LED T8 管驱动设计优化方案

LED荧光灯工作电压一般都在DC 80V以下，一般情况下60cm的LED荧光灯个数144个SMD LED，120cm的LED荧光灯个数为288个SMD LED（每个LED荧光灯生产LED的功率大小都可能不同，因为到现在为止，没有相应的行业标准和国家标准可参考）。为了工作在安全电压下，工作电压一般为DC 30～36V。一般以12个LED为一串以12倍数为基数。我们来讲述一下T8管驱动器设计所要考虑的因素。

考虑光衰、散热寿命和成本等多种因素，用60mW的高亮度、小功率白光LED设计荧光比较合理。PT4107适于设计20W以下的LED荧光灯，推荐18W、9W、7W三种设计方案。

1）18W的灯管用288颗LED，采用24串12并结构，总电流240mA；或者采用12串24并结构，总电流480mA。也可以用300颗LED，采用25串12并结构，总电流240mA，或者采用12串25并结构，总电流500mA。

2）9W的灯管用144颗LED，采用24串6并结构，总电流120mA。或者采用12串12并矩阵结构，总电流240mA。

3）7W的灯管用120颗LED，采用24串5并结构，总电流100mA。或者采用12串12并结构，总电流200mA。多串少并的LED阵列适用于220V的市电，少串多并的阵列适用于100～127V的市电。

所有的模块可以用相同的电路，通过调整采样电阻R_S的值修正恒流值。更好的方法针对功率大小设计不同的电路，在效率和成本上达到最佳。模块的形状根据灯管的结构设计，直接替换型管型荧光灯驱动器设计成矩形长条形状，安装在灯管中。非替换型和环形荧光灯驱动器设计成传统镇流器的形状，安装在灯架或底座上。

在设计过程中，可在LED灯板加NTC热敏电阻。当电路出现意外的状况时，可能会使电流增大，这时热敏电阻阻值也变大，从而降低电流，起到保护LED的作用。

LED荧光灯的LED灯条电源驱动方案有很多种，如PT4107、HV9910、BP2808、SMD802、A704等。目前非隔离式方案因其效率高而占主流，而用PWM LED驱动器来做LED荧光灯驱动电源的又占绝大多数。PT4107内部拓扑结构如图8-13所示。

图8-13 PT4107内部拓扑结构

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齐纳二极管（稳压二极管），可以将经过整流的110V或220V交流电压钳位于20V。当V_in上的电压超过欠电压闭锁阈值18V后，芯片开始工作，按照峰值电流控制的模式驱动外部的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，则可以在LD端并联电容，以得到需要的电压上升速度，并与LED电流上升速度相一致。

PT4107的主要技术特点如下：

① DC18～450V的宽电压输入范围，恒流输出。

② 采用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源调制振荡频率，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。

③ 可用线性及PWM：调光，支持上百个0.06W LED（SMD 3528 LED）的驱动应用，工作频率为25～300kHz，可通过外部电阻来设定。

PT4107封装如图8-14所示，各引脚功能如下：

GND：芯片接地端。

CS：LED峰值电流采样输入端。

LD：线性调光接入端。

R_I：振荡电阻接入端。

R_OTP：过温保护设定端。

PWMD：PWM调光兼使能输入端，芯片内部有100kΩ的上拉电阻。

V_In：芯片电源端。

GATE：驱动外挂MOSFET栅极。

图8-14 PT4107封装

1.设计全电压20W荧光灯开关恒流源

以AC 85～245V全电压输入为例，采用PT4107 PWM LED驱动控制器来做LED荧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，如图8-15所示。

图8-15 全电压20W荧光灯开关恒流源

该方案电路由抗浪涌保护、EMC滤波、全桥整流、无源功率因数校正（PFC）、降压稳压器、PWM（LED驱动控制器）、扩流恒流等组成。

设计后的全电压20W LED荧光灯开关恒流源电路原理图，如图8-16所示。

从AC 220V看进去，交流市电入口接有1A熔断器FS₁和抗浪涌负温度系数热敏电阻NTC，之后是EM₁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、VD1～VD₃组成无源功率因数校正电路。PT4107芯片由VT₁、VD₄、C₄、R₂～R₄组成的电子滤波器降压稳压后供电，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VT₁降压向PT4107的V_IN提供18～20V的稳定电压，确保芯片在全电压范围内稳定工作。

现在设计的方案不像先前方案的电阻降压电路那样因耗能而发烫。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VD₅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VD₅、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VD₅、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RP在本电路中不是用来调光的，而是微调恒流源的电流，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，所以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，一定要选用蜗轮蜗杆微调电位器，并在调好后滴胶固封。

图8-16 20W LED荧光灯开关恒流源电路原理图

图8-16 20W LED荧光灯开关恒流源电路原理图（续）

该电路的参数是按每串22个0.06W LED，共52串并联，驱动330个60mW的白光LED负载设计的，每串的电流是18.7mA，设计输出为36～80V/250mA。如果改变LED数量，则需修正R₆～R₉的参数。

PCB的排列是做好产品的关键，因此PCB的布线要按电力电子规范要求来设计。本电路可用于T10、T8荧光灯管，因两管空间大小不同，故PCB的宽度将不同。为了使T10/T8通用，需要降低所有零件的高度，以便放入T10、T8灯管。T10/T8恒流源板的实物照片，如图8-17所示，33个元件安装在235mm×25mm×0.8mm的环氧单面印制板上。

图8-17 T10/T8恒流源板实物

2.恒流源电气参数和BOM表

恒流源的主要电气参数表见表8-8，表中的电气参数是在CCM模式下，针对85～265V交流电源设计的，实际上能在更宽的电压范围内工作，如60～270V，但输出电流会发生变化。不同厂商驱动的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改变工作状态，例如，降低频率或减小L₃的电感会使电路进入DCM模式，这时电路的电气参数就会改变。该电路的元器件在成本和可靠性方面做了折中，元器件的数目已减到最低程度。详细的材料表（BOM表），如表8-9所示，为了保证质量，尽量选用BOM表推荐的元器件。

表8-8 恒流源的主要电气参数

表8-9 20WLED荧光灯恒流源BOM表

3.LED荧光灯的电源测试

LED荧光灯的电源测试包括两个方面：一个是产品的测试；另一个是产品中元器件参数的测试。下面主要对LED荧光灯中主要的元器件参数和波形进行测试。

电子滤波器晶体管13003基极的波形，如图8-18所示。

输出电压是DC 16～17.3V，输入电压在AC 85～265V内变化，这时电压是稳定不变的。功率MOS管栅极信号波形，如图8-19所示。

图8-18 晶体管13003基极波形

图8-19 功率MOS管栅极信号波形

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。脉冲幅度是固定的14.8V，不随输入电压的升高而增加。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。在芯片中增加了扩频功能。功率MOS管的漏极电压波形，如图8-20所示。

图8-20 功率MOS管漏极电压波形

其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，带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时一定要用专门的高压探头，否则会损坏示波器。

功率MOS管源极电压波形，如图8-21所示。该电压是功率MOS管的工作电流在传感电阻上的压降，其幅度与功率MOS管的工作电流成正比。这个电压在单周期内送到芯片中作为快速控制信号，控制功率MOS管栅极脉冲的占空比，使流过LED的电流恒定。功率MOS管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功率MOS管的寄生电感产生的，这些尖峰是产生开关损耗的根源。波形顶部的斜坡是由导通损耗产生的。导通损耗和开关损耗是功率MOS管发热的主要原因，如图8-22所示。

图8-21 功率MOS管源极电压波形

图8-22 LED+和LED-端的电压波形

左上部两个波形分别是LED+和LED-端的电压波形（带240Ω负载），左下是（LED+和LED-）的波形，即输出电压。如图8-23所示为用电流感应环测量的输出电流波形。电流环的高频响应很好，显示出了几十毫伏的尖峰电流，它们是电路寄生电感产生的反向电动势，滤波电容对它们没有作用。

图8-23 输出电流波形

注意：

用示波器测量电流时要用专门的电流探头或电流感应环。

如图8-24所示为在27℃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值。测试环境是在老化箱中带载工作，温度为-15～+75℃，步长5℃采样记录。

如图8-25所示为环境温度变化对输出电流的影响，测试数据来自10个电路板的统计值。测试环境是在老化箱中带载工作，温度为-15～+75℃，步长5℃采样记录。

图8-24 输入电压调整率特性值

图8-25 环境温度变化对输出电流的影响

4.电路板参数测试

表8-10是图8-16中的电路板在常温下、不同输入电压时的性能参数，负载为274Ω的电阻。

表8-10 不同输入电压的性能参数

5.关键设计因素

1）抗浪涌的NTC：抗浪涌的NTC选用300Ω/0.3A热敏电阻，若改变输出，如增大电流，则NTC的电流也要选大一些，以免过电流自发热。

2）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，滤除传导干扰信号和辐射噪声。本电路本着够用就好的设计原则，采用共轭电感加X电容器的简洁方式。X电容器标有安全认证标志和“耐压AC 275V”字样，其真正的直流耐压在2000V以上，外观多为橙色或蓝色。共轭电感是绕在同一个磁心上的两个电感值相同的电感，主要用来抑制共模干扰，电感在10～30mH内选取。为缩小体积和提高滤波效果，优先选用高磁导率微晶材料磁心制作的产品，电感量应尽量选用较大的值。使用两个相同电感替代一个共轭电感也是降低成本的方法。

图8-26 平衡半桥补偿电路

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系数的安全裕量，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8-26所示，称做平衡半桥补偿电路。

C₁和VD₁组成半桥的一臂，C₂和VD₂组成半桥的另一臂，VD₃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VD₁和VD₂就被正向偏置，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°，如图8-27所示。

图8-27 平衡半桥PFC电路的效果

与VD₃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。采用该电路后，系统的功率因数从0.6提高到0.89。电阻R有浪涌缓冲和限流功能，因此不宜省略。

5）降压稳压电路：PT4107供电的电路是倍容式纹波滤波器，如图8-28所示，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之间接一个电容C₄，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，则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。

图8-28 倍容式纹波滤波器

注意：

VT₁要选择双极型晶体管，V_bceo＝500V，I_C＝100mA。稳压二极管VD₄要用20V、1/4W的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与功率MOS管Q₁，以及R₆、R₇、R₈、R₉并联的电流采样电阻，是该电路恒流输出的三大关键元器件。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40～100kHz频率范围内，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。选用绕线电阻小于2Ω、居里温度大于400℃的优质功率电感。一旦电感发生饱和，功率MOS管、LED光源、PWM控制芯片就会瞬间烧毁，所以建议使用高磁导率微晶材料的功率电感，以确保恒流源长期安全可靠地工作。

图8-29 EPC13磁心

L₃电感要选用EE13磁心的磁路闭合电感器，或高度低一点的EPC13磁心，如图8-29所示。现在LED荧光灯大多数选用半铝半塑（PVC或PC）的灯管，以帮助LED光源散热。工字磁心电感器的磁路是开放的，当使用工字磁心电感器的电源驱动板进入半铝半塑（PVC或PC）灯管时，金属铝能使其磁路发生变化，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VD₅一定要选用快速恢复二极管，它要跟上功率MOS管的开关周期。如果在此使用1N4007，那么在工作时会被烧毁。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了功率电感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和电容，但功率MOS管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，50～100kHz是比较合适的。PT4107开关频率设定电阻R₅计算公式为R＝25000/f（kΩ）。当f＝50kHz时，R₅＝500kΩ。

9）功率MOS管（MOSFET管）的选择：功率MOS管Q₁是本电路输出的关键器件。首先，RDS（ON）要小，这样工作时本身的功耗就小。另外，耐压要高，以在工作中遇到高压浪涌时不易被击穿。

在MOSFET的每次开关过程中，采样电阻R₆～R₉上将不可避免地出现电流尖峰。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滤波器可以省去。在延迟时间内，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，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50～10^-6的SMD电阻（封装为1206，功率为1/4W）。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/I_LED

P_R（6～9）＝I_LED²×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50000h，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，都会影响其使用寿命。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，其使用寿命在5000h以下，这就成了制造长寿命LED灯具技术的拦路虎。本电路使用了C₁、C₂、C₄、C₅、C₇铝电解电容器。铝电解电容器的寿命与使用环境温度有很大关系，环境温度升高时电解质的损耗加快，环境温度每升高6℃，电解电容器寿命就会减少一半。

LED荧光灯管内温度因空气不易流动，如电源驱动板设计不合理，故管内温度会比较高，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，但会导致成本上升。

应用PT4107可以设计以多颗0.06W白光LED光源串并联为负载的，电压输入为AC110V/220V的T10、T8、T5的LED荧光灯方案，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白光LED光源串联为负载的LED庭园灯、LED路灯、LED隧道灯。本设计电路采用AC 110V的LED荧光灯电路，如图8-30所示。