LED臺燈設(shè)計原理及實現(xiàn)方案

LED臺燈設(shè)計原理及實現(xiàn)方案

LED照明以其高節(jié)能、長壽命、利環(huán)保的特點成為大家廣為關(guān)注的焦點。LED光源作為第四代新型節(jié)能光源,作為光源的白熾燈其發(fā)光效率只有百分之五，而LED光源的發(fā)光效率幾乎接近百分之九十。臺燈是家家戶戶都在使用的普通燈具，這幾年高亮度的LED光源因其制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，而其生產(chǎn)成本又節(jié)節(jié)下降，如今臺燈得以使用LED光源作為高亮度、高效率而又省電、無碳排放的照明光源。

LED臺燈工作原理

遵循安全第一的民用電器的設(shè)計理念，LED光源是一種低電壓直流恒流源的發(fā)光器件，不能用100～220V的交流高壓電直接點亮，因此，LED臺燈方案的設(shè)計思路是，首先要將高壓的交流電變換成低壓的直流恒流源，才能點亮LED光源。使用最經(jīng)濟(jì)有效的方法降壓和進(jìn)行交直流變換是設(shè)計的首要考慮，當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品使用交流電源的交直流降壓變換器——適配器(Adapter)就成了既經(jīng)濟(jì)實惠、又現(xiàn)成、又好用的首選。適配器的輸出電壓要求穩(wěn)定在DC12V，輸出電流要根據(jù)LED的光源的功率來選擇，一般要給予30%的余量，以3×1W的白光LED光源為例，1W的白光LED的標(biāo)準(zhǔn)工作電流應(yīng)為350mA，因而3個LED光源串聯(lián)其電路需要的電流也是350mA，考慮到延長LED壽命和降低光衰，可以設(shè)計為300mA～330mA，不會明顯的影響LED發(fā)光的亮度，所以適配器的輸出電流應(yīng)選750mA～1A的。

一種簡潔實用的LED臺燈方案如圖1所示。AC220V經(jīng)由適配器在燈具外的安全降壓變換，向LED臺燈提供穩(wěn)定的12V直流電源，在臺燈底座殼內(nèi)安置恒流源電源板，將直流電壓變換成穩(wěn)定的直流恒流源，以滿足LED光源發(fā)光的技術(shù)要求。在直流恒流源前可加一電源開關(guān)，以便在臺燈不用時可關(guān)斷直流電源，但不能關(guān)斷220V交流電源，因此不用時應(yīng)從墻上取下適配器的電源插頭，這也是這個實用方案的唯一“缺點”。如不想采用機(jī)械開關(guān)，并想要一個更有創(chuàng)意的賣點，可選用電子觸摸開關(guān)，如手指輕點可實現(xiàn)臺燈的開->全亮、半暗、關(guān)；由于電子技術(shù)的快速進(jìn)步，電子觸摸開關(guān)如今已是一個低成本的器件。

LED光源工作原理

LED光源工作的主要參數(shù)是VF、IF，其它相關(guān)的是顏色/色溫/波長/亮度/發(fā)光角度/效率/功耗等。LED是一個PN結(jié)二極管，只有施加足夠的正向電壓才能傳導(dǎo)電流，VF正向電壓是為LED發(fā)光建立一個正常的工作狀態(tài)，IF正向電流是促使LED發(fā)光，發(fā)光亮度與流過的電流成正比例。白光LED VF標(biāo)稱電壓：3.4V±0.2V。LED光源在大批量生產(chǎn)時，每一批LED的VF具有一定的離散性，為了客戶使用時需要的一致性，LED出廠時必需按不同的VF分檔出售；客戶訂購時同一批燈具需用的LED光源必需選用同一檔次VF的或相鄰檔次的，否則會導(dǎo)致同一批生產(chǎn)的LED燈具亮度有差異；LED IF工作電流按應(yīng)用需要選用，不同的電流檔次不能混用。

LED光源驅(qū)動電路

LED光源的驅(qū)動電路就是把12V直流電壓變換成穩(wěn)定的恒流源，電路的設(shè)計本著刪繁就簡、節(jié)省成本的原則，應(yīng)該從能完成這個電路設(shè)計要求的眾多LED驅(qū)動芯片中選擇集成度高、性能較好、應(yīng)用電路簡單、價格較平的性價比有優(yōu)勢的芯片。因此選擇驅(qū)動電路外圍器件少的驅(qū)動芯片是生產(chǎn)成本的首要考量。

PT4115用于1～6W的白光LED光源驅(qū)動方案時只需四個零件(圖2)，Cin是輸入濾波電容，Rs設(shè)定流過LED的電流IF，Rs=0.1/ILED；L是續(xù)流電感，D5是續(xù)流二極管。因適配器已提供12V的直流電壓，原圖為交流電壓輸入整流用的橋式整流器D1～D4可省略。雖然零件少了，但對零件的要求更高，設(shè)計時需按表1提示的要求選用，才能使電路進(jìn)入良好的工作狀態(tài)。PT4115的開關(guān)頻率采用抖頻技術(shù)有效降低EMI，省略了抗EMI電路。

LED光源驅(qū)動芯片的恒流精度對于LED燈具生產(chǎn)廠家而言是至關(guān)重要的，目前LED光源驅(qū)動IC的恒流精度批量生產(chǎn)時都會有一定的離散性，LED燈具生產(chǎn)廠家在批量生產(chǎn)調(diào)試時，同樣的電源、同樣的LED光源負(fù)載、同樣的恒流源電源板，因同一型號的不同驅(qū)動IC其恒流精度的個性差異會導(dǎo)致恒流源電源板輸出電流產(chǎn)生一定的公差，使同一LED光源負(fù)載的發(fā)光亮度有所不同，這就會增加恒流源電源板大批量生產(chǎn)時在線調(diào)試的時間，影響生產(chǎn)力。因此，恒流源電源板生產(chǎn)廠家應(yīng)選用恒流精度高的驅(qū)動IC，恒流精度至少要小于±3%，如是±1%更理想，但其價格會高于±3%的產(chǎn)品。

電感的選擇

以3×1W的高亮度白光LED光源的設(shè)計案例而言，三個1W的LED光源串聯(lián)，其工作電流可設(shè)計為300～350mA，L的電感量應(yīng)選用68uH～100uH，Q值大于50，飽和電流大于800mA的磁路閉合電感器。

PT4115的設(shè)計最佳工作頻率在1MHz以下，電感量大了小會影響其工作頻率，本方案的電感設(shè)計在68uH以上，這樣系統(tǒng)工作頻率可以控制到1MHz以下。電感量小了，工作頻率趨高，由于PT4115內(nèi)部電流檢測電路響應(yīng)速度限制，對內(nèi)部電流正常檢測出現(xiàn)影響，不能更好地實現(xiàn)對內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷控制。另外由于高頻率會帶來較大的開關(guān)損耗，使芯片運行在較高的結(jié)溫下，電應(yīng)力加大，不利于穩(wěn)定工作。電感量太小還會導(dǎo)致PT4115的SW端燒壞，而無輸出。

電感的DCR越小，效率越高。建議選用EPC13錳鋅4000磁芯。

電感器的飽和電流選小了，D5肖特基二極管的電流選小了，將會導(dǎo)致整個電路的續(xù)流不足，LED光源會產(chǎn)生人眼可見的閃光。將電感器的飽和電流和肖特基二極管的電流適當(dāng)增大即可增大整個電路的續(xù)流電流，消除因此產(chǎn)生的閃光。

適配器的選擇

適配器為本方案LED臺燈提供穩(wěn)定的交流電源->交直流降壓變換，它的實時帶載輸出能力將影響本方案LED臺燈的性能，用于本方案3X1W白光LED臺燈的適配器，它在帶載時輸出電流應(yīng)大于1A，電壓應(yīng)穩(wěn)定在DC12V。有些帶載能力差的適配器，連接上本方案LED光源負(fù)載時，其實時輸出電壓會跌落到7V，甚至6.5V，對于工作電壓從8V開始的LED驅(qū)動IC，屆時會進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)而停止工作，一旦驅(qū)動IC停止工作，電壓又回升至12V，LED驅(qū)動IC再次進(jìn)入工作狀態(tài)，如此周而復(fù)始，使LED臺燈出現(xiàn)人眼可見的閃光。此時，只有更換帶載能力好的適配器才能使LED臺燈正常工作。同時應(yīng)選用工作電壓范圍自6V初始的LED驅(qū)動IC，也可降低對適配器的選擇要求，以降低生產(chǎn)配套成本。

EMI的傳導(dǎo)與輻射

本LED臺燈方案總體設(shè)計時要考慮能過EMI的傳導(dǎo)與輻射，過EMI的傳導(dǎo)與輻射的關(guān)鍵是電源變換器，因此要選用能過EMI，甚至能過CE、UL的適配器來配套，以便生產(chǎn)的LED臺燈能出口歐美日市場。恒流源電源板因使用的驅(qū)動IC是DC/DC開關(guān)器件，工作時開關(guān)頻率會產(chǎn)生輻射，因此內(nèi)置在臺燈底座金屬殼內(nèi)可有效降低輻射，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮金屬底座內(nèi)的磁路屏蔽。