亞太區(qū)11W和15WLED燈驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及其改進(jìn)

摘要：經(jīng)過多年工作實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，某些元器件在應(yīng)用方面存在很多誤區(qū)。針對(duì)某公司11 W和15 W LED燈驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及其改進(jìn)工作，提出采用常用的dV/dt供電方式來降低功耗，發(fā)現(xiàn)和解決了一些電路和有關(guān)元器件的問題，特別是對(duì)保險(xiǎn)絲和電解電容提出了比較實(shí)際的應(yīng)用指南。

關(guān)鍵詞：LED;驅(qū)動(dòng)器;元器件;保險(xiǎn)絲;電解電容;電路鎖住;共通

0? ? 引言

為了滿足中國(guó)國(guó)內(nèi)和亞太區(qū)市場(chǎng)的要求，某公司計(jì)劃推出11 W和15 W LED燈驅(qū)動(dòng)器。為了快速推出產(chǎn)品，準(zhǔn)備在傳統(tǒng)照明驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，意圖以成熟的拓?fù)洹⒆羁斓乃俣群魬?yīng)中國(guó)國(guó)內(nèi)和亞太區(qū)市場(chǎng)的需求。

1? ? 電路拓?fù)涞倪x擇

（1）如傳統(tǒng)照明驅(qū)動(dòng)器，仍然采用半橋諧振電路拓?fù)?，?chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)器件。

（2）啟動(dòng)電路可以有兩種選擇，即雙向觸發(fā)二極管啟動(dòng)或晶體管啟動(dòng)，但考慮到雙向觸發(fā)二極管啟動(dòng)的一些不可靠性因素，決定采用晶體管觸發(fā)啟動(dòng)方式，如圖1所示。

電源接通后，T4率先飽和導(dǎo)通，隨后T3達(dá)到飽和導(dǎo)通，導(dǎo)致T4截止，然后下管柵極通過R6和R7充電，從而實(shí)現(xiàn)下管的導(dǎo)通，最終觸發(fā)震蕩。

（3）下管的驅(qū)動(dòng)也可有兩個(gè)方案，即線性驅(qū)動(dòng)和dV/dt驅(qū)動(dòng)。線性驅(qū)動(dòng)就是下管的驅(qū)動(dòng)始終是通過R6和R7由母線電壓來的，前期工作已經(jīng)證明這種方式會(huì)帶來高功耗和對(duì)低壓工作性能的負(fù)面影響，所以擬采用由半橋中點(diǎn)通過dV/dt來實(shí)現(xiàn)對(duì)下管的驅(qū)動(dòng)，這也是一個(gè)常用的方案，如圖2所示。

2? ? 關(guān)鍵元器件的選擇

2.1? ? 燈電感

dV/dt供電的優(yōu)勢(shì)，使得低成本元器件的選用成為可能。燈電感是一個(gè)在總成本中占比較高的器件，在節(jié)省成本過程中，它是關(guān)注點(diǎn)之一。為了大幅降低成本，初步考慮由EF16改為棒形線圈，由此可以比EF16便宜得多（>20%）。與EF16設(shè)計(jì)一樣，棒形線圈也同樣有初級(jí)繞組作為主回路電感和次級(jí)繞組作為上管驅(qū)動(dòng)，但棒形線圈有它自己的缺點(diǎn)：

（1）低Q值和高損耗。與EF16（50 nH）相比，棒形線圈（10.44 nH）的AL值很低，需要更多的線圈才能達(dá)到3.1 mH，這導(dǎo)致棒形線圈串聯(lián)電阻高，Q值低，損耗大。

（2）開放式鐵磁體結(jié)構(gòu)。棒形線圈具有開放的鐵磁體結(jié)構(gòu)，會(huì)引起電磁干擾問題。

（3）低耦合系數(shù)?？紤]到其開放式鐵磁體結(jié)構(gòu)，棒形線圈耦合系數(shù)較低。為此已經(jīng)與供應(yīng)商溝通，強(qiáng)調(diào)繞線要緊密，以獲得盡可能高的耦合系數(shù)。

在線性驅(qū)動(dòng)電路中不可能使用棒形線圈，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電阻的溫度已經(jīng)成為瓶頸。如果使用棒形線圈，這些驅(qū)動(dòng)電阻器溫度會(huì)更高，焊點(diǎn)融化斷裂的風(fēng)險(xiǎn)將很高。在dV/dt驅(qū)動(dòng)電路中，棒形線圈的使用成為可能，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電阻器的值非常高，不會(huì)有很大的功耗和較高的溫度。

2.2? ? 燈電容

新電路中的燈電容器采用2.4 nF、DC700 V。

由于采用了dV/dt電源，新電路在低輸入電壓下的性能有了很大的提高。在這種情況下，可以在電路中使用較低的燈電容值（2.4 nF）。同傳統(tǒng)電路一樣，電路啟動(dòng)還是即時(shí)型，這意味著在啟動(dòng)過程中當(dāng)負(fù)載接觸不良時(shí)可能出現(xiàn)高諧振電壓峰值，并且要求燈電容器具有抵抗非重復(fù)性高壓峰值的能力，所以燈電容采用DC700 V，以此來進(jìn)一步提高電路的可靠性。經(jīng)供應(yīng)商確認(rèn)，此電容能承受這一非重復(fù)性高壓峰值。

2.3? ? 開關(guān)管

也是由于采用了dV/dt電源，避免了驅(qū)動(dòng)電阻上的高功耗，從而為開關(guān)管從低導(dǎo)通電阻變?yōu)楦邔?dǎo)通電阻開了綠燈。

高導(dǎo)通電阻FET（16 Ω、10 Ω）比低導(dǎo)通電阻FET（5.5 Ω）便宜得多。在新電路設(shè)計(jì)中，對(duì)16 Ω開關(guān)管和10 Ω開關(guān)管都進(jìn)行了嘗試，但由于使用16 Ω的管子有溫度過高問題，所以只能使用10 Ω的管子。

3? ? 在電路驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)的問題

3.1? ? 寄生振蕩

當(dāng)T2關(guān)閉時(shí)，可以看到一個(gè)小的寄生振蕩，如圖3所示。

原因如下：

（1）當(dāng)T2關(guān)閉時(shí)，T2的漏源（Vds）電壓降將從0 V上升，這意味著Vds將小到足以使齊納管Z6在一段時(shí)間間隔內(nèi)不工作。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，齊納管可看做是一個(gè)高值電阻。

（2）齊納管也有響應(yīng)時(shí)間。在這個(gè)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，齊納管不能起到齊納的作用，也可以看做是一個(gè)高值電阻。

（3）從圖3可以看出，在dV/dt的早期部分，T1的漏極和源極電壓下降速度更大。這意味著dV/dt電容器串聯(lián)時(shí)電阻較高，導(dǎo)致T2的Vds增加快于dV/dt的后期。

（4）如果把齊納管Z6短路，這種寄生振蕩會(huì)完全消失。

根據(jù)上述分析，我們可以得出結(jié)論：齊納Z6是造成這種寄生振蕩的原因。但這種寄生振蕩很小，不會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)生共通，測(cè)試驗(yàn)證過程也證明了這一點(diǎn)。

3.2? ? 老化試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)器的陸續(xù)損壞

在驅(qū)動(dòng)器的老化試驗(yàn)中，一些燈陸續(xù)熄滅。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有些驅(qū)動(dòng)器重新上電后，燈又能正常點(diǎn)亮，參數(shù)全部正常;但另一些驅(qū)動(dòng)器就再也點(diǎn)不亮燈了，初步檢查這些驅(qū)動(dòng)器，發(fā)現(xiàn)其中保險(xiǎn)絲損壞，換上新保險(xiǎn)絲后，這些驅(qū)動(dòng)器又能正常工作了。

為此，我們進(jìn)行了排摸，一一排除了其他器件和印刷線路板上短路的可能性及各器件的超規(guī)格使用。下面重點(diǎn)介紹對(duì)保險(xiǎn)絲和電解電容的排摸。

3.2.1? ? 保險(xiǎn)絲

為了分析所用保險(xiǎn)絲的合適性，首先對(duì)它按反應(yīng)速度進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類：保險(xiǎn)絲分慢斷型和快斷型。雖然快斷型價(jià)格較低，但只適合純阻性負(fù)載或需要非常靈敏快速保護(hù)的情況。但像驅(qū)動(dòng)器等類產(chǎn)品，啟動(dòng)時(shí)有較大的浪涌電流，若使用快斷型保險(xiǎn)絲，則往往在上電時(shí)就會(huì)燒斷，而且由于終端客戶不具備維護(hù)的能力，不建議終端客戶對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行檢查和更換，所以，在這種情況下一般使用慢斷型保險(xiǎn)絲，能夠確保產(chǎn)品可靠性。當(dāng)然，這種慢斷型保險(xiǎn)絲在通過了權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證的情況下也能夠百分之百保證產(chǎn)品使用的安全性。

本驅(qū)動(dòng)器使用的是玻璃管保險(xiǎn)絲，規(guī)格為0.63 A、250 V，屬于慢斷型，其關(guān)鍵參數(shù)是額定電流、額定電壓、分?jǐn)嗄芰腿蹟喾e分或熔斷值，當(dāng)然，它的工作環(huán)境溫度也會(huì)對(duì)額定電流的降額產(chǎn)生影響，但由于所使用的保險(xiǎn)絲的額定電流對(duì)溫度的降額非常有限，在此不作討論。以下是對(duì)4個(gè)參數(shù)的具體分析：

（1）額定電流。如果設(shè)計(jì)時(shí)流過它的電流在某種條件下會(huì)超過額定電流，那保險(xiǎn)絲就有可能提前燒毀，也就會(huì)縮短驅(qū)動(dòng)器的壽命。本設(shè)計(jì)輸入電流在最惡劣情況下約為0.1 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的額定電流0.63 A。

（2）額定電壓。如果輸入電源電壓超過它的額定電壓，保險(xiǎn)絲就不能保證在需要的時(shí)候可靠地切斷電源。本驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓要求是170～250 V，所以完全符合它的規(guī)格要求。

（3）分?jǐn)嗄芰?。指的是在它的額定電壓條件下，能夠承載的最大故障或短路電流，在此電流下能安全斷開的能力。這個(gè)參數(shù)明顯和要討論的問題無關(guān)。

（4）熔斷積分或熔斷值I2t。這是表示浪涌電流隨時(shí)間積分，這是考驗(yàn)保險(xiǎn)絲能承受電源開關(guān)次數(shù)的指標(biāo)，因?yàn)槊看伍_關(guān)，保險(xiǎn)絲都會(huì)承受一次浪涌電流的沖擊，而保險(xiǎn)絲在整個(gè)壽命期間能承受的浪涌電流的次數(shù)是有限制的。經(jīng)過測(cè)量，本驅(qū)動(dòng)器的浪涌電流隨時(shí)間積分為0.12 A2s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于保險(xiǎn)絲的熔斷積分要求——1 A2s，考慮到浪涌電流的次數(shù)對(duì)保險(xiǎn)絲壽命降額的影響，也足足有余。

所有分析都表明，使用的保險(xiǎn)絲是合適的，所以，這種失效不可能是保險(xiǎn)絲造成的。

3.2.2? ? 電解電容

為了分析方便，先對(duì)常用的鋁電解電容的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行說明。

（1）額定電壓。通常情況下，在驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)不建議超額定電壓使用，否則，電解電容會(huì)有被擊穿的可能，此時(shí)，保險(xiǎn)絲會(huì)在較大電流的作用下熔斷，從而保護(hù)安全。

（2）紋波電流。這是決定電解電容壽命的關(guān)鍵參數(shù)之一，在考核紋波電流時(shí)要注意把所有頻次的諧波電流都計(jì)算在內(nèi)，包括低頻和高頻的，決不能直接用儀器測(cè)量出的均方根值，因?yàn)橛?jì)算壽命時(shí)有可能對(duì)低頻和高頻紋波電流采用不同的權(quán)重。

（3）工作溫度。這也是決定電解電容壽命的關(guān)鍵參數(shù)之一。

根據(jù)這些分析，筆者聯(lián)合一些電解電容專家一起對(duì)這些可疑驅(qū)動(dòng)器中的電解電容進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)這些電容都能經(jīng)受住額定電壓的考驗(yàn)，參數(shù)一切正常。為進(jìn)一步確認(rèn)我們的懷疑，筆者對(duì)這些電容進(jìn)行了解剖，但令人遺憾的是，如此也沒看到任何擊穿點(diǎn)，至此，調(diào)查似乎是走進(jìn)了死胡同。然而，當(dāng)筆者第二天再次檢查已經(jīng)干透的薄膜時(shí)，欣喜地看到了非常細(xì)小的擊穿點(diǎn)，原因可能是濕態(tài)的薄膜掩蓋了擊穿點(diǎn)，同時(shí)可能由于擊穿的過程消除了這些微小的毛刺，電解電容能夠完美地抵抗額定電壓的測(cè)試。

利用這些分析結(jié)果，經(jīng)過與供應(yīng)商交涉，最終迫使供應(yīng)商承認(rèn)了是他們的工序瑕疵造成了這一批次的問題。

3.3? ? 電路的鎖住

在16 Ω開關(guān)管方案中，發(fā)現(xiàn)了一種稱為“電路鎖住”的現(xiàn)象，它發(fā)生在輸入電源快速斷開和快速接通時(shí)，有時(shí)電路不能重新啟動(dòng)。原因是當(dāng)輸入電源再次接通時(shí)，如果恰巧C9（圖2）還有足夠的電能保持下管導(dǎo)通而不能及時(shí)放電，同時(shí)電路各點(diǎn)電壓緩慢上升，但由于下管處于導(dǎo)通狀態(tài)，它的漏源極間電壓接近于零，導(dǎo)致沒有一個(gè)足夠的激勵(lì)來啟動(dòng)震蕩。

解決這個(gè)問題的一個(gè)辦法是在C9上并聯(lián)一個(gè)15 kΩ的電阻來加速它的放電。但后來在10 Ω場(chǎng)效應(yīng)管的配置中沒有看到電路鎖住現(xiàn)象，這是因?yàn)榕c16 Ω場(chǎng)效應(yīng)管相比，10 Ω場(chǎng)效應(yīng)管具有更高的柵源閾值，易于關(guān)斷。同時(shí)，由于時(shí)間的限制和16 Ω開關(guān)管的不良經(jīng)驗(yàn)以及空間的限制，16 Ω開關(guān)管方案的進(jìn)一步驗(yàn)證被擱置，所以這個(gè)15 kΩ的電阻沒有被加到印刷電路板上。

3.4? ? 棒形線圈的耦合問題

在試驗(yàn)中，一種閃爍偶爾會(huì)在低輸入電壓下出現(xiàn)。若將棒形線圈換成EF16，這種閃爍現(xiàn)象就不會(huì)再出現(xiàn)了，所以這個(gè)問題和棒形線圈有關(guān)。進(jìn)一步試驗(yàn)證明，這是次級(jí)繞組纏繞過松，導(dǎo)致棒形線圈的耦合系數(shù)較低造成的。為了解決這個(gè)問題，與線圈供應(yīng)商進(jìn)行了交涉，供應(yīng)商已同意改進(jìn)工藝，確保兩級(jí)繞組的緊密繞制。

3.5? ? 兩個(gè)開關(guān)管的共通現(xiàn)象

兩個(gè)開關(guān)管的共通現(xiàn)象引起了注意，如圖4所示。

由圖4可見，在電路啟動(dòng)的瞬間，兩管同時(shí)有電流流過，不是所有驅(qū)動(dòng)器都會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，而且，前代電路也有相似現(xiàn)象?？紤]到共通時(shí)間極短且能量有限，同時(shí)，所有的壓力測(cè)試都沒有出現(xiàn)失效，所以，沒有采取進(jìn)一步的措施。

4? ? 結(jié)語

目前的測(cè)試表明，此驅(qū)動(dòng)器能滿足所有的安全、性能和可靠性要求，也符合大規(guī)模生產(chǎn)的規(guī)范。同時(shí)，也對(duì)暴露出來的問題進(jìn)行了科學(xué)的探討，提出了合適的建議和解決方案。需要指出的是，在測(cè)試中一定要特別注意一些異?，F(xiàn)象，如電路鎖住、共通等，進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估，必要時(shí)采取合適的措施予以解決。對(duì)元器件的選擇也要嚴(yán)格按照它們的特點(diǎn)和供應(yīng)商的要求進(jìn)行，否則，不是出現(xiàn)安全性問題，就是出現(xiàn)可靠性問題。

這個(gè)電路是一種比較成熟的晶體管啟動(dòng)的半橋拓?fù)洹?shí)驗(yàn)證明，只要設(shè)計(jì)合理，無論環(huán)境溫度高低，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都不會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)問題;這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性也在數(shù)百萬的電路生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。

當(dāng)然，如果市場(chǎng)反應(yīng)情況持續(xù)良好，下一步可以考慮采用更低成本的電路拓?fù)洹?/p>

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收稿日期：2020-03-06

作者簡(jiǎn)介：黃永高（1961—），男，江蘇江陰人，碩士，工程師，研究方向：電子驅(qū)動(dòng)器。