采用雙環(huán)反饋的大功率LED驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)

在同樣亮度下，LED 光源耗電量?jī)H為普通白熾燈的十分之一，而壽命卻可以延長(zhǎng)100 倍。但其壽命很大程度上決定于驅(qū)動(dòng)電源，因此一種可靠的、轉(zhuǎn)換效率高的、壽命長(zhǎng)的LED 驅(qū)動(dòng)電源對(duì)于LED 光源至關(guān)重要。

　　本文設(shè)計(jì)了一種LED 光源驅(qū)動(dòng)電路
，介紹了設(shè)計(jì)原理和方法，采用電壓和電流雙環(huán)反饋，能夠輸出恒定的電壓和電流，并且具有開(kāi)環(huán)保護(hù)負(fù)載的功能，能有效提高LED 光源的使用壽命。

　　1 TNY279 芯片介紹

　　本設(shè)計(jì)采用TNY279 電源芯片作為開(kāi)關(guān)電源的控制芯片，TNY279 電源芯片在一個(gè)器件上集成了一個(gè)700V 高壓MOSFET 開(kāi)關(guān)和一個(gè)電源控制器，與普通的PWM 控制器不同，它使用簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制方式來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。控制器包括一個(gè)振蕩器、使能電路、限流狀態(tài)調(diào)節(jié)器、5.8V 穩(wěn)壓器、欠電壓即過(guò)電壓電路、限流選擇電路、過(guò)熱保護(hù)、電流限流保護(hù)、前沿消隱電路。該芯片具有自動(dòng)重啟、自動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)周期導(dǎo)通時(shí)間及頻率抖動(dòng)等功能。

　　2 電路的工作原理分析

　　電源的核心部分采用反激式變換器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。整體設(shè)計(jì)電路圖如圖1。

　　2.1 輸入整流濾波電路

　　考慮到成本、體積等因素，改善諧波采用無(wú)源功率因數(shù)校正電路，主要是通過(guò)改善輸入整流濾波電容的導(dǎo)通角方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體方法是在交流進(jìn)線端和整流橋之間串聯(lián)電感，如圖1 所示C1、C2、L1、L2 組成一個(gè)π 型電磁干擾濾波器，并使用填谷電路填平電路，減小總諧波失真。填谷電路由D1、D2、、D3、C3、C4、R3 組成，限制50Hz 交流電流的3 次諧波和5 次諧波。

　　
圖1 電源整體設(shè)計(jì)電路

　　經(jīng)整流及濾波的直流輸入電壓被加到T1 的初級(jí)繞組上。U1(TNY279)中集成的MOSFET 驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)的另一側(cè)。二極管D4、C5、R6 組成鉗位電路，將漏極的漏感關(guān)斷電壓尖峰控制在安全值范圍以?xún)?nèi)。齊納二極管箝位及并聯(lián)RC 的結(jié)合使用不但優(yōu)化了EMI，而且更有效率。

　　2.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

　　TNY279 完全可以自供電的，但是使用偏置繞組，可以實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)，在反饋出現(xiàn)開(kāi)環(huán)故障時(shí)能夠保護(hù)負(fù)載，有效地減少對(duì)LED 光源的產(chǎn)生的損害，在本設(shè)計(jì)中采用偏置繞組，如圖1，同時(shí)可由更低的偏置電壓向芯片供電，抑制了內(nèi)部高壓電流源供電，在空載時(shí)功耗可降低到40MW 以下。Y 電容可降低電磁干擾。

　　2.3 反饋電路設(shè)計(jì)

　　次級(jí)采用恒流恒壓雙環(huán)控制。NCS1002 是一款恒流恒壓次級(jí)端控制器。如圖2 所示，它的內(nèi)部集成了一個(gè)2.5V 的基準(zhǔn)和兩個(gè)高精度的運(yùn)放。

　　電壓基準(zhǔn)和運(yùn)放1 是電壓控制環(huán)路的核心。運(yùn)放2 則是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)放，用于電流控制。在本設(shè)計(jì)中，電壓控制環(huán)路用于保證輸出電壓的穩(wěn)定，電流反饋控制環(huán)路檢測(cè)LED 平均電流，即電路中R17 上的電流，將其轉(zhuǎn)換成電壓和2.5V基準(zhǔn)比較，并將誤差反饋到TNY279 中來(lái)調(diào)整導(dǎo)通。

　　
圖2 NCS1002 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　具體的工作原理是：NCS1002 調(diào)節(jié)輸出的電壓值，當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)定電壓值時(shí)，電流流向光耦LED，從而下拉光耦中晶體管的電流。當(dāng)電流超過(guò)TNY279 的使能引腳的閾值電流時(shí)，將抑制下一個(gè)周期，當(dāng)下降的電壓小于反饋閾值時(shí)，會(huì)使能一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，通過(guò)調(diào)節(jié)使能周期的數(shù)量，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同樣，當(dāng)通過(guò)檢測(cè)到R16上的電流即輸出電流大于設(shè)定的值時(shí)，電流通過(guò)另一個(gè)二極管下拉光耦LED 中晶體管的電流，達(dá)到抑制TNY279 的下一個(gè)周期的目的，當(dāng)輸出電流小于設(shè)定電流時(shí)會(huì)使能一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，通過(guò)這樣的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，能使得輸出的電壓和電流都處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　當(dāng)反饋電路出現(xiàn)故障時(shí)，即在開(kāi)環(huán)故障時(shí)，偏置電壓超過(guò)D9 與旁路/多功能引腳電壓時(shí)，電流流向BP/M 引腳。當(dāng)此電流超過(guò)ISD(關(guān)斷電流)時(shí)TNY279 的內(nèi)部鎖存關(guān)斷電路將被激活，從而保護(hù)負(fù)載。由于使用了偏置繞組將電流送入BP/M引腳，抑制了內(nèi)部高電壓電流源，這樣的連接方式將265VAC 輸入時(shí)的空載功耗降低到40MW有效的降低功耗。

　　3 電路的參數(shù)

　　3.1 輸入輸出參數(shù)

　　輸入電壓(AC)： 85～265 V

　　頻率：50Hz

　　輸出電壓： 12V

　　輸出電流：1.67A

　　輸出功率：20W

　　3.2 變壓器參數(shù)計(jì)算

　　在最低電網(wǎng)電壓為85V 時(shí)，最小的直流輸入電壓V MIN ，可通過(guò)下式計(jì)算：

　式中，ACMIN ,PK V 是最小輸入電壓的峰值，W IN 是電容的放電能量，其中：

[!--empirenews.page--]放電能量IN W 等于需要的峰值輸出功率OPK P 和放電時(shí)間/ 2tLT的乘積：

　　式中， c t 為整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間，假設(shè)為3 ms，L T 為20 ms，η 為轉(zhuǎn)換效率。計(jì)算得IN V 大約為88 V。

　　在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，考慮到開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)范圍內(nèi)其磁通是不連續(xù)的。在最小輸入電壓時(shí)的最大占空比為 DMAX = 0.5。

　　初級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)R V 是通過(guò)初級(jí)線圈的次級(jí)電壓的感應(yīng)值，可以由下式計(jì)算：

　　VDS可以忽略，則VR=88V。

　　初級(jí)電流的最大峰值PKMAX I 和最大輸出功率POMAX 成正比：

　　可計(jì)算得IPKMAX =1.16A。

　　初級(jí)電感L1的計(jì)算。初級(jí)電感可以由回掃變壓器的能量方程確定：

　　開(kāi)關(guān)頻率大約132 kHz，所以計(jì)算得L1 = 891μH。

　　在不連續(xù)模式下，磁芯最大磁通密度通常受磁芯損耗的限制，為了使磁芯損耗保持在可接受的范圍內(nèi)，對(duì)于本設(shè)計(jì)采用EF25 的磁芯，選擇BMAX= 0.4 特斯拉來(lái)計(jì)算初級(jí)線圈的匝數(shù)N1。

　　式中， MIN A 是磁芯的最小橫截面積。對(duì)于EF25，AMIN = 52.5 mm2，N1 = 85。

　　同樣根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算得：

　　次級(jí)N2 = 8，采用兩個(gè)并聯(lián)繞組;偏置繞組N3 = 9，采用兩個(gè)并聯(lián)繞組。

　　3.3 變壓器的繞制

　　如圖3 所示是變壓的初級(jí)、次級(jí)和偏置繞組的繞制示意圖。

圖3

　　初級(jí)繞組以引腳2 作為起始引腳，繞85 圈(x1 線)，在2 層中從左向右。 在第1 層結(jié)束時(shí)，繼續(xù)從右向左繞下一層。在最后一層上，使繞組均勻分布在整個(gè)骨架上。 以引腳1 作為結(jié)束引腳，添加1 層膠帶以進(jìn)行絕緣。

　　偏置繞組以引腳4 作為起始引腳，繞9 圈(x 2線)。沿與初級(jí)繞組相同的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行繞制。使繞組均勻分布在整個(gè)骨架上。 以引腳3 作為結(jié)束引腳，添加3 層膠帶以進(jìn)行絕緣。

　　次級(jí)繞組以引腳7 作為起始引腳，繞8 圈(x 2線)。 使繞組均勻分布在整個(gè)骨架上。沿與初級(jí)繞組相同的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行繞制。以引腳6 作為結(jié)束引腳，添加2 層膠帶以進(jìn)行絕緣。

　　4 結(jié)論

　　設(shè)計(jì)了一種基于TNY279 的大功率LED驅(qū)動(dòng)電源電路，分析了其工作原理和設(shè)計(jì)方法，反饋環(huán)節(jié)采用恒壓恒流雙環(huán)的設(shè)計(jì)，保證輸出電壓和輸出電流的恒定，同時(shí)在開(kāi)環(huán)故障下能夠自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)負(fù)載，有效的減少了對(duì)LED 光源的損害，提高LED 的使用壽命。同時(shí)轉(zhuǎn)換效率也在83%以上，并滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)諧波含量的要求。經(jīng)驗(yàn)證電路能夠輸出預(yù)期的效果。