实用LED台灯设计方案

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LED光源作为第四代新型节能光源,从诞生之时就被用来做各类灯具的发光光源。作为光源的白炽灯其发光效率只有百分之五,而LED光源的发光效率几乎接近百分之九十。LED照明以其高节能、长寿命、利环保的特点成为大家广为关注的焦点。台灯是家家户户都在使用的普通灯具,这几年高亮度的LED光源因其制造技术突飞猛进,而其生产成本又节节下降,如今台灯得以使用LED光源作为高亮度、高效率而又省电、无碳排放的照明光源。

 

LED台灯工作原理

 

遵循安全第一的民用电器的设计理念,LED光源是一种低电压直流恒流源的发光器件,不能用100~220V的交流高压电直接点亮,因此,LED台灯方案的设计思路是,首先要将高压的交流电变换成低压的直流恒流源,才能点亮LED光源。使用最经济有效的方法降压和进行交直流变换是设计的首要考虑,当今便携式电子产品使用交流电源的交直流降压变换器——适配器(Adapter)就成了既经济实惠、又现成、又好用的首选。适配器的输出电压要求稳定在DC12V,输出电流要根据LED的光源的功率来选择,一般要给予30%的余量,以3×1W的白光LED光源为例,1W的白光LED的标准工作电流应为350mA,因而3个LED光源串联其电路需要的电流也是350mA,考虑到延长LED寿命和降低光衰,可以设计为300mA~330mA,不会明显的影响LED发光的亮度,所以适配器的输出电流应选750mA~1A的。

 

一种简洁实用的LED台灯方案如图1所示。AC220V经由适配器在灯具外的安全降压变换,向LED台灯提供稳定的12V直流电源,在台灯底座壳内安置恒流源电源板,将直流电压变换成稳定的直流恒流源,以满足LED光源发光的技术要求。在直流恒流源前可加一电源开关,以便在台灯不用时可关断直流电源,但不能关断220V交流电源,因此不用时应从墙上取下适配器的电源插头,这也是这个实用方案的唯一“缺点”。如不想采用机械开关,并想要一个更有创意的卖点,可选用电子触摸开关,如手指轻点可实现台灯的开->全亮、半暗、关;由于电子技术的快速进步,电子触摸开关如今已是一个低成本的器件。

 

 

实用LED台灯设计方案

 

LED光源工作原理

 

LED光源工作的主要参数是VF、IF,其它相关的是颜色/色温/波长/亮度/发光角度/效率/功耗等。LED是一个PN结二极管,只有施加足够的正向电压才能传导电流,VF正向电压是为LED发光建立一个正常的工作状态,IF正向电流是促使LED发光,发光亮度与流过的电流成正比例。白光LED VF标称电压:3.4V±0.2V。LED光源在大批量生产时,每一批LED的VF具有一定的离散性,为了客户使用时需要的一致性,LED出厂时必需按不同的VF分档出售;客户订购时同一批灯具需用的LED光源必需选用同一档次VF的或相邻档次的,否则会导致同一批生产的LED灯具亮度有差异;LED IF工作电流按应用需要选用,不同的电流档次不能混用。

 

LED光源驱动电路

 

LED光源的驱动电路就是把12V直流电压变换成稳定的恒流源,电路的设计本着删繁就简、节省成本的原则,应该从能完成这个电路设计要求的众多LED驱动芯片中选择集成度高、性能较好、应用电路简单、价格较平的性价比有优势的芯片。因此选择驱动电路外围器件少的驱动芯片是生产成本的首要考量。

 

 

实用LED台灯设计方案

 

PT4115用于1~6W的白光LED光源驱动方案时只需四个零件(图2),Cin是输入滤波电容,Rs设定流过LED的电流IF,Rs=0.1/ILED;L是续流电感,D5是续流二极管。因适配器已提供12V的直流电压,原图为交流电压输入整流用的桥式整流器D1~D4可省略。虽然零件少了,但对零件的要求更高,设计时需按表1提示的要求选用,才能使电路进入良好的工作状态。PT4115的开关频率采用抖频技术有效降低EMI,省略了抗EMI电路。

 

 

实用LED台灯设计方案

 

LED光源驱动芯片的恒流精度对于LED灯具生产厂家而言是至关重要的,目前LED光源驱动IC的恒流精度批量生产时都会有一定的离散性,LED灯具生产厂家在批量生产调试时,同样的电源、同样的LED光源负载、同样的恒流源电源板,因同一型号的不同驱动IC其恒流精度的个性差异会导致恒流源电源板输出电流产生一定的公差,使同一LED光源负载的发光亮度有所不同,这就会增加恒流源电源板大批量生产时在线调试的时间,影响生产力。因此,恒流源电源板生产厂家应选用恒流精度高的驱动IC,恒流精度至少要小于±3%,如是±1%更理想,但其价格会高于±3%的产品。

 

电感的选择

 

以3×1W的高亮度白光LED光源的设计案例而言,三个1W的LED光源串联,其工作电流可设计为300~350mA,L的电感量应选用68uH~100uH,Q值大于50,饱和电流大于800mA的磁路闭合电感器。

 

PT4115的设计最佳工作频率在1MHz以下,电感量大了小会影响其工作频率,本方案的电感设计在68uH以上,这样系统工作频率可以控制到1MHz以下。电感量小了,工作频率趋高,由于PT4115内部电流检测电路响应速度限制,对内部电流正常检测出现影响,不能更好地实现对内部开关的导通/关断控制。另外由于高频率会带来较大的开关损耗,使芯片运行在较高的结温下,电应力加大,不利于稳定工作。电感量太小还会导致PT4115的SW端烧坏,而无输出。

 

电感的DCR越小,效率越高。建议选用EPC13锰锌4000磁芯。

 

电感器的饱和电流选小了,D5肖特基二极管的电流选小了,将会导致整个电路的续流不足,LED光源会产生人眼可见的闪光。将电感器的饱和电流和肖特基二极管的电流适当增大即可增大整个电路的续流电流,消除因此产生的闪光。

 

适配器的选择

 

适配器为本方案LED台灯提供稳定的交流电源->交直流降压变换,它的实时带载输出能力将影响本方案LED台灯的性能,用于本方案3X1W白光LED台灯的适配器,它在带载时输出电流应大于1A,电压应稳定在DC12V。有些带载能力差的适配器,连接上本方案LED光源负载时,其实时输出电压会跌落到7V,甚至6.5V,对于工作电压从8V开始的LED驱动IC,届时会进入欠压保护状态而停止工作,一旦驱动IC停止工作,电压又回升至12V,LED驱动IC再次进入工作状态,如此周而复始,使LED台灯出现人眼可见的闪光。此时,只有更换带载能力好的适配器才能使LED台灯正常工作。同时应选用工作电压范围自6V初始的LED驱动IC,也可降低对适配器的选择要求,以降低生产配套成本。

 

EMI的传导与辐射

 

本LED台灯方案总体设计时要考虑能过EMI的传导与辐射,过EMI的传导与辐射的关键是电源变换器,因此要选用能过EMI,甚至能过CE、UL的适配器来配套,以便生产的LED台灯能出口欧美日市场。恒流源电源板因使用的驱动IC是DC/DC开关器件,工作时开关频率会产生辐射,因此内置在台灯底座金属壳内可有效降低辐射,机械结构设计时应考虑金属底座内的磁路屏蔽。

 

作者:颜重光