T8 LED照明灯管驱动电路设计

曲 勇 王善忠 张毅仁 康积涛

(1.西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031;2.淡马锡理工学院工程学院，新加坡 529757)

1 引言

在新加坡市场上销售的80W白炽灯，20W荧光灯和10W LED灯的单价比约为:1∶10∶35，理论寿命比约为:1000∶18000∶50000［1］，电功率转化成可见光的转换效率分别为:7%，28%，32%［2］。此三种灯的照明效果大体相当的情况下，按照新加坡市场0.28新币一度电来计算，则成本效益比较如图1所示。

由图1可知，LED灯与白炽灯、荧光灯相比，回收期分别为5200小时和1200小时。相当于一年中，每天分别使用14.2个小时和3.3个小时。

图1 三种照明灯的成本比较图Fig.1 Cost comparison of the three kinds of lights

2 市电白光LED照明驱动电源设计策略

针对工频电压白光LED照明驱动电路，大致可以分为两大类:非电气隔离式电路和电气隔离式电路。其中非隔离式驱动电源较为典型的是电感和MOSFEF为核心器件组成的升降压斩波电路，如图2、图3所示［3］。该电路结构简单，器件少，适合低成本LED照明灯商品化，批量生产。而隔离式驱动电源，主要由隔离变压器和MOSFET组成，如图4所示。该电路结构复杂，成本高，但是输出安全，控制灵敏度好，适合高质量要求的LED照明设计。

图2 升降压斩波电路Fig.2 Chopper circuit

图3 连续导通模式和断续导通模式Fig.3 Continuous and discontinuous condution mode

图4 三绕组反激式隔离驱动电路Fig.4 Three winding isolated flyback drive circuit

(1)连续导通模式 (CCM)下输出电压近似值:

(2)断续导通模式 (DCM)大多出现在电感较小，负载较重，或者开关频率较低的情况下，此种模式不适合为LED提供电源。

商品化的LED照明灯的驱动电源电路主要通过光耦或者反激式变压器的偏置绕组这两种方式，将输出信号比例化反馈给PWM控制器，进而导致功率MOSFET高频斩波占空比的相应改变，即对输出进行灵敏调节控制。

针对于隔离式LED驱动电路，通常双绕组反激变换器通过光耦器件进行信号反馈，电路结构简单;缺点是由于光耦器件的相对脆弱性，极大的限制了LED灯的整体寿命。而三绕组及以上绕组的反激变换器通过偏置绕组直接进行输出信号反馈，省去了光耦，不但延长了LED灯的整体寿命，而且提高了驱动电路效率;缺点是不同的PWM控制芯片、电路功率等级、开关频率等，要求的多绕组反激变压器的各绕组电感量，电磁芯型号也不不尽相同。因而高频多绕组变压器往往需要定制，这样极大的提高了电路设计成本。

3 负载LED排布设计

在照明灯中，由于单颗LED功率太小，需要将多颗LED负载以串、并或者混联阵列方式进行连接。对于工频白光LED照明灯负载，主要采用混联阵列结构［4］。

图5所示先并后串“蜘蛛网”结构，优点是接触电阻小，结构易于设计。缺点是有雪崩效应，即一个LED不工作了，断路，其上的电流会分摊到同排LED上，导致同排LED光衰比其他LED负载严重得多，极大的降低了灯的寿命。并且不同LED的伏安特性曲线不同，虽然在相同电压下，但是LED的亮度也不一样。

图5 先并后串混联结构Fig.5 Compound structure

图6 所示先串后并“梯形”结构，优点是同列LED上流过的电流大小相同，亮度一致，并且如有一个LED断路，仅仅导致一列的LED不工作，其他列LED照常工作，尽管电流会略有增加，但是避免了“蜘蛛网”结构的雪崩现象。此次认证，我们采用的就是这种结构。

图6 先串后并混联结构Fig.6 Compound structure

4 一款非隔离式驱动电路设计

图7所示为恒流源电路拓扑结构的一种设计方案。通过串接一个较小阻值的电阻来测量主回路的电流大小，再加上输入、输出电压的辅助信号，使得功率开关控制器通过脉宽调制技术，可以对输出直流电流进行灵敏准确控制。

根据图7所示恒流源控制拓扑和基于LNK306芯片，我们设计了一款如图8所示的9W T8 LED灯管驱动恒流源电路。此电路采用Buck-Boost结构，主要由输入交流EMI滤波模块，功率因数校正模块，功率电感、开关控制模块和输出滤波、反馈模块组成。

图7 一种恒流源控制拓扑结构Fig.7 Topology of constant current source control

图8 9W T8 LED灯管驱动恒流源电路Fig.8 Constant current source circuit of 9W T8 LED tube

5 新加坡TUV PSB质量检测

本款电路设计，结构简单，元器件较少，稳定性好，电路效率和功率因数高，已经获得新加坡TUV PSB质量认证。

测试报告编号:IECEN60598_2_1D

认证持有者:新加坡淡马锡理工学院

(1)测试标准:IEC60598-2-1:1979(第一版)+A1:1987;IEC60598-1:2003+A1:2006。

(2)等级:

输入:100-240Vac;50～60Hz;0.045～0.055A;

功率因数≥0.9;效率＞0.80

输出:DC 60V;色温5300～6000K

负载9W(一共有160粒LED，8×20结构)。

由图9可以看出，功率电感两端的电压非常平稳，无损缓冲电路对斩波尖峰脉冲的抑制效果显著，开关状态干净，有效避免了电压、电流浪涌对电路特性的有害影响。

图9 电感L1两端的电压波形图Fig.9 Voltage waveform of L1

由图10可以看出，此款电路输入工作电压范围非常宽，从100V至240V(ac)，电路效率和功率因数都特别好，分别保持在81% ～85%之间，和0.90～0.95之间。

图11和表1为最终LED灯管在实际照明应用中，作为光源进行的照度、发光强度、光通量等参数的测量数据。与相同亮度T8荧光灯管照明效果相比，LED灯的长距离光衰小，光亮度均匀，不同发光角度的光通量特性佳。

图10 输入电压、输入功率、功率因数以及电路效率之间的关系图Fig.10 Relationship between voltage，power，power factor and efficiency

图11 安装高度与照度的关系图(光束角共面135.41)Fig.11 Relationship between installation height and illuminance

表1 发光角度与光通量Table 1 Light angle and flux

6 小结

T8 LED灯管按照T8荧光灯管大小尺寸设计，只需去掉启辉器和镇流器，其他电路接线不变，LED灯管就可以直接用来替换荧光灯管，寿命更长，照明效果更佳，电损耗率降低30% ～50%左右。此款白光T8 LED照明灯设计电路精简，输入工作电压范围宽，电路效率和功率因数都非常高，再加上元器件少，成本低，非常适合商品化生产。

［1］冯菊梅，王娟.浅谈LED在照明工程中的应用［J］.照明工程学报，2012(2):113.

［2］刘胜利.高亮度LED照明与开关电源供电［M］.中国电力出版社，2010.

［3］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［4］张明轩，张达，师少飞.LED的混联阵列及驱动方式［J］.灯与照明，2012，36(2):53～54.