一种小功率LED 筒灯的设计

张东清，罗 友，秦会斌

(杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，杭州310018)

LED 以其寿命长、亮度高、性能稳定、无污染等优点成为新一代的绿色照明光源。近年来LED 照明得到了越来越广泛的重视，随着国内外纷纷制定出台白炽灯退出照明市场的政策，使得LED 照明的市场空间逐步扩大。LED 产品的发光效率已经达到150 lm/W以上，发光角度大于150°，显色指数大于85，理论寿命达到105h［1］。由于LED 发热小，灯具整体温升低，灯具的可靠性高，光效高，促使LED 照明行业迅速发展。随着微电子技术和材料技术的发展，LED 照明产品的价格定会逐步下降。我国政府在LED 照明产业方面也给与了大力支持，特别是在城市照明改造方面，通过合同能源管理方式支持LED 路灯替换传统路灯。LED 的节电效益非常可观，以义乌LED 路灯照明改造为例，全市55 683 盏年节省电费约4 900万元人民币，节电率大于60%。

LED 照明正逐渐走进人们的生活，为人们的生活增添了色彩。LED 照明产品种类繁多，户外广告牌和交通指示灯是LED 在照明领域的最早应用也是技术很成熟的领域。LED 寿命长的优点使得LED 灯具特别适用在地下车库、隧道等长时间照明的环境。在室内照明方面，随着LED 灯具的可靠性提高及价格的降低，LED 直管灯、LED 球泡灯、LED平板灯等也已进入人们的生活中。LED 筒灯结实美观、环保性强、寿命长、节能减排，在办公室、家庭及商场中都有使用。本文将对12 W LED 筒灯设计过程中的关键技术进行分析说明。

1 MT7930 工作原理

美芯晟科技有限公司的MT7930 是一款单级模式AC－DCLED 驱动芯片。芯片外围器件少，恒流精度高;内置功率因数校正电路，功率因数高，总谐波失真小;具有软启动功能，欠压锁定功能及过压保护功能;最大输出功率达50W。其引脚封装如图1。

图1 MT7930 封装图

图1中1 脚(DRV)为MOS 管栅极驱动，2 脚为地端，3 脚(TM)为测试管脚，4 脚(COMP)为内部误差放大器的输出端，其与地之间须连接一个电容器进行频率补偿。5 脚(STP)为软启动脚，6 脚(DSEN)接辅助绕组的反馈电压，通过连接分压电阻器到辅助绕组两端反映输出电压。7 脚(VDD)是芯片供电端，8 脚(CS)是电流感应脚，通过改变连接此脚的电阻可以改变输出电流。

2 驱动电路设计

LED 筒灯基本电参数:①输入电压:100 V ～240 V AC;②输出功率:12×1 W;③输出电流:320 mA。

2.1 基本电路实现

图2 是MT7930 的典型应用电路图，这是一种很典型的小功率LED 恒流驱动电路。MT7930 内置功率因数校正电路，工作在电流断续模式，主要表现在电感电流存在等于零的死区(变压器原边电感电流降到零后隔一定时间电流从零开始增加)，输出二极管不存在反向恢复问题。8 脚检测原边电流的变化，当达到阈值电压时自动进入恒定关断时间模式，等待下次开启。这样可以很好地实现电流波形跟踪电压波形，得到较高的功率因数。

图2 MT7930 典型应用电路

输出电流控制:MT7930 通过6 脚和8 脚的检测功能，可以实现输出电流ILED的精确控制。如式(1)

式中，NP是原边绕组，NS是次级绕组，VFB是6 脚内部参考电压(400 mV)，R4是图2 中的采样电阻。

过压保护:MT7930 设置了两路过压保护，一是当6 脚(DSEN)电压值连续三次高于3.2 V 时，自动关闭栅极驱动输出，待VDD 的电压降到欠压锁定电压时重新启动。过压保护阈值VO－OV由式(2)给出

式中，NS是次级绕组，Na是辅助绕组，VD8是输出整流二级管的正向压降;另一种情况是当VDD 脚电压连续3 次大于19.2 V 时，自动关闭栅极驱动信号。待VDD 降至VO－OV时重新启动。在设计中，将VDD值设定在12 V ～16 V 之间。

过流保护:在每个开关周期内，当8 脚(CS)电压大于2.2 V 时，自动关闭栅极驱动输出。这样可以避免元器件因电流太大而烧坏。

短路保护:当6 脚(DSEN)的电压持续640 μs 低于200 mV 时，自动短路保护。直到VDD 电压低于过压保护阈值时，重新启动开始输出栅极驱动信号。

2.2 EMI(电磁干扰)滤波电路［3－4］

在驱动电源中，电磁干扰是不容忽视的。可以在电路的输入端加入EMI 滤波器解决。如图3 所示，共模电容CX1和共模电感L1组成衰减共模干扰的滤波网络，对电路中的共模干扰呈现高阻抗;由于绕制工艺及磁芯材料的均匀度问题，共模电感中两个电感量不可能绝对相等，这样共模电感中就存在差模电感，差模电感可以抑制电源中的差模干扰信号。共模电感L1绕制在铁氧体材料的磁环上。图3 中的电阻可以起到抑制瞬间尖峰电流的作用。

图3 EMI 滤波电路

3 散热器的选择

LED 是一种发光二级管，［5，12］二极管的PN 结在正向电压作用下N 型区电子向PN 结移动，在PN结处与P 型区移动来的空穴复合，产生一定的能量，有一小部分能量转化为光能发光，其余的能量以热的形式放出。LED 的结点处产生热量，导致结温升高从而影响PN 结内部微观粒子的运动。从宏观上来讲，LED 结温过高会加速光衰和荧光粉的老化，甚至烧毁LED 芯片。从图4 可以看出，结温升高，光通量输出会相应降低。所以，LED 的散热问题关系到LED 照明产品的寿命，必须重视。

图4 LED 出光量与结温的关系曲线

解决LED 芯片散热问题主要有两种方法:［9］一是提高芯片PN 结复合能量转化为光能的效率;二是将热量导出散热。目前普遍认同的光能转化率在20%左右，转化率越高越难实现。相比之下，第2 种方法应用更为普遍。常用的散热方法有倒装焊、使用导热性能良好的粘接材料、使用散热器等［10］。倒装焊主要是用热导率高的硅或陶瓷材料作为热传导介质，将LED 芯片键合在硅衬底上，PN 结的热量经焊接层传至硅衬底再到金属底座。与正装焊相比，明显降低了热阻。将LED 芯片固定在金属热沉上，需要粘接材料，相同厚度下热导率高的粘接材料热阻低，散热效果好。散热器要有良好的散热性和经济性。在常见金属中，铝价格便宜、质量轻、导热性好，硬度小，成为散热片的主要原料。在同样质量材料情况下，增大散热面积可以使热量散发的更快。散热主要靠对流和辐射，鳍片状散热片可以大大增加对流面积。此外，加快周围空气的流动也可以加快散热。

目前大多数LED 灯具都采用铝基板。铝基板上有一层足够厚度的铜箔，铜箔下面是一层绝缘性能好且导热性能好的粘结片(多数采用环氧树脂掺杂陶瓷填充物)，将铜箔与铝基板粘合。LED 紧紧贴装在铝基板上，通常铝基板后面连接散热片增大散热面积。

4 测试结果

使用杭州伏达测试技术研究所生产的智能电参数测量仪，测试结果如下:整灯输入功率13.4 W，输入电流72 mA;功率因数0.927;电流总谐波9.2%。图5 是12 W LED 筒灯的效果图片。

用杭州伏达测试技术研究所生产的EMC(电磁兼容)测试仪对LED 筒灯进行了测试，测试结果如图6 所示。

图5 整灯效果

图6 EMC 测试结果

5 结论

本文首先介绍了LED 照明产品的一些情况，对MT7930 恒流芯片进行了分析，完成了12 W LED 筒灯驱动电源的设计，最后对LED 散热问题进行了说明。通过对整灯的测试表明，设计制作的12 W LED筒灯功率因数0.927，效率也较高。电磁兼容方面，符合GB17743 的要求。灯头采用LED 专用PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)板覆盖，透光率好且光线柔和不刺眼。

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