亞太區11W和15WLED燈驅動器的設計及其改進

摘要：經過多年工作實踐發現，某些元器件在應用方面存在很多誤區。針對某公司11 W和15 W LED燈驅動器的設計及其改進工作，提出采用常用的dV/dt供電方式來降低功耗，發現和解決了一些電路和有關元器件的問題，特別是對保險絲和電解電容提出了比較實際的應用指南。

關鍵詞：LED;驅動器;元器件;保險絲;電解電容;電路鎖住;共通

0? ? 引言

為了滿足中國國內和亞太區市場的要求，某公司計劃推出11 W和15 W LED燈驅動器。為了快速推出產品，準備在傳統照明驅動器的基礎上進行設計，意圖以成熟的拓撲、最快的速度呼應中國國內和亞太區市場的需求。

1? ? 電路拓撲的選擇

（1）如傳統照明驅動器，仍然采用半橋諧振電路拓撲，場效應管作為開關器件。

（2）啟動電路可以有兩種選擇，即雙向觸發二極管啟動或晶體管啟動，但考慮到雙向觸發二極管啟動的一些不可靠性因素，決定采用晶體管觸發啟動方式，如圖1所示。

電源接通后，T4率先飽和導通，隨后T3達到飽和導通，導致T4截止，然后下管柵極通過R6和R7充電，從而實現下管的導通，最終觸發震蕩。

（3）下管的驅動也可有兩個方案，即線性驅動和dV/dt驅動。線性驅動就是下管的驅動始終是通過R6和R7由母線電壓來的，前期工作已經證明這種方式會帶來高功耗和對低壓工作性能的負面影響，所以擬采用由半橋中點通過dV/dt來實現對下管的驅動，這也是一個常用的方案，如圖2所示。

2? ? 關鍵元器件的選擇

2.1? ? 燈電感

dV/dt供電的優勢，使得低成本元器件的選用成為可能。燈電感是一個在總成本中占比較高的器件，在節省成本過程中，它是關注點之一。為了大幅降低成本，初步考慮由EF16改為棒形線圈，由此可以比EF16便宜得多（>20%）。與EF16設計一樣，棒形線圈也同樣有初級繞組作為主回路電感和次級繞組作為上管驅動，但棒形線圈有它自己的缺點：

（1）低Q值和高損耗。與EF16（50 nH）相比，棒形線圈（10.44 nH）的AL值很低，需要更多的線圈才能達到3.1 mH，這導致棒形線圈串聯電阻高，Q值低，損耗大。

（2）開放式鐵磁體結構。棒形線圈具有開放的鐵磁體結構，會引起電磁干擾問題。

（3）低耦合系數。考慮到其開放式鐵磁體結構，棒形線圈耦合系數較低。為此已經與供應商溝通，強調繞線要緊密，以獲得盡可能高的耦合系數。

在線性驅動電路中不可能使用棒形線圈，因為驅動電阻的溫度已經成為瓶頸。如果使用棒形線圈，這些驅動電阻器溫度會更高，焊點融化斷裂的風險將很高。在dV/dt驅動電路中，棒形線圈的使用成為可能，因為驅動電阻器的值非常高，不會有很大的功耗和較高的溫度。

2.2? ? 燈電容

新電路中的燈電容器采用2.4 nF、DC700 V。

由于采用了dV/dt電源，新電路在低輸入電壓下的性能有了很大的提高。在這種情況下，可以在電路中使用較低的燈電容值（2.4 nF）。同傳統電路一樣，電路啟動還是即時型，這意味著在啟動過程中當負載接觸不良時可能出現高諧振電壓峰值，并且要求燈電容器具有抵抗非重復性高壓峰值的能力，所以燈電容采用DC700 V，以此來進一步提高電路的可靠性。經供應商確認，此電容能承受這一非重復性高壓峰值。

2.3? ? 開關管

也是由于采用了dV/dt電源，避免了驅動電阻上的高功耗，從而為開關管從低導通電阻變為高導通電阻開了綠燈。

高導通電阻FET（16 Ω、10 Ω）比低導通電阻FET（5.5 Ω）便宜得多。在新電路設計中，對16 Ω開關管和10 Ω開關管都進行了嘗試，但由于使用16 Ω的管子有溫度過高問題，所以只能使用10 Ω的管子。

3? ? 在電路驗證中發現的問題

3.1? ? 寄生振蕩

當T2關閉時，可以看到一個小的寄生振蕩，如圖3所示。

原因如下：

（1）當T2關閉時，T2的漏源（Vds）電壓降將從0 V上升，這意味著Vds將小到足以使齊納管Z6在一段時間間隔內不工作。在這個時間間隔內，齊納管可看做是一個高值電阻。

（2）齊納管也有響應時間。在這個響應時間內，齊納管不能起到齊納的作用，也可以看做是一個高值電阻。

（3）從圖3可以看出，在dV/dt的早期部分，T1的漏極和源極電壓下降速度更大。這意味著dV/dt電容器串聯時電阻較高，導致T2的Vds增加快于dV/dt的后期。

（4）如果把齊納管Z6短路，這種寄生振蕩會完全消失。

根據上述分析，我們可以得出結論：齊納Z6是造成這種寄生振蕩的原因。但這種寄生振蕩很小，不會導致兩個場效應管產生共通，測試驗證過程也證明了這一點。

3.2? ? 老化試驗中驅動器的陸續損壞

在驅動器的老化試驗中，一些燈陸續熄滅。調查發現，有些驅動器重新上電后，燈又能正常點亮，參數全部正常;但另一些驅動器就再也點不亮燈了，初步檢查這些驅動器，發現其中保險絲損壞，換上新保險絲后，這些驅動器又能正常工作了。

為此，我們進行了排摸，一一排除了其他器件和印刷線路板上短路的可能性及各器件的超規格使用。下面重點介紹對保險絲和電解電容的排摸。

3.2.1? ? 保險絲

為了分析所用保險絲的合適性，首先對它按反應速度進行簡單的分類：保險絲分慢斷型和快斷型。雖然快斷型價格較低，但只適合純阻性負載或需要非常靈敏快速保護的情況。但像驅動器等類產品，啟動時有較大的浪涌電流，若使用快斷型保險絲，則往往在上電時就會燒斷，而且由于終端客戶不具備維護的能力，不建議終端客戶對保險絲進行檢查和更換，所以，在這種情況下一般使用慢斷型保險絲，能夠確保產品可靠性。當然，這種慢斷型保險絲在通過了權威機構認證的情況下也能夠百分之百保證產品使用的安全性。

本驅動器使用的是玻璃管保險絲，規格為0.63 A、250 V，屬于慢斷型，其關鍵參數是額定電流、額定電壓、分斷能力和熔斷積分或熔斷值，當然，它的工作環境溫度也會對額定電流的降額產生影響，但由于所使用的保險絲的額定電流對溫度的降額非常有限，在此不作討論。以下是對4個參數的具體分析：

（1）額定電流。如果設計時流過它的電流在某種條件下會超過額定電流，那保險絲就有可能提前燒毀，也就會縮短驅動器的壽命。本設計輸入電流在最惡劣情況下約為0.1 A，遠遠小于它的額定電流0.63 A。

（2）額定電壓。如果輸入電源電壓超過它的額定電壓，保險絲就不能保證在需要的時候可靠地切斷電源。本驅動器的輸入電壓要求是170～250 V，所以完全符合它的規格要求。

（3）分斷能力。指的是在它的額定電壓條件下，能夠承載的最大故障或短路電流，在此電流下能安全斷開的能力。這個參數明顯和要討論的問題無關。

（4）熔斷積分或熔斷值I2t。這是表示浪涌電流隨時間積分，這是考驗保險絲能承受電源開關次數的指標，因為每次開關，保險絲都會承受一次浪涌電流的沖擊，而保險絲在整個壽命期間能承受的浪涌電流的次數是有限制的。經過測量，本驅動器的浪涌電流隨時間積分為0.12 A2s，遠遠小于保險絲的熔斷積分要求——1 A2s，考慮到浪涌電流的次數對保險絲壽命降額的影響，也足足有余。

所有分析都表明，使用的保險絲是合適的，所以，這種失效不可能是保險絲造成的。

3.2.2? ? 電解電容

為了分析方便，先對常用的鋁電解電容的關鍵參數進行說明。

（1）額定電壓。通常情況下，在驅動器正常工作時不建議超額定電壓使用，否則，電解電容會有被擊穿的可能，此時，保險絲會在較大電流的作用下熔斷，從而保護安全。

（2）紋波電流。這是決定電解電容壽命的關鍵參數之一，在考核紋波電流時要注意把所有頻次的諧波電流都計算在內，包括低頻和高頻的，決不能直接用儀器測量出的均方根值，因為計算壽命時有可能對低頻和高頻紋波電流采用不同的權重。

（3）工作溫度。這也是決定電解電容壽命的關鍵參數之一。

根據這些分析，筆者聯合一些電解電容專家一起對這些可疑驅動器中的電解電容進行了檢查，發現這些電容都能經受住額定電壓的考驗，參數一切正常。為進一步確認我們的懷疑，筆者對這些電容進行了解剖，但令人遺憾的是，如此也沒看到任何擊穿點，至此，調查似乎是走進了死胡同。然而，當筆者第二天再次檢查已經干透的薄膜時，欣喜地看到了非常細小的擊穿點，原因可能是濕態的薄膜掩蓋了擊穿點，同時可能由于擊穿的過程消除了這些微小的毛刺，電解電容能夠完美地抵抗額定電壓的測試。

利用這些分析結果，經過與供應商交涉，最終迫使供應商承認了是他們的工序瑕疵造成了這一批次的問題。

3.3? ? 電路的鎖住

在16 Ω開關管方案中，發現了一種稱為“電路鎖住”的現象，它發生在輸入電源快速斷開和快速接通時，有時電路不能重新啟動。原因是當輸入電源再次接通時，如果恰巧C9（圖2）還有足夠的電能保持下管導通而不能及時放電，同時電路各點電壓緩慢上升，但由于下管處于導通狀態，它的漏源極間電壓接近于零，導致沒有一個足夠的激勵來啟動震蕩。

解決這個問題的一個辦法是在C9上并聯一個15 kΩ的電阻來加速它的放電。但后來在10 Ω場效應管的配置中沒有看到電路鎖住現象，這是因為與16 Ω場效應管相比，10 Ω場效應管具有更高的柵源閾值，易于關斷。同時，由于時間的限制和16 Ω開關管的不良經驗以及空間的限制，16 Ω開關管方案的進一步驗證被擱置，所以這個15 kΩ的電阻沒有被加到印刷電路板上。

3.4? ? 棒形線圈的耦合問題

在試驗中，一種閃爍偶爾會在低輸入電壓下出現。若將棒形線圈換成EF16，這種閃爍現象就不會再出現了，所以這個問題和棒形線圈有關。進一步試驗證明，這是次級繞組纏繞過松，導致棒形線圈的耦合系數較低造成的。為了解決這個問題，與線圈供應商進行了交涉，供應商已同意改進工藝，確保兩級繞組的緊密繞制。

3.5? ? 兩個開關管的共通現象

兩個開關管的共通現象引起了注意，如圖4所示。

由圖4可見，在電路啟動的瞬間，兩管同時有電流流過，不是所有驅動器都會出現這種現象，而且，前代電路也有相似現象。考慮到共通時間極短且能量有限，同時，所有的壓力測試都沒有出現失效，所以，沒有采取進一步的措施。

4? ? 結語

目前的測試表明，此驅動器能滿足所有的安全、性能和可靠性要求，也符合大規模生產的規范。同時，也對暴露出來的問題進行了科學的探討，提出了合適的建議和解決方案。需要指出的是，在測試中一定要特別注意一些異常現象，如電路鎖住、共通等，進行仔細評估，必要時采取合適的措施予以解決。對元器件的選擇也要嚴格按照它們的特點和供應商的要求進行，否則，不是出現安全性問題，就是出現可靠性問題。

這個電路是一種比較成熟的晶體管啟動的半橋拓撲。實驗證明，只要設計合理，無論環境溫度高低，這種拓撲結構都不會出現啟動問題;這種拓撲結構的可靠性也在數百萬的電路生產中得到了驗證。

當然，如果市場反應情況持續良好，下一步可以考慮采用更低成本的電路拓撲。

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收稿日期：2020-03-06

作者簡介：黃永高（1961—），男，江蘇江陰人，碩士，工程師，研究方向：電子驅動器。