T8 LED照明燈管電路設(shè)計(jì)

曲 勇，王善忠，張毅仁，康積濤

(1．西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031;2．淡馬錫理工學(xué)院工程學(xué)院，新加坡529757)

0 引言

在新加坡市場(chǎng)上銷售的80 W白熾燈，20 W熒光燈和10 W LED燈的單價(jià)比約為1∶10∶35，理論壽命比約為1 000∶10 000∶100 000，電功率轉(zhuǎn)化成可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換效率分別為:7%，28%，32%。此3種燈的照明效果大體相當(dāng)?shù)那闆r下，按照新加坡市場(chǎng)0．28新幣1度電來(lái)計(jì)算，則成本效益比較如圖1所示。

圖1 三種照明燈的成本比較圖

由圖1可知，LED燈與白熾燈、熒光燈相比，回收期分別為5 200小時(shí)和1 200小時(shí)。相當(dāng)于1年中，每天分別使用14．2小時(shí)和3．3小時(shí)。

1 市電白光LED照明驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)策略

白光LED照明驅(qū)動(dòng)電路大致可以分為兩大類:非電氣隔離式電路和電氣隔離式電路。其中非隔離式驅(qū)動(dòng)電源較為典型的是電感和MOSFET組成的升降壓斬波電路，如圖2所示。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件少，適合低成本LED照明燈商品化批量生產(chǎn)。而隔離式驅(qū)動(dòng)電源，主要由隔離變壓器和MOSFET組成，如圖3所示。該電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，但是輸出安全，控制靈敏度好，適合高質(zhì)量要求的LED照明設(shè)計(jì)。

圖2 升降壓斬波電路

圖3 三繞組反激式隔離驅(qū)動(dòng)電路

連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)(見(jiàn)圖4)下輸出電壓

斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)大多出現(xiàn)在電感較小，負(fù)載較重，或者開(kāi)關(guān)頻率較低的情況下，此種模式不適合為L(zhǎng)ED提供電源。

圖4 連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)導(dǎo)通模式

商品化的LED照明燈的驅(qū)動(dòng)電源電路主要通過(guò)光耦或者反激式變壓器的偏置繞組這兩種方式，將輸出信號(hào)比例化反饋給PWM控制器，進(jìn)而導(dǎo)致功率MOSFET高頻斬波占空比的相應(yīng)改變，即對(duì)輸出進(jìn)行靈敏調(diào)節(jié)控制。

針對(duì)隔離式LED驅(qū)動(dòng)電路，通常雙繞組反激變換器通過(guò)光耦器件進(jìn)行信號(hào)反饋，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是由于光耦器件的相對(duì)脆弱性，極大地限制了LED燈的整體壽命。而三繞組及以上繞組的反激變換器通過(guò)偏置繞組直接進(jìn)行輸出信號(hào)反饋，省去了光耦，不但延長(zhǎng)了LED燈的整體壽命，而且提高了驅(qū)動(dòng)電路效率，降低了成本，因此廣受青睞。

2 負(fù)載LED排布設(shè)計(jì)

在照明燈中，由于單顆LED功率太小，需要將多顆LED負(fù)載以串、并或者混聯(lián)陣列方式進(jìn)行連接。對(duì)于工頻白光 LED照明燈負(fù)載，主要采用混聯(lián)陣列結(jié)構(gòu)。

圖5所示先并后串“蜘蛛網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是如有一個(gè)LED開(kāi)路或者短路，其他LED還能繼續(xù)工作，影響范圍小;缺點(diǎn)是有雪崩效應(yīng)，即一個(gè)LED不工作了，斷路，其上的電流會(huì)分?jǐn)偟酵臠ED上，導(dǎo)致同排LED光衰比其他LED負(fù)載嚴(yán)重得多，極大地降低燈的壽命。并且不同LED的伏安特性曲線不同，導(dǎo)致不同LED的亮度稍有區(qū)別。

圖5 先并后串混聯(lián)結(jié)構(gòu)

圖6 所示先串后并“梯形”結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)LED上流過(guò)的電流相同，亮度一樣，并且如有一個(gè)LED斷路，僅僅導(dǎo)致一排的LED不工作，對(duì)其他沒(méi)有影響，避免了“蜘蛛網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的雪崩現(xiàn)象。此次認(rèn)證采用的就是這種結(jié)構(gòu)。

圖6 先串后并混聯(lián)結(jié)構(gòu)

3 一款商品化的非隔離式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

新加坡淡馬錫微電子中心的此款電路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件較少，穩(wěn)定性好，電路效率和功率因數(shù)高，已經(jīng)獲得新加坡TUV PSB質(zhì)量認(rèn)證。

如圖7所示，此電路采用Buck-Boost結(jié)構(gòu)，主要由輸入交流EMI濾波電路、無(wú)源功率因數(shù)校正電路、功率電感、LNK306芯片和輸出濾波電路組成。

圖7 基于LNK306芯片的內(nèi)置式高效恒流9 W LED驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浜蛯?shí)物圖

4 新加坡TUV PSB質(zhì)量檢測(cè)

(1)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。IEC60598-2-1:1979(第一版)+A1:1987;IEC60598-1:2003+A1:2006。

測(cè)試報(bào)告編號(hào):IECEN60598_2_1D。

認(rèn)證持有者:新加坡淡馬錫理工學(xué)院。

(2)等級(jí)。

輸入:100-240 Vac;50～60 Hz;0．045～0．055 A;PF≥0．9;Efficiency＞0．80。

輸出:DC 60 V;色溫5 300～6 000 K;

負(fù)載9 W(一共有160粒LED，8×20結(jié)構(gòu))。

表1 帶狀照度表

圖8 電感L1兩端的電壓波形圖

圖9 輸入電壓、輸入功率、功率因數(shù)以及電路效率之間的關(guān)系圖

由圖8可以看出，此款電路電感兩端的電壓非常平穩(wěn)，緩沖電路對(duì)斬波尖峰脈沖的效果顯著，避免了開(kāi)關(guān)狀態(tài)的浪涌出現(xiàn)。

由圖9可以看出，此款電路輸入工作電壓范圍非常寬，從100至240 Vac，電路效率和功率因數(shù)都特別好，分別保持在 81% ～85%之間，和 0．90～0．95之間。

5 小結(jié)

T8 LED燈管按照T8熒光燈管大小尺寸設(shè)計(jì)，只需去掉啟輝器和鎮(zhèn)流器，其他電路接線不變，LED燈管就可以直接用來(lái)替換熒光燈管，照明效果不變。此款白光T8 LED照明燈設(shè)計(jì)電路精簡(jiǎn)，輸入工作電壓范圍寬，電路效率和功率因數(shù)都非常高，再加上元器件少，成本低，非常適合商品化生產(chǎn)。

［1］ 劉勝利．高亮度LED照明與開(kāi)關(guān)電源供電［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2010

［2］ 王兆安，黃俊．電力電子技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008

［3］ 張明軒，張達(dá)，師少飛．LED的混聯(lián)陣列及驅(qū)動(dòng)方式［J］．燈與照明，2012，36(2):53～54