物美價(jià)廉

基于pt4107的led日光燈設(shè)計(jì)技術(shù)

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(xué)校、超市、醫(yī)院、劇場，還是在商業(yè)冰柜、廣告燈箱、地鐵、人行隧道、人防工程、夜市燈飾照明•••只要需要照明的地方均可見到日光燈。傳統(tǒng)的熒光日光燈其電源的利用率并不理想，所附鎮(zhèn)流器功耗較大，開啟時(shí)需要輔助高壓，日光燈管內(nèi)置的水銀在廢棄時(shí)無法處理，成為污染環(huán)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(quán)威資料顯示：汞蒸氣達(dá)0.04至3毫克時(shí)，會(huì)使人在2至3月內(nèi)慢性中毒；達(dá)1.2至8.5毫克量，會(huì)誘發(fā)急性汞中毒，如若其量達(dá)到20毫克，會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)物死亡。

led光源作為第四代新型節(jié)能光源誕生之時(shí)即被用來做各類燈具的發(fā)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(fā)光燈條上的，每個(gè)led日光燈管使用數(shù)量不等，約280-360顆。現(xiàn)在新一代的led日光燈發(fā)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(jié)能省電是led日光燈的最大特點(diǎn)，以t8日光燈為例，標(biāo)稱36w的熒光日光燈（cfl），其附加鎮(zhèn)流器耗電8w，工作時(shí)實(shí)際耗電44w，照亮流明為420lm，使用壽命3千小時(shí)；而同樣規(guī)格的led日光燈，工作時(shí)實(shí)際耗電僅16w，照亮流明為550lm，使用壽命可達(dá)3萬小時(shí)。

pwm led驅(qū)動(dòng)控制器pt4107
led日光燈的led燈條電源驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)控制器來做led日光燈驅(qū)動(dòng)電源的又占絕大多數(shù)。
pt4107是一個(gè)典型的pwm led驅(qū)動(dòng)控制器，其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 pt4107內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

pt4107是一款高壓降壓式pwm led驅(qū)動(dòng)控制器。通過外部電阻和內(nèi)部的齊納二極管，可以將經(jīng)過整流的110v或220v交流電壓鉗位于20v。當(dāng)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(qū)動(dòng)外部的mosfet。在外部mosfet的源端和地之間接入電流采樣電阻。該電阻上的電壓直接傳遞到pt4107芯片的cs端，當(dāng)cs端電壓超過內(nèi)部的電流采樣閾值電壓后，gate端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)終止，外部mosfet關(guān)斷。閾值電壓可以由內(nèi)部設(shè)定，或者通過在ld端施加電壓來控制。如果要求軟啟動(dòng)。可以在ld端并聯(lián)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(shù)特點(diǎn)：從18v到450v的寬電壓輸入范圍，恒流輸出；采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾，利用隨機(jī)源來調(diào)制振蕩頻率，這樣可以擴(kuò)展音頻能量譜，擴(kuò)展后的能量譜可以有效減小帶內(nèi)電磁干擾，降低系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)難度；可用線性及pwm調(diào)光，支持上百個(gè)0.06w led的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，工作頻率25khz-300khz，可通過外部電阻來設(shè)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(diào)光接入端；
4）ri振蕩電阻接入端；
5）rotp過溫保護(hù)設(shè)定端；
6）pwmd pwm調(diào)光兼使能輸入端，芯片內(nèi)部有100k上拉電阻；
7）vin芯片電源端；
8）gate驅(qū)動(dòng)外掛mosfet柵極；

圖2 pt4107封裝

設(shè)計(jì)全電壓20w日光燈開關(guān)恒流源
以ac85v—245v全電壓輸入為例，采用pt4107 pwm led驅(qū)動(dòng)控制器來做led日光燈驅(qū)動(dòng)電源的主芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)比較理想的應(yīng)用電路方案如圖3，全電路由抗浪涌保護(hù)、emc濾波、全橋整流、無源功率因素校正（pfc）、降壓穩(wěn)壓器、pwm led驅(qū)動(dòng)控制器、擴(kuò)流恒流電路組成。

圖3全電壓20w日光燈開關(guān)恒流源方案圖

按此理念，設(shè)計(jì)成的全電壓20w日光燈開關(guān)恒流源電原理圖如圖4所示。從ac220v看進(jìn)去，交流市電入口接有1a保險(xiǎn)絲fs1和抗浪涌負(fù)溫度系數(shù)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(nèi)部是4個(gè)高壓硅二極管；c1、c2、r1、d1～d3組成無源功率因數(shù)校正電路；pt4107芯片由t1、d4、c4、r2～r4組成的電子濾波器降壓穩(wěn)壓后供電，這個(gè)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(jīng)此三極管降壓向pt4107vin約18-20v穩(wěn)定電壓，確保芯片在全電壓范圍里穩(wěn)定工作，而且這個(gè)電路不像先前方案的電阻降壓電路耗能而且發(fā)燙；pwm控制芯片u1（pt4107）和功率mos管q1、鎮(zhèn)流功率電感l(wèi)3、續(xù)流二極管d5組成降壓穩(wěn)壓電路，u1采集電流采樣電阻r6～r9上的峰值電流，由內(nèi)部邏輯在單周期內(nèi)控制gate腳信號(hào)的脈沖占空比進(jìn)行恒流控制，輸出恒流與d5、l3的續(xù)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(gè)電路的輸出電流，但d5、l3也要隨之改動(dòng)。r5是芯片振蕩電路的一部分，改變它可調(diào)節(jié)振蕩頻率；電位器rt在本電路中不是用來調(diào)光，而是用來微調(diào)恒流源的電流，使電路達(dá)到設(shè)計(jì)功率。由于器件的分散性，批量時(shí)每一塊電源板的輸出電流會(huì)略有不同，在線上可用此電位器來調(diào)整每塊電源板的輸出電流，為了保證已調(diào)好電源板的穩(wěn)定性，一定要選用渦輪渦桿微調(diào)電位器，并在調(diào)好后滴膠固封。
本電路的參數(shù)是按22個(gè)0.06w led串聯(lián)，15串并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)330個(gè)60毫瓦的白光led負(fù)載設(shè)計(jì)的，每串的電流是17.8毫安，設(shè)計(jì)輸出36-80v/25oma。改變led數(shù)量需要修正r6～r9的參數(shù)。

圖4全電壓20w日光燈開關(guān)恒流源電原理圖

pcb板的排列是做好產(chǎn)品的關(guān)鍵，因此pcb板的走線要按電力電子規(guī)范要求來設(shè)計(jì)。本電路可同用于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，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(shí)物照片，33個(gè)元件安裝在235×25×0.8毫米的環(huán)氧單面印制板上。

圖5 t10恒流源的實(shí)物照片

幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)
抗浪涌的ntc
抗浪涌的ntc選用300ohm/0.3a熱敏電阻，如改變此方案的輸出，如電流增大，則ntc的電流也要選大，以免過流自發(fā)熱。
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(gè)電路抗emi的效果，濾除掉傳導(dǎo)干擾信號(hào)和輻射噪聲。本電路采用共軛電感+ 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(shè)計(jì)原則。x電容器應(yīng)標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和耐壓ac275v字樣，其真正的直流耐壓在2000v以上，外觀多為橙色或藍(lán)色。共軛電感是繞在同一個(gè)磁芯上的兩個(gè)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(nèi)選取。為了縮小體積和提高濾波效果，優(yōu)先選用高導(dǎo)磁率微晶材料磁芯的產(chǎn)品，電感量應(yīng)盡量選較大的值。使用二個(gè)相同電感替代一個(gè)共軛電感也是一個(gè)降低成本的方法。
全橋整流
全橋整流器bd1，主要進(jìn)行ac/dc變換，因此需要給予1.5系數(shù)的安全余量，建議選用600v1a。
無源pfc
普通的橋式整流器整流后輸出的電流是脈動(dòng)直流，電流不連續(xù)，諧波失真大，功率因數(shù)低。因此需要增加低成本的無源功率因數(shù)補(bǔ)償電路，如圖6所示。這個(gè)電路叫做平衡半橋補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償。濾波電容c1和c2相串聯(lián)，電容上的電壓最高充到輸入電壓的一半(vac/2)，一旦線電壓降到vac/2以下，二極管d1和d2就會(huì)被正向偏置，這樣使c1和c2開始并聯(lián)放電。這樣一來，正半周輸入電流的導(dǎo)通角從原來的75°～105°上升到30°～150°；負(fù)半周輸入電流的導(dǎo)通角從原來的255°～285°上升到210°～330°（圖7）。與d3串聯(lián)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(shù)。采用這個(gè)電路后，系統(tǒng)的功率因數(shù)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。

圖6：平衡半橋pfc電路

圖7：平衡半橋pfc電路的效果
降壓穩(wěn)壓電路
給pt4107供電的電路是倍容式紋波濾波器，具有電容倍增式低通濾波器和串聯(lián)穩(wěn)壓調(diào)整器雙重作用，如圖8。在射極輸出器的基極到地接一個(gè)電容c4，由于基極電流只有射極電流的1/(1＋β）,相當(dāng)于在發(fā)射極接了一個(gè)(1＋β）c4的大電容，這就是電容倍增式濾波器的原理。如果在基極到地再連接一個(gè)齊納二極管，就是一個(gè)簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器，該電路能有效地消除高頻開關(guān)紋波。注意t1要選擇雙極型晶體管的vbceo>500v, ic=100ma。穩(wěn)壓二極管d4要用20v、1/4w任何型號(hào)的小功率穩(wěn)壓管。

圖8倍容式紋波濾波器
鎮(zhèn)流功率電感
鎮(zhèn)流功率電感l(wèi)3與q1 mos管，以及r6、r7、r8、r9并聯(lián)的電流采樣電阻是此電路恒流輸出的三大關(guān)鍵元件。鎮(zhèn)流功率電感l(wèi)3要求q值高、飽和電流大、電阻小。標(biāo)稱3.9mh的電感，在40khz～100khz頻率范圍里q值應(yīng)大于90。設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)輸出電流250ma，因此選500ma。選用功率電感的繞線電阻要小于2歐姆，居里溫度大于400 oc的優(yōu)質(zhì)功率電感。一旦電感發(fā)生飽和，mos管、led光源、pwm控制芯片就會(huì)瞬間燒毀。建議使用高導(dǎo)磁率微晶材料的功率電感，它可以確保恒流源安全可靠地工作。
l3電感要選用ee13磁芯的磁路閉合電感器，或高度低一點(diǎn)的epc13磁芯（圖9）。現(xiàn)在led日光燈大多數(shù)選用半鋁半pv塑料的燈管，以幫助led光源散熱。工字磁芯電感器其磁路是開放的，當(dāng)使用工字磁芯電感器的電源驅(qū)動(dòng)板進(jìn)入半鋁半pv塑料燈管時(shí)，由于金屬鋁能使其磁路發(fā)生變化，往往會(huì)使已調(diào)試好的電