LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方案

LED照明以其高節(jié)能、長(zhǎng)壽命、利環(huán)保的特點(diǎn)成為大家廣為關(guān)注的焦點(diǎn)。LED光源作為第四代新型節(jié)能光源,作為光源的白熾燈其發(fā)光效率只有百分之五，而LED光源的發(fā)光效率幾乎接近百分之九十。臺(tái)燈是家家戶戶都在使用的普通燈具，這幾年高亮度的LED光源因其制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，而其生產(chǎn)成本又節(jié)節(jié)下降，如今臺(tái)燈得以使用LED光源作為高亮度、高效率而又省電、無(wú)碳排放的照明光源。

LED臺(tái)燈工作原理

遵循安全第一的民用電器的設(shè)計(jì)理念，LED光源是一種低電壓直流恒流源的發(fā)光器件，不能用100～220V的交流高壓電直接點(diǎn)亮，因此，LED臺(tái)燈方案的設(shè)計(jì)思路是，首先要將高壓的交流電變換成低壓的直流恒流源，才能點(diǎn)亮LED光源。使用最經(jīng)濟(jì)有效的方法降壓和進(jìn)行交直流變換是設(shè)計(jì)的首要考慮，當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品使用交流電源的交直流降壓變換器——適配器(Adapter)就成了既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、又現(xiàn)成、又好用的首選。適配器的輸出電壓要求穩(wěn)定在DC12V，輸出電流要根據(jù)LED的光源的功率來(lái)選擇，一般要給予30%的余量，以3×1W的白光LED光源為例，1W的白光LED的標(biāo)準(zhǔn)工作電流應(yīng)為350mA，因而3個(gè)LED光源串聯(lián)其電路需要的電流也是350mA，考慮到延長(zhǎng)LED壽命和降低光衰，可以設(shè)計(jì)為300mA～330mA，不會(huì)明顯的影響LED發(fā)光的亮度，所以適配器的輸出電流應(yīng)選750mA～1A的。

一種簡(jiǎn)潔實(shí)用的LED臺(tái)燈方案如圖1所示。AC220V經(jīng)由適配器在燈具外的安全降壓變換，向LED臺(tái)燈提供穩(wěn)定的12V直流電源，在臺(tái)燈底座殼內(nèi)安置恒流源電源板，將直流電壓變換成穩(wěn)定的直流恒流源，以滿足LED光源發(fā)光的技術(shù)要求。在直流恒流源前可加一電源開(kāi)關(guān)，以便在臺(tái)燈不用時(shí)可關(guān)斷直流電源，但不能關(guān)斷220V交流電源，因此不用時(shí)應(yīng)從墻上取下適配器的電源插頭，這也是這個(gè)實(shí)用方案的唯一“缺點(diǎn)”。如不想采用機(jī)械開(kāi)關(guān)，并想要一個(gè)更有創(chuàng)意的賣點(diǎn)，可選用電子觸摸開(kāi)關(guān)，如手指輕點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的開(kāi)->全亮、半暗、關(guān)；由于電子技術(shù)的快速進(jìn)步，電子觸摸開(kāi)關(guān)如今已是一個(gè)低成本的器件。

LED光源工作原理

LED光源工作的主要參數(shù)是VF、IF，其它相關(guān)的是顏色/色溫/波長(zhǎng)/亮度/發(fā)光角度/效率/功耗等。LED是一個(gè)PN結(jié)二極管，只有施加足夠的正向電壓才能傳導(dǎo)電流，VF正向電壓是為L(zhǎng)ED發(fā)光建立一個(gè)正常的工作狀態(tài)，IF正向電流是促使LED發(fā)光，發(fā)光亮度與流過(guò)的電流成正比例。白光LED VF標(biāo)稱電壓：3.4V±0.2V。LED光源在大批量生產(chǎn)時(shí)，每一批LED的VF具有一定的離散性，為了客戶使用時(shí)需要的一致性，LED出廠時(shí)必需按不同的VF分檔出售；客戶訂購(gòu)時(shí)同一批燈具需用的LED光源必需選用同一檔次VF的或相鄰檔次的，否則會(huì)導(dǎo)致同一批生產(chǎn)的LED燈具亮度有差異；LED IF工作電流按應(yīng)用需要選用，不同的電流檔次不能混用。

LED光源驅(qū)動(dòng)電路

LED光源的驅(qū)動(dòng)電路就是把12V直流電壓變換成穩(wěn)定的恒流源，電路的設(shè)計(jì)本著刪繁就簡(jiǎn)、節(jié)省成本的原則，應(yīng)該從能完成這個(gè)電路設(shè)計(jì)要求的眾多LED驅(qū)動(dòng)芯片中選擇集成度高、性能較好、應(yīng)用電路簡(jiǎn)單、價(jià)格較平的性價(jià)比有優(yōu)勢(shì)的芯片。因此選擇驅(qū)動(dòng)電路外圍器件少的驅(qū)動(dòng)芯片是生產(chǎn)成本的首要考量。

PT4115用于1～6W的白光LED光源驅(qū)動(dòng)方案時(shí)只需四個(gè)零件(圖2)，Cin是輸入濾波電容，Rs設(shè)定流過(guò)LED的電流IF，Rs=0.1/ILED；L是續(xù)流電感，D5是續(xù)流二極管。因適配器已提供12V的直流電壓，原圖為交流電壓輸入整流用的橋式整流器D1～D4可省略。雖然零件少了，但對(duì)零件的要求更高，設(shè)計(jì)時(shí)需按表1提示的要求選用，才能使電路進(jìn)入良好的工作狀態(tài)。PT4115的開(kāi)關(guān)頻率采用抖頻技術(shù)有效降低EMI，省略了抗EMI電路。

LED光源驅(qū)動(dòng)芯片的恒流精度對(duì)于LED燈具生產(chǎn)廠家而言是至關(guān)重要的，目前LED光源驅(qū)動(dòng)IC的恒流精度批量生產(chǎn)時(shí)都會(huì)有一定的離散性，LED燈具生產(chǎn)廠家在批量生產(chǎn)調(diào)試時(shí)，同樣的電源、同樣的LED光源負(fù)載、同樣的恒流源電源板，因同一型號(hào)的不同驅(qū)動(dòng)IC其恒流精度的個(gè)性差異會(huì)導(dǎo)致恒流源電源板輸出電流產(chǎn)生一定的公差，使同一LED光源負(fù)載的發(fā)光亮度有所不同，這就會(huì)增加恒流源電源板大批量生產(chǎn)時(shí)在線調(diào)試的時(shí)間，影響生產(chǎn)力。因此，恒流源電源板生產(chǎn)廠家應(yīng)選用恒流精度高的驅(qū)動(dòng)IC，恒流精度至少要小于±3%，如是±1%更理想，但其價(jià)格會(huì)高于±3%的產(chǎn)品。

電感的選擇

以3×1W的高亮度白光LED光源的設(shè)計(jì)案例而言，三個(gè)1W的LED光源串聯(lián)，其工作電流可設(shè)計(jì)為300～350mA，L的電感量應(yīng)選用68uH～100uH，Q值大于50，飽和電流大于800mA的磁路閉合電感器。

PT4115的設(shè)計(jì)最佳工作頻率在1MHz以下，電感量大了小會(huì)影響其工作頻率，本方案的電感設(shè)計(jì)在68uH以上，這樣系統(tǒng)工作頻率可以控制到1MHz以下。電感量小了，工作頻率趨高，由于PT4115內(nèi)部電流檢測(cè)電路響應(yīng)速度限制，對(duì)內(nèi)部電流正常檢測(cè)出現(xiàn)影響，不能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷控制。另外由于高頻率會(huì)帶來(lái)較大的開(kāi)關(guān)損耗，使芯片運(yùn)行在較高的結(jié)溫下，電應(yīng)力加大，不利于穩(wěn)定工作。電感量太小還會(huì)導(dǎo)致PT4115的SW端燒壞，而無(wú)輸出。

電感的DCR越小，效率越高。建議選用EPC13錳鋅4000磁芯。

電感器的飽和電流選小了，D5肖特基二極管的電流選小了，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路的續(xù)流不足，LED光源會(huì)產(chǎn)生人眼可見(jiàn)的閃光。將電感器的飽和電流和肖特基二極管的電流適當(dāng)增大即可增大整個(gè)電路的續(xù)流電流，消除因此產(chǎn)生的閃光。

適配器的選擇

適配器為本方案LED臺(tái)燈提供穩(wěn)定的交流電源->交直流降壓變換，它的實(shí)時(shí)帶載輸出能力將影響本方案LED臺(tái)燈的性能，用于本方案3X1W白光LED臺(tái)燈的適配器，它在帶載時(shí)輸出電流應(yīng)大于1A，電壓應(yīng)穩(wěn)定在DC12V。有些帶載能力差的適配器，連接上本方案LED光源負(fù)載時(shí)，其實(shí)時(shí)輸出電壓會(huì)跌落到7V，甚至6.5V，對(duì)于工作電壓從8V開(kāi)始的LED驅(qū)動(dòng)IC，屆時(shí)會(huì)進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)而停止工作，一旦驅(qū)動(dòng)IC停止工作，電壓又回升至12V，LED驅(qū)動(dòng)IC再次進(jìn)入工作狀態(tài)，如此周而復(fù)始，使LED臺(tái)燈出現(xiàn)人眼可見(jiàn)的閃光。此時(shí)，只有更換帶載能力好的適配器才能使LED臺(tái)燈正常工作。同時(shí)應(yīng)選用工作電壓范圍自6V初始的LED驅(qū)動(dòng)IC，也可降低對(duì)適配器的選擇要求，以降低生產(chǎn)配套成本。

EMI的傳導(dǎo)與輻射

本LED臺(tái)燈方案總體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮能過(guò)EMI的傳導(dǎo)與輻射，過(guò)EMI的傳導(dǎo)與輻射的關(guān)鍵是電源變換器，因此要選用能過(guò)EMI，甚至能過(guò)CE、UL的適配器來(lái)配套，以便生產(chǎn)的LED臺(tái)燈能出口歐美日市場(chǎng)。恒流源電源板因使用的驅(qū)動(dòng)IC是DC/DC開(kāi)關(guān)器件，工作時(shí)開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生輻射，因此內(nèi)置在臺(tái)燈底座金屬殼內(nèi)可有效降低輻射，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮金屬底座內(nèi)的磁路屏蔽。