楊家志,易勝利,蔣存波,楊 斐,鐘亞洲,楊 帆
(1.桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.河南電力公司信陽供電公司,河南 信陽464100)
YANGJiazhi1* ,YI Shengli1,JIANGCunbo1,YANGFei1,ZHONGYazhou1,YANGFan2
(1.College of Information Science and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi541004,China;2.Henan Xinyang Power Supply Company,Xinyang He’nan 464100,China)
LED相對于傳統(tǒng)光源而言具有發(fā)光效率高、控制方便、壽命長、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點,逐步在照明、信號指示、醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表等方面替代傳統(tǒng)照明方式,并隨著LED制造技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步,其應(yīng)用范圍和應(yīng)用水平將進(jìn)一步擴大和提高[1-3]。
LED的穩(wěn)定和高效率工作依賴于其驅(qū)動電源的驅(qū)動方式及效率。LED的驅(qū)動方式主要有恒壓式和恒流式2種,其中恒流式能夠較為精確的控制LED亮度,對LED的串接個數(shù)要求較低,并且能夠讓LED更加安全的工作,因而恒流驅(qū)動是當(dāng)前流行的驅(qū)動方式[4-5]。另外在100 W 以下的開關(guān)電源中,反激式開關(guān)電源所需元件數(shù)量最少,電路簡單,成本較低,因而在這一級別的電源中,常常采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。
因而,本文設(shè)計了一種反激式恒流LED驅(qū)動電源,其核心元件為美國Power Integration公司生產(chǎn)的TOPSwitch-Ⅱ系列芯片中的TOP222,集成了PWM輸出,MOSFET及其驅(qū)動,提供了一種單芯片的解決方案,大大簡化了電路設(shè)計,降低了成本[7]。
反激式開關(guān)在100 W以下的開關(guān)電源領(lǐng)域占有較大的市場份額,其電路原理示意圖如圖1所示。反激式開關(guān)的主要由整流電路,濾波電路,變壓器及原邊吸收電路,主開關(guān)及其驅(qū)動電路,輸出整流濾波電路,電壓或電流反饋回路等組成。
反激式開關(guān)電源的工作模式迥異于其他開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在主開關(guān)導(dǎo)通時,變壓器原邊電流增加,此時副邊并不輸出能量,變壓器存儲能量;而當(dāng)主開關(guān)截止時,原邊截止,變壓器存儲的能量通過副邊釋放到負(fù)載上。輸出電壓或電流的調(diào)整通過反饋回路調(diào)整主開關(guān)的占空比實現(xiàn)。
圖1 反激式開關(guān)電源工作原理示意圖
反激式開關(guān)電源的設(shè)計中,變壓器和反饋回路的設(shè)計是關(guān)鍵所在,關(guān)系到開關(guān)電源的效率和輸出穩(wěn)定性。
TOPSwitch-Ⅱ系列離線單片式開關(guān)電源芯片是美國Power Integration公司生產(chǎn)的開關(guān)電源專用芯片,其集成了振蕩器、PWM比較器、邏輯電路、高壓MOSFET功率管及保護(hù)電路。TOPSwitch-Ⅱ芯片內(nèi)部功能模塊見圖 2[8]。
圖2 TOPSwitch-Ⅱ芯片內(nèi)部功能模塊圖
TOPSwitch-Ⅱ芯片有3個管腳,其中,漏極連接內(nèi)部MOSFET的漏極,在啟動時,通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流源提供內(nèi)部偏置電流;源極連接內(nèi)部MOSFET的源極,是初級電路的公共點和基準(zhǔn)點;控制極是誤差放大電路和反饋電流的輸入端,在正常工作時,由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流,系統(tǒng)關(guān)閉時,可激發(fā)輸入電流,同時也是提供旁路、自動重啟和補償功能的電容連接點。
鑒于TOPSwitch-Ⅱ系列芯片具有集成度高、功能完備、電路簡單等優(yōu)點,本文根據(jù)輸出功率和輸入電源情況選用TOP222作為主控芯片,并采用恒流式反饋電路,設(shè)計了一種輸出電流為1 A,額定功率為10 W的反激式恒流電源。該電源的原理圖見圖3。
圖3 基于TOPSwitch的反激式恒流電源原理圖
該反激式恒流式開關(guān)電源由整流濾波電路,變壓器及原邊吸收電路,主控芯片及輔助電路,恒流輸出電路,恒流反饋電路等組成。
整流濾波電路由共模電感L1,整流橋BR1和電容C1、C2組成,其中C1和L1主要過濾來自電網(wǎng)的共模干擾,市電經(jīng)BR1整流后形成310 V左右的直流,C2為后級電路存儲能量。
變壓器是反激式開關(guān)電源設(shè)計的難點和重點之一,其設(shè)計的好壞關(guān)系到開關(guān)電源的工作效率和穩(wěn)定性。關(guān)于本文所涉及的反擊恒流式開關(guān)電源變壓器設(shè)計將在下一節(jié)詳細(xì)敘述。瞬態(tài)抑制二極管VR1和快恢復(fù)二極管D1組成變壓器T1原邊的吸收電路,在主開關(guān)U1截止時能夠把變壓器原邊線圈兩端的電壓箝位到200 V左右的一個固定值,這個固定值加上C2兩端的電壓即為施加在U1漏極與源極間的電壓,防止U1漏極與源極電壓過高而擊穿。
主控芯片為TOP222,采用TO220封裝,共3根引腳,分別為控制極、漏極和源極。其所需外圍芯片極為簡單,在控制極需要連接一個電容C4為控制極提供偏置電壓,并為芯片內(nèi)部的控制和驅(qū)動電路供電。
恒流輸出電路較為簡單,快恢復(fù)二極管D3保證在U1導(dǎo)通時變壓器T1副邊繞組電流為零,變壓器存儲能量,U1截止時D3導(dǎo)通,變壓器能量通過C6、L2、C8濾波后輸出。
恒流反饋電路把輸出電路的電流以電壓的形式負(fù)反饋到U1的控制極,U1通過調(diào)整開關(guān)工作的占空比改變輸出回路的輸出電壓從而保證輸出電流恒定。且反饋回路與前級電路通過光耦隔離。恒流反饋電路將在2.4節(jié)詳細(xì)敘述。
所設(shè)計的開關(guān)電源的初始工作條件和預(yù)設(shè)輸出參數(shù)見表1。
表1 反激式開關(guān)電源的初始工作條件和預(yù)設(shè)輸出參數(shù)
在設(shè)計反激式開關(guān)電源變壓器時,可先由式(1)確定變壓器原邊與副邊繞組匝數(shù)之比。
其中,NP為原邊繞組匝數(shù),NS為副邊繞組匝數(shù),VMIN為輸入交流最小電壓,VDS為主開關(guān)導(dǎo)通時漏極源極壓降,TOPSwitch-Ⅱ系列為10 V,VO為輸出電壓,VD為輸出繞組整流二極管正向壓降,為0.4 V,DMAX為主開關(guān)占空比最大值,一般小于0.64。
變壓器反饋繞組匝數(shù)由式(2)確定。
其中,NB為反饋繞組匝數(shù),VB為反饋繞組輸出電壓,采用光耦反饋電路的VB一般取12 V,VBD為反饋繞組整流二極管正向壓降,為0.7 V。
由能量守恒原理可知變壓器原邊峰值電流:
其中,KRP為電流紋波系數(shù),其值為紋波電流與峰值電流之比,大小在 0.4 ~1.0 之間,可取0.6。
變壓器原邊繞組電感量為:
原邊電感LP的單位為μH。其中,Z為損耗分配因數(shù),一般取0.5。其他量見表1。
接下來可根據(jù)電源輸出功率PO的大小選擇合適的磁芯,芯片廠商在設(shè)計文檔里已經(jīng)給出了輸出功率與可選磁芯的關(guān)系表格。一旦選定了磁芯,就可確定磁芯有效磁通面積AE,磁芯有效磁路長度LE,磁芯在不留間隙時與匝數(shù)相關(guān)的等效電感AL,繞線骨架的寬度WB。
副邊繞組匝數(shù)NS可根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定,比如輸入電壓為230 VAC時,
一旦確定了NS,可根據(jù)式(1)和式(2)計算得到NP和NB的大小。
為了防止磁芯飽和,應(yīng)該在磁芯間增加氣隙,氣隙長度為:
其中μr由下式確定:
根據(jù)表1給出的初始工作參數(shù)和上述公式,最終計算得到的變壓器各項參數(shù)見表2。
表2 反激式開關(guān)電源變壓器參數(shù)
根據(jù)上述參數(shù)繞制變壓器,采用“三明治”繞法,原邊繞組分為兩組,第1組繞完后再繞副邊繞組和輔助繞組,最后繞原邊繞組的第2組。這樣能夠有效地降低變壓器漏感。
恒流反饋回路的電路原理圖見圖4。根據(jù)輸出連接的負(fù)載情況,當(dāng)輸出電流小于額定電流時(例如當(dāng)輸出僅連接1串1 W的LED時,其輸出電流大約在350 mA),電路工作恒壓模式;當(dāng)電流逐漸增大到額定電流后,該電路工作在恒流模式。
圖4 恒流反饋回路電路原理圖
當(dāng)該電路工作在恒壓模式下時,輸出電流小于額定電流1 A,此時在R6兩端產(chǎn)生的電壓降小于0.68 V(R6=0.68 Ω),Q2截止,R5兩端的壓降為0,Q1也截止,此時輸出電壓由穩(wěn)壓二極管D4,R2兩端的電壓和U2內(nèi)部發(fā)光二極管正向壓降決定:
VR2由下式確定:
其中,IC為TOP222控制極輸出電流,通過其數(shù)據(jù)手冊可知,IC的平均值為4.5 mA,CTR為光耦的電流傳輸率,根據(jù)選用的光耦手冊,其典型 CTR為120%。由此可計算出VR2=0.15 V(R2=39Ω)。
另外光耦內(nèi)部發(fā)光二極管導(dǎo)通時正向壓降的典型值為1.2 V,選用穩(wěn)壓值為8.2 V的穩(wěn)壓二極管,此時輸出電壓為9.55 V。
當(dāng)該電路工作在恒流模式時,R6兩端的電壓降使Q2導(dǎo)通,R5兩端的電壓降使Q1導(dǎo)通,U2內(nèi)部發(fā)光二極管正向電流經(jīng)由R3、Q1、R2到地。此時輸出電流IO有下式確定:
由上式可知輸出電流IO約為1 A。
根據(jù)上述內(nèi)容,本文設(shè)計了基于TOP222的反激式恒流開關(guān)電源,其PCB見圖5。
同時,根據(jù)恒流式開關(guān)電源的工作原理,繞制變壓器,并合理選擇相關(guān)元件的參數(shù),制作出了該開關(guān)電源,其實物圖見圖6。
圖5 基于TOP222的反激式恒流開關(guān)電源PCB
圖6 基于TOP222的反激式恒流開關(guān)電源實物圖
在電源的輸出端接入220 V交流電,輸出端接上可變電阻作為負(fù)載。改變負(fù)載電阻值,在電源恒壓階段,輸出電流每改變0.1 A,測量一次輸出電壓值;在電源恒流階段,輸出電壓每改變1 V,測量一次輸出電壓值。其結(jié)果見圖7。
圖7 基于TOP222的反激式恒流開關(guān)電源測試結(jié)果
由圖7可見,該開關(guān)電源具有較好的工作穩(wěn)定性和恒流效果。能夠在輸出端接上數(shù)串LED,若其中一串LED發(fā)生故障,并不會影響其他串LED的正常工作。因而,此反激式恒流開關(guān)電源適合作為LED驅(qū)動電源,在提供穩(wěn)定可靠驅(qū)動的同時,具有較高的工作效率。
本文基于TOP222設(shè)計了一款反激式恒流LED驅(qū)動電源。首先介紹了反激式開關(guān)電源的工作原理,接下來論述了反激式恒流開關(guān)電源的變壓器設(shè)計方法及流程,恒流反饋電路工作原理,最后設(shè)計出開關(guān)電源PCB,并制造了電源實物。實驗結(jié)果表明,該驅(qū)動電源具有較好的工作穩(wěn)定性和恒流效果,能夠勝任作為LED驅(qū)動電源這一角色。
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