全电压20W日光灯开关恒流源的特性及原理

 基本特性
 
    交流非隔离式高频开关降压恒流模式
    交流85～245V，50～60Hz工作范围
    串联充电、并联放电无源功率因数校正 
    可内置于28毫米灯管里安装
    工作环境温度0～75oC
    满足IEC61000-3-2：2001要求

    电路原理图和实物照片

    电路见图 1，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，工作原理见本公司《用 PT4107 设计 LED 日光灯的优化方法》一文。PWM 控制芯片 U1 和功率 MOS 管 Q1、镇流电感 L3、续流二极管 D5组成 Buck 降压变换，U1 采集传感电阻 R6～R9 上的峰值电流，由内部逻辑控制 GATE 脚信号的脉冲占空比进行恒流控制。芯片由 T1、D4、C4、R2～R4 组成的电子滤波器降压后供电，这个滤波器内阻很高，输出阻抗很小，能提供约 16V 稳定电压，确保芯片在全电压范围里稳定工作。R5 是芯片振荡电路的一部分，改变它会调节振荡频率。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。本电路的参数是为22个LED串联，15串并联，驱动330个60毫瓦的白光LED设计的，每串的电流是17.8毫安。

图1：20W LED日光灯恒流源电原理图

    图2是恒流源的实际照片，33个元件安装在235×25×0.8 毫米的环氧单面印制板上，PCB走线是按电力电子规范要求设计的，可以直接安装在28毫米的灯管之中。
 

图2：20W LED日光灯恒流源实物照片

    电气参数和 BOM

    这个恒流源的主要电气参数如表1，表中的参数是在CCM模式下测试得到的。它是针对85～245V交流电源设计的，实际上能在更宽的电压范围里工作，如60～270V，但输出电流会发生变化。驱动不同厂商的LED输出电压会略有变化，这是LED的正向压降不同而造成的，不会影响恒流精度。改变振荡频率和元件参数会使电路改变工作状态，例如降低频率或减小L3的电感量会使电路进入DCM模式，这时电路的电气参数就会改变。电路的元器件在成本和可靠性方面作了折中，元器件的数目已减到最低程度。表2是详细的材料表，为了保证质量，尽量选用推荐产商的元器件。

测试波形

    图 3 是电子滤波器 T1 发射极的波形，输出电压是直流 16V，输入电压在在 70V～245V范围里，这个电压是稳定不变的。

图 3：基极电压

    图 4 是 MOS 管栅极的波形，这是典型的门驱动脉冲波形，频率基本是固定的，脉冲的占空比随着负载电流和输入电压变化。当负载固定时，输入电压降低占空比增大，最低工作电压下的占空比是 0.48。脉冲幅度是固定 14.8V,不应该随输入电压升高而增加。测量中可看到脉冲在水平方向抖动，这并不是故障，而是为了降低 EMI 在芯片里增加了扩频功能。
 

图 4：栅极信号波形
 

图 5 是 MOS 管的的漏极电压波形，波形频率与栅极相同，但极性相反。当恒流源空载时，漏极电压是交流输入电压的 1.4 倍，有载时是交流输入电压的 1.2～1.3 倍。由于采用超高速恢复二极管续流，电感产生的反向电动势被阻尼，因而波形很干净。注意，用示波器测试漏极电压一定要用专门的高压探头，否则会损坏示波器。

图 5：漏极信号波形

    图 6 是 MOS 管源极电压，这个电压是 MOS 管的工作电流在传感电阻上的压降，它的幅度与 MOS 管的工作电流成正比。这个电压在单周期里送到芯片中作为控制信号，控制MOS 管栅极脉冲的占空比，使流过 LED 的电流恒定。源极电压与栅极电压的最大不同是脉冲前后沿有尖峰，尖峰是由输出镇流电感和MOS 管的寄生电感产生的，这些尖峰是产生开关损耗的根源。波形的顶部的斜坡是由导通损耗产生的。导通损耗和开关损耗是 MOS 管发热的主要原因。

图 6：源极采样信号波形

    图7 左上部两个波形分别是LED＋ 和LED－ 端的电压波形（带240欧姆负载），左下是（LED+）－（LED－）的波形，即输出电压。右图是用电流感应环测量的输出电流纹波。由于电流环的高频响应很好，显示出了几十毫伏的尖峰电流，它们是回路的寄生电感产生的反向电动势引起的，滤波电容对它是无可奈何的。注意，用示波器测量电流要用专门的电流探头或电流感应环。

图 7：输出电流波形 

    图8是在27OC 室温环境里,不同输入电压对应的输出电流，即输入电压调整率特性。

图 8：输入电压调整率
 图 9 是环境温度变化对输出电流的影响，这个曲线是用测试数据在Origin软件上拟合的。测试数据来自 10 个图 2 所示的电路板在老化箱中，带载工作在-15OC～＋75OC，步长 5OC测试的。

图 9：温度-输出电流特性

    使用说明

    注意：本恒流源是非隔离式结构，电路板和 LED 引脚上均带电，要严格遵守带电安全操作规则，避免发生人体触电事故！

首先检查LED板上发光管的串并结构， 每串LED必须在12～28个范围内，10～15串并联，总电流控制在260mA以内，总功率不要超过20W。恒流源板用2线电源线接220V 市电，L接火线，N接地线。允许市电有±15%的波动，接好LED 后再接通电源。不建议先上电再接LED，这样会损伤LED缩短使用寿命。当LED点亮后，如果电流偏离设计值，在输出回路串联一个量程大于2A的电流表，调节电路板上的电位器，可以微调输出电流。电流调好后在电位器螺杆上滴上硅胶固定，防止振动对电位器的影响。如果调电位器仍不能得到需要的电流值，也可以改变电阻R6～R9。由于散热设置是按最大输出功率20W设计的，因而不要随意增大输出功率。该电路板可以直接用于生产，PCB板的 Gerber 文件可在 PowThch 网站上直接下载或向应用系统部索取，省去设计的时间和费用。

    注意事项

    电子稳压器

    给U1供电的电路名叫倍容式纹波滤波器，是有效的电源净化器，它具有电容倍增式低通滤波器和串联稳压调整器双重作用，也叫 ACR (Amplificatory Capacitance Regulator)电路。在射极输出器的基极到地接一个电容 C4，由于基极电流只有射极电流的 1/(1＋β）, 相当于在发射极接了一个(1＋β）C4的大电容，这就是电容倍增式滤波器的原理。如果在基极到地再连接一个齐纳二极管，就是一个简单的串联稳压器，因此，该电路具有稳压和滤波双重作用，能有效地消除高频开关纹波。注意选择双极型晶体管的 Vbceo>500V, Ic=100mA。稳压二极管 D4 用 16～18V，1/4W 任何型号的小功率稳压管。

图10：倍容式纹波

    功率因数校正电路

    普通的桥式整流后直接平滑滤波的AC-DC电路，输入电压是正弦波，由于电容充电快放电慢，电流是不连续的脉冲波，谐波失真大，功率因数低。本电路用的是一种低成本的无源功率因数补偿电路，如图11所示。这个电路叫平衡半桥补偿电路，C1和D1组成半桥的一臂，C2和D3组成半桥的另一臂，D2和R1组成充电连接通路，利用填谷原理进行补偿。滤波电容C1和C2相串联，电容上的电压最高充到输入电压的一半(VAC/2)，一旦线电压降到VAC/2以下，二极管D1和D3就会被正向偏置，这样使C1和C2开始并联放电。采用这个电路后，系统的功率因数从0.6提高到0.88～0.9，但很难超过0.92，因为输入电压和电流之间还存在大约60度的死区。
 

图 11：平衡半桥 PFC 电路

    采样电阻
 
    电阻R6、R7、R8、R9 并联作为采用电阻，可以减小电阻精度和温度对输出电流的影响，并且可以方便地改变其中一个或几个的阻值，达到修改电流的目的。建议选用千分之一精度，温度系数为 50ppm 的SMD电阻。如果对电流精度和温度变化有更高的要求， 建议使用康铜或锰铜四端专用电流采样电阻。

    电解电容器

    因为铝电解电容的寿命与温度有很大关系，温度升高电解质的损耗加快，温度每升高6OC，电容器寿命就会减少一半。虽然LED的寿命长达5万小时，但电解电容的寿命只有4000小时，灯管内温度比较高时，电解电容器的寿命更低，因而，这个驱动电路的寿命取决于电解电容器。

    功率电感

    功率电感L3是比MOS管更关键的元件，要求Q值高、饱和电流大、电阻小。标称3.9毫亨的电感，在40KHz～100KHz频率范围里Q应大于90,饱和电流大于工作电流的2倍，这里选500毫安，绕线电阻要小于2 欧姆，居里温度大于400oC的优质功率电感。使用劣值电感的后果是灾难性的，一旦电感发生饱和，MOS管、LED、控制芯片就会瞬间烧毁。建议使用微晶材料的功率电感，它可以确保恒流源长期安全可靠地工作。