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

LED開(kāi)關(guān)電源概述

LED開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)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(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)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(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。

LED開(kāi)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(kāi)關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動(dòng)電路中有少量應(yīng)用，GTR驅(qū)動(dòng)困難，開(kāi)關(guān)頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。

1、開(kāi)關(guān)是：電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)而不是線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源輸出的是直流而不是交流

LED開(kāi)關(guān)電源是有電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)管而進(jìn)行高速的道通和截止。是將直流電轉(zhuǎn)化成高頻交流電來(lái)給變換器進(jìn)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(kāi)關(guān)電源變壓器可以做到體積很小，在開(kāi)關(guān)電源工作的時(shí)候不會(huì)很熱，產(chǎn)品價(jià)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(kāi)關(guān)電源就沒(méi)有任何意義。開(kāi)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(kāi)關(guān)電源變換器，而不隔離的未必一定有開(kāi)關(guān)電源變換器。開(kāi)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(diǎn)。

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

2、LED開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是體積和價(jià)錢(qián)。

3、LED電源：首先要求一定要恒流；其次低溫低熱長(zhǎng)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(yán)重，輸出直流即便是加電感和大電容濾波，波形都很復(fù)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(shí)際上多是由開(kāi)關(guān)電源電路+反饋電路這樣的形式構(gòu)成，反饋電路從負(fù)載處取樣后對(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行脈沖的占空比調(diào)整或頻率調(diào)整，以達(dá)到控制開(kāi)關(guān)電路輸出的目的。

5、LED開(kāi)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(kāi)關(guān)電源，最大的特點(diǎn)恒壓恒流輸出。

在本方案中，我們所設(shè)計(jì)的這一適用于節(jié)能燈的高頻恒流LED開(kāi)關(guān)電源方案，其核心以UC3842為控制部件，完成后的開(kāi)關(guān)電源控制電路是一個(gè)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(jì)的變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，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(kāi)關(guān)電源的主要的功能模塊包括啟動(dòng)電路、過(guò)流過(guò)壓欠壓保護(hù)電路、反饋電路、整流電路。以下對(duì)各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析。該電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖如下圖圖1所示。

圖1 LED開(kāi)關(guān)電源電路原理圖

首先我們來(lái)看一下這一節(jié)能燈適用的LED開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)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(jìn)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(duì)電磁干擾由很強(qiáng)的衰減旁路作用。

經(jīng)過(guò)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(huì)變成310V的脈動(dòng)直流電壓。這一脈動(dòng)直流電壓經(jīng)R1降壓后能夠給C8充電，當(dāng)C8的電壓達(dá)到UC3842的啟動(dòng)電壓門(mén)檻值時(shí)，UC3842開(kāi)始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由腳6輸出推動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作。

隨著控制芯片UC3842的啟動(dòng)，R1的工作也就基本結(jié)束了，余下的任務(wù)將會(huì)交給反饋繞組來(lái)完成，此時(shí)反饋繞組將會(huì)產(chǎn)生電壓給UC3842供電。由于輸入電壓超過(guò)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(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)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(hù)電路，以此保障開(kāi)關(guān)電源的正常驅(qū)動(dòng)工作。在本方案中，我們所設(shè)計(jì)的保護(hù)措施主要有短路過(guò)流、過(guò)壓以及欠壓保護(hù)三個(gè)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(kāi)關(guān)電源運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了輸出端短路而產(chǎn)生過(guò)流的情況，此時(shí)開(kāi)關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，而R9兩端的電壓將會(huì)快速上升，UC3842的腳3上的電壓也上升。如果當(dāng)該腳的電壓超過(guò)正常值0.3V達(dá)到1V（即電流超過(guò)1.5A）時(shí)，UC3842的PWM比較器將輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這時(shí)UC3842的腳6無(wú)輸出，MOS管S1截止，從而對(duì)電路起到一個(gè)保護(hù)作用。

接下來(lái)再來(lái)看一下本方案中的過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)思路。在我們所設(shè)計(jì)的恒流驅(qū)動(dòng)LED開(kāi)關(guān)電源方案中，如果供電電壓發(fā)生過(guò)壓，此時(shí)控制器UC3842將無(wú)法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級(jí)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(dāng)下降到lV以下時(shí)，則PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。

如果人為意外地將輸出端短路，這時(shí)輸出電流將成倍增大，使得自動(dòng)恢復(fù)開(kāi)關(guān)RF內(nèi)部的熱量激增，它立即斷開(kāi)電路，起到過(guò)壓保護(hù)作用。一旦故障排除，自動(dòng)恢復(fù)開(kāi)關(guān)RF在5s之內(nèi)快速恢復(fù)阻抗。因此，此電路具有短路過(guò)流、過(guò)壓、欠壓三重保護(hù)。

在本方案中，我們所設(shè)計(jì)的高頻恒流驅(qū)動(dòng)LED開(kāi)關(guān)電源，其反饋電路在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用精密穩(wěn)壓源TL431、放大器AD8022和線(xiàn)性光耦PC817來(lái)構(gòu)成。在這一反饋電路的設(shè)計(jì)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(guò)線(xiàn)性光耦對(duì)輸出進(jìn)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(dòng)LED開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)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(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓VR7也隨之升高。在這一電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)定電壓大于基準(zhǔn)電壓2.5V時(shí)，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(dòng)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(dāng)輸出電壓下降并引起設(shè)置電壓下降時(shí)，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(dòng)三極管的輸出電壓升高，最終使得控制器UC3842的腳1的補(bǔ)償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對(duì)PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計(jì)算的：先固定R7的阻值，再計(jì)算R8的阻值，即有公式為：

在我們所設(shè)計(jì)的這一反饋電路中，AD8022電路通過(guò)調(diào)節(jié)誤差放大器的增益來(lái)改變誤差放大器的輸出，并以此來(lái)改變開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅具有外接元器件較少的特點(diǎn)，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(fù)載發(fā)生較大的變化時(shí)，輸出電壓基本上沒(méi)有變化。

在這一LED開(kāi)關(guān)電源方案中，輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)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?cè)陔娫摧斎攵思与娙軨5，以濾除輸入電源的噪聲干擾。對(duì)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(guò)以上合理設(shè)置能夠有效濾除高頻噪聲。同時(shí)，在本方案中我們還選擇采用快速恢復(fù)二極管D6、D7整流?；诘蛪?、功耗低、大電流的特點(diǎn)，有利于提高電源的效率，其反向恢復(fù)時(shí)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(jì)過(guò)程中，我們同樣需要解決二極管尖峰電壓的問(wèn)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(xiàng)目中得到了應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了該方法，驗(yàn)證了該方法的有效性。

圖2并聯(lián)整流二極管電路圖