LED日光灯设计

       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。

 
      PWMLED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PWMLED驱动控制器来做LED日光灯驱动电源的又占绝大多数。

      PT4107是一款高压降压式PWMLED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0.06WLED的驱动应用,工作频率25kHz-300kHz,可通过外部电阻来设定。
PT4107封装各引脚功能如下：
1、GND芯片接地端；
2、CSLED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、PWMDPWM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AC85V~245V全电压输入为例,采用PT4107PWMLED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。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 、PWMLED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。从AC220V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PT4107Vin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。

      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。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°。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。

      5、降压稳压电路

      给PT4107供电的电路是倍容式纹波滤波器,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。

      6、镇流功率电感

      镇流功率电感L3与Q1MOS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400oC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。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。

      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。