LED日光灯设计方案

　　摘要：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。

　　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(chǔ lǐ)，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，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(màn xìng)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(use)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1

　　W、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，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(threshold)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(shè dìng)，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(Design)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（shū）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(kāi guān)恒流源

　　以AC 85V～245V全电压输入为例，采用PT4107 PWM LED驱动控制（control)器来做LED日光灯驱动电源的主芯片(又称微电路)，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、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如4所示。从AC 220V看进去，交流市电入口接有1A保险丝（fuse)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(Electric circuit)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(Electron flow)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。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（consider)因素

　　1.抗浪涌的NTC。led台灯又称固态照明，作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术，具有节能、环保、安全可靠的特点，固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源，代表照明技术的未来。发展新固态照明，不仅是照明领域的革命，而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。

　　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（泛指嘈杂、刺耳的声音。led灯发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。）。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(Cost)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（Make）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，如6所示。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（filter），具有电容倍增式低通滤波器和串联稳压调整器双重作用。led灯发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。在射极输（shū）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/, 相当于在发射极接了一个容值为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20

　　V、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Q1 MOS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400 oC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(safe)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(向电子设备提供功率的装置)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。

　　8.PT4107开关频率设定

　　PT4107开关频率的高低决定功率电感L3和输入滤波电容器C1、C2、C3的大小。如果开关频率高，则可选用更小体积的电感器和电容器，但Q1 MOSFET管的开关损耗也将增大，导致效率(efficiency)下降。因此，对AC 220V的电源输入来说，50kHz～100kHz是比较适合的。PT4107开关频率设定电阻R5计算公式如下。当F=50kHz时，R5=500KΩ。

　　9.MOSFET管的选择

　　MOSFET管Q1是本电路(Electric circuit)输出的关键器件。首先，它的RDS要小，这样它工作时本身的功耗就小。另外，它的耐压要高，这样在工作中遇到高压浪涌不易被击穿。

　　在MOSFET的每次开关过程中，采样电阻R6～R9上将不可避免的出现电流尖峰。为避免这种情况发生，芯片内部设置了400ns的采样延迟时间。因此，传统的RC滤波器可以被省去。在这段延迟时间内，比较器将失去作用，不能控制GATE引脚的输出。

　　10.电流采样电阻

　　电阻R6、R7、R8、R9 并联作为采样电阻，这样可以减小电阻精度和温度对输出电流的影响，并且可以方便地改变其中一个或几个电阻的阻值，达到修改电流的目的（Purpose）。建议选用千分之一精度、温度系数为50ppm的SMD 1/4W电阻。电流采样电阻R6～R9的总阻值设定和功率选用，要按整个电路(Electric circuit)的LED光源负载电流为依据来计算。

　　R=0.275/ILED

　　PR=ILED2 x R

　　11.电解电容器

　　LED光源是一种长寿命(lifetime)光源，理论寿命可达50,000小时，但是，应用电路设计(Design)不合理、电路元器件选用不当、LED光源散热不好，都会影响它的使用的时长。特别是在驱动电源电路里，作为AC/DC整流桥的输出滤波器的电解电容器，它的使用寿命在5,000小时以下，这就成了制造长寿命LED灯具技术的拦路虎。本电路设计使用了C1、C2、C4、C5、C7多颗铝电解电容器。铝电解电容器的寿命还与使用环境温度有很大关系，环境温度升高电解质的损耗加快，环境温度每升高6 oC，电解电容器寿命就会减少一半。LED日光灯管内温度因空气不易流动，如电源驱动板设计不合理，管内温度会比较高，电解电容器的寿命因此大打折扣。选用固态电解电容器，也许是延长寿命的好办法之一，但导致成本上升。

　　应用PT4107可以设计以多颗0.06W WLED光源串并联为负载的，电压输入为AC 110V或AC 220V的T10、T8、T5的LED日光灯方案，以及类似应用的吸顶灯、满天星灯、野外照明工作灯、球泡灯等，也可设计以高亮度1W WLED光源串联为负载的LED庭园灯、LED路灯、LED隧道灯。

　　政府为降低公共照明的碳排放（arrange），强制企业执行节能减碳政策，办公室节能照明需求逐渐升温，大力推广（generalize）LED日光灯，促进了中国LED日光灯的生产。因此参照本设计电路优化设计适用AC110V的LED日光灯电路已被广泛用于生产。