LED日光燈設計原理及實現方案

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?，F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。

PWM LED驅動控制器PT4107

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

以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。

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V_bceo500V，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)?，F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。

9．MOSFET管的選擇

MOSFET管Q1是本電路輸出的關鍵器件。首先，它的R_DS(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/I_LED

P_R(6-9)=I_LED² x R(6-9)

11.電解電容器

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 oC，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。