一種低成本機(jī)控冰箱柜LED照明燈設(shè)計(jì)

劉 濤 何寶石

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

LED照明技術(shù)具有體積小、光效高、功耗低、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，其在電子式冰箱和冷柜當(dāng)中應(yīng)用非常廣泛。LED照明技術(shù)的典型特征是其驅(qū)動(dòng)電路必須是低壓直流電源，對(duì)于機(jī)械式冰箱和冷柜而言，其無(wú)電腦板，無(wú)法提供低壓直流電源，因而在機(jī)械式冰箱和冷柜上使用LED燈較為困難。如果通過(guò)增加電腦板實(shí)現(xiàn)LED照明不但需要較大空間存放，而且?guī)?lái)成本上升，產(chǎn)品性價(jià)比低，不推薦使用。為了實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)感較好的LED照明，制造商通常使用成本較低的自整流LED燈去實(shí)現(xiàn)照明。

自整流LED燈的優(yōu)勢(shì)在于LED燈的輸入電源仍為交流電源，通過(guò)LED燈的內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換成低壓電源再給燈珠供電。由于體積的限制，自整流LED燈一般通過(guò)阻容降壓電路去實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換[2]。阻容降壓電路是非隔離的電源方案，需要使用較多的安規(guī)元器件才能滿足安全標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)需要使用塑料罩殼封裝做到安全隔離，適用于功率較低的燈珠照明。冰箱和冷柜的照明光通量一般最少40 lm，所以為了達(dá)到足夠亮度，需要使用多顆燈珠才能滿足冰箱和冷柜的照明需求。對(duì)于容積較大的冰箱和冷柜而言，自整流LED燈的光通量明顯不足。圖1為自整流LED燈應(yīng)用電路方案。

為了節(jié)約電源成本，實(shí)現(xiàn)大功率、高亮度照明，滿足不同容積冰箱和冷柜的照明需求，可以通過(guò)高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)方案去開發(fā)設(shè)計(jì)LED照明燈。

圖1 自整流LED燈應(yīng)用電路方案

從圖1 可以看出，該電源方案使用元器件數(shù)量和燈珠數(shù)量較多，加上封裝的塑料罩殼、連接端子或者燈頭，整燈成本較高，不利于成本要求高的機(jī)械式冰箱和冷柜推廣使用，尤其是大容積的冰箱和冷柜。

1 高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)方案介紹

高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)方案是通過(guò)線性恒流驅(qū)動(dòng)LED控制芯片搭載簡(jiǎn)易的外圍電路實(shí)現(xiàn)燈珠的照明，其在家裝室內(nèi)照明和路燈照明方面應(yīng)用日益普及。高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)方案具有以下特點(diǎn)：

1）高功率因數(shù)和高效率，低諧波（PF≥0.98，η≥90 %，THD＜15 %）；

2）電路上無(wú)需增加安規(guī)電容或者電感，就可以滿足EMC安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求；

3）線性恒流驅(qū)動(dòng)LED控制芯片外圍電路簡(jiǎn)潔，使用元器件數(shù)量少，可以大幅降低電源成本；

4）芯片具有自動(dòng)過(guò)溫保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)，有效保障電源和整燈的壽命；

5）輸出電流恒定，適用于驅(qū)動(dòng)大功率燈珠，整燈光通量高；

6）可以直接使用市電交流高壓電源進(jìn)行供電，無(wú)需轉(zhuǎn)換電源。

高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)方案與傳統(tǒng)的阻容降壓方案相比，芯片外圍安規(guī)元器件使用量更少，燈珠恒流源驅(qū)動(dòng)，不會(huì)受到電壓波動(dòng)影響，可用少顆大功率燈珠即可做到高亮度照明。

2 基于高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)方案的機(jī)控冰箱LED照明燈設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)控冰箱LED照明燈電路設(shè)計(jì)

高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)方案的照明設(shè)計(jì)可以同樣應(yīng)用到家電照明上，圖2為機(jī)控冰箱LED照明燈設(shè)計(jì)原理圖，該LED燈使用了一顆線性恒流驅(qū)動(dòng)LED控制芯片ME8608，該芯片是一款單通道恒流驅(qū)動(dòng)LED控制芯片，集成啟動(dòng)電路與480 V高壓MOS管，輸出電流可以由外接電阻RSET精確確定，圖3為芯片ME8608功能示意圖。

圖2 機(jī)控冰箱LED照明燈設(shè)計(jì)原理圖

圖3 ME8608芯片功能示意圖

在外圍電路的元器件選型上，電解電容C1能降低芯片輸入電壓的紋波達(dá)到穩(wěn)定的電壓，C1值越大，紋波越小，芯片OUT端口的電壓紋波也越小，一般取值范圍為（4.7～22）uF，本設(shè)計(jì)中取值4.7 uF。R5為系統(tǒng)放電電阻，可有效避免燈珠熄滅再點(diǎn)亮?xí)r的余輝現(xiàn)象，一般取值510 KΩ～1 MΩ，本設(shè)計(jì)中取值1 MΩ。在芯片的RSET口并聯(lián)電阻R3和R4，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流的大小。在燈板供電輸入端，增加大功率電阻R1、R2和壓敏電阻VR1，削弱高壓和浪涌電流對(duì)電路的影響；D1為橋式整流器件。在芯片的OUT口串聯(lián)了電阻R6，緩沖電壓的波動(dòng)，保護(hù)芯片。

該LED燈使用了3顆2835燈珠，色溫選取值范圍（6 000～7 000）K，整燈光通量達(dá)到150 lm以上，相比于阻容降壓式的自整流LED燈而言光通量明顯提升。造型上，可以做成塊狀燈板結(jié)構(gòu)，尺寸盡量小，和外部電源采用連接器端子進(jìn)行接插。

機(jī)控冰箱LED照明燈關(guān)鍵電氣參數(shù)見表1。

表1 機(jī)控冰箱LED照明燈關(guān)鍵電氣參數(shù)

2.2 機(jī)控冰箱LED照明燈結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上機(jī)控冰箱檔次定位較低，在低價(jià)位的基礎(chǔ)上為了獲得高性價(jià)比，必須盡量做到成本最低，因此在產(chǎn)品升級(jí)上就要做到結(jié)構(gòu)件更改設(shè)計(jì)的投入最少。冰箱LED照明燈可以設(shè)計(jì)成塊狀燈板結(jié)構(gòu)，組裝在溫控盒內(nèi)，溫控盒除了預(yù)留出燈板的空間以外，在溫控盒的基座上可以預(yù)留出三個(gè)燈珠孔。燈罩采用磨砂式設(shè)計(jì)，增加光線照射的均勻性，弱化燈珠顆數(shù)，照明更加柔和。

冰箱內(nèi)襯屬于整體吸塑成型，LED燈的PCB布線層朝向內(nèi)襯，內(nèi)襯阻燃等級(jí)做不到5 VA。根據(jù)安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，LED燈是強(qiáng)電高壓輸入的帶電零部件，在裝配上，LED燈需被達(dá)到5 VA阻燃等級(jí)的結(jié)構(gòu)件包裹起來(lái)，只允許接器接插部位外露。所以在設(shè)計(jì)上可通過(guò)在燈板的布線側(cè)增加一個(gè)溫控盒蓋，阻燃等級(jí)為5 VA，厚度要求2 mm以上，這樣就將LED燈布線層和冰箱內(nèi)襯進(jìn)行隔離，從而滿足安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4為機(jī)控冰箱LED照明燈結(jié)構(gòu)裝配示意圖。

圖4 機(jī)控冰箱LED照明燈結(jié)構(gòu)裝配示意圖

3 基于高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)方案的冷柜LED照明燈設(shè)計(jì)

3.1 冷柜LED照明燈電路設(shè)計(jì)

冷柜和冰箱照明上最大的不同在于冷柜的照明燈是安裝在門體上的，且冷柜沒(méi)有獨(dú)立的燈開關(guān)去控制照明燈。因此，冷柜LED照明燈在設(shè)計(jì)上需要增加一顆滾珠開關(guān)。

滾珠開關(guān)工作原理如圖5（a）所示，其金色接腳端為導(dǎo)通觸發(fā)端，銀色接腳端為關(guān)閉開路端，當(dāng)冷柜門體打開到10 °以上時(shí)，滾珠開關(guān)受到外力作用，金色接腳端低于水平達(dá)到適當(dāng)角度時(shí)導(dǎo)電接腳處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)；而當(dāng)冷柜門體恢復(fù)到10 °以下至關(guān)閉狀態(tài)，滾珠開關(guān)則恢復(fù)到開路狀態(tài)，圖5（b）為滾珠開關(guān)封裝圖。

圖5 滾珠開關(guān)工作原理其封裝

利用滾珠開關(guān)的工作特性，設(shè)計(jì)出冷柜LED燈電路原理圖，如圖6所示。其在線性恒流驅(qū)動(dòng)LED控制芯片ME8608的輸出端增加了滾珠開關(guān)SW1、三極管Q1，二者一起與燈珠串聯(lián)，這樣整個(gè)線路在驅(qū)動(dòng)燈珠照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了燈珠電路的通斷，滿足冰柜使用需求。

圖6 冷柜LED燈設(shè)計(jì)原理圖

考慮到光線的均勻性，該燈板使用了6顆燈珠，燈珠參數(shù)與冰箱LED燈相同，整燈光通量達(dá)到200 lm以上。造型上可以設(shè)計(jì)成長(zhǎng)條形燈板結(jié)構(gòu)，使用連接器直接連接電源。相比于傳統(tǒng)自整流LED燈而言，該燈板外圍電路簡(jiǎn)潔，無(wú)需重錘式燈座，裝配簡(jiǎn)便，無(wú)論從裝配效率、照明效果還是材料成本上都更優(yōu)。

冷柜LED照明燈關(guān)鍵電氣參數(shù)見表2。

表2 冷柜LED照明燈關(guān)鍵電氣參數(shù)

3.2 冷柜LED照明燈結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)

冷柜LED照明燈是裝在冷柜門體上的，其與冰箱裝配類似，燈板和門體內(nèi)襯之間需增加一個(gè)燈盒，燈盒的材質(zhì)是HIPS，阻燃等級(jí)是5 VA，燈盒預(yù)留出卡扣，固定燈板。燈罩同冰箱LED燈燈罩一樣，采用磨砂式設(shè)計(jì)。同時(shí)為了滿足安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，燈罩在裝配上可以采取一側(cè)螺釘固定，一側(cè)卡扣固定，提高裝配效率。圖7為冷柜LED照明燈結(jié)構(gòu)裝配示意圖。

圖7 冷柜LED照明燈結(jié)構(gòu)裝配示意圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)機(jī)控冰箱柜的LED照明燈及其裝配設(shè)計(jì)分析，可以得出以下結(jié)論：

1）基于高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)的照明設(shè)計(jì)方案不僅適用于家裝等大功率照明場(chǎng)合，同樣可以應(yīng)用于家電行業(yè)冰箱柜的照明；

2）基于高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)的照明設(shè)計(jì)方案相較于阻容降壓方案而言電路更為簡(jiǎn)潔，所用元器件數(shù)量少，成本更低；

3）基于高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)的LED照明燈在裝配時(shí)需重點(diǎn)解決LED照明燈周邊結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)、厚度以及燈板和內(nèi)襯之間強(qiáng)電隔離的問(wèn)題。