LED日光灯设计方案

摘要：日光灯作为一种光亮柔和而有效的光源在全世界广受欢迎，无论是在家居、商店、办公室、学校、超市、医院、剧场，还是在商业冰柜、广告灯箱、地铁、人行隧道、人防工程、夜市灯饰照明等，只要需要照明的地方均可见到日光灯。
日光灯作为一种光亮柔和而有效的光源在全世界广受欢迎，无论是在家居、商店、办公室、学校、超市、医院、剧场，还是在商业冰柜、广告灯箱、地铁、人行隧道、人防工程、夜市灯饰照明等，只要需要照明的地方均可见到日光灯。
传统的荧光日光灯其电源的利用率并不理想：附加镇流器功耗较大，开启时需要辅助高压;日光灯管内置的水银在废弃时无法处理，成为污染环境的公害。日光灯管的荧光粉在充入日光灯管过程中，含有较多量的汞(水银)，因此日光灯管破裂后，跑出来的水银蒸气对人体的危害较大。权威资料显示：汞蒸气达0.04至3毫克时会使人在2至3月内慢性中毒，达1.2至8.5毫克时会诱发急性汞中毒，如若其量达到20毫克，会直接导致动物死亡。
作为第四代新型节能光源，LED光源诞生之时即被用来做各类灯具的发光光源。0.06W的白光LED草帽灯、食人鱼是最早被用在LED日光灯的发光灯条上的。每个LED日光灯管使用数量不等，约280-360颗。现在新一代的LED日光灯发光灯条使用从0.06W到1W、显色为纯白、青白、暖白、冷白的贴片LED平面光源。
节能省电是LED日光灯的最大特点。以T8日光灯为例，标称36W的荧光日光灯(CFL)，其附加镇流器耗电8W，工作时实际耗电44W，照亮流明为420lm，使用寿命3千小时。而同样规格的LED日光灯，工作时实际耗电仅16W，照亮流明为550lm，使用寿命可达3万小时。
PWM LED驱动控制器PT4107
LED日光灯的LED灯条电源驱动方案有很多种，目前非隔离方案因其效率高而占主流，而用PWM LED驱动控制器来做LED日光灯驱动电源的又占绝大多数。
PT4107是一个典型的PWM LED驱动控制器，其内部拓扑结构如图1。

PT4107是一款高压降压式PWM LED驱动控制器，通过外部电阻和内部的齐纳二极管，可以将经过整流的110V或220V交流电压箝位于20V。当Vin上的电压超过欠压闭锁阈值18V后，芯片开始工作，按照峰值电流控制的模式来驱动外部的MOSFET。在外部MOSFET 的源端和地之间接有电流采样电阻，该电阻上的电压直接传递到PT4107芯片的CS端。当CS端电压超过内部的电流采样阈值电压后，GATE端的驱动信号终止，外部MOSFET关断。阈值电压可以由内部设定，或者通过在LD端施加电压来控制。如果要求软启动，可以在LD端并联电容，以得到需要的电压上升速度，并和LED电流上升速度相一致。
PT4107的主要技术特点：从18V到450V的宽电压输入范围，恒流输出;采用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源来调制振荡频率，这样可以扩展音频能量谱，扩展后的能量谱可以有效减小带内电磁干扰，降低系统级设计难度;可用线性及PWM调光，支持上百个0.06W LED的驱动应用，工作频率25kHz-300kHz，可通过外部电阻来设定。
PT4107封装如图2，各引脚功能如下：
1.GND 芯片接地端;
2.CS LED峰值电流采样输入端;
3.LD 线性调光接入端;
4.RI 振荡电阻接入端;
5.ROTP 过温保护设定端;
6.PWMD PWM调光兼使能输入端，芯片内部有100K上拉电阻;
7.VIN 芯片电源端;
8.GATE 驱动外挂MOSFET栅极;

设计全电压20W日光灯开关恒流源
以AC 85V～245V全电压输入为例，采用PT4107 PWM LED驱动控制器来做LED日光灯驱动电源的主芯片，设计一个比较理想的应用电路方案(图3)。该方案由全电路由抗浪涌保护、EMC滤波、全桥整流、无源功率因素校正(PFC)、降压稳压器、PWM LED驱动控制器、扩流恒流电路组成。

按此理念，设计成的全电压20W日光灯开关恒流源电原理图如图4所示。从AC 220V看进去，交流市电入口接有1A保险丝FS1和抗浪涌负温度系数热敏电阻NTC，之后是EMI滤波器，由L1、L2和CX1组成。BD1是整流全桥，内部是4个高压硅二极管。C1、C2、R1、D1～D3组成无源功率因数校正电路。PT4107芯片由T1、D4、C4、R2～R4组成的电子滤波器降压稳压后供电，这个滤波器输入阻抗很高，输出阻抗很小，整流后近300V直流高压经此三极管降压向PT4107 Vin提供约18～20V稳定电压，确保芯片在全电压范围里稳定工作。
这个电路不像先前方案的电阻降压电路那样耗能而发烫。PWM控制芯片U1(PT4107)和功率MOS管Q1、镇流功率电感L3、续流二极管D5组成降压稳压电路，U1采集电流采样电阻R6～R9上的峰值电流，由内部逻辑在单周期内控制GATE脚信号的脉冲占空比进行恒流控制。输出恒流与D5、L3的续流电路合并向LED光源恒流供电，改变电阻R6～R9的阻值可改变整个电路的输出电流，但D5、L3也要随之改动。R5是芯片振荡电路的一部分，改变它可调节振荡频率。电位器RT在本电路中不是用来调光，而是用来微调恒流源的电流，使电路达到设计功率。由于器件的分散性，批量生产时每一块电源板的输出电流会略有不同，在生产线上可用此电位器来调整每块电源板的输出电流。为保证已调好电源板的稳定性，一定要选用涡轮涡杆微调电位器，并在调好后滴胶固封。