亚太区11W和15WLED灯驱动器的设计及其改进

摘要：经过多年工作实践发现，某些元器件在应用方面存在很多误区。针对某公司11 W和15 W LED灯驱动器的设计及其改进工作，提出采用常用的dV/dt供电方式来降低功耗，发现和解决了一些电路和有关元器件的问题，特别是对保险丝和电解电容提出了比较实际的应用指南。

关键词：LED;驱动器;元器件;保险丝;电解电容;电路锁住;共通

0    引言

为了满足中国国内和亚太区市场的要求，某公司计划推出11 W和15 W LED灯驱动器。为了快速推出产品，准备在传统照明驱动器的基础上进行设计，意图以成熟的拓扑、最快的速度呼应中国国内和亚太区市场的需求。

1    电路拓扑的选择

（1）如传统照明驱动器，仍然采用半桥谐振电路拓撲，场效应管作为开关器件。

（2）启动电路可以有两种选择，即双向触发二极管启动或晶体管启动，但考虑到双向触发二极管启动的一些不可靠性因素，决定采用晶体管触发启动方式，如图1所示。

电源接通后，T4率先饱和导通，随后T3达到饱和导通，导致T4截止，然后下管栅极通过R6和R7充电，从而实现下管的导通，最终触发震荡。

（3）下管的驱动也可有两个方案，即线性驱动和dV/dt驱动。线性驱动就是下管的驱动始终是通过R6和R7由母线电压来的，前期工作已经证明这种方式会带来高功耗和对低压工作性能的负面影响，所以拟采用由半桥中点通过dV/dt来实现对下管的驱动，这也是一个常用的方案，如图2所示。

2    关键元器件的选择

2.1    灯电感

dV/dt供电的优势，使得低成本元器件的选用成为可能。灯电感是一个在总成本中占比较高的器件，在节省成本过程中，它是关注点之一。为了大幅降低成本，初步考虑由EF16改为棒形线圈，由此可以比EF16便宜得多（>20%）。与EF16设计一样，棒形线圈也同样有初级绕组作为主回路电感和次级绕组作为上管驱动，但棒形线圈有它自己的缺点：

（1）低Q值和高损耗。与EF16（50 nH）相比，棒形线圈（10.44 nH）的AL值很低，需要更多的线圈才能达到3.1 mH，这导致棒形线圈串联电阻高，Q值低，损耗大。

（2）开放式铁磁体结构。棒形线圈具有开放的铁磁体结构，会引起电磁干扰问题。

（3）低耦合系数。考虑到其开放式铁磁体结构，棒形线圈耦合系数较低。为此已经与供应商沟通，强调绕线要紧密，以获得尽可能高的耦合系数。

在线性驱动电路中不可能使用棒形线圈，因为驱动电阻的温度已经成为瓶颈。如果使用棒形线圈，这些驱动电阻器温度会更高，焊点融化断裂的风险将很高。在dV/dt驱动电路中，棒形线圈的使用成为可能，因为驱动电阻器的值非常高，不会有很大的功耗和较高的温度。

2.2    灯电容

新电路中的灯电容器采用2.4 nF、DC700 V。

由于采用了dV/dt电源，新电路在低输入电压下的性能有了很大的提高。在这种情况下，可以在电路中使用较低的灯电容值（2.4 nF）。同传统电路一样，电路启动还是即时型，这意味着在启动过程中当负载接触不良时可能出现高谐振电压峰值，并且要求灯电容器具有抵抗非重复性高压峰值的能力，所以灯电容采用DC700 V，以此来进一步提高电路的可靠性。经供应商确认，此电容能承受这一非重复性高压峰值。

2.3    开关管

也是由于采用了dV/dt电源，避免了驱动电阻上的高功耗，从而为开关管从低导通电阻变为高导通电阻开了绿灯。

高导通电阻FET（16 Ω、10 Ω）比低导通电阻FET（5.5 Ω）便宜得多。在新电路设计中，对16 Ω开关管和10 Ω开关管都进行了尝试，但由于使用16 Ω的管子有温度过高问题，所以只能使用10 Ω的管子。

3    在电路验证中发现的问题

3.1    寄生振荡

当T2关闭时，可以看到一个小的寄生振荡，如图3所示。

原因如下：

（1）当T2关闭时，T2的漏源（Vds）电压降将从0 V上升，这意味着Vds将小到足以使齐纳管Z6在一段时间间隔内不工作。在这个时间间隔内，齐纳管可看做是一个高值电阻。

（2）齐纳管也有响应时间。在这个响应时间内，齐纳管不能起到齐纳的作用，也可以看做是一个高值电阻。

（3）从图3可以看出，在dV/dt的早期部分，T1的漏极和源极电压下降速度更大。这意味着dV/dt电容器串联时电阻较高，导致T2的Vds增加快于dV/dt的后期。

（4）如果把齐纳管Z6短路，这种寄生振荡会完全消失。

根据上述分析，我们可以得出结论：齐纳Z6是造成这种寄生振荡的原因。但这种寄生振荡很小，不会导致两个场效应管产生共通，测试验证过程也证明了这一点。

3.2    老化试验中驱动器的陆续损坏

在驱动器的老化试验中，一些灯陆续熄灭。调查发现，有些驱动器重新上电后，灯又能正常点亮，参数全部正常;但另一些驱动器就再也点不亮灯了，初步检查这些驱动器，发现其中保险丝损坏，换上新保险丝后，这些驱动器又能正常工作了。

为此，我们进行了排摸，一一排除了其他器件和印刷线路板上短路的可能性及各器件的超规格使用。下面重点介绍对保险丝和电解电容的排摸。

3.2.1    保险丝

为了分析所用保险丝的合适性，首先对它按反应速度进行简单的分类：保险丝分慢断型和快断型。虽然快断型价格较低，但只适合纯阻性负载或需要非常灵敏快速保护的情况。但像驱动器等类产品，启动时有较大的浪涌电流，若使用快断型保险丝，则往往在上电时就会烧断，而且由于终端客户不具备维护的能力，不建议终端客户对保险丝进行检查和更换，所以，在这种情况下一般使用慢断型保险丝，能够确保产品可靠性。当然，这种慢断型保险丝在通过了权威机构认证的情况下也能够百分之百保证产品使用的安全性。

本驱动器使用的是玻璃管保险丝，规格为0.63 A、250 V，属于慢断型，其关键参数是额定电流、额定电压、分断能力和熔断积分或熔断值，当然，它的工作环境温度也会对额定电流的降额产生影响，但由于所使用的保险丝的额定电流对温度的降额非常有限，在此不作讨论。以下是对4个参数的具体分析：

（1）额定电流。如果设计时流过它的电流在某种条件下会超过额定电流，那保险丝就有可能提前烧毁，也就会缩短驱动器的寿命。本设计输入电流在最恶劣情况下约为0.1 A，远远小于它的额定电流0.63 A。

（2）额定电压。如果输入电源电压超过它的额定电压，保险丝就不能保证在需要的时候可靠地切断电源。本驱动器的输入电压要求是170～250 V，所以完全符合它的规格要求。

（3）分断能力。指的是在它的额定电压条件下，能够承载的最大故障或短路电流，在此电流下能安全断开的能力。这个参数明显和要讨论的问题无关。

（4）熔断积分或熔断值I2t。这是表示浪涌电流随时间积分，这是考验保险丝能承受电源开关次数的指标，因为每次开关，保险丝都会承受一次浪涌电流的冲击，而保险丝在整个寿命期间能承受的浪涌电流的次数是有限制的。经过测量，本驱动器的浪涌电流随时间积分为0.12 A2s，远远小于保险丝的熔断积分要求——1 A2s，考虑到浪涌电流的次数对保险丝寿命降额的影响，也足足有余。

所有分析都表明，使用的保险丝是合适的，所以，这种失效不可能是保险丝造成的。

3.2.2    电解电容

为了分析方便，先对常用的铝电解电容的关键参数进行说明。

（1）额定电压。通常情况下，在驱动器正常工作时不建议超额定电压使用，否则，电解电容会有被击穿的可能，此时，保险丝会在较大电流的作用下熔断，从而保护安全。

（2）纹波电流。这是决定电解电容寿命的关键参数之一，在考核纹波电流时要注意把所有频次的谐波电流都计算在内，包括低频和高频的，决不能直接用仪器测量出的均方根值，因为计算寿命时有可能对低频和高频纹波电流采用不同的权重。

（3）工作温度。这也是决定电解电容寿命的关键参数之一。

根据这些分析，笔者联合一些电解电容专家一起对这些可疑驱动器中的电解电容进行了检查，发现这些电容都能经受住额定电压的考验，参数一切正常。为进一步确认我们的怀疑，笔者对这些电容进行了解剖，但令人遗憾的是，如此也没看到任何击穿点，至此，调查似乎是走进了死胡同。然而，当笔者第二天再次检查已经干透的薄膜时，欣喜地看到了非常细小的击穿点，原因可能是湿态的薄膜掩盖了击穿点，同时可能由于击穿的过程消除了这些微小的毛刺，电解电容能够完美地抵抗额定电压的测试。

利用这些分析结果，经过与供应商交涉，最终迫使供应商承认了是他们的工序瑕疵造成了这一批次的问题。

3.3    电路的锁住

在16 Ω开关管方案中，发现了一种称为“电路锁住”的现象，它发生在输入电源快速断开和快速接通时，有时电路不能重新启动。原因是当输入电源再次接通時，如果恰巧C9（图2）还有足够的电能保持下管导通而不能及时放电，同时电路各点电压缓慢上升，但由于下管处于导通状态，它的漏源极间电压接近于零，导致没有一个足够的激励来启动震荡。

解决这个问题的一个办法是在C9上并联一个15 kΩ的电阻来加速它的放电。但后来在10 Ω场效应管的配置中没有看到电路锁住现象，这是因为与16 Ω场效应管相比，10 Ω场效应管具有更高的栅源阈值，易于关断。同时，由于时间的限制和16 Ω开关管的不良经验以及空间的限制，16 Ω开关管方案的进一步验证被搁置，所以这个15 kΩ的电阻没有被加到印刷电路板上。

3.4    棒形线圈的耦合问题

在试验中，一种闪烁偶尔会在低输入电压下出现。若将棒形线圈换成EF16，这种闪烁现象就不会再出现了，所以这个问题和棒形线圈有关。进一步试验证明，这是次级绕组缠绕过松，导致棒形线圈的耦合系数较低造成的。为了解决这个问题，与线圈供应商进行了交涉，供应商已同意改进工艺，确保两级绕组的紧密绕制。

3.5    两个开关管的共通现象

两个开关管的共通现象引起了注意，如图4所示。

由图4可见，在电路启动的瞬间，两管同时有电流流过，不是所有驱动器都会出现这种现象，而且，前代电路也有相似现象。考虑到共通时间极短且能量有限，同时，所有的压力测试都没有出现失效，所以，没有采取进一步的措施。

4    结语

目前的测试表明，此驱动器能满足所有的安全、性能和可靠性要求，也符合大规模生产的规范。同时，也对暴露出来的问题进行了科学的探讨，提出了合适的建议和解决方案。需要指出的是，在测试中一定要特别注意一些异常现象，如电路锁住、共通等，进行仔细评估，必要时采取合适的措施予以解决。对元器件的选择也要严格按照它们的特点和供应商的要求进行，否则，不是出现安全性问题，就是出现可靠性问题。

这个电路是一种比较成熟的晶体管启动的半桥拓扑。实验证明，只要设计合理，无论环境温度高低，这种拓扑结构都不会出现启动问题;这种拓扑结构的可靠性也在数百万的电路生产中得到了验证。

当然，如果市场反应情况持续良好，下一步可以考虑采用更低成本的电路拓扑。

[参考文献]

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[2] 张肃文，陆兆熊.高频电子线路[M].3版.北京：高等教育出版社，1993.

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[5] 韩雪涛.电子元器件从入门到精通[M].北京：化学工业出版社，2019.

收稿日期：2020-03-06

作者简介：黄永高（1961—），男，江苏江阴人，硕士，工程师，研究方向：电子驱动器。