LED日光灯介绍与20WLED灯设计实例

LEDLED 日光灯设计方案日光灯设计方案 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。 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； 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。 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。 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。 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