led灯设计方案
全球气候暖化危机和能源紧缺在进一步推动LED照明的普及，LED照明具有环保、光效高和寿命长的特点，但在完全取代具有墙上型调光器的白炽灯方面，LED照明还存在兼容性差的先天不足。其主要原因在于：1)现有的调光器都是针对白炽灯设计的，而白炽灯呈现的是纯阻性;LED作为固态半导体照明器件，需要恒定的直流电流驱动，所以LED照明一般都需要驱动器从交流110V/220V转换到所需要的直流电流;2)调光器种类繁多，而且工作原理各不相同，包括前切型、后切型和智能型等;3)LED照明器的种类也很多。这样一来，对于不同的LED照明匹配不同类型的调光器;LED的驱动器面临巨大挑战;其中，可靠性和安全性尤为重要。照明属于消费电子产品，直接接触千家万户的消费者，不仅价格要适当，更重要的是要安全可靠;即便是任一元器件失效或调光器与LED不匹配，也不能造成漏电、过热、过流等任何安全故障。
针对LED照明市场的发展，多家IC制造商推出了应用于调光LED灯具的驱动方案。本文介绍的iW3610是兼容传统前后切相式调光器的数字控制器，可自动识别切相调光器，配合不同的工作模式，使整个系统始终工作在优化状态。
LED照明驱动器的设计要点
LED是一种单向电流型固态半导体发光器件，它是传统二极管的一个分支;因此LED也具有二极管的特性：1)工作结温必须在规定的范围内，以保证其正常工作寿命;2)只有当其承受的电压超过正向电压时，LED才开始有电流通过，并发光;作为发光器件，LED照明还具有其它特性：
1)照明要求：a.电流的调节精度要高;b.没有闪烁和眩光;c.电流的纹波要稳定。
2)散热设计要点：a.非隔离驱动器便于散热器的设计和成本控制;b.高效率的驱动器，减少功率耗散;c.过热调节，调节输出光通量当温度超过安全结温时。
3)安全可靠性要点：a.任一器件发生故障(短路、开路、浮动)均应导致LED照明的关断保护;b.可靠的过热过流保护;c.LED开路和短路保护。
当然，要普及LED照明到千家万户，成本是最重要的考虑因素，LED产品既要可靠还要体积小巧，并且高效、低成本。
LED调光照明应用中的难点
相比于传统的白炽灯，LED照明具有环保、光效高和寿命长的优点。但在完全取代带有入墙式调光器的白炽灯方面，LED照明尚存在兼容性差的缺点。传统的调光器用于驱动纯电阻负载，调光器种类繁多，包括前沿切相调光器、后沿切相调光器、智能调光等等，而且功率都比较大(200W~600W)，需要提供阻性或类阻性的负载才能使调光器稳定工作;当连接容性负载时，调光器可能无法正常工作。
针对可控硅切相调光器，凭借简单的泄放电路(BLEEDER)去配合规格各异的可控硅调光器工作，很难让人满意。传统调光器功率都比较大(200W~600W)，可控硅需要一定的保持电流维持其导通，而在小功率的LED驱动应用上，一般不能保证有足够大的输入电流去维持可控硅稳定工作。这样就有可能出现多次导通，因而供给LED驱动的电压及切相信号就不稳定，如果调光信号处理不好则会造成LED闪烁。
另外，在欧美市场上，后沿切相型的调光器和卤素灯也有广泛应用。卤素灯需要电子变压器进行恒压控制及软启动以提高可靠性，但是卤素灯发光效率也远不如LED灯，因此很多使用者也很想选用可调光的LED去替换卤素灯及电子变压器。
由于后沿切相的调光器需要和电容性的电子变压器匹配，它的设计和工艺较普通的可控硅调光器更为复杂，内部有精准的时间常数电路去控制场效应管的关断而达到后沿切相的效果，还需要稳定的电压供这些电路工作;因为这种调光器中使用的开关器件是场效应管，一般都会并联上较大值的X电容以保护场效应管，这样就加大了在正弦波下降沿切相时的检测难度。因此，针对后沿切相调光器设计的LED驱动，既要能够在任何切相位置保证调光器内部电路工作，又要能够提供很低的阻抗去准确检测切相位置，而且不能影响LED驱动的转换效率。
智能数字调光控制器iW3610
iWatt公司推出的数字调光控制芯片采用高精度的初级恒流控制方式，无需光藕合器和元件繁多的次级反馈控制元件;功率转化操作频率高达200kHz，利于小体积高功率密度设计;特有的斩波式调光器的检测技术，也改善了功率因数和谐波电流;输出纹波电流小，优化了LED的发光效率;内置多重保护，外置NTC的程序化过温保护。
iW3610的斩波电路就是针对可控硅和场效应管调光器的特性而设计。如图4所示，RcLcQcD1D2组成的电路既可以使调光器稳定工作，又可以通过Boost电路改善功率因数，IC内部的数字电路通过检测电压的变化率判断切相信号的类别，从而智能化判断其所配合的调光器。
当iW3610检测到可控硅切相的调光信号后，将工作在前沿切相模式。如图5所示，当可控硅关断时，IC的Output_TR是高电位，使MOSFET导通，相当于把BLEEDER电阻连接在调光器的输出端，因为BLEEDER的阻抗大小与常规的钨丝灯相当;当可控硅导通时，Ouput_TR会输出一组高频的控制信号，斩波电路工作在高频开关状态，斩波电路从输入端吸取较多的电流，以维持可控硅工作;吸取的能量大部分通过Boost电路传递给初级电容。IC针对不同的输入切相信号调整斩波电路的工作时间，避免了可控硅的多次导通。
当iW3610检测到场效应三极管调光器时会工作在后沿切相模式。如图6所示，当调光器内部的场效应三极管导通时，IC的Output_TR给出的是一组高频控制脉冲信号，斩波电路工作在Boost状态，当IC检测到调光器内的场效应三极管截止时，Output_TR会跳变成高电平信号，斩波电路中的Qc导通，LED驱动呈低输入阻抗以还原交流输入的切相波形。
当IC检测到输入的电压是完整的交流信号，没有接调光器时，它会选择高功率因数模式。iWatt特有的固定VinTon控制方式[u1]既可以确保Boost电路输出电压不会失控，又能尽量拓展输入电流的导通角度，提高功率因数。
因此，针对不同输入电压不同输出功率的驱动设计要求，只需合理地设置斩波电路中Rc阻值和Qc的电感量，就可以得到优化的驱动设计，既能满足切相检测，又能改善驱动的功率因数，减少输入电流的谐波。因为BLEEDER电阻是动态导通，而且，Boost电路的加入把大部分的能量传递给初级电容，减少了损耗，因此整个驱动能保持很高的转化效率。
iW3610将相位检测和调光控制通过数字控制的方式整合在IC内部，检测到的切相信号在IC内部就转化成调光控制信号，去控制输出部分的反激变换器，与iWatt的精准的初级恒流控制技术完美结合，LED的电流就受控于输入电压的切相信号了。
当然，为了迎合LED照明产品的需求，iW3610也具备了更多新的控制性能。它支持高达200KHz的工作频率，可使设计人员更容易研发高功率密度的LED驱动，满足灯具小型化的趋势;波谷导通的准谐振(Quasi-resonant)模式也可以尽可能提高效率，简化EMI对策，其特有的自适应过温保护控制方式更受LED应用工程师青睐。
由于LED自身的特点，在高温下，系统的可靠性和使用寿命都很难得到保障，因而合适的过温保护方式在LED应用中尤其重要。很多客户都希望在内部温度达到一定的高温时，驱动能自动限制输出功率，使灯的温度不会继续上升，而能继续工作，并且保持在安全使用的状态下。用户一般不会觉察到亮度的缓慢变化，但在有异常情况发生时，如果灯内部的温度持续上升到一个较高的温度，影响安全时，还是希望能明确提示使用者，该灯出现故障了。
iW3610就是通过简单的NTC保护电路实现了复杂的可程序化保护。NTC接在IC的第四引脚上，具体设计应用时可以将NTC放置在温度较高的元件旁，例如变压器或MOSFET。假设设计者选用47K的NTC做过温保护。当NTC检测到温度达到105℃时，其阻值会变化为4K左右，这时候，IC第四引脚上的电压会变成0.4V，因为IC内部有个100UA的恒流源，IC检测到这个变化后，输出电流会进入线性降压模式，不同的温度对应不同的VT引脚控制电压，不同的控制电压对应不同的输出电流。如果温度继续上升到一个较高的温度时，当VT引脚上的电压低于0.3V时，控制器会将输出锁定为10%，这样输出功率就很小，因而不会再有过温的问题了。当内部温度下降到一定值，回到安全的温度范围内时，LED灯的输出功率就会缓慢恢复，这种恢复也有一定的迟滞。
典型应用案例分析
图7是一个7W调光方案线路图。iWatt方案实现初级恒流控制，其恒流控制精度达5%。反激式变换器中的电流信号是三角波，三角波电流有效值是峰值电流的1/2再乘以占空比。初级侧电流与次级侧峰值的比值就是变压器圈比。
iWatt的恒流控制方式就是通过检测初级侧电流的峰值、工作频率，检测变压器的磁复位时间来获取输出电流的大小，从而控制Isense基准电压。
设计步骤
1)设定Vin的电阻。(图7中R7/R8的阻值)
Vin电阻有多重作用，用于起机，用于检测输入电压的高低以判断相位。iW3610内部默认一个系数KVin，高压输入时为0.0043，低压时为0.0086。根据这个比值，在一个120V输入的设计中，RVin推荐为290~300K??;高压230V输入时，RVin电阻应该是560~600K??。
2)确定BLEEDER电阻。
BLEEDER电阻的大小与调光的性能、效率、功率因数有关。经过确认，我们推荐选用以下的设置：Vin100~120Vac：270~390··Vin220~240Vac：470~560··该电阻需要2W的额定功率。
3)选择斩波电路的电感Qc-L3。
L3的大小与效率、功率因数和EMI有关。电感越小，功率因数越高;功率因数过高，对效率和EMI也有影响。一般情况下，对于5~6W的设计，功率因数可达到0.8~0.9。
变压器设计
变压器的选择与功率大小、驱动的体积大小有关;与期望的效率和成本也有关。一般情况下，功率越大，体积越大;同样的功率，体积越大，磁芯的结构越复杂，效率越高，当然成本也越高。合适的磁芯可以使变压器漏感小，线圈结构优化。
确定变压器大小之后，再考虑变压器的圈数和圈比。圈比与输出功率输出电流大小有关。还要综合考虑输出整流管的大小、其反向耐电压的高低，并且要预留一定的余量。一般情况下，圈比越小，次级侧二极管里流过的电流峰值越小，但是它所承受的反向电压越高。
在确定变压器初级绕组的圈数和电感时，要考虑变压器工作的最大磁通量，一般在250mT到320mT之间。如果太高，可能会饱和;如果太低，则磁芯利用率太低。工作频率与效率EMI的关系比较紧密，一般情况下，如果频率低一些，EMI对策会相对容易;高压输入时，若频率较低，则效率会高一些，因为高电压输入时开关损耗较大。
确定了变压器之后接就是确定电流取样电阻，根据iWatt初级恒流控制原理，可以得出以下计算公式：
接下来我们就确定VCC绕组的圈数和电压反馈电阻的大小。推荐将VCC设定在12~15V之间，根据输出电压的高低和VCC的范围，就可以计算确定VCC绕组的圈数。
然后确定反馈电阻，在正常工作的条件下，把Vsense电压设定在1.3~1.4V，不要高于1.538V，这时还要考虑过压保护(OVP)的大小。当Vsense电压达到1.7V左右时，会产生过压保护，IC将锁定不工作。关断输入电压，IC复位之后，则又可以重新启动。
本文小结
在隔离驱动应用愈来愈成为LED主流设计的趋势下，iW3610的应用优势尤为突出，适合灯内置驱动的要求。驱动隔离的设计可以节约灯具系统的隔离成本，优化LED的散热性能。整个设计的元件数量不多;体积可以小至内置于E27/E26灯头的球炮或PAR灯内;效率高，5W设计中效率大于80%，10W设计中效率大于85%;功率因数满足能源之星的要求;调光范围100%~1%，可支持欧美市场上的主流调光器。
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。
本电路的参数是按每串22个0.06W LED，共15串并联，驱动330个60毫瓦的白光LED负载设计的，每串的电流是17.8毫安，设计输出为36-80V/25OmA。如果改变LED数量，则需修正R6～R9的参数。
PCB板的排列是做好产品的关键，因此PCB板的走线要按电力电子规范要求来设计。本电路可用于T10、T8日光灯管，因两管空间大小不同，二块PCB板的宽度将不同，需要降低所有零件的高度，以便放入T10、T8灯管。图5是T10恒流源板的实物照片，33个元件安装在235×25×0.8毫米的环氧单面印制板上。
关键的设计和考虑因素
1.抗浪涌的NTC。
抗浪涌的NTC选用300Ω/0.3A热敏电阻，如改变此方案的输出，比如增大电流，则NTC的电流也要选大一些，以免过流自发热。
2.EMC滤波
在交流电源输入端，一般需要增加由共轭电感、X电容和Y电容组成的滤波器，以增加整个电路抗EMI的效果，滤除掉传导干扰信号和辐射噪声。本电路采用共轭电感加X电容器的简洁方式，主要还是出于整体成本的考虑，本着够用就好的设计原则。X电容器应标有安全认证标志和耐压AC275V字样，其真正的直流耐压在2,000V以上，外观多为橙色或蓝色。共轭电感是绕在同一个磁芯上的两个电感量相同的电感，主要用来抑制共模干扰，电
感量在10～30mH范围内选取。为缩小体积和提高滤波效果，优先选用高导磁率微晶材料磁芯制作的产品，电感量应尽量选较大的值。使用二个相同电感替代一个共轭电感也是一个降低成本的方法。
3.全桥整流
全桥整流器BD1主要进行AC/DC变换，因此需要给予1.5系数的安全余量，建议选用600V/1A。
4.无源PFC
普通的桥式整流器整流后输出的电流是脉动直流，电流不连续，谐波失真大，功率因数低，因此需要增加低成本的无源功率因数补偿电路，如图6所示。这个电路叫做平衡半桥补偿电路，C1和D1组成半桥的一臂，C2和D2组成半桥的另一臂，D3和R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串联，电容上的电压最高充到输入电压的一半，一旦线电压降到输入电压的一半以下，二极管D1和D2就会被正向偏置，使C1和C2开始并联放电。这样，正半周输入电流的导通角从原来的75°～105°上升到30°～150°；负半周输入电流的导通角从原来的255°～285°上升到210°～330°(图7)。与D3串联的电阻R有助于平滑输入电流尖峰，还可以通过限制流入电容C1和C2的电流来改善功率因数。采用这个电路后，系统的功率因数从0.6提高到0.89。R有浪涌缓冲和限流功能，因此不宜省略。
5.降压稳压电路
给PT4107供电的电路是倍容式纹波滤波器(图8)，具有电容倍增式低通滤波器和串联稳压调整器双重作用。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容值为(1+β)C4的大电容，这就是电容倍增式滤波器的原理。如果在基极到地之间再连接一个齐纳二极管，就是一个简单的串联稳压器，该电路能有效地消除高频开关纹波。请注意，T1要选择双极型晶体管的Vbceo500V，Ic=100mA。稳压二极管D4要用20V、1/4W任何型号的小功率稳压管。
6.镇流功率电感
镇流功率电感L3与Q1 MOS管，以及R6、R7、R8、R9并联的电流采样电阻，是此电路恒流输出的三大关键元件。镇流功率电感L3要求Q值高、饱和电流大、电阻小。标称3.9mH 的电感，在40kHz～100kHz频率范围里Q值应大于90。设计时要选用饱和电流是正常工作电流2倍的功率电感。本电路设计输出电流250mA，因此选500mA。选用功率电感的绕线电阻要小于2Ω、居里温度大于400 oC的优质功率电感。一旦电感发生饱和，MOS管、LED光源、PWM控制芯片就会瞬间烧毁。建议使用高导磁率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。
L3电感要选用EE13磁芯的磁路闭合电感器，或高度低一点的EPC13磁芯(图9)。现在LED日光灯大多数选用半铝半PV塑料的灯管，以帮助LED光源散热。工字磁芯电感器的磁路是开放的，当使用工字磁芯电感器的电源驱动板进入半铝半PV塑料灯管时，由于金属铝能使其磁路发生变化，往往会使已调试好的电源驱动板输出电流变小。
7.续流二极管
续流二极管D5一定要选用快速恢复二极管，它要跟上MOS管的开关周期。如果在此使用1N4007，那么在工作时会烧毁的。此外，续流二极管通过的电流应是LED光源负载电流的1.5～2倍，本电路要选用1A的快速恢复二极管。
8.PT4107开关频率设定
PT4107开关频率的高低决定功率电感L3和输入滤波电容器C1、C2、C3的大小。如果开关频率高，则可选用更小体积的电感器和电容器，但Q1 MOSFET管的开关损耗也将增大，导致效率下降。因此，对AC 220V的电源输入来说，50kHz～100kHz是比较适合的。PT4107开关频率设定电阻R5计算公式如下。当F=50kHz时，R5=500KΩ。
9.MOSFET管的选择
MOSFET管Q1是本电路输出的关键器件。首先，它的RDS(ON)要小，这样它工作时本身的功耗就小。另外，它的耐压要高，这样在工作中遇到高压浪涌不易被击穿。
在MOSFET的每次开关过程中，采样电阻R6～R9上将不可避免的出现电流尖峰。为避免这种情况发生，芯片内部设置了400ns的采样延迟时间。因此，传统的RC滤波器可以被省去。在这段延迟时间内，比较器将失去作用，不能控制GATE引脚的输出。
10.电流采样电阻
电阻R6、R7、R8、R9 并联作为采样电阻，这样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电阻的阻值，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(1206) 1/4W电阻。电流采样电阻R6～R9的总阻值设定和功率选用，要按整个电路的LED光源负载电流为依据来计算。 R(6-9)=0.275/ILED PR(6-9)=ILED2 x R(6-9)
11.电解电容器
LED光源是一种长寿命光源，理论寿命可达50,000小时，但是，应用电路设计不合理、电路元器件选用不当、LED光源散热不好，都会影响它的使用寿命。特别是在驱动电源电路里，作为AC/DC整流桥的输出滤波器的电解电容器，它的使用寿命在5,000小时以下，这就成了制造长寿命LED灯具技术的拦路虎。本电路设计使用了C1、C2、C4、C5、C7多颗铝电解电容器。铝电解电容器的寿命还与使用环境温度有很大关系，环境温度升高电解质的损耗加快，环境温度每升高6 oC，电解电容器寿命就会减少一半。LED日光灯管内温度因空气不易流动，如电源驱动板设计不合理，管内温度会比较高，电解电容器的寿命因此大打折扣。选用固态电解电容器，也许是延长寿命的好办法之一，但导致成本上升。
应用PT4107可以设计以多颗0.06W WLED光源串并联为负载的，电压输入为AC 110V或AC 220V的T10、T8、T5的LED日光灯方案，以及类似应用的吸顶灯、满天星灯、野外照明工作灯、球泡灯等，也可设计以高亮度1W WLED光源串联为负载的LED庭园灯、LED路灯、LED隧道灯。
20XX年初日本政府为降低公共照明的碳排放，强制企业执行节能减碳政策，日本办公室节能照明需求逐渐升温，大力推广LED日光灯，促进了中国LED日光灯的生产。因此参照本设计电路优化设计适用AC110V的LED日光灯电路已被广泛用于生产。
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。
本电路的参数是按每串22个0.06W LED，共15串并联，驱动330个60毫瓦的白光LED负载设计的，每串的电流是17.8毫安，设计输出为36-80V/25OmA。如果改变LED数量，则需修正R6～R9的参数。
PCB板的排列是做好产品的关键，因此PCB板的走线要按电力电子规范要求来设计。本电路可用于T10、T8日光灯管，因两管空间大小不同，二块PCB板的宽度将不同，需要降低所有零件的高度，以便放入T10、T8灯管。图5是T10恒流源板的实物照片，33个元件安装在235×25×0.8毫米的环氧单面印制板上。
关键的设计和考虑因素
1．抗浪涌的NTC。
抗浪涌的NTC选用300Ω/0.3A热敏电阻，如改变此方案的输出，比如增大电流，则NTC的电流也要选大一些，以免过流自发热。
2．EMC滤波
在交流电源输入端，一般需要增加由共轭电感、X电容和Y电容组成的滤波器，以增加整个电路抗EMI的效果，滤除掉传导干扰信号和辐射噪声。本电路采用共轭电感加X电容器的简洁方式，主要还是出于整体成本的考虑，本着够用就好的设计原则。X电容器应标有安全认证标志和耐压AC275V字样，其真正的直流耐压在2,000V以上，外观多为橙色或蓝色。共轭电感是绕在同一个磁芯上的两个电感量相同的电感，主要用来抑制共模干扰，电感量在10～30mH范围内选取。为缩小体积和提高滤波效果，优先选用高导磁率微晶材料磁芯制作的产品，电感量应尽量选较大的值。使用二个相同电感替代一个共轭电感也是一个降低成本的方法。
3.全桥整流
全桥整流器BD1主要进行AC/DC变换，因此需要给予1.5系数的安全余量，建议选用600V/1A。
4．无源PFC
普通的桥式整流器整流后输出的电流是脉动直流，电流不连续，谐波失真大，功率因数低，因此需要增加低成本的无源功率因数补偿电路，如图6所示。这个电路叫做平衡半桥补偿电路，C1和D1组成半桥的一臂，C2和D2组成半桥的另一臂，D3和R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串联，电容上的电压最高充到输入电压的一半，一旦线电压降到输入电压的一半以下，二极管D1和D2就会被正向偏置，使C1和C2开始并联放电。这样，正半周输入电流的导通角从原来的75°～105°上升到30°～150°；负半周输入电流的导通角从原来的255°～285°上升到210°～330°(图7)。与D3串联的电阻R有助于平滑输入电流尖峰，还可以通过限制流入电容C1和C2的电流来改善功率因数。采用这个电路后，系统的功率因数从0.6提高到0.89。R有浪涌缓冲和限流功能，因此不宜省略。
5．降压稳压电路
给PT4107供电的电路是倍容式纹波滤波器(图8)，具有电容倍增式低通滤波器和串联稳压调整器双重作用。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容值为(1＋β)C4的大电容，这就是电容倍增式滤波器的原理。如果在基极到地之间再连接一个齐纳二极管，就是一个简单的串联稳压器，该电路能有效地消除高频开关纹波。请注意，T1要选择双极型晶体管的Vbceo500V，Ic=100mA。稳压二极管D4要用20V、1/4W任何型号的小功率稳压管。
6．镇流功率电感
镇流功率电感L3与Q1 MOS管，以及R6、R7、R8、R9并联的电流采样电阻，是此电路恒流输出的三大关键元件。镇流功率电感L3要求Q值高、饱和电流大、电阻小。标称3.9mH 的电感，在40kHz～100kHz频率范围里Q值应大于90。设计时要选用饱和电流是正常工作电流2倍的功率电感。本电路设计输出电流250mA，因此选500mA。选用功率电感的绕线电阻要小于2Ω、居里温度大于400 oC的优质功率电感。一旦电感发生饱和，MOS管、LED光源、PWM控制芯片就会瞬间烧毁。建议使用高导磁率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。
L3电感要选用EE13磁芯的磁路闭合电感器，或高度低一点的EPC13磁芯(图9)。现在LED日光灯大多数选用半铝半PV塑料的灯管，以帮助LED光源散热。工字磁芯电感器的磁路是开放的，当使用工字磁芯电感器的电源驱动板进入半铝半PV塑料灯管时，由于金属铝能使其磁路发生变化，往往会使已调试好的电源驱动板输出电流变小。
7．续流二极管
续流二极管D5一定要选用快速恢复二极管，它要跟上MOS管的开关周期。如果在此使用1N4007，那么在工作时会烧毁的。此外，续流二极管通过的电流应是LED光源负载电流的1.5～2倍，本电路要选用1A的快速恢复二极管。
8．PT4107开关频率设定
PT4107开关频率的高低决定功率电感L3和输入滤波电容器C1、C2、C3的大小。如果开关频率高，则可选用更小体积的电感器和电容器，但Q1 MOSFET管的开关损耗也将增大，导致效率下降。因此，对AC 220V的电源输入来说，50kHz～100kHz是比较适合的。PT4107开关频率设定电阻R5计算公式如下。当F=50kHz时，R5=500KΩ。
9．MOSFET管的选择
MOSFET管Q1是本电路输出的关键器件。首先，它的RDS(ON)要小，这样它工作时本身的功耗就小。另外，它的耐压要高，这样在工作中遇到高压浪涌不易被击穿。
在MOSFET的每次开关过程中，采样电阻R6～R9上将不可避免的出现电流尖峰。为避免这种情况发生，芯片内部设置了400ns的采样延迟时间。因此，传统的RC滤波器可以被省去。在这段延迟时间内，比较器将失去作用，不能控制GATE引脚的输出。
10．电流采样电阻
电阻R6、R7、R8、R9 并联作为采样电阻，这样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电阻的阻值，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(1206) 1/4W电阻。电流采样电阻R6～R9的总阻值设定和功率选用，要按整个电路的LED光源负载电流为依据来计算。
R(6-9)=0.275/ILED
PR(6-9)=ILED2 x R(6-9)
11.电解电容器
LED光源是一种长寿命光源，理论寿命可达50,000小时，但是，应用电路设计不合理、电路元器件选用不当、LED光源散热不好，都会影响它的使用寿命。特别是在驱动电源电路里，作为AC/DC整流桥的输出滤波器的电解电容器，它的使用寿命在5,000小时以下，这就成了制造长寿命LED灯具技术的拦路虎。本电路设计使用了C1、C2、C4、C5、C7多颗铝电解电容器。铝电解电容器的寿命还与使用环境温度有很大关系，环境温度升高电解质的损耗加快，环境温度每升高6 oC，电解电容器寿命就会减少一半。LED日光灯管内温度因空气不易流动，如电源驱动板设计不合理，管内温度会比较高，电解电容器的寿命因此大打折扣。选用固态电解电容器，也许是延长寿命的好办法之一，但导致成本上升。
应用PT4107可以设计以多颗0.06W WLED光源串并联为负载的，电压输入为AC 110V或AC 220V的T10、T8、T5的LED日光灯方案，以及类似应用的吸顶灯、满天星灯、野外照明工作灯、球泡灯等，也可设计以高亮度1W WLED光源串联为负载的LED庭园灯、LED路灯、LED隧道灯。
2009年初日本政府为降低公共照明的碳排放，强制企业执行节能减碳政策，日本办公室节能照明需求逐渐升温，大力推广LED日光灯，促进了中国LED日光灯的生产。因此参照本设计电路优化设计适用AC110V的LED日光灯电路已被广泛用于生产。
附注：本方案可提供电原理图、PCB板图、BOM表。
作者：颜重光
高级工程师
华润矽威科技(上海)有限公司
分析LED日光灯设计的四大关键技术
日光灯管在日常生活中有广泛的应用，超市、学校、办公市、地铁等等，但凡能见得着的公共场所，都能见到日光灯的大量使用！LED日光灯的省电节能性能，经过长时间的大量宣传，大家均已非常认可，但花高价买回的LED日光灯管，现在很多都是走到了一个同廉价节能灯相同的处境：节能而不节钱！而且是大量的浪费钱，如何让LED使用寿命及亮度达到让使用都满意的标准，是一个有相当意义的题目！LED日光灯管要保持长寿命及高亮度，要解决的问题是：电源、LED光源、散热、安全四大关键技术！
一 电源
电源首要的要求是效率高，效率高的产品，发热就低则稳定性就必然高。通常在电源部分有用隔离及非隔离两种方案，隔离的体积偏大，效率较低，在使用中，安装方面都会产生很多问题，不如非隔离产品的市场前景大，在此我们主要讨论非隔离的驱动方案。
非隔离的使用的LED 日光灯电源，以台湾广鹏科技公司的A704WFT为例，A704WFT的MOS 管外挂，其基本线路如图1所示：
图1：A704WFT非隔离LED 日光灯电源
电源特性：
1、市电供电（85~265V），外置MOS，功率不受限制；
2、低功耗，效率高，功率因数高；
3、具负载开路和短路保护、输出过压保护功能，电流纹波特性好，输出电流近似DC直流，无灯 闪现象，负载能力高，能驱动高达600mA的电流；
4、客户已做出15W的标准电路,效率88%，功率因数0．91，可以通过CE认证，包括EN55015的EMI测试，照明灯具25W以下C类谐波标准，EFT的1000V脉冲群测试，ESD的2000V静电测试。15串应用可以输出端低电压控制，无需使用传统大颗电容器，可很好控制电流的输出谐波；
5、A704的LED日光应用方案比较成熟可靠，我们可提供LED日光灯可过EMC测试的PCB线路及BOM表参考，提高客户设计开发产品的速度！
二 LED光源
采用台湾琉明斯的专利结构的LED 灯珠，其芯片放置于接脚上，热能过银脚直接将芯片节点所产生的热带出来，同传统的直插产品，及传统的贴片产品在散热方面有质的不同，芯片的节点温度不会产生累积，从而保证了光源灯珠的良好使用性，保证光源灯珠的长寿命，低光衰。
传统贴片产品，虽能通过芯片的金线联接正负极，同时也是让芯片产生的热能过金线连接至银脚，热与电的传导均是由金钱传导的，热的积累时间长了会直接影响LED 日光灯管的寿命。
传统的贴片产品热传导路线及方式如下图2：
图2：传统的贴片产品热传导路线及方式
而琉明斯的LED 传导路线及方式如下图3：
图3：琉明斯的LED 传导路线及方式
琉明斯的LED 其专利的散热结构能让芯片节点产生的热量迅速带出，在芯片处不产生热的累积，从而实现LED 光源灯珠能长寿命使用。而且琉明斯公司在LED 的寿命测试过程中，对于高低温冲击、过回流焊、高温高湿的使用等各种复杂的应用环境都做了完整的实验分析，确保正常使用的低光衰的长寿命!
三 散热
将红外线辐射散热引入并应用于日光灯管，是提高灯管使用寿命的重要手段。在散热考虑中，我们将LED 光源灯珠的散热及电源的散热分开来，互不干扰，从而保证散热的合理性。
热传导的途径有三种，对流、传导及辐射。在封闭的环境中，对流及传导实现的可能较小，而通过辐射将热散发出来，是日光灯管考虑的重点。以下是我们做的LED 日光灯管的测试数据，在LED 银脚焊点外测出的温度才58度
以上数据为输入功率为：11.2瓦，光通量在：890LM时的测试报告。最高管内温度为40.213度，这样的温度让电源的电容器能长时间从容的工作，从而保证了电源的长寿命使用!
四 安全
安全，这里主要说PC 阻燃塑胶管，因为红外线散热能穿透PC 管，则我们设计考虑LED 灯使用时，能更多的考虑其安全性，用全塑的物理绝缘方式，即使在使用非隔离的电源也能绝对的保证使用的安全性。
LED 日光灯的发展已有相当长的时间了，从节能的效果来看，它的未来应用面是相当广阔的，除了节能，其安全、长寿命的使用是我们更应该关注的!
安全！在LED日光灯的的设计中是第一要素，使用PC 阻燃材料的日光灯，在解决了安全问题后，如何提高寿命，上面的各项目提出的解决之道希望给众多LED 日光灯管厂家提供更多的思考方式!