一种低成本机控冰箱柜LED照明灯设计

2022-05-26何宝石

日用电器 2022年4期

刘涛何宝石

（长虹美菱股份有限公司合肥 230601）

引言

LED照明技术具有体积小、光效高、功耗低、稳定性好、可靠性高等优点[1]，其在电子式冰箱和冷柜当中应用非常广泛。LED照明技术的典型特征是其驱动电路必须是低压直流电源，对于机械式冰箱和冷柜而言，其无电脑板，无法提供低压直流电源，因而在机械式冰箱和冷柜上使用LED灯较为困难。如果通过增加电脑板实现LED照明不但需要较大空间存放，而且带来成本上升，产品性价比低，不推荐使用。为了实现体验感较好的LED照明，制造商通常使用成本较低的自整流LED灯去实现照明。

自整流LED灯的优势在于LED灯的输入电源仍为交流电源，通过LED灯的内部电路转换成低压电源再给灯珠供电。由于体积的限制，自整流LED灯一般通过阻容降压电路去实现电压转换[2]。阻容降压电路是非隔离的电源方案，需要使用较多的安规元器件才能满足安全标准要求；同时需要使用塑料罩壳封装做到安全隔离，适用于功率较低的灯珠照明。冰箱和冷柜的照明光通量一般最少40 lm，所以为了达到足够亮度，需要使用多颗灯珠才能满足冰箱和冷柜的照明需求。对于容积较大的冰箱和冷柜而言，自整流LED灯的光通量明显不足。图1为自整流LED灯应用电路方案。

为了节约电源成本，实现大功率、高亮度照明，满足不同容积冰箱和冷柜的照明需求，可以通过高压线性恒流驱动方案去开发设计LED照明灯。

图1 自整流LED灯应用电路方案

从图1 可以看出，该电源方案使用元器件数量和灯珠数量较多，加上封装的塑料罩壳、连接端子或者灯头，整灯成本较高，不利于成本要求高的机械式冰箱和冷柜推广使用，尤其是大容积的冰箱和冷柜。

1 高压线性恒流驱动方案介绍

高压线性恒流驱动方案是通过线性恒流驱动LED控制芯片搭载简易的外围电路实现灯珠的照明，其在家装室内照明和路灯照明方面应用日益普及。高压线性恒流驱动方案具有以下特点：

1）高功率因数和高效率，低谐波（PF≥0.98，η≥90 %，THD＜15 %）；

2）电路上无需增加安规电容或者电感，就可以满足EMC安规标准要求；

3）线性恒流驱动LED控制芯片外围电路简洁，使用元器件数量少，可以大幅降低电源成本；

4）芯片具有自动过温保护和过压保护，有效保障电源和整灯的寿命；

5）输出电流恒定，适用于驱动大功率灯珠，整灯光通量高；

6）可以直接使用市电交流高压电源进行供电，无需转换电源。

高压线性恒流驱动方案与传统的阻容降压方案相比，芯片外围安规元器件使用量更少，灯珠恒流源驱动，不会受到电压波动影响，可用少颗大功率灯珠即可做到高亮度照明。

2 基于高压线性恒流驱动方案的机控冰箱LED照明灯设计

2.1 机控冰箱LED照明灯电路设计

高压线性恒流驱动方案的照明设计可以同样应用到家电照明上，图2为机控冰箱LED照明灯设计原理图，该LED灯使用了一颗线性恒流驱动LED控制芯片ME8608，该芯片是一款单通道恒流驱动LED控制芯片，集成启动电路与480 V高压MOS管，输出电流可以由外接电阻RSET精确确定，图3为芯片ME8608功能示意图。

图2 机控冰箱LED照明灯设计原理图

图3 ME8608芯片功能示意图

在外围电路的元器件选型上，电解电容C1能降低芯片输入电压的纹波达到稳定的电压，C1值越大，纹波越小，芯片OUT端口的电压纹波也越小，一般取值范围为（4.7～22）uF，本设计中取值4.7 uF。R5为系统放电电阻，可有效避免灯珠熄灭再点亮时的余辉现象，一般取值510 KΩ～1 MΩ，本设计中取值1 MΩ。在芯片的RSET口并联电阻R3和R4，用来调节输出电流的大小。在灯板供电输入端，增加大功率电阻R1、R2和压敏电阻VR1，削弱高压和浪涌电流对电路的影响；D1为桥式整流器件。在芯片的OUT口串联了电阻R6，缓冲电压的波动，保护芯片。

该LED灯使用了3颗2835灯珠，色温选取值范围（6 000～7 000）K，整灯光通量达到150 lm以上，相比于阻容降压式的自整流LED灯而言光通量明显提升。造型上，可以做成块状灯板结构，尺寸尽量小，和外部电源采用连接器端子进行接插。

机控冰箱LED照明灯关键电气参数见表1。

表1 机控冰箱LED照明灯关键电气参数

2.2 机控冰箱LED照明灯结构装配设计

市场上机控冰箱档次定位较低，在低价位的基础上为了获得高性价比，必须尽量做到成本最低，因此在产品升级上就要做到结构件更改设计的投入最少。冰箱LED照明灯可以设计成块状灯板结构，组装在温控盒内，温控盒除了预留出灯板的空间以外，在温控盒的基座上可以预留出三个灯珠孔。灯罩采用磨砂式设计，增加光线照射的均匀性，弱化灯珠颗数，照明更加柔和。

冰箱内衬属于整体吸塑成型，LED灯的PCB布线层朝向内衬，内衬阻燃等级做不到5 VA。根据安规标准要求，LED灯是强电高压输入的带电零部件，在装配上，LED灯需被达到5 VA阻燃等级的结构件包裹起来，只允许接器接插部位外露。所以在设计上可通过在灯板的布线侧增加一个温控盒盖，阻燃等级为5 VA，厚度要求2 mm以上，这样就将LED灯布线层和冰箱内衬进行隔离，从而满足安全标准要求。

图4为机控冰箱LED照明灯结构装配示意图。

图4 机控冰箱LED照明灯结构装配示意图

3 基于高压线性恒流驱动方案的冷柜LED照明灯设计

3.1 冷柜LED照明灯电路设计

冷柜和冰箱照明上最大的不同在于冷柜的照明灯是安装在门体上的，且冷柜没有独立的灯开关去控制照明灯。因此，冷柜LED照明灯在设计上需要增加一颗滚珠开关。

滚珠开关工作原理如图5（a）所示，其金色接脚端为导通触发端，银色接脚端为关闭开路端，当冷柜门体打开到10 °以上时，滚珠开关受到外力作用，金色接脚端低于水平达到适当角度时导电接脚处于持续导通状态；而当冷柜门体恢复到10 °以下至关闭状态，滚珠开关则恢复到开路状态，图5（b）为滚珠开关封装图。

图5 滚珠开关工作原理其封装

利用滚珠开关的工作特性，设计出冷柜LED灯电路原理图，如图6所示。其在线性恒流驱动LED控制芯片ME8608的输出端增加了滚珠开关SW1、三极管Q1，二者一起与灯珠串联，这样整个线路在驱动灯珠照明的同时实现了灯珠电路的通断，满足冰柜使用需求。

图6 冷柜LED灯设计原理图

考虑到光线的均匀性，该灯板使用了6颗灯珠，灯珠参数与冰箱LED灯相同，整灯光通量达到200 lm以上。造型上可以设计成长条形灯板结构，使用连接器直接连接电源。相比于传统自整流LED灯而言，该灯板外围电路简洁，无需重锤式灯座，装配简便，无论从装配效率、照明效果还是材料成本上都更优。

冷柜LED照明灯关键电气参数见表2。

表2 冷柜LED照明灯关键电气参数

3.2 冷柜LED照明灯结构装配设计

冷柜LED照明灯是装在冷柜门体上的，其与冰箱装配类似，灯板和门体内衬之间需增加一个灯盒，灯盒的材质是HIPS，阻燃等级是5 VA，灯盒预留出卡扣，固定灯板。灯罩同冰箱LED灯灯罩一样，采用磨砂式设计。同时为了满足安规标准要求，灯罩在装配上可以采取一侧螺钉固定，一侧卡扣固定，提高装配效率。图7为冷柜LED照明灯结构装配示意图。