LED日光燈設(shè)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(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，開啟時需要輔助高壓；日光燈管內(nèi)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(quán)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(nèi)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(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。現(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420lm，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550lm，使用壽命可達3萬小時。

　　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是一個典型的PWM LED驅(qū)動控制器，其內(nèi)部拓撲結(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：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(diào)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(nèi)電磁干擾，降低系統(tǒng)級設(shè)計難度；可用線性及PWM調(diào)光，支持上百個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)計一個比較理想的應(yīng)用電路方案(圖3)。該方案由全電路由抗浪涌保護、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、擴流恒流電路組成。

　　按此理念，設(shè)計成的全電壓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(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(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(shè)計功率。由于器件的分散性，批量生產(chǎn)時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0.06W LED，共15串并聯(lián)，驅(qū)動330個60毫瓦的白光LED負載設(shè)計的，每串的電流是17.8毫安，設(shè)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(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。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235×25×0.8毫米的環(huán)氧單面印制板上。

　　關(guān)鍵的設(shè)計和考慮因素

　　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)計原則。X電容器應(yīng)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(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(dǎo)通角從原來的75°～105°上升到30°～150°；負半周輸入電流的導(dǎo)通角從原來的255°～285°上升