LED日光燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案

引 言

自19世紀(jì)60年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明第一個(gè)可見紅光LED 以來，隨著半導(dǎo)體及LED封裝等技術(shù)的突破，單晶片紅、綠、藍(lán)、白光LED的功率等級和亮度不斷得到提高。目前，大功率白光LED 已經(jīng)達(dá)到70 lm /W.隨著LED光效、壽命及光色上的明顯提高，其在顯示、背光、裝飾和照明等領(lǐng)域有著巨大的市場潛力。雖然LED應(yīng)用層面不斷擴(kuò)大，壽命及光效高于傳統(tǒng)照明，但成本相對較高，LED光源成本比重在總成本中高達(dá)50 %~90 %，在照明光源技術(shù)上還有待改進(jìn)，且大功率LED散熱和光效問題凸顯，這限制了LED在照明領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用。

目前小功率LED在使用時(shí)會(huì)對LED進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)，而使用過程中只要有一個(gè)LED 短路或開路，都將導(dǎo)致小片或整條LED熄滅，影響照明效果，因此研究簡單、廉價(jià)的驅(qū)動(dòng)電路具有重要的意義。根據(jù)目前LED日光燈應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了簡單、可靠的12W標(biāo)準(zhǔn)T8 LED日光燈驅(qū)動(dòng)電路。

1 日光燈電路設(shè)計(jì)

1. 1 LED日光燈驅(qū)動(dòng)

目前小功率照明產(chǎn)品中，廣泛使用兩種驅(qū)動(dòng)電路形式：恒流驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)。前者電路輸出的電流是恒定的，輸出電壓隨負(fù)載的變化而變化，且恒流驅(qū)動(dòng)通常使用恒流IC，使用時(shí)對IC承受的最大電壓值要求較高，限制了LED 使用的數(shù)量。后者輸出電壓是固定的， 輸出電流隨負(fù)載（LED）數(shù)量的增減而變化。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，由于LED封裝中其正向壓降離散值較大，且LED亮度輸出與其電流成正比，LED 亮度一致性較差，但通過串加合適電阻可以使每串LED亮度平均，較適于低端照明市場。

1. 2 LED日光燈電路設(shè)計(jì)

LED日光燈驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖1所示。

圖1 LED日光燈驅(qū)動(dòng)電路

該電路共驅(qū)動(dòng)140只白光LED （小功率） ，采用35串4并的模式，采用電容降壓式驅(qū)動(dòng)方式。

其中， C1、C4 為并聯(lián)的兩個(gè)相同的電容，起降壓及限流作用； 4個(gè)1N4007組成的整流橋?qū)斎虢涣麟妷哼M(jìn)行整流；濾波電容C3 用于濾除整流輸出電壓中的交流成分，使電壓更為平滑； L1、C2 用于濾除輸出電壓中的高頻成分；電阻R4 為C3 提供放電回路；采用單向晶閘管SCR729210對電路進(jìn)行保護(hù)， R3 為限流電阻。

1. 2. 1 降壓電容選擇

因?yàn)橥ㄟ^降壓電容C 向負(fù)載提供的電流IO實(shí)際上就是流過C 的充放電電流IC.當(dāng)負(fù)載電流IO 小于C的充放電電流IC 時(shí)，多余的電流就會(huì)流過濾波電容C2。

式中 Ui ---輸入交流電壓有效值。 f---交流信號頻率。

因此，對于負(fù)載所消耗的64 mA電流IO ，至少需要降壓電容值Cmin = 0. 928 μF.另外，為保證C可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于2倍的電源電壓，因此，選擇兩個(gè)684MF /630 V電容并聯(lián)工作。

1. 2. 2 輸出整流及濾波電路

根據(jù)有些文獻(xiàn)，整流橋上單個(gè)二極管所承受的電壓最大值URM = √2Ui （Ui 為輸入電壓的有效值）= 318. 4 V， 因此，選用常用的整流二極管1N4007 （URM = 1000 V，IF = 1 A）。

為使輸出端得到平滑的負(fù)載電壓，一般取RL C≥ （3~5） T /2，其中RL 為負(fù)載阻抗， T為輸入信號周期（ 0. 02 s） ，可得C≥24. 38 μF.原則上電容值取的越大，輸出電壓越平滑，其紋波值越小。但是，隨著電容容量的增大，其體積也隨著增大，考慮到電路要安裝在普通T8 燈管中，實(shí)取33μF /160 V 的電解電容；同時(shí)為得到更平滑的輸出電壓， 選取L1 為100 μH 線繞電感， C1 為0. 01μF瓷片電容。

1. 2. 3 輸出保護(hù)電路設(shè)計(jì)

LED中使用的電流不能超過其規(guī)格穩(wěn)定值，長期超過負(fù)荷不僅不會(huì)增大亮度（白光LED在大電流下會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，發(fā)光效率大幅度降低） ，而且還會(huì)縮短LED 壽命，影響LED 照明電路的可靠性。由于LED正向?qū)ê螅湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將會(huì)引起LED電流的大幅度變化，因此，需要在輸出端設(shè)置輸出保護(hù)電路。

該電路由VT1、R2、R3 組成，VT1采用Motoro2la公司的MCR729210 （UDRM = 800 V，控制極觸發(fā)電壓UGT = 0. 8 V，觸發(fā)電流IGT = 10 mA） .R2 為單向晶閘管提供觸發(fā)偏置電壓，其阻值的選擇至關(guān)重要，如果值太大，則電路中某些不穩(wěn)定因素導(dǎo)致LED中的電流瞬間變大，會(huì)導(dǎo)致晶閘管頻繁觸發(fā)，保護(hù)電路頻繁起作用，造成電路工作不正常；如果阻值選的過小， LED可能在超出其規(guī)格穩(wěn)定值下工作，保護(hù)電路不靈敏，會(huì)造成LED壽命縮短。因要求LED支路電流為16 mA，則：

為留有一定的裕量，選取R2 = 10Ω。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)分析

2. 1 日光燈電路的PSpice仿真

為理論上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，采用PSp ice軟件對電路進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果如圖2所示。電路在210 ms時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后其輸出電壓為97 ±2. 2 V，輸出電流為14. 7 ±0. 3 mA，基本驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的可行性。LED 日光燈電路輸出特性如圖2所示。

圖2 LED日光燈電路輸出特性。

為驗(yàn)證輸出保護(hù)電路的功能，對電阻R2 進(jìn)行參數(shù)掃描分析，之后進(jìn)行性能分析。結(jié)果如圖3所示。可以看出，當(dāng)R2 從1 Ω 增大到13. 889Ω時(shí)，輸出電流開始下降，表明此時(shí)單向晶閘管處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)；然后隨著R2 的繼續(xù)增大，輸出電流急劇下降，直至R2 為15. 119Ω時(shí)，輸出電流穩(wěn)定在5. 2 mA 左右，表明單向晶閘管已經(jīng)完全導(dǎo)通，保護(hù)電路已經(jīng)起作用。

圖3 輸出電流與R2 阻值關(guān)系曲線

2. 2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從PSp ice仿真的結(jié)果來看，電路設(shè)計(jì)具有可行性，因此依據(jù)此電路制作了12 W 日光燈。標(biāo)準(zhǔn)燈管為1 190 mm ×30 mm，采用兩條相同的PCB電路板（尺寸593 mm ×25 mm）對接而成，并采用湖州升譜SPL2000電光源光色電綜合分析系統(tǒng)對電路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測試。實(shí)測輸入電壓VAC為220 V時(shí)，該電路總電流127 mA，相當(dāng)于每支路為15. 85 mA，電路功率因數(shù)為0. 465，電路實(shí)耗功率為11. 4W。

在不損壞LED的條件下進(jìn)行了測試，降壓電容C1 的電容值與輸出電流的關(guān)系如圖4所示（因?yàn)閮蓚€(gè)電容是相同的，圖4中只表示出單一電容值）?？梢?，隨著電容值的增加，輸出電流幾乎呈線性上升，待增加到一定值時(shí)（約20 mA） ，保護(hù)電路起作用，迫使經(jīng)過LED支路的電流下降。

圖4 實(shí)測輸出電流與降壓電容的關(guān)系

3 結(jié) 語

采用電容降壓式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了12 W標(biāo)準(zhǔn)T8 LED日光燈電路。該電路具有體積小、成本低等特點(diǎn)，通過改變降壓電容可適合用作多種LED燈具電源。雖然電源功率因數(shù)偏低，但特別適合低端照明市場應(yīng)用。依據(jù)此電路，通過改變降壓電容值，共制作了1W、4W、8 W、12 W等多種照明產(chǎn)品。