用PT4115设计节能MR16射灯

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受予邵
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1 110V 18W 日光灯开关恒流源基本特性交流非隔离式自举反转式高频开关恒流模式交流 85~130V,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 0~75 o C 满足 IEC :2001 要求电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 储能转换电感 L3 反转二极管 D5 组成自举极性反转变换,U1 采集传感电阻 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, 这个滤波器输入阻抗很高, 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 20 个 LED 串联,15 串并联, 驱动 300 个 60 毫瓦的白光 LED 设计的, 每串的电流是 17 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 个元件安装在毫米的环氧单面印制板华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 1 页

2 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 2:110V/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 模式下测试的它是针对 85~130V 交流电源设计的, 要确保元器件的参数不超过推荐值的 5%, 尤其不要随意减小 L3 的电感量, 否则会使电路进入 DCM 模式, 改过相位稳定裕度, 使电路发生振荡电路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表 1: 电气参数表输入电压 (V) 85~130 电源频率 (Hz) 50~60 输出电压 (V) 60 输出电流 (ma) 256 开关频率 (KHz) 100 恒流源效率 (%) 84 功率因数次谐波失真 (%) 15 5 次谐波失真 (%) 17 表 2:20W LED 日光灯恒流源 BOM 序号元件号名称型号厂商 1 NTC 热敏电阻 50 D-9 GE Infrastructure 2 FS1 保险丝 250V/1A Cooper 3 L1 L2 功率电感 2.2mH/300mA Coilcraft 4 CX1 X 电容 0.1u/275V EPCOS Inc 5 BD1 整流桥 MB6S Diodes Inc 6 C1 C2 铝电解电容 22u/250V Nichion 7 C7 铝电解电容 10u/400V Nichion 8 D5 超快速恢复二极管 BYV26B Vishay 9 L3 功率电感 3.9mH/500mA Coilcraft 10 R1 金属膜电阻 10/1W Yageo 11 R2 R3 SMD 电阻 270K(1206) Yageo 12 R4 SMD 电阻 1K(1206) Yageo 13 D4 齐纳二极管 MM1SZ5248 ON Semiconductor 华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 2 页

3 14 C4 铝电解电容 100u/25V Nichion 15 C5 陶瓷电容器 100nF/25V KYOCERA MITA 16 T1 晶体管 MJE13003 MOSPEC Semicon 17 C3 金属聚丙烯酯电容 0.1uF/450V EPCOS Inc 18 C4 铝电解电容 10uF/25V Nichion 19 D1~D3 硅二极管 1N4007 Fairchild 20 RT 精密电位器 5K(3296) Bochen 21 R10 电阻 1.5K(0805) Yageo 22 Q1 功率 MOS 管 H5N5001FM Renesas 23 R6~R9 SMD 电阻 2.5Ω(1206) Yageo 24 R5 SMD 电阻 470K(0805) Yageo 25 U1 集成电路 PT4107 PowTech 测试波形图 3 是 BD1 V+ 端的电压波形, 也就是母线进行谷峰填补后的功率因数校正波形, 如果峰值小于谷值之半, 功率因数将小于 0.7,C1 C2 就会就会发生这种情况 R1 的功率必须大于 1W, 以承受流过 C1 C2 的充电电流图 3: 功率因数校正后的电压波形图 4 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~135V 范围里, 这个电压是稳定不变的华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 3 页

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 5: 栅极信号波形图 6 是 MOS

4 图 4: 基极电压图 5 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 5: 栅极信号波形图 6 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, 因而波形很干净华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 4 页

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 6: 漏极信号波形图 7 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快速控制信号, 控制 MOS 管栅极脉冲的占空比, 使流过 LED

5 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 6: 漏极信号波形图 7 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快速控制信号, 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 7: 源极采样信号波形华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 5 页

图 8 左上部两个波形分别是 LED + ( 橙色 ) 和 LED - ( 绿色 ) 端的电压波形 ( 带 240 欧姆负载 ), 左下 ( 红色 ) 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, 它们是回路寄生电感产生的反向电动势, 滤波电容对它是无可奈何的注意,

6 图 8 左上部两个波形分别是 LED + ( 橙色 ) 和 LED - ( 绿色 ) 端的电压波形 ( 带 240 欧姆负载 ), 左下 ( 红色 ) 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, 它们是回路寄生电感产生的反向电动势, 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 8: 输出电流波形图 9 是在 27 O C 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 9: 输入电压调整率图 10 是环境温度变化对输出电流的影响, 测试数据是 10 个图 2 所示的电路板的统计值测试环境在老化箱中带载工作, 在温度 -15 O C~+75 O C 范围, 步长 5 O C 采样记录华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 6 页

7 图 10: 温度 - 输出电流特性性能参数测试表 3 是使用图 2 所示的电路板在常温下不同输入电压的性能参数, 负载为 274Ω 的电阻负载表 3: 不同输入电压下的性能参数 Vin(AC~V) Po(W) Io(mA) Vo(V) PFC(cosφ) η(%) 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 必须是 20 个, 15 串并联, 总电流控制在 256mA 以内, 总功率不要超过 18W 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% 的波动华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 7 页

8 必须注意这种拓扑结构要求必须接好 LED 后再接通电源, 否则会烧毁 MOS 管和集成电路如果不能确保负载不开路, 就要增加开路保护电路当 LED 点亮后, 如果电流偏离设计值, 在 LED+ 端和 LED 正极之间串联一个量程大于 1A 的电流表, 调节电路板上的电位器, 就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 18W 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, 如果上流水线建议设置 5 个工位 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 18~19V,1/4W 任何型号的小功率稳压管图 11: 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 12 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 度的死区华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 8 页

9 图 12: 平衡半桥 PFC 电路采样电阻电阻 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 SMD1206 型电阻如果对电流精度和温度变化有更高的要求, 建议使用鏮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 6 O C, 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本电路的功率电感 L3 兼有储能转换和续流多重功能, 它是影响效率的元件之一, 要求有足够小的铜损和高的饱和电流值, 标称值 3.9 毫亨, 饱和电流 900mA, 绕线电阻要小于 2 欧姆, 居里温度大于 400 o C 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制造的功率电感, 它可以确保恒流源长期安全可靠地工作华润矽威科技 ( 上海 ) 有限公司第 9 页

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路