大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

摘要：為了驅(qū)動(dòng)高功率LED，設(shè)計(jì)了一種基于隔離反激式原理的恒流驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源。該設(shè)計(jì)主要包括反激式開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)、開關(guān)電源變壓器的選擇和設(shè)計(jì)、功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)的各種保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。綜合考慮EMI和散熱問題，對(duì)該電源進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計(jì)并完成了實(shí)物制作，對(duì)該電源進(jìn)行了輸出測(cè)試和功率因數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電源功率輸出穩(wěn)定，輸出電壓為41．8 V，電流為338 mA功率因數(shù)為0．86，并成功點(diǎn)亮了12個(gè)1 W的大功率LED。該設(shè)計(jì)對(duì)大功率LED的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：大功率LED；恒流驅(qū)動(dòng)電源；開關(guān)電源；功率因數(shù)校正

0 引言
    LED(Light Emitting Diode)是一種注入型電致發(fā)光半導(dǎo)體器件，作為21世紀(jì)最新發(fā)展的環(huán)保型光源，有著發(fā)光效率高、發(fā)光單色性好、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被譽(yù)為“第四代光源”，隨著大功率LED的研究和發(fā)展，發(fā)光效率超過100 lm／W的功率型LED已經(jīng)在照明行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，大功率LED的特性將日趨完善，但是也存在不少的缺點(diǎn)，其中燈具壽命與LED壽命的不匹配是一個(gè)較為嚴(yán)重的問題，一般LED具有很長(zhǎng)的壽命，利用LED設(shè)計(jì)的照明產(chǎn)品，其整體壽命取決于這個(gè)設(shè)計(jì)中壽命最短的部分，而一個(gè)LED燈壽命最短的就是驅(qū)動(dòng)電源，因此驅(qū)動(dòng)電源的好壞影響了LED燈具的應(yīng)用。
    LED的驅(qū)動(dòng)電源大多采用開關(guān)電源，比如正激式隔離開關(guān)電源、反激式隔離開關(guān)電源、推挽式開關(guān)電源、橋式和半橋式開關(guān)電源等。本文采用的是反激式隔離開關(guān)電源，通過合理的元件選擇、電路設(shè)計(jì)、補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，探索提高效率和合理的LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方法。

1 驅(qū)動(dòng)電源的電路設(shè)計(jì)
    該驅(qū)動(dòng)電源采用反激式隔離開關(guān)電源設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)350 mA的恒流輸出，可以驅(qū)動(dòng)12個(gè)1 W的大功率LED。電路整體設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)電路的工作原理及工作過程是當(dāng)110～265 V的交流電輸入電路之后經(jīng)過保險(xiǎn)絲F1和EMI濾波電路之后整流，其中的EMI電路由一個(gè)共模電感T1和兩個(gè)X2型電容CX1和CX2組成。在輸入端還有一個(gè)負(fù)溫度效應(yīng)的熱敏電阻RT1，這是為了防止浪涌電流對(duì)后面的器件造成損害，當(dāng)電源還沒有通電時(shí)，熱敏電阻的阻值很大，所以可以起到限制浪涌電流的作用；當(dāng)電路正常工作后，熱敏電阻由于有電流通過而發(fā)熱，導(dǎo)致電阻會(huì)變得很小，所以正常工作后，熱敏電阻的功率損耗是很小的。

    電流經(jīng)過整流橋?yàn)V波之后再經(jīng)過CBB電容C1濾波，然后經(jīng)過功率因數(shù)校正電路，使功率因數(shù)提高到0．85～0．90之間。之后電流經(jīng)過初級(jí)繞組、開關(guān)管Q1和采樣電阻R6和R7到地，這就是電源輸入端的主回路。通過控制主回路的電流實(shí)現(xiàn)恒流控制，具體的方法是通過采樣電阻將輸入端的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，反饋到PWM控制芯片的3號(hào)引腳調(diào)整芯片輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)。在主回路上，由于開關(guān)管在斷開的瞬
間初級(jí)繞組的能量無法瞬間釋放而產(chǎn)生很大的尖峰電壓，如果這部分電壓無法釋放將會(huì)造成開關(guān)管“打火”而燒毀，所以在初級(jí)繞組的兩端還要設(shè)計(jì)尖峰電壓吸收回路，這部分電路由肖特基二極管D4、電阻R4，R5和高壓瓷片電容C3組成。當(dāng)開關(guān)管斷開的時(shí)候，二極管D4導(dǎo)通，初級(jí)繞組和這部分電路形成了回路，從而實(shí)現(xiàn)尖峰電壓的吸收。
    電源實(shí)現(xiàn)恒流控制的核心是PWM控制芯片082532。電阻R1和R2給芯片提供啟動(dòng)電流。為了提高效率，該電源有一個(gè)輔助繞組給芯片供電，輔助繞組的輸出經(jīng)過整流二極管D5和濾波電容C4之后形成大約20 V的電壓給芯片供電。同時(shí)，這個(gè)繞組還起到另外一個(gè)關(guān)鍵的作用——電壓采樣，輸出電壓經(jīng)過R9和R10分壓之后反饋到芯片的4號(hào)引腳。為了使芯片能夠穩(wěn)定的穩(wěn)壓，在芯片的5號(hào)引腳和地之間串聯(lián)一個(gè)電容C8作為環(huán)路補(bǔ)償。芯片的2號(hào)端口是脈沖的輸出端，輸出端與場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極連接以控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止。輸入電壓經(jīng)過變壓器變壓之后，經(jīng)過超快速恢復(fù)二極管D6整流之后由電解電容C5濾波再輸出。在二極管D6上，并上電阻R11和電容C7，是由于二極管在電路工作時(shí)處在高頻的開關(guān)狀態(tài)，加上這部分電路可以避免二極管產(chǎn)生振蕩。
    該電源電路涉及的主要分電路的設(shè)計(jì)分述如下：
1．1 反激式開關(guān)電源
    隔離反激式電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型電路如圖2所示，當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器T一次繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，由于變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的同名端相反，所以此時(shí)次級(jí)繞組的整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量；當(dāng)開關(guān)管VT1截止時(shí)，變壓器初級(jí)繞組儲(chǔ)存的能量通過次級(jí)繞組和VD1整流和電容C1濾波后向負(fù)載輸出。因此，變壓器在這個(gè)電路中有兩個(gè)作用：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器儲(chǔ)存能量；開關(guān)管截止時(shí)，變壓器通過磁芯將能量傳遞給次級(jí)繞組，供給負(fù)載。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出功率一般在100 W以內(nèi)，且有較好的電壓調(diào)整率，如果需要精密控制輸出電流，可以在輸出回路串聯(lián)采樣電阻通過光耦反饋實(shí)現(xiàn)初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的隔離。

1．2 開關(guān)變壓器的選擇與設(shè)計(jì)
    變壓器的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心，反激式的開關(guān)變壓器在電路中起到兩個(gè)作用：儲(chǔ)能電感，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)繞組開始儲(chǔ)存能量；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，初級(jí)繞組儲(chǔ)存的能量通過磁芯傳遞給次級(jí)繞組。因此，該設(shè)計(jì)對(duì)于電感主要考慮兩個(gè)方面：一是初級(jí)繞組的電感量，這決定了電源的輸出功率，可通過改變繞組的線圈匝數(shù)改變電感量；二是各繞組之間的匝數(shù)比。在計(jì)算這兩個(gè)參數(shù)的同時(shí)，也涉及到電源的輸入功率、輸出功率、效率和開關(guān)頻率等問題。該設(shè)計(jì)的最大占空比為45％。效率預(yù)計(jì)為85％，輸出功率為40×0．35=14 W，開關(guān)頻率為60 kHz，經(jīng)過理論計(jì)算并考慮裕量，本設(shè)計(jì)初級(jí)繞組的電感取1．5 mH。根據(jù)測(cè)試，變壓器的磁芯系數(shù)為：88．7 μH，所以有初級(jí)繞組的匝數(shù)為130匝。
    該設(shè)計(jì)采用的是基于最大占空比的設(shè)計(jì)方法來確定變壓器匝數(shù)比，經(jīng)過理論計(jì)算當(dāng)電源加到負(fù)載的電壓40 V時(shí)，再考慮輸出二極管的壓降0．6 V，則變壓器的匝數(shù)比為0．45，這里計(jì)算出來的結(jié)果是匝數(shù)比N的最小值。根據(jù)電感量的要求，初級(jí)繞組已經(jīng)確定為130匝，則次級(jí)繞組的匝數(shù)為58．5匝。為了方便繞制，可將匝數(shù)取為60匝，匝數(shù)比N為0．46，對(duì)于反激式開關(guān)電源，最大占空比小于50％時(shí)，系統(tǒng)是固有穩(wěn)定的，不用增加補(bǔ)償電路。
1．3 功率因數(shù)校正電路
    由于LED驅(qū)動(dòng)電路中采用電感和電容等元件，引起相位漂移，所以功率因數(shù)比較低，一般不會(huì)超過0．6。提高功率因數(shù)不僅可以減少線路的損耗，還能減少電源產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，提高供電的質(zhì)量。該設(shè)計(jì)采用的“填谷電路”(又稱平衡半橋補(bǔ)償電路)就是無源校正電路中典型的一種，電路原理如圖3所示。

    該電路中的電容C1和C2采用10μF／400V的電解電容，兩電容參數(shù)相同，通過電容的充放電作用，能夠增加導(dǎo)通角，在正半周期可以將導(dǎo)通角擴(kuò)展到30°～150°，在負(fù)半周期可拓展到210°～330°。因此通過該電路可以將功率因數(shù)從0．6提高到0．85～0．9。

2 驅(qū)動(dòng)電源電路的PCB設(shè)計(jì)
    一個(gè)開關(guān)電源的工作性能與電路原理的設(shè)計(jì)、元件的使用有直接的關(guān)系，但是該電源是否能正常工作，PCB的設(shè)計(jì)也是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。在合理的原理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，作品最終的性能好壞取決于它的布線。不可避免的，PCB的走線會(huì)產(chǎn)生一系列的寄生參數(shù)，在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候要想辦法減小這些參數(shù)。同時(shí)，開關(guān)電源的一些器件會(huì)產(chǎn)生熱量，因此在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候也要考慮到散熱問題。
    EMI(電磁干擾)不僅會(huì)干擾無線電系統(tǒng)，還會(huì)造成其他設(shè)備故障。要減小EMI，首先要確定哪個(gè)位置可能會(huì)成為EMI源。對(duì)于一個(gè)開關(guān)電源，EMI源的中心就是場(chǎng)效應(yīng)管，因?yàn)樗幱诳焖俚膶?dǎo)通截止?fàn)顟B(tài)，因此存在尖的邊沿，含有高頻分量。如果高頻型號(hào)太強(qiáng)，可以在場(chǎng)效應(yīng)管的柵極串聯(lián)一個(gè)電阻，電阻一般在10～100 Ω的范圍。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通和截止時(shí)，這個(gè)電阻可以降低柵極充電的速度，使高速開關(guān)波形邊沿變陡，高頻諧波含量減小。該設(shè)計(jì)采用了一個(gè)100 Ω的貼片電阻串聯(lián)在場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和PWM芯片的脈沖輸出端之間。在PCB布局的時(shí)候，開關(guān)電流的路徑要盡量保持簡(jiǎn)短。另外，還要遠(yuǎn)離低頻的元件，比如采樣電阻。另一個(gè)會(huì)產(chǎn)生EMI的位置是尖峰電壓的吸收電路。在開關(guān)管斷開的瞬間，由于初級(jí)繞組的電流不能突變，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓。該設(shè)計(jì)對(duì)這部分電路的處理時(shí)盡可能地將這部分和其他EMI源靠近。如圖4所示，尖峰電壓吸收電路由D4，R4，R5，C3組成，R8和Q1的柵極之間就是開關(guān)電流的路徑，這部分的布局比較緊湊，就是為了減小EMI的影響。

    在本電源中，可能會(huì)產(chǎn)生較大熱量的是場(chǎng)效應(yīng)管、輸出端的整流二極管、尖峰電壓吸收電路。其中，場(chǎng)效應(yīng)管的熱量比較大，所以采用散熱片給它散熱。其他部分主要是通過大面積的覆銅來散熱。該設(shè)計(jì)采用貼片元件和插件元件結(jié)合的方式，主要是考慮到實(shí)際應(yīng)用中，要盡可能地減小電源的體積，通過貼片元件和插件結(jié)合的方式可以將體積縮小1／2以下，主要是因?yàn)轶w積最大的變壓器所在位置的底層可以焊接很多元件。同時(shí)，通過這種方式也給布線帶來很大的方便，得到的打印預(yù)覽圖如圖5所示。

3 結(jié)語
    本文給出了一種大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方案，該方案包括了涉及到的元器件選擇、總體電路設(shè)計(jì)、關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)、開關(guān)電源變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)、電源的PCB設(shè)計(jì)等。經(jīng)過實(shí)際電路運(yùn)行測(cè)試，本電源在通電之后輸出參數(shù)正常：輸出電壓為41．8 V，電流為338 mA，設(shè)計(jì)的要求是輸出電壓42 V，輸出電流(350±20)mA；在220 V輸入的情況下，電源的輸入電流是75．6 mA；功率因數(shù)為0．86，該驅(qū)動(dòng)電源正常驅(qū)動(dòng)了12個(gè)1 W的大功率LED燈，運(yùn)行穩(wěn)定，效率較高，為L(zhǎng)ED燈具的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可行的恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案。