LED日光灯设计方案

关键的设计和考虑因素

1．抗浪涌的NTC。

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。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，如图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°(图7)。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(图8)，具有电容倍增式低通滤波器和串联稳压调整器双重作用。在射极输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/(1＋β), 相当于在发射极接了一个容值为(1＋β)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20V、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(图9)。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是本电路输出的关键器件。首先，它的RDS(ON)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。建议选用千分之一精度、温度系数为50ppm的SMD(1206) 1/4W电阻。电流采样电阻R6～R9的总阻值设定和功率选用，要按整个电路的LED光源负载电流为依据来计算。

R(6-9)=0.275/ILED

PR(6-9)=ILED2 x R(6-9)

11.电解电容器

LED 光源是一种长寿命光源，理论寿命可达50,000小时，但是，应用电路设计不合理、电路元器件选用不当、LED光源散热不好，都会影响它的使用寿命。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。

2009年初日本政府为降低公共照明的碳排放，强制企业执行节能减碳政策，日本办公室节能照明需求逐渐升温，大力推广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。

附注：本方案可提供电原理图、PCB板图、BOM表。

作者：华润矽威科技(上海)有限公司高级工程师 颜重光