全電壓20W LED日光燈開關恒流源設計方案

電原理圖和實物照片

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，內部是 4 個高壓硅二極管。C1、C2、R1、D1～D3 組成無源功率因數校正，工作原理見本公司《用 PT4107 設計 LED 日光燈的優化方法》一文。PWM 控制芯片 U1 和功率 MOS 管 Q1、鎮流電感 L3、續流二極管 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，這個濾波器內阻很高，輸出阻抗很小，能提供約 16V 穩定電壓，確保芯片在全電壓范圍里穩定工作。R5 是芯片振蕩電路的一部分，改變它會調節振蕩頻率。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。本電路的參數是為22個LED串聯，15串并聯，驅動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 毫米的環氧單面印制板上，PCB走線是按電力電子規范要求設計的，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

電氣參數和 BOM

這個恒流源的主要電氣參數如表1，表中的參數是在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，但輸出電流會發生變化。驅動不同廠商的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會使電路改變工作狀態，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，元器件的數目已減到最低程度。表2是詳細的材料表，為了保證質量，盡量選用推薦產商的元器件。

測試波形

圖 3 是電子濾波器 T1 發射極的波形，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。

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流，電感產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，尖峰是由輸出鎮流電感和MOS 管的寄生電感產生的，這些尖峰是產生開關損耗的根源。波形的頂部的斜坡是由導通損耗產生的。導通損耗和開關損耗是 MOS 管發熱的主要原因。

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測量的輸出電流紋波。由于電流環的高頻響應很好，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。

圖 7：輸出電流波形

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

圖 8：輸入電壓調整率

圖 9 是環境溫度變化對輸出電流的影響，這個曲線是用測試數據在Origin軟件上擬合的。測試數據來自 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構，電路板和 LED 引腳上均帶電，要嚴格遵守帶電安全操作規則，避免發生人體觸電事故！

首先檢查LED板上發光管的串并結構， 每串LED必須在12～28個范圍內，10～15串并聯，總電流控制在260mA以內，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