一種小功率LED 筒燈的設(shè)計

張東清，羅 友，秦會斌

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，杭州310018)

LED 以其壽命長、亮度高、性能穩(wěn)定、無污染等優(yōu)點成為新一代的綠色照明光源。近年來LED 照明得到了越來越廣泛的重視，隨著國內(nèi)外紛紛制定出臺白熾燈退出照明市場的政策，使得LED 照明的市場空間逐步擴大。LED 產(chǎn)品的發(fā)光效率已經(jīng)達到150 lm/W以上，發(fā)光角度大于150°，顯色指數(shù)大于85，理論壽命達到105h［1］。由于LED 發(fā)熱小，燈具整體溫升低，燈具的可靠性高，光效高，促使LED 照明行業(yè)迅速發(fā)展。隨著微電子技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，LED 照明產(chǎn)品的價格定會逐步下降。我國政府在LED 照明產(chǎn)業(yè)方面也給與了大力支持，特別是在城市照明改造方面，通過合同能源管理方式支持LED 路燈替換傳統(tǒng)路燈。LED 的節(jié)電效益非常可觀，以義烏LED 路燈照明改造為例，全市55 683 盞年節(jié)省電費約4 900萬元人民幣，節(jié)電率大于60%。

LED 照明正逐漸走進人們的生活，為人們的生活增添了色彩。LED 照明產(chǎn)品種類繁多，戶外廣告牌和交通指示燈是LED 在照明領(lǐng)域的最早應(yīng)用也是技術(shù)很成熟的領(lǐng)域。LED 壽命長的優(yōu)點使得LED 燈具特別適用在地下車庫、隧道等長時間照明的環(huán)境。在室內(nèi)照明方面，隨著LED 燈具的可靠性提高及價格的降低，LED 直管燈、LED 球泡燈、LED平板燈等也已進入人們的生活中。LED 筒燈結(jié)實美觀、環(huán)保性強、壽命長、節(jié)能減排，在辦公室、家庭及商場中都有使用。本文將對12 W LED 筒燈設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析說明。

1 MT7930 工作原理

美芯晟科技有限公司的MT7930 是一款單級模式AC－DCLED 驅(qū)動芯片。芯片外圍器件少，恒流精度高;內(nèi)置功率因數(shù)校正電路，功率因數(shù)高，總諧波失真小;具有軟啟動功能，欠壓鎖定功能及過壓保護功能;最大輸出功率達50W。其引腳封裝如圖1。

圖1 MT7930 封裝圖

圖1中1 腳(DRV)為MOS 管柵極驅(qū)動，2 腳為地端，3 腳(TM)為測試管腳，4 腳(COMP)為內(nèi)部誤差放大器的輸出端，其與地之間須連接一個電容器進行頻率補償。5 腳(STP)為軟啟動腳，6 腳(DSEN)接輔助繞組的反饋電壓，通過連接分壓電阻器到輔助繞組兩端反映輸出電壓。7 腳(VDD)是芯片供電端，8 腳(CS)是電流感應(yīng)腳，通過改變連接此腳的電阻可以改變輸出電流。

2 驅(qū)動電路設(shè)計

LED 筒燈基本電參數(shù):①輸入電壓:100 V ～240 V AC;②輸出功率:12×1 W;③輸出電流:320 mA。

2.1 基本電路實現(xiàn)

圖2 是MT7930 的典型應(yīng)用電路圖，這是一種很典型的小功率LED 恒流驅(qū)動電路。MT7930 內(nèi)置功率因數(shù)校正電路，工作在電流斷續(xù)模式，主要表現(xiàn)在電感電流存在等于零的死區(qū)(變壓器原邊電感電流降到零后隔一定時間電流從零開始增加)，輸出二極管不存在反向恢復(fù)問題。8 腳檢測原邊電流的變化，當(dāng)達到閾值電壓時自動進入恒定關(guān)斷時間模式，等待下次開啟。這樣可以很好地實現(xiàn)電流波形跟蹤電壓波形，得到較高的功率因數(shù)。

圖2 MT7930 典型應(yīng)用電路

輸出電流控制:MT7930 通過6 腳和8 腳的檢測功能，可以實現(xiàn)輸出電流ILED的精確控制。如式(1)

式中，NP是原邊繞組，NS是次級繞組，VFB是6 腳內(nèi)部參考電壓(400 mV)，R4是圖2 中的采樣電阻。

過壓保護:MT7930 設(shè)置了兩路過壓保護，一是當(dāng)6 腳(DSEN)電壓值連續(xù)三次高于3.2 V 時，自動關(guān)閉柵極驅(qū)動輸出，待VDD 的電壓降到欠壓鎖定電壓時重新啟動。過壓保護閾值VO－OV由式(2)給出

式中，NS是次級繞組，Na是輔助繞組，VD8是輸出整流二級管的正向壓降;另一種情況是當(dāng)VDD 腳電壓連續(xù)3 次大于19.2 V 時，自動關(guān)閉柵極驅(qū)動信號。待VDD 降至VO－OV時重新啟動。在設(shè)計中，將VDD值設(shè)定在12 V ～16 V 之間。

過流保護:在每個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)8 腳(CS)電壓大于2.2 V 時，自動關(guān)閉柵極驅(qū)動輸出。這樣可以避免元器件因電流太大而燒壞。

短路保護:當(dāng)6 腳(DSEN)的電壓持續(xù)640 μs 低于200 mV 時，自動短路保護。直到VDD 電壓低于過壓保護閾值時，重新啟動開始輸出柵極驅(qū)動信號。

2.2 EMI(電磁干擾)濾波電路［3－4］

在驅(qū)動電源中，電磁干擾是不容忽視的?？梢栽陔娐返妮斎攵思尤隕MI 濾波器解決。如圖3 所示，共模電容CX1和共模電感L1組成衰減共模干擾的濾波網(wǎng)絡(luò)，對電路中的共模干擾呈現(xiàn)高阻抗;由于繞制工藝及磁芯材料的均勻度問題，共模電感中兩個電感量不可能絕對相等，這樣共模電感中就存在差模電感，差模電感可以抑制電源中的差模干擾信號。共模電感L1繞制在鐵氧體材料的磁環(huán)上。圖3 中的電阻可以起到抑制瞬間尖峰電流的作用。

圖3 EMI 濾波電路

3 散熱器的選擇

LED 是一種發(fā)光二級管，［5，12］二極管的PN 結(jié)在正向電壓作用下N 型區(qū)電子向PN 結(jié)移動，在PN結(jié)處與P 型區(qū)移動來的空穴復(fù)合，產(chǎn)生一定的能量，有一小部分能量轉(zhuǎn)化為光能發(fā)光，其余的能量以熱的形式放出。LED 的結(jié)點處產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致結(jié)溫升高從而影響PN 結(jié)內(nèi)部微觀粒子的運動。從宏觀上來講，LED 結(jié)溫過高會加速光衰和熒光粉的老化，甚至燒毀LED 芯片。從圖4 可以看出，結(jié)溫升高，光通量輸出會相應(yīng)降低。所以，LED 的散熱問題關(guān)系到LED 照明產(chǎn)品的壽命，必須重視。

圖4 LED 出光量與結(jié)溫的關(guān)系曲線

解決LED 芯片散熱問題主要有兩種方法:［9］一是提高芯片PN 結(jié)復(fù)合能量轉(zhuǎn)化為光能的效率;二是將熱量導(dǎo)出散熱。目前普遍認同的光能轉(zhuǎn)化率在20%左右，轉(zhuǎn)化率越高越難實現(xiàn)。相比之下，第2 種方法應(yīng)用更為普遍。常用的散熱方法有倒裝焊、使用導(dǎo)熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等［10］。倒裝焊主要是用熱導(dǎo)率高的硅或陶瓷材料作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，將LED 芯片鍵合在硅襯底上，PN 結(jié)的熱量經(jīng)焊接層傳至硅襯底再到金屬底座。與正裝焊相比，明顯降低了熱阻。將LED 芯片固定在金屬熱沉上，需要粘接材料，相同厚度下熱導(dǎo)率高的粘接材料熱阻低，散熱效果好。散熱器要有良好的散熱性和經(jīng)濟性。在常見金屬中，鋁價格便宜、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好，硬度小，成為散熱片的主要原料。在同樣質(zhì)量材料情況下，增大散熱面積可以使熱量散發(fā)的更快。散熱主要靠對流和輻射，鰭片狀散熱片可以大大增加對流面積。此外，加快周圍空氣的流動也可以加快散熱。

目前大多數(shù)LED 燈具都采用鋁基板。鋁基板上有一層足夠厚度的銅箔，銅箔下面是一層絕緣性能好且導(dǎo)熱性能好的粘結(jié)片(多數(shù)采用環(huán)氧樹脂摻雜陶瓷填充物)，將銅箔與鋁基板粘合。LED 緊緊貼裝在鋁基板上，通常鋁基板后面連接散熱片增大散熱面積。

4 測試結(jié)果

使用杭州伏達測試技術(shù)研究所生產(chǎn)的智能電參數(shù)測量儀，測試結(jié)果如下:整燈輸入功率13.4 W，輸入電流72 mA;功率因數(shù)0.927;電流總諧波9.2%。圖5 是12 W LED 筒燈的效果圖片。

用杭州伏達測試技術(shù)研究所生產(chǎn)的EMC(電磁兼容)測試儀對LED 筒燈進行了測試，測試結(jié)果如圖6 所示。

圖5 整燈效果

圖6 EMC 測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文首先介紹了LED 照明產(chǎn)品的一些情況，對MT7930 恒流芯片進行了分析，完成了12 W LED 筒燈驅(qū)動電源的設(shè)計，最后對LED 散熱問題進行了說明。通過對整燈的測試表明，設(shè)計制作的12 W LED筒燈功率因數(shù)0.927，效率也較高。電磁兼容方面，符合GB17743 的要求。燈頭采用LED 專用PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)板覆蓋，透光率好且光線柔和不刺眼。

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