用推薦產(chǎn)商的元器件。

測試波形

    圖 3 是電子濾波器 T1 發(fā)射極的波形，輸出電壓是直流 16V，輸入電壓在在 70V～245V范圍里，這個電壓是穩(wěn)定不變的。

圖 3：基極電壓

    圖 4 是 MOS 管柵極的波形，這是典型的門驅(qū)動脈沖波形，頻率基本是固定的，脈沖的占空比隨著負載電流和輸入電壓變化。當負載固定時，輸入電壓降低占空比增大，最低工作電壓下的占空比是 0.48。脈沖幅度是固定 14.8V,不應該隨輸入電壓升高而增加。測量中可看到脈沖在水平方向抖動，這并不是故障，而是為了降低 EMI 在芯片里增加了擴頻功能。
 

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圖 4：柵極信號波形
 

圖 5 是 MOS 管的的漏極電壓波形，波形頻率與柵極相同，但極性相反。當恒流源空載時，漏極電壓是交流輸入電壓的 1.4 倍，有載時是交流輸入電壓的 1.2～1.3 倍。由于采用超高速恢復二極管續(xù)流，電感產(chǎn)生的反向電動勢被阻尼，因而波形很干凈。注意，用示波器測試漏極電壓一定要用專門的高壓探頭，否則會損壞示波器。

圖 5：漏極信號波形

    圖 6 是 MOS 管源極電壓，這個電壓是 MOS 管的工作電流在傳感電阻上的壓降，它的幅度與 MOS 管的工作電流成正比。這個電壓在單周期里送到芯片中作為控制信號，控制MOS 管柵極脈沖的占空比，使流過 LED 的電流恒定。源極電壓與柵極電壓的最大不同是脈沖前后沿有尖峰，尖峰是由輸出鎮(zhèn)流電感和MOS 管的寄生電感產(chǎn)生的，這些尖峰是產(chǎn)生開關(guān)損耗的根源。波形的頂部的斜坡是由導通損耗產(chǎn)生的。導通損耗和開關(guān)損耗是 MOS 管發(fā)熱的主要原因。

圖 6：源極采樣信號波形

    圖7 左上部兩個波形分別是LED＋ 和LED－ 端的電壓波形（帶240歐姆負載），左下是（LED+）－（LED－）的波形，即輸出電壓。右圖是用電流感應環(huán)測量的輸出電流紋波。由于電流環(huán)的高頻響應很好，顯示出了幾十毫伏的尖峰電流，它們是回路的寄生電感產(chǎn)生的反向電動勢引起的，濾波電容對它是無可奈何的。注意，用示波器測量電流要用專門的電流探頭或電流感應環(huán)。

圖 7：輸出電流波形 

    圖8是在27OC 室溫環(huán)境里,不同輸入電壓對應的輸出電流，即輸入電壓調(diào)整率特性。

圖 8：輸入電壓調(diào)整率[!--empirenews.page--]
 圖 9 是環(huán)境溫度變化對輸出電流的影響，這個曲線是用測試數(shù)據(jù)在Origin軟件上擬合的。測試數(shù)據(jù)來自 10 個圖 2 所示的電路板在老化箱中，帶載工作在-15OC～＋75OC，步長 5OC測試的。

圖 9：溫度-輸出電流特性

    使用說明

    注意：本恒流源是非隔離式結(jié)構(gòu)，電路板和 LED 引腳上均帶電，要嚴格遵守帶電安全操作規(guī)則，避免發(fā)生人體觸電事故！

首先檢查LED板上發(fā)光管的串并結(jié)構(gòu)， 每串LED必須在12～28個范圍內(nèi)，10～15串并聯(lián)，總電流控制在260mA以內(nèi)，總功率不要超過20W。恒流源板用2線電源線接220V 市電，L接火線，N接地線。允許市電有±15%的波動，接好LED 后再接通電源。不建議先上電再接LED，這樣會損傷LED縮短使用壽命。當LED點亮后，如果電流偏離設計值，在輸出回路串聯(lián)一個量程大于2A的電流表，調(diào)節(jié)電路板上的電位器，可以微調(diào)輸出電流。電流調(diào)好后在電位器螺桿上滴上硅膠固定，防止振動對電位器的影響。如果調(diào)電位器仍不能得到需要的電流值，也可以改變電阻R6～R9。由于散熱設置是按最大輸出功率20W設計的，因而不要隨意增大輸出功率。該電路板可以直接用于生產(chǎn)，PCB板的 Gerber 文件可在 PowThch 網(wǎng)站上直接下載或向應用系統(tǒng)部索取，省去設計的時間和費用。

    注意事項

    電子穩(wěn)壓器

    給U1供電的電路名叫倍容式紋波濾波器，是有效的電源凈化器，它具有電容倍增式低通濾波器和串聯(lián)穩(wěn)壓調(diào)整器雙重作用，也叫 ACR (Amplificatory Capacitance Regulator)電路。在射極輸出器的基極到地接一個電容 C4，由于基極電流只有射極電流的 1/(1＋β）, 相當于在發(fā)射極接了一個(1＋β）C4的大電容，這就是電容倍增式濾波器的原理。如果在基極到地再連接一個齊納二極管，就是一個簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器，因此，該電路具有穩(wěn)壓和濾波雙重作用，能有效地消除高頻開關(guān)紋波。注意選擇雙極型晶體管的 Vbceo>500V, Ic=100mA。穩(wěn)壓二極管 D4 用 16～18V，1/4W 任何型號的小功率穩(wěn)壓管。

圖10：倍容式紋波

    功率因數(shù)校正電路

    普通的橋式整流后直接平滑濾波的AC-DC電路，輸入電壓是正弦波，由于電容充電快放電慢，電流是不連續(xù)的脈沖波，諧波失真大，功率因數(shù)低。本電路用的是一種低成本的無源功率因數(shù)補償電路，如圖11所示。這個電路叫平衡半橋補償電路，C1和D1組成半橋的一臂，C2和D3組成半橋的另一臂，D2和R1組成充電連接通路，利用填谷原理進行補償。濾波電容C1和C2相串聯(lián)，電容上的電壓最高充到輸入電壓的一半(VAC/2)，一旦線電壓降到VAC/2以下，二極管D1和D3就會被正向偏置，這樣使C1和C2開始并聯(lián)放電。采用這個電路后，系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.6提高到0.88～0.9，但很難超過0.92，因為輸入電壓和電流之間還存在大約60度的死區(qū)。
 

圖 11：平衡半橋 PFC 電路

    采樣電阻
 
    電阻R6、R7、R8、R9 并聯(lián)作為采用電阻，可以減小電阻精度和溫度對輸出電流的影響，并且可以方便地改變其中一個或幾個的阻值，達到修改電流的目的。建議選用千分之一精度，溫度系數(shù)為 50ppm 的SMD電阻。如果對電流精度和溫度變化有更高的要求， 建議使用康銅或錳銅四端專用電流采樣電阻。

    電解電容器

    因為鋁電解電容的壽命與溫度有很大關(guān)系，溫度升高電解質(zhì)的損耗加快，溫度每升高6OC，電容器壽命就會減少一半。雖然LED的壽命長達5萬小時，但電解電容的壽命只有4000小時，燈管內(nèi)溫度比較高時，電解電容器的壽命更低，因而，這個驅(qū)動電路的壽命取決于電解電容器。

    功率電感

    功率電感L3是比MOS管更關(guān)鍵的元件，要求Q值高、飽和電流大、電阻小。標稱3.9毫亨的電感，在40KHz～100KHz頻率范圍里Q應大于90,飽和電流大于工作電流的2倍，這里選500毫安，繞線電阻要小于2 歐姆，居里溫度大于400oC的優(yōu)質(zhì)功率電感。使用劣值電感的后果是災難性的，一旦電感發(fā)生飽和，MOS管、LED、控制芯片就會瞬間燒毀。建議使用微晶材料的功率電感，它可以確保恒流源長期安全可靠地工作。