LED日光燈設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)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，無論是在家居、商店、辦公室、學(xué)校、超市、醫(yī)院、劇場，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程中，含有較多量的汞(水銀)，因此日光燈管破裂后，跑出來的水銀蒸氣對人體的危害較大。權(quán)威資料顯示：汞蒸氣達(dá)0.04至3毫克時(shí)會使人在2至3月內(nèi)慢性中毒，達(dá)1.2至8.5毫克時(shí)會誘發(fā)急性汞中毒，如若其量達(dá)到20毫克，會直接導(dǎo)致動物死亡。
作為第四代新型節(jié)能光源，LED光源誕生之時(shí)即被用來做各類燈具的發(fā)光光源。0.06W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0.06W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)3萬小時(shí)。
PWM LED驅(qū)動控制器PT4107
LED日光燈的LED燈條電源驅(qū)動方案有很多種，目前非隔離方案因其效率高而占主流，而用PWM LED驅(qū)動控制器來做LED日光燈驅(qū)動電源的又占絕大多數(shù)。
PT4107是一個(gè)典型的PWM LED驅(qū)動控制器，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驅(qū)動控制器，通過外部電阻和內(nèi)部的齊納二極管，可以將經(jīng)過整流的110V或220V交流電壓箝位于20V。當(dāng)Vin上的電壓超過欠壓閉鎖閾值18V后，芯片開始工作，按照峰值電流控制的模式來驅(qū)動外部的MOSFET。在外部MOSFET 的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)CS端電壓超過內(nèi)部的電流采樣閾值電壓后，GATE端的驅(qū)動信號終止，外部MOSFET關(guān)斷。閾值電壓可以由內(nèi)部設(shè)定，或者通過在LD端施加電壓來控制。如果要求軟啟動，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；采用頻率抖動減少電磁干擾，利用隨機(jī)源來調(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)級設(shè)計(jì)難度；可用線性及PWM調(diào)光，支持上百個(gè)0.06W LED的驅(qū)動應(yīng)用，工作頻率25kHz-300kHz，可通過外部電阻來設(shè)定。
PT4107封裝如圖2，各引腳功能如下：
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 過溫保護(hù)設(shè)定端；
6．PWMD PWM調(diào)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 驅(qū)動外掛MOSFET柵極；
設(shè)計(jì)全電壓20W日光燈開關(guān)恒流源
以AC 85V～245V全電壓輸入為例，采用PT4107 PWM LED驅(qū)動控制器來做LED日光燈驅(qū)動電源的主芯片，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)、EMC濾波、全橋整流、無源功率因素校正(PFC)、降壓穩(wěn)壓器、PWM LED驅(qū)動控制器、擴(kuò)流恒流電路組成。
按此理念，設(shè)計(jì)成的全電壓20W日光燈開關(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、D1～D3組成無源功率因數(shù)校正電路。PT4107芯片由T1、D4、C4、R2～R4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18～20V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。PWM控制芯片U1(PT4107)和功率MOS管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腳信號的脈沖占空比進(jìn)行恒流控制。輸出恒流與D5、L3的續(xù)流電路合并向LED光源恒流供電，改變電阻R6～R9的阻值可改變整個(gè)電路的輸出電流，但D5、L3也要隨之改動。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調(diào)光，而是用來微調(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略有不同，在生產(chǎn)線上可用此電位器來調(diào)整每塊電源板的輸出電流。為保證已調(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)0.06W LED，共15串并聯(lián)，驅(qū)動330個(gè)60毫瓦的白光LED負(fù)載設(shè)計(jì)的，每串的電流是17.8毫安，設(shè)計(jì)輸出為36-80V/25OmA。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235×25×0.8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
1．抗浪涌的NTC。
抗浪涌的NTC選用300Ω/0.3A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，以免過流自發(fā)熱。
2．EMC濾波
在交流電源輸入端，一般需要增加由共軛電感、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)干擾信號和輻射噪聲。本電路采用共軛電感加X電容器的簡潔方式，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，主要用來抑制共模干擾，電感量在10～30mH范圍內(nèi)選取。為縮小體積和提高濾波效果，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1.5系數(shù)的安全余量，建議選用600V/1A。
4．無源PFC
普通的橋式整流器整流后輸出的電流是脈動直流，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，一旦線電壓降到輸入電壓的一半以下，二極管D1和D2就會被正向偏置，使C1和C2開始并聯(lián)放電。這樣，正半周輸入電流的導(dǎo)通角從原來的75°～105°上升到30°～150°；負(fù)半周輸入電流的導(dǎo)通角從原來的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，還可以通過限制流入電容C1和C2的電流來改善功率因數(shù)。采用這個(gè)電路后，系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.6提高到0.89。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＋β), 相當(dāng)于在發(fā)射極接了一個(gè)容值為(1＋β)C4的大電容，這就是電容倍增式濾波器的原理。如果在基極到地之間再連接一個(gè)齊納二極管，就是一個(gè)簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器，該電路能有效地消除高頻開關(guān)紋波。請注意，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 MOS管，以及R6、R7、R8、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、電阻小。標(biāo)稱3.9mH 的電感，在40kHz～100kHz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2Ω、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，MOS管、LED光源、PWM控制芯片就會瞬間燒毀。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EPC13磁芯(圖9)?，F(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放的，當(dāng)使用工字磁芯電感器的電源驅(qū)動板進(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，往往會使已調(diào)試好的電源驅(qū)動板輸出電流變小。
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MOS管的開關(guān)周期。如果在此使用1N4007，那么在工作時(shí)會燒毀的。此外，續(xù)流二極管通過的電流應(yīng)是LED光源負(fù)載電流的1.5～2倍，本電路要選用1A的快速恢復(fù)二極管。
8．PT4107開關(guān)頻率設(shè)定
PT4107開關(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。如果開關(guān)頻率高，則可選用更小體積的電感器和電容器，但Q1 MOSFET管的開關(guān)損耗也將增大，導(dǎo)致效率下降。因此，對AC 220V的電源輸入來說，50kHz～100kHz是比較適合的。PT4107開關(guān)頻率設(shè)定電阻R5計(jì)算公式如下。當(dāng)F=50kHz時(shí)，R5=500KΩ。
9．MOSFET管的選擇
MOSFET管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的每次開關(guān)過程中，采樣電阻R6～R9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GATE引腳的輸出。
10．電流采樣電阻
電阻R6、R7、R8、R9 并聯(lián)作為采樣電阻，這樣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(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)來計(jì)算。
R(6-9)=0.275/ILED
PR(6-9)=ILED2 x R(6-9)
11.電解電容器
LED光源是一種長壽命光源，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，都會影響它的使用壽命。特別是在驅(qū)動電源電路里，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減少一半。LED日光燈管內(nèi)溫度因空氣不易流動，如電源驅(qū)動板設(shè)計(jì)不合理，管內(nèi)溫度會比較高，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0.06W WLED光源串并聯(lián)為負(fù)載的，電壓輸入為AC 110V或AC 220V的T10、T8、T5的LED日光燈方案，以及類似應(yīng)用的吸頂燈、滿天星燈、野外照明工作燈、球泡燈等，也可設(shè)計(jì)以高亮度1W WLED光源串聯(lián)為負(fù)載的LED庭園燈、LED路燈、LED隧道燈。
2009年初日本政府為降低公共照明的碳排放，強(qiáng)制企業(yè)執(zhí)行節(jié)能減碳政策，日本辦公室節(jié)能照明需求逐漸升溫，大力推廣LED日光燈，促進(jìn)了中國LED日光燈的生產(chǎn)。因此參照本設(shè)計(jì)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)適用AC110V的LED日光燈電路已被廣泛用于生產(chǎn)。
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