LED臺燈設計原理及實現方案

LED照明以其高節能、長壽命、利環保的特點成為大家廣為關注的焦點。LED光源作為第四代新型節能光源,作為光源的白熾燈其發光效率只有百分之五，而LED光源的發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光源因其制造技術突飛猛進，而其生產成本又節節下降，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計理念，LED光源是一種低電壓直流恒流源的發光器件，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。使用最經濟有效的方法降壓和進行交直流變換是設計的首要考慮，當今便攜式電子產品使用交流電源的交直流降壓變換器——適配器(Adapter)就成了既經濟實惠、又現成、又好用的首選。適配器的輸出電壓要求穩定在DC12V，輸出電流要根據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的標準工作電流應為350mA，因而3個LED光源串聯其電路需要的電流也是350mA，考慮到延長LED壽命和降低光衰，可以設計為300mA～330mA，不會明顯的影響LED發光的亮度，所以適配器的輸出電流應選750mA～1A的。

一種簡潔實用的LED臺燈方案如圖1所示。AC220V經由適配器在燈具外的安全降壓變換，向LED臺燈提供穩定的12V直流電源，在臺燈底座殼內安置恒流源電源板，將直流電壓變換成穩定的直流恒流源，以滿足LED光源發光的技術要求。在直流恒流源前可加一電源開關，以便在臺燈不用時可關斷直流電源，但不能關斷220V交流電源，因此不用時應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”。如不想采用機械開關，并想要一個更有創意的賣點，可選用電子觸摸開關，如手指輕點可實現臺燈的開->全亮、半暗、關；由于電子技術的快速進步，電子觸摸開關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是VF、IF，其它相關的是顏色/色溫/波長/亮度/發光角度/效率/功耗等。LED是一個PN結二極管，只有施加足夠的正向電壓才能傳導電流，VF正向電壓是為LED發光建立一個正常的工作狀態，IF正向電流是促使LED發光，發光亮度與流過的電流成正比例。白光LED VF標稱電壓：3.4V±0.2V。LED光源在大批量生產時，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，否則會導致同一批生產的LED燈具亮度有差異；LED IF工作電流按應用需要選用，不同的電流檔次不能混用。

LED光源驅動電路

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

PT4115用于1～6W的白光LED光源驅動方案時只需四個零件(圖2)，Cin是輸入濾波電容，Rs設定流過LED的電流IF，Rs=0.1/ILED；L是續流電感，D5是續流二極管。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，設計時需按表1提示的要求選用，才能使電路進入良好的工作狀態。PT4115的開關頻率采用抖頻技術有效降低EMI，省略了抗EMI電路。

LED光源驅動芯片的恒流精度對于LED燈具生產廠家而言是至關重要的，目前LED光源驅動IC的恒流精度批量生產時都會有一定的離散性，LED燈具生產廠家在批量生產調試時，同樣的電源、同樣的LED光源負載、同樣的恒流源電源板，因同一型號的不同驅動IC其恒流精度的個性差異會導致恒流源電源板輸出電流產生一定的公差，使同一LED光源負載的發光亮度有所不同，這就會增加恒流源電源板大批量生產時在線調試的時間，影響生產力。因此，恒流源電源板生產廠家應選用恒流精度高的驅動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%的產品。

電感的選擇

以3×1W的高亮度白光LED光源的設計案例而言，三個1W的LED光源串聯，其工作電流可設計為300～350mA，L的電感量應選用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，本方案的電感設計在68uH以上，這樣系統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內部電流檢測電路響應速度限制，對內部電流正常檢測出現影響，不能更好地實現對內部開關的導通/關斷控制。另外由于高頻率會帶來較大的開關損耗，使芯片運行在較高的結溫下，電應力加大，不利于穩定工作。電感量太小還會導致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，將會導致整個電路的續流不足，LED光源會產生人眼可見的閃光。將電感器的飽和電流和肖特基二極管的電流適當增大即可增大整個電路的續流電流，消除因此產生的閃光。

適配器的選擇

適配器為本方案LED臺燈提供穩定的交流電源->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大于1A，電壓應穩定在DC12V。有些帶載能力差的適配器，連接上本方案LED光源負載時，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驅動IC，屆時會進入欠壓保護狀態而停止工作，一旦驅動IC停止工作，電壓又回升至12V，LED驅動IC再次進入工作狀態，如此周而復始，使LED臺燈出現人眼可見的閃光。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。同時應選用工作電壓范圍自6V初始的LED驅動IC，也可降低對適配器的選擇要求，以降低生產配套成本。

EMI的傳導與輻射

本LED臺燈方案總體設計時要考慮能過EMI的傳導與輻射，過EMI的傳導與輻射的關鍵是電源變換器，因此要選用能過EMI，甚至能過CE、UL的適配器來配套，以便生產的LED臺燈能出口歐美日市場。恒流源電源板因使用的驅動IC是DC/DC開關器件，工作時開關頻率會產生輻射，因此內置在臺燈底座金屬殼內可有效降低輻射，機械結構設計時應考慮金屬底座內的磁路屏蔽。