T8 LED照明燈管驅(qū)動電路設(shè)計

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，四川成都 610031;2.淡馬錫理工學(xué)院工程學(xué)院，新加坡 529757)

1 引言

在新加坡市場上銷售的80W白熾燈，20W熒光燈和10W LED燈的單價比約為:1∶10∶35，理論壽命比約為:1000∶18000∶50000［1］，電功率轉(zhuǎn)化成可見光的轉(zhuǎn)換效率分別為:7%，28%，32%［2］。此三種燈的照明效果大體相當(dāng)?shù)那闆r下，按照新加坡市場0.28新幣一度電來計算，則成本效益比較如圖1所示。

由圖1可知，LED燈與白熾燈、熒光燈相比，回收期分別為5200小時和1200小時。相當(dāng)于一年中，每天分別使用14.2個小時和3.3個小時。

圖1 三種照明燈的成本比較圖Fig.1 Cost comparison of the three kinds of lights

2 市電白光LED照明驅(qū)動電源設(shè)計策略

針對工頻電壓白光LED照明驅(qū)動電路，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)動電源較為典型的是電感和MOSFEF為核心器件組成的升降壓斬波電路，如圖2、圖3所示［3］。該電路結(jié)構(gòu)簡單，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)動電源，主要由隔離變壓器和MOSFET組成，如圖4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。

圖2 升降壓斬波電路Fig.2 Chopper circuit

圖3 連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)導(dǎo)通模式Fig.3 Continuous and discontinuous condution mode

圖4 三繞組反激式隔離驅(qū)動電路Fig.4 Three winding isolated flyback drive circuit

(1)連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)下輸出電壓近似值:

(2)斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)大多出現(xiàn)在電感較小，負載較重，或者開關(guān)頻率較低的情況下，此種模式不適合為LED提供電源。

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

針對于隔離式LED驅(qū)動電路，通常雙繞組反激變換器通過光耦器件進行信號反饋，電路結(jié)構(gòu)簡單;缺點是由于光耦器件的相對脆弱性，極大的限制了LED燈的整體壽命。而三繞組及以上繞組的反激變換器通過偏置繞組直接進行輸出信號反饋，省去了光耦，不但延長了LED燈的整體壽命，而且提高了驅(qū)動電路效率;缺點是不同的PWM控制芯片、電路功率等級、開關(guān)頻率等，要求的多繞組反激變壓器的各繞組電感量，電磁芯型號也不不盡相同。因而高頻多繞組變壓器往往需要定制，這樣極大的提高了電路設(shè)計成本。

3 負載LED排布設(shè)計

在照明燈中，由于單顆LED功率太小，需要將多顆LED負載以串、并或者混聯(lián)陣列方式進行連接。對于工頻白光LED照明燈負載，主要采用混聯(lián)陣列結(jié)構(gòu)［4］。

圖5所示先并后串“蜘蛛網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是接觸電阻小，結(jié)構(gòu)易于設(shè)計。缺點是有雪崩效應(yīng)，即一個LED不工作了，斷路，其上的電流會分攤到同排LED上，導(dǎo)致同排LED光衰比其他LED負載嚴重得多，極大的降低了燈的壽命。并且不同LED的伏安特性曲線不同，雖然在相同電壓下，但是LED的亮度也不一樣。

圖5 先并后串混聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.5 Compound structure

圖6 所示先串后并“梯形”結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是同列LED上流過的電流大小相同，亮度一致，并且如有一個LED斷路，僅僅導(dǎo)致一列的LED不工作，其他列LED照常工作，盡管電流會略有增加，但是避免了“蜘蛛網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的雪崩現(xiàn)象。此次認證，我們采用的就是這種結(jié)構(gòu)。

圖6 先串后并混聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.6 Compound structure

4 一款非隔離式驅(qū)動電路設(shè)計

圖7所示為恒流源電路拓撲結(jié)構(gòu)的一種設(shè)計方案。通過串接一個較小阻值的電阻來測量主回路的電流大小，再加上輸入、輸出電壓的輔助信號，使得功率開關(guān)控制器通過脈寬調(diào)制技術(shù)，可以對輸出直流電流進行靈敏準(zhǔn)確控制。

根據(jù)圖7所示恒流源控制拓撲和基于LNK306芯片，我們設(shè)計了一款如圖8所示的9W T8 LED燈管驅(qū)動恒流源電路。此電路采用Buck-Boost結(jié)構(gòu)，主要由輸入交流EMI濾波模塊，功率因數(shù)校正模塊，功率電感、開關(guān)控制模塊和輸出濾波、反饋模塊組成。

圖7 一種恒流源控制拓撲結(jié)構(gòu)Fig.7 Topology of constant current source control

圖8 9W T8 LED燈管驅(qū)動恒流源電路Fig.8 Constant current source circuit of 9W T8 LED tube

5 新加坡TUV PSB質(zhì)量檢測

本款電路設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，元器件較少，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)量認證。

測試報告編號:IECEN60598_2_1D

認證持有者:新加坡淡馬錫理工學(xué)院

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

(2)等級:

輸入:100-240Vac;50～60Hz;0.045～0.055A;

功率因數(shù)≥0.9;效率＞0.80

輸出:DC 60V;色溫5300～6000K

負載9W(一共有160粒LED，8×20結(jié)構(gòu))。

由圖9可以看出，功率電感兩端的電壓非常平穩(wěn)，無損緩沖電路對斬波尖峰脈沖的抑制效果顯著，開關(guān)狀態(tài)干凈，有效避免了電壓、電流浪涌對電路特性的有害影響。

圖9 電感L1兩端的電壓波形圖Fig.9 Voltage waveform of L1

由圖10可以看出，此款電路輸入工作電壓范圍非常寬，從100V至240V(ac)，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。

圖11和表1為最終LED燈管在實際照明應(yīng)用中，作為光源進行的照度、發(fā)光強度、光通量等參數(shù)的測量數(shù)據(jù)。與相同亮度T8熒光燈管照明效果相比，LED燈的長距離光衰小，光亮度均勻，不同發(fā)光角度的光通量特性佳。

圖10 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Fig.10 Relationship between voltage，power，power factor and efficiency

圖11 安裝高度與照度的關(guān)系圖(光束角共面135.41)Fig.11 Relationship between installation height and illuminance

表1 發(fā)光角度與光通量Table 1 Light angle and flux

6 小結(jié)

T8 LED燈管按照T8熒光燈管大小尺寸設(shè)計，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替換熒光燈管，壽命更長，照明效果更佳，電損耗率降低30% ～50%左右。此款白光T8 LED照明燈設(shè)計電路精簡，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］馮菊梅，王娟.淺談LED在照明工程中的應(yīng)用［J］.照明工程學(xué)報，2012(2):113.

［2］劉勝利.高亮度LED照明與開關(guān)電源供電［M］.中國電力出版社，2010.

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

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