一文看懂節(jié)能燈適用的高頻恒流LED開關(guān)電源設(shè)計

LED開關(guān)電源概述

LED開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

LED開關(guān)電源中應(yīng)用的電子器件主要為：LED二極管、IGBT和MOSFET。SCR在開關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應(yīng)用，GTR驅(qū)動困難，開關(guān)頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。

1、開關(guān)是：電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)

2、高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

3、直流：開關(guān)電源輸出的是直流而不是交流

LED開關(guān)電源是有電路來控制開關(guān)管而進行高速的道通和截止。是將直流電轉(zhuǎn)化成高頻交流電來給變換器進行變壓，使其產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓！轉(zhuǎn)化為高頻交流電的道理是高頻交流在變壓器電路中的效率要比市電50Hz或60Hz高。因此開關(guān)電源變壓器可以做到體積很小，在開關(guān)電源工作的時候不會很熱，產(chǎn)品價格比工頻直流穩(wěn)壓電源低．如果不將50Hz或60Hz變?yōu)楦哳l電，那么開關(guān)電源就沒有任何意義。開關(guān)電源大體可以分為隔離和不隔離這兩種，是隔離型的一定有開關(guān)電源變換器，而不隔離的未必一定有開關(guān)電源變換器。開關(guān)電源與傳統(tǒng)直流電源相比具有體積小、重量輕、和效率高等優(yōu)點。

1、最明顯的區(qū)別：LED電源是恒流源，一般開關(guān)電源是恒壓源。

2、LED開關(guān)電源的設(shè)計難點是體積和價錢。

3、LED電源：首先要求一定要恒流；其次低溫低熱長壽命；然后小體積；再次防水防腐防靜電；最后高頻污染。普通電源和低品質(zhì)LED電源高頻污染嚴重，輸出直流即便是加電感和大電容濾波，波形都很復雜。差的電源，電源本身可能不壞，但是LED壽命和光衰都大大降低。

4、LED電源電路實際上多是由開關(guān)電源電路+反饋電路這樣的形式構(gòu)成，反饋電路從負載處取樣后對開關(guān)電路進行脈沖的占空比調(diào)整或頻率調(diào)整，以達到控制開關(guān)電路輸出的目的。

5、LED開關(guān)電源是不需要整流器。

6、LED電源是指給LED照明供電用的電源，多是開關(guān)電源，最大的特點恒壓恒流輸出。

在本方案中，我們所設(shè)計的這一適用于節(jié)能燈的高頻恒流LED開關(guān)電源方案，其核心以UC3842為控制部件，完成后的開關(guān)電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這一電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，我們所設(shè)計的變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。

這一LED開關(guān)電源的主要的功能模塊包括啟動電路、過流過壓欠壓保護電路、反饋電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。該電路系統(tǒng)的設(shè)計原理圖如下圖圖1所示。

圖1 LED開關(guān)電源電路原理圖

首先我們來看一下這一節(jié)能燈適用的LED開關(guān)電源啟動電路的設(shè)計方案。如上圖圖1所示，在這一電路系統(tǒng)中，交流電由C16、L1、C15以及C14、C13進行低通濾波，其中，C16、C15組成抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲。而C14、C13、L1組成抗共模干擾電路，其主要功能是抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對電磁干擾由很強的衰減旁路作用。

經(jīng)過低通濾波和共態(tài)噪聲干擾抑制后的交流電壓，經(jīng)D1～D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后，將會變成310V的脈動直流電壓。這一脈動直流電壓經(jīng)R1降壓后能夠給C8充電，當C8的電壓達到UC3842的啟動電壓門檻值時，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由腳6輸出推動開關(guān)管工作。

隨著控制芯片UC3842的啟動，R1的工作也就基本結(jié)束了，余下的任務(wù)將會交給反饋繞組來完成，此時反饋繞組將會產(chǎn)生電壓給UC3842供電。由于輸入電壓超過了UC3842的工作，為了避免意外，用D10穩(wěn)壓管限定UC3842的輸入電壓，否則將出現(xiàn)UC3842被損壞的情況。

LED開關(guān)電源的電路設(shè)計中，工程師需要綜合權(quán)衡可能遇到的突發(fā)情況，并合理設(shè)置相應(yīng)的保護電路，以此保障開關(guān)電源的正常驅(qū)動工作。在本方案中，我們所設(shè)計的保護措施主要有短路過流、過壓以及欠壓保護三個方面。

如上圖圖1所示，如果在這一節(jié)能燈適用的高頻恒流LED開關(guān)電源運行過程中出現(xiàn)了輸出端短路而產(chǎn)生過流的情況，此時開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，而R9兩端的電壓將會快速上升，UC3842的腳3上的電壓也上升。如果當該腳的電壓超過正常值0.3V達到1V（即電流超過1.5A）時，UC3842的PWM比較器將輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關(guān)閉輸出。這時UC3842的腳6無輸出，MOS管S1截止，從而對電路起到一個保護作用。

接下來再來看一下本方案中的過壓保護電路設(shè)計思路。在我們所設(shè)計的恒流驅(qū)動LED開關(guān)電源方案中，如果供電電壓發(fā)生過壓，此時控制器UC3842將無法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，UC3842的腳7供電電壓也急劇上升，其腳2的電壓也上升，關(guān)閉輸出。如果電網(wǎng)的電壓低于85V，UC3842的腳1電壓也下降，當下降到lV以下時，則PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關(guān)閉輸出。

如果人為意外地將輸出端短路，這時輸出電流將成倍增大，使得自動恢復開關(guān)RF內(nèi)部的熱量激增，它立即斷開電路，起到過壓保護作用。一旦故障排除，自動恢復開關(guān)RF在5s之內(nèi)快速恢復阻抗。因此，此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護。

在本方案中，我們所設(shè)計的高頻恒流驅(qū)動LED開關(guān)電源，其反饋電路在設(shè)計時主要采用精密穩(wěn)壓源TL431、放大器AD8022和線性光耦PC817來構(gòu)成。在這一反饋電路的設(shè)計中，我們主要利用TL43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器和電流放大器AD8022，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。如圖1所示，R4、R5是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和TL431一并組成外部誤差放大器。

在這一恒流驅(qū)動LED開關(guān)電源的電路設(shè)計中，反饋電路的設(shè)置也是非常重要的，直接關(guān)系到功耗的大小和穩(wěn)壓效果。當輸出電壓升高時，取樣電壓VR7也隨之升高。在這一電路系統(tǒng)的設(shè)計中，我們設(shè)定電壓大于基準電壓2.5V時，使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定。

相反的，當輸出電壓下降并引起設(shè)置電壓下降時，一旦輸出電壓低于設(shè)置電壓，則誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動三極管的輸出電壓升高，最終使得控制器UC3842的腳1的補償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對PWM比較器進行調(diào)節(jié)，改變占空比，達到穩(wěn)壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計算的：先固定R7的阻值，再計算R8的阻值，即有公式為：

在我們所設(shè)計的這一反饋電路中，AD8022電路通過調(diào)節(jié)誤差放大器的增益來改變誤差放大器的輸出，并以此來改變開關(guān)信號的占空比。這種拓撲結(jié)構(gòu)不僅具有外接元器件較少的特點，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調(diào)穩(wěn)壓管，使得輸出電壓在負載發(fā)生較大的變化時，輸出電壓基本上沒有變化。

在這一LED開關(guān)電源方案中，輸出整流濾波電路設(shè)計的合理與否將直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。在本方案中，我們在電源輸入端加電容C5，以濾除輸入電源的噪聲干擾。對于高頻噪聲，我們所提出的解決方案是在輸出端采用π型濾波的方式。濾波電感采用150μH的電感，通過以上合理設(shè)置能夠有效濾除高頻噪聲。同時，在本方案中我們還選擇采用快速恢復二極管D6、D7整流。基于低壓、功耗低、大電流的特點，有利于提高電源的效率，其反向恢復時間短，有利于減少高頻噪聲。

在本方案的整流電路系統(tǒng)設(shè)計過程中，我們同樣需要解決二極管尖峰電壓的問題。在本方案中，我們提出了一種新的解決辦法，即整流二極管并聯(lián)，其具體的電路圖如圖2所示。這種方法在大功率全橋移相DC/DC電源變換器的項目中得到了應(yīng)用，實驗波形驗證了該方法，驗證了該方法的有效性。

圖2并聯(lián)整流二極管電路圖