LED日光灯设计方案

2009年12月22日 18:12    李宽
关键词: LED , 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。

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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;

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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。

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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。

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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。

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关键的设计和考虑因素

1.抗浪涌的NTC。

抗浪涌的NTC选用300Ω/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。
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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+β), 相当于在发射极接了一个容值为(1+β)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。
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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2Ω、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。

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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=500KΩ。

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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 220V的T10、T8、T5的LED日光灯方案,以及类似应用的吸顶灯、满天星灯、野外照明工作灯、球泡灯等,也可设计以高亮度1W WLED光源串联为负载的LED庭园灯、LED路灯、LED隧道灯。

2009年初日本政府为降低公共照明的碳排放,强制企业执行节能减碳政策,日本办公室节能照明需求逐渐升温,大力推广LED日光灯,促进了中国LED日光灯的生产。因此参照本设计电路优化设计适用AC110V的LED日光灯电路已被广泛用于生产。

附注:本方案可提供电原理图、PCB板图、BOM表。

作者:华润矽威科技(上海)有限公司高级工程师 颜重光
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