LED日光燈設計方案

LED日光燈設計方案?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， 開啟時需要輔助高壓；日光燈管內置的水銀在廢棄時無法處理， 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。權威資料顯示：汞蒸氣達 0.04至3毫克時會使人在 2至3月內慢性中毒，達1.2至8.5毫克時會誘發(fā)急性汞中毒，如若其量達到 20毫克，會直接導致動物死亡。作為第四代新型節(jié)能光源， LED光源誕生之時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 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。 以T8日光燈為例，標稱36W的熒光日光燈（CFL），其附加鎮(zhèn)流器耗電 8W，工作時實際耗電 44W，照亮流明為4201m，使用壽命3千小時。而同樣規(guī)格的 LED日光燈，工作時實際耗電僅 16W，照亮流明為 5501m，使用壽命可達 3萬小時。PWMLED驅動控制器PT4107LED日光燈的LED燈條電源驅動方案有很多種， 目前非隔離方案因其效率高而占主流，而用PWMLED驅動控制器來做LED日光燈驅動電源的又占絕大多數(shù)。PT4107是一個典型的 PWMLED驅動控制器，其內部拓撲結構如圖□尺MP□□csGI4DInlwmw1□尺MP□□csGI4DInlwmw1SFWMPip*?1!PT4107 拓撲結壯LPT4107是一款高壓降壓式 PWMLED驅動控制器，通過外部電阻和內部的齊納二極管，可以將經過整流的 110V或220V交流電壓箝位于 20V。當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CS端電壓超過內部的電流采樣閾值電壓后， GATE端的驅動信號終止，外部 MOSFET關斷。閾值電壓可以由內部設定，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的主要技術特點：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， 利用隨機源來調制振蕩頻率， 這樣可以擴展音頻能量譜， 擴展后的能量譜可以有效減小帶內電磁干擾，降低系統(tǒng)級設計難度；可用線性及 PWM調光，支持上百個0.06WLED的驅動應用，工作頻率 25kHz-300kHz ，可通過外部電阻來設定。PT4107封裝如圖2,各引腳功能如下：.GND芯片接地端；.CSLED峰值電流采樣輸入端；3.LD線性調光接入端；.RI振蕩電阻接入端；.ROTP過溫保護設定端；100K上拉電阻;6.PWMDPWM調光兼使能輸入端，芯片內部有100K上拉電阻;7.VIN芯片電源端;8.GATE驅動外掛MOSFET柵極;flr-1GATEPT4107WCL,flr-1GATEPT4107WCL,S0F8圈2:PT4L07if裝。設計全電壓20W日光燈開關恒流源以AC85V?245V全電壓輸入為例，采用 PT4107PWMLED 驅動控制器來做 LED日光燈驅動電源的主芯片，設計一個比較理想的應用電路方案 （圖3）。該方案由全電路由抗浪涌保護、EMC濾波、全橋整流、無源功率因素校正 （PFC）、降壓穩(wěn)壓器、 PWMLED驅動控制器、擴流恒流電路組成。4所示。從AC220VNTC，之后是4所示。從AC220VNTC，之后是EMI看進去，交流市電入口接有 1A保險絲FS1和抗浪涌負溫度系數(shù)熱敏電阻濾波器，由L1、L2和CX1組成。BD1是整流全橋，內部是 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直流高壓經此三極管降壓向 PT4107Vin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，由內部邏輯在單周期內控制 GATE腳信號的脈沖占空比進行恒流控制。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，改變它可調節(jié)振蕩頻率。電位器 RT在本電路中不是用來調光，而是用來微調恒流源的電流， 使電路達到設計功率。 由于器件的分散性， 批量生產時每一塊電源板的輸出電流會略有不同， 在生產線上可用此電位器來調整每塊電源板的輸出電流。 為保證已調好電源板的穩(wěn)定性，一定要選用渦輪渦桿微調電位器，并在調好后滴膠固封。本電路的參數(shù)是按每串 22個0.06WLED，共15串并聯(lián)，驅動 330個60毫瓦的白光LED負載設計的，每串的電流是 17.8毫安，設計輸出為36-80V/25OmA。如果改變LED數(shù)量，則需修正R6?R9的參數(shù)。PCB板的排列是做好產品的關鍵，因此 PCB板的走線要按電力電子規(guī)范要求來設計。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恒流源板的實物照片，33個元件安裝在235X25X0.8毫米的環(huán)氧單面印制板上。關鍵的設計和考慮因素1．抗浪涌的NTC抗浪涌的NTC選用300Q/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，以增加整個電路抗EMI的效果，濾除掉傳導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， 本著夠用就好的設計原則。X電容器應標有安全認證標志和耐壓AC275V字樣，其真正的直流耐壓在2,000V以上，外觀多為橙色或藍色。共軛電感是繞在同一個磁芯上的兩個電感量相同的電感， 主要用來抑制共模干擾，電感量在10?30mH范圍內選取。為縮小體積和提高濾波效果，優(yōu)先選用高導磁率微晶材料磁芯制作的產品，電感量應盡量選較大的值。使用二個相同電感替代一個共軛電感也是一個降低成本的方法。3.全橋整流全橋整流器BD1主要進行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)補償電路，如圖 6所示。這個電路叫做平衡半橋補償電路，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，利用填谷原理進行補償。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通角從原來的 75°?105°上升到30°?150°；負半周輸入電流的導通角從原來的 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。

O圖&平衡半橋FFC電路“甲沖］扌橋FF「三科O圖&平衡半橋FFC電路“甲沖］扌橋FF「三科yr弓.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)壓調整器雙重作用。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+B),相當于在發(fā)射極接了一個容值為 (1+B)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齊納二極管， 就是一個簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器， 該電路能有效地消除高頻開關紋波。 請注意，T1要選擇雙極型晶體管的 Vbceo500V,lc=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。辭貓容式紋波濾波器口6.鎮(zhèn)流功率電感鎮(zhèn)流功率電感L3與Q1MOS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。標稱3.9mH的電感，在40kHz?100kHz頻率范圍里Q值應大于90。設計時要選用飽和電流是正常工作電流2倍的功率電感。 本電路設計輸出電流250mA，因此選500mA。選用功率電感的繞線電阻要小于2Q、居里溫度大于400oC的優(yōu)質功率電感。 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，或高度低一點的 EPC13磁芯（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放的， 當使用工字磁芯電感器的電源驅動板進入半鋁半 PV塑料燈管時， 由于金屬鋁能使其磁路發(fā)生變化，往往會使已調試好的電源驅動板輸出電流變小。團5EPC1E磁芯。7.續(xù)流二極管續(xù)流二極管D5一定要選用快速恢復二極管，它要跟上 MOS管的開關周期。如果在此使用1N4007，那么在工作時會燒毀的。此外，續(xù)流二極管通過的電流應是 LED光源負載電流的1.52倍，本電路要選用1A的快速恢復二極管。8.PT4107開關頻率設定PT4107開關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。如果開關頻率高，則可選用更小體積的電感器和電容器，但 Q1MOSFET管的開關損耗也將增大，導致效率下降。 因此，對AC220V的電源輸入來說， 50kHz?100kHz是比較適合的。PT4107開關頻率設定電阻 R5計算公式如下。當 F=50kHz時，R5=500KQ2口”川2口”川IF"9．MOSFET管的選擇MOSFET管Q1是本電路輸出的關鍵器件。首先，它的RDS(ON)要小，這樣它工作時本身的功耗就小。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，芯片內部設置了400ns的采樣延遲時間。因此，傳統(tǒng)的RC濾波器可以被省去。在這段延遲時間內，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或幾個電阻的阻值， 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(1206)1/4W電阻。電流采樣電阻R6?R9的總阻值設定和功率選用，要按整個電路的 LED光源負載電流為依據來計算。R(6-9)=0.275/ILEDPR(6-9)=ILED2xR(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50,000小時，但是，應用電路設計不合理、電路元器件選用不當、LED光源散熱不好，都會影響它的使用壽命。特別是在驅動電源電路里，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小時以下，這就成了制造長壽命LED燈具技術的攔路虎。本電路設計使用了 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)境溫度有很大關系， 環(huán)境溫度升高電解質的損耗加快，環(huán)境溫度每升高 6oC，電解電容器壽命就會減少一半。LED日光燈管內溫度因空氣不易流動，如電源驅動板設計不合理，管內溫度會比較高，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，但導致成本上升。應用PT4107可以設計以多顆0.06WWLED光源串并聯(lián)為負載的，電壓輸入為AC110V或AC220V的T10、T8、T5的L