LED日光燈設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)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(chǎng)，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(shí)需要輔助高壓；日光燈管內(nèi)置的水銀在廢棄時(shí)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(duì)人體的危害較大。權(quán)威資料顯示：汞蒸氣達(dá)0.04至3毫克時(shí)會(huì)使人在2至3月內(nèi)慢性中毒，達(dá)1.2至8.5毫克時(shí)會(huì)誘發(fā)急性汞中毒，如若其量達(dá)到20毫克，會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)物死亡。

作為第四代新型節(jié)能光源，LED光源誕生之時(shí)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(gè)LED日光燈管使用數(shù)量不等，約280-360顆?，F(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(diǎn)。以T8日光燈為例，標(biāo)稱36W的熒光日光燈(CFL)，其附加鎮(zhèn)流器耗電8W，工作時(shí)實(shí)際耗電44W，照亮流明為420lm，使用壽命3千小時(shí)。而同樣規(guī)格的LED日光燈，工作時(shí)實(shí)際耗電僅16W，照亮流明為550lm，使用壽命可達(dá)3萬小時(shí)。

PWM LED驅(qū)動(dòng)控制器PT4107

LED日光燈的LED燈條電源驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制器來做LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源的又占絕大多數(shù)。

PT4107是一個(gè)典型的PWM LED驅(qū)動(dòng)控制器，其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

PT4107是一款高壓降壓式PWM LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)信號(hào)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(dòng)，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(diǎn)：從18V到450V的寬電壓輸入范圍，恒流輸出；采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾，利用隨機(jī)源來調(diào)制振蕩頻率，這樣可以擴(kuò)展音頻能量譜，擴(kuò)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(jí)設(shè)計(jì)難度；可用線性及PWM調(diào)光，支持上百個(gè)0.06W LED的驅(qū)動(dòng)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(hù)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(dòng)外掛MOSFET柵極；

設(shè)計(jì)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(dòng)控制器來做LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源的主芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)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(hù)、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(dòng)控制器、擴(kuò)流恒流電路組成。

按此理念，設(shè)計(jì)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(jìn)去，交流市電入口接有1A保險(xiǎn)絲FS1和抗浪涌負(fù)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(gè)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(gè)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(gè)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(hào)的脈沖占空比進(jìn)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(gè)電路的輸出電流，但D5、L3也要隨之改動(dòng)。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(dá)到設(shè)計(jì)功率。由于器件的分散性，批量生產(chǎn)時(shí)每一塊電源板的輸出電流會(huì)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(gè)0.06W LED，共15串并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)330個(gè)60毫瓦的白光LED負(fù)載設(shè)計(jì)的，每串的電流是17.8毫安，設(shè)計(jì)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(jì)。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(shí)物照片，33個(gè)元件安裝在235×25×0.8毫米的環(huán)氧單面印制板上。