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LED日光燈設計方案,PT4107 LED DRIVER

454398 ? 2018-09-20 19:52 ? 次閱讀

LED日光燈設計方案,PT4107 LED DRIVER

關鍵字:LED日光燈設計方案

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、學校、超市、醫院、劇場,還是在商業冰柜、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。
傳統的熒光日光燈其電源的利用率并不理想:附加鎮流器功耗較大,開啟時需要輔助高壓;日光燈管內置的水銀在廢棄時無法處理,成為污染環境的公害。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人體的危害較大。權威資料顯示:汞蒸氣達0.04至3毫克時會使人在2至3月內慢性中毒,達1.2至8.5毫克時會誘發急性汞中毒,如若其量達到20毫克,會直接導致動物死亡。
作為第四代新型節能光源,LED光源誕生之時即被用來做各類燈具的發光光源。0.06W的白光LED草帽燈、食人魚是最早被用在LED日光燈的發光燈條上的。每個LED日光燈管使用數量不等,約280-360顆。現在新一代的LED日光燈發光燈條使用從0.06W到1W、顯色為純白、青白、暖白、冷白的貼片LED平面光源。
節能省電是LED日光燈的最大特點。以T8日光燈為例,標稱36W的熒光日光燈(CFL),其附加鎮流器耗電8W,工作時實際耗電44W,照亮流明為420lm,使用壽命3千小時。而同樣規格的LED日光燈,工作時實際耗電僅16W,照亮流明為550lm,使用壽命可達3萬小時。
LED日光燈的LED燈條電源驅動方案有很多種,目前非隔離方案因其效率高而占主流,而用PWM LED驅動控制器來做LED日光燈驅動電源的又占絕大多數。
PT4107是一個典型的PWM LED驅動控制器,其內部拓撲結構如圖1。
PT4107是一款高壓降壓式PWM LED驅動控制器,通過外部電阻和內部的齊納二極管,可以將經過整流的110V或220V交流電壓箝位于20V。當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動外部的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CS端電壓超過內部的電流采樣閾值電壓后,GATE端的驅動信號終止,外部MOSFET關斷。閾值電壓可以由內部設定,或者通過在LD端施加電壓來控制。如果要求軟啟動,可以在LD端并聯電容,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的主要技術特點:從18V到450V的寬電壓輸入范圍,恒流輸出;采用頻率抖動減少電磁干擾,利用隨機源來調制振蕩頻率,這樣可以擴展音頻能量譜,擴展后的能量譜可以有效減小帶內電磁干擾,降低系統級設計難度;可用線性及PWM調光,支持上百個0.06W LED的驅動應用,工作頻率25kHz-300kHz,可通過外部電阻來設定。
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 線性調光接入端;
4.RI 振蕩電阻接入端;
5.ROTP 過溫保護設定端;
6.PWMD PWM調光兼使能輸入端,芯片內部有100K上拉電阻;
7.VIN 芯片電源端;
8.GATE 驅動外掛MOSFET柵極;
設計全電壓20W日光燈開關恒流源
AC 85V~245V全電壓輸入為例,采用PT4107 PWM LED驅動控制器來做LED日光燈驅動電源的主芯片,設計一個比較理想的應用電路方案(圖3)。該方案由全電路由抗浪涌保護、EMC濾波、全橋整流、無源功率因素校正(PFC)、降壓穩壓器、PWM LED驅動控制器、擴流恒流電路組成。
按此理念,設計成的全電壓20W日光燈開關恒流源電原理圖如圖4所示。從AC 220V看進去,交流市電入口接有1A保險絲FS1和抗浪涌負溫度系數熱敏電阻NTC,之后是EMI濾波器,由L1、L2和CX1組成。BD1是整流全橋,內部是4個高壓硅二極管。C1、C2、R1、D1~D3組成無源功率因數校正電路。PT4107芯片由T1、D4、C4、R2~R4組成的電子濾波器降壓穩壓后供電,這個濾波器輸入阻抗很高,輸出阻抗很小,整流后近300V直流高壓經此三極管降壓向PT4107 Vin提供約18~20V穩定電壓,確保芯片在全電壓范圍里穩定工作。
這個電路不像先前方案的電阻降壓電路那樣耗能而發燙。PWM控制芯片U1(PT4107)和功率MOS管Q1、鎮流功率電感L3、續流二極管D5組成降壓穩壓電路,U1采集電流采樣電阻R6~R9上的峰值電流,由內部邏輯在單周期內控制GATE腳信號的脈沖占空比進行恒流控制。輸出恒流與D5、L3的續流電路合并向LED光源恒流供電,改變電阻R6~R9的阻值可改變整個電路的輸出電流,但D5、L3也要隨之改動。R5是芯片振蕩電路的一部分,改變它可調節振蕩頻率。電位器RT在本電路中不是用來調光,而是用來微調恒流源的電流,使電路達到設計功率。由于器件的分散性,批量生產時每一塊電源板的輸出電流會略有不同,在生產線上可用此電位器來調整每塊電源板的輸出電流。為保證已調好電源板的穩定性,一定要選用渦輪渦桿微調電位器,并在調好后滴膠固封。
本電路的參數是按每串22個0.06W LED,共15串并聯,驅動330個60毫瓦的白光LED負載設計的,每串的電流是17.8毫安,設計輸出為36-80V/25OmA。如果改變LED數量,則需修正R6~R9的參數。
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PCB板的排列是做好產品的關鍵,因此PCB板的走線要按電力電子規范要求來設計。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恒流源板的實物照片,33個元件安裝在235×25×0.8毫米的環氧單面印制板上。
關鍵的設計和考慮因素
1.抗浪涌的NTC。
抗浪涌的NTC選用300Ω/0.3A熱敏電阻,如改變此方案的輸出,比如增大電流,則NTC的電流也要選大一些,以免過流自發熱。
2.EMC濾波
在交流電源輸入端,一般需要增加由共軛電感、X電容和Y電容組成的濾波器,以增加整個電路抗EMI的效果,濾除掉傳導干擾信號和輻射噪聲。本電路采用共軛電感加X電容器的簡潔方式,主要還是出于整體成本的考慮,本著夠用就好的設計原則。X電容器應標有安全認證標志和耐壓AC275V字樣,其真正的直流耐壓在2,000V以上,外觀多為橙色或藍色。共軛電感是繞在同一個磁芯上的兩個電感量相同的電感,主要用來抑制共模干擾,電感量在10~30mH范圍內選取。為縮小體積和提高濾波效果,優先選用高導磁率微晶材料磁芯制作的產品,電感量應盡量選較大的值。使用二個相同電感替代一個共軛電感也是一個降低成本的方法。
3.全橋整流
全橋整流器BD1主要進行AC/DC變換,因此需要給予1.5系數的安全余量,建議選用600V/1A。
4.無源PFC
普通的橋式整流器整流后輸出的電流是脈動直流,電流不連續,諧波失真大,功率因數低,因此需要增加低成本的無源功率因數補償電路,如圖6所示。這個電路叫做平衡半橋補償電路,C1和D1組成半橋的一臂,C2和D2組成半橋的另一臂,D3和R組成充電連接通路,利用填谷原理進行補償。濾波電容C1和C2串聯,電容上的電壓最高充到輸入電壓的一半,一旦線電壓降到輸入電壓的一半以下,二極管D1和D2就會被正向偏置,使C1和C2開始并聯放電。這樣,正半周輸入電流的導通角從原來的75°~105°上升到30°~150°;負半周輸入電流的導通角從原來的255°~285°上升到210°~330°(圖7)。與D3串聯的電阻R有助于平滑輸入電流尖峰,還可以通過限制流入電容C1和C2的電流來改善功率因數。采用這個電路后,系統的功率因數從0.6提高到0.89。R有浪涌緩沖和限流功能,因此不宜省略。
5.降壓穩壓電路
給PT4107供電的電路是倍容式紋波濾波器(圖8),具有電容倍增式低通濾波器和串聯穩壓調整器雙重作用。在射極輸出器的基極到地接一個電容C4,由于基極電流只有射極電流的1/(1+β), 相當于在發射極接了一個容值為(1+β)C4的大電容,這就是電容倍增式濾波器的原理。如果在基極到地之間再連接一個齊納二極管,就是一個簡單的串聯穩壓器,該電路能有效地消除高頻開關紋波。請注意,T1要選擇雙極型晶體管的Vbceo500V,Ic=100mA。穩壓二極管D4要用20V、1/4W任何型號的小功率穩壓管。
6.鎮流功率電感
鎮流功率電感L3與Q1 MOS管,以及R6、R7、R8、R9并聯的電流采樣電阻,是此電路恒流輸出的三大關鍵元件。鎮流功率電感L3要求Q值高、飽和電流大、電阻小。標稱3.9mH 的電感,在40kHz~100kHz頻率范圍里Q值應大于90。設計時要選用飽和電流是正常工作電流2倍的功率電感。本電路設計輸出電流250mA,因此選500mA。選用功率電感的繞線電阻要小于2Ω、居里溫度大于400 oC的優質功率電感。一旦電感發生飽和,MOS管、LED光源、PWM控制芯片就會瞬間燒毀。建議使用高導磁率微晶材料的功率電感,它可以確保恒流源長期安全可靠地工作。
L3電感要選用EE13磁芯的磁路閉合電感器,或高度低一點的EPC13磁芯(圖9)。現在LED日光燈大多數選用半鋁半PV塑料的燈管,以幫助LED光源散熱。工字磁芯電感器的磁路是開放的,當使用工字磁芯電感器的電源驅動板進入半鋁半PV塑料燈管時,由于金屬鋁能使其磁路發生變化,往往會使已調試好的電源驅動板輸出電流變小。
7.續流二極管
續流二極管D5一定要選用快速恢復二極管,它要跟上MOS管的開關周期。如果在此使用1N4007,那么在工作時會燒毀的。此外,續流二極管通過的電流應是LED光源負載電流的1.5~2倍,本電路要選用1A的快速恢復二極管。
8.PT4107開關頻率設定
PT4107開關頻率的高低決定功率電感L3和輸入濾波電容器C1、C2、C3的大小。如果開關頻率高,則可選用更小體積的電感器和電容器,但Q1 MOSFET管的開關損耗也將增大,導致效率下降。因此,對AC 220V的電源輸入來說,50kHz~100kHz是比較適合的。PT4107開關頻率設定電阻R5計算公式如下。當F=50kHz時,R5=500KΩ。
F=25000/R (KHZ)
9.MOSFET管的選擇
MOSFET管Q1是本電路輸出的關鍵器件。首先,它的RDS(ON)要小,這樣它工作時本身的功耗就小。另外,它的耐壓要高,這樣在工作中遇到高壓浪涌不易被擊穿。
在MOSFET的每次開關過程中,采樣電阻R6~R9上將不可避免的出現電流尖峰。為避免這種情況發生,芯片內部設置了400ns的采樣延遲時間。因此,傳統的RC濾波器可以被省去。在這段延遲時間內,比較器將失去作用,不能控制GATE引腳的輸出。
10.電流采樣電阻
電阻R6、R7、R8、R9 并聯作為采樣電阻,這樣可以減小電阻精度和溫度對輸出電流的影響,并且可以方便地改變其中一個或幾個電阻的阻值,達到修改電流的目的。建議選用千分之一精度、溫度系數為50ppm的SMD(1206) 1/4W電阻。電流采樣電阻R6~R9的總阻值設定和功率選用,要按整個電路的LED光源負載電流為依據來計算。
R(6-9)=0.275/ILED
PR(6-9)=ILED2 x R(6-9)
LED光源是一種長壽命光源,理論壽命可達50,000小時,但是,應用電路設計不合理、電路元器件選用不當、LED光源散熱不好,都會影響它的使用壽命。特別是在驅動電源電路里,作為AC/DC整流橋的輸出濾波器的電解電容器,它的使用壽命在5,000小時以下,這就成了制造長壽命LED燈具技術的攔路虎。本電路設計使用了C1、C2、C4、C5、C7多顆鋁電解電容器。鋁電解電容器的壽命還與使用環境溫度有很大關系,環境溫度升高電解質的損耗加快,環境溫度每升高6℃,電解電容器壽命就會減少一半。LED日光燈管內溫度因空氣不易流動,如電源驅動板設計不合理,管內溫度會比較高,電解電容器的壽命因此大打折扣。選用固態電解電容器,也許是延長壽命的好辦法之一,但導致成本上升。
應用PT4107可以設計以多顆0.06W WLED光源串并聯為負載的,電壓輸入為AC 110V或AC 220V的T10、T8、T5的LED日光燈方案,以及類似應用的吸頂燈、滿天星燈、野外照明工作燈、球泡燈等,也可設計以高亮度1W WLED光源串聯為負載的LED庭園燈、LED路燈、LED隧道燈。
2009年初日本政府為降低公共照明的碳排放,強制企業執行節能減碳政策,日本辦公室節能照明需求逐漸升溫,大力推廣LED日光燈,促進了中國LED日光燈的生產。因此參照本設計電路優化設計適用AC110V的LED日光燈電路已被廣泛用于生產。
附注:本方案可提供電原理圖、PCB板圖、BOM表。
作者:顏重光
高級工程師
華潤矽威科技(上海)有限公司
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