付賢松 ，李洪超 ，2，牛萍娟 ，李圓圓 ，2，郭娜娜 ，2

（1.天津工業(yè)大學大功率半導體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研發(fā)中心，天津 300387；2.天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387）

基于IW1810的LED開關(guān)電源設(shè)計

付賢松1，李洪超1，2，牛萍娟1，李圓圓1，2，郭娜娜1，2

（1.天津工業(yè)大學大功率半導體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研發(fā)中心，天津 300387；2.天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387）

基于IW1810設(shè)計了一款功率為6 W的LED開關(guān)電源.電源采用數(shù)控技術(shù)，利用一次側(cè)反饋，并在準諧振模式下操作，簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了穩(wěn)定性；電源采用多模式的PWM/PFM控制，大大提高了輕負載的效率和總平均效率.測試結(jié)果表明：輸入電壓范圍為85～265 VAC時，電源能驅(qū)動6顆LED正常發(fā)光，工作穩(wěn)定，滿足輸出電壓17 V、電流350 mA、效率≥78%的設(shè)計要求.

一次側(cè)反饋；PWM/PFM；準諧波開關(guān)；變壓器；開關(guān)電源

隨著全球資源的短缺，人們的節(jié)能環(huán)保意識日益提升，節(jié)能環(huán)保的LED照明越來越受到市場的青睞，21世紀將進入以LED為代表的新型固體光源照明時代[1].制約LED發(fā)展的一個技術(shù)瓶頸是LED開關(guān)電源技術(shù)，驅(qū)動電源相當于LED照明的心臟，直接影響著LED燈具的壽命和普及程度，因此開發(fā)出低成本、高效率的LED開關(guān)電源是十分必要的[2].傳統(tǒng)的LED開關(guān)電源設(shè)計一般采用光電耦合器反饋和二次側(cè)調(diào)節(jié)電路，這種開關(guān)電源器件較多、結(jié)構(gòu)復雜、成本較高.本文基于IW1810設(shè)計了一款LED開關(guān)電源，采用數(shù)控技術(shù)，利用一次側(cè)反饋，并在準諧振模式下操作，使電路結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低.

1 整體電路的設(shè)計

1.1 開關(guān)電源框架

本文基于IW1810設(shè)計的開關(guān)電源框架如圖1所示.

圖1 開關(guān)電源框架Fig.1 Framework of switch power supply

圖1中電源采用數(shù)控技術(shù)[3]，利用一次側(cè)反饋，消除了光電耦合器反饋和二次側(cè)調(diào)節(jié)電路，使電路結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低，并在準諧振模式下操作[4-5].另外，采用PWM/PFM混合調(diào)制模式，輕負載使用PFM模式，重負載電流則切換到PWM模式[6].

1.2 電源設(shè)計規(guī)格

開關(guān)電源需要滿足電源規(guī)格的要求，電源規(guī)格表如表1所示.

表1 電源規(guī)格表Tab.1 Table of power supply specifications

1.3 電源電路圖

根據(jù)IW1810芯片的功能以及特點，設(shè)計了一款LED開關(guān)電源，電源整體設(shè)計電路如圖2所示.

圖2 基于IW1810的電路Fig.2 Circuit based on IW1810

IW1810的核心是數(shù)字邏輯控制單元.該控制單元根據(jù)輸出電壓和電流反饋信息提供開關(guān)導通和關(guān)斷信號，并為動態(tài)控制BJT基極電流提供指令[7-8].

2 外圍參數(shù)設(shè)計

芯片外圍參數(shù)主要包括變壓器和反饋電阻2個方面的設(shè)計[9].

2.1 變壓器設(shè)計

電源中變壓器的效率影響著整個電源的效率，因此變壓器的設(shè)計至關(guān)重要[10-11].EE型磁芯磁損低，適應(yīng)性強，價格低.根據(jù)輸出功率范圍，本文選擇鐵氧體磁芯EE13型，輸出功率P≥5 W，有效磁路長度Le=266 mm，最大磁通密度ΔBac=0.22 T，磁芯有效電感AL=1.1 μH/N2，磁芯有效截面積Ae=17.1 mm2.本文設(shè)計效率要大于78%，為方便計算，效率取80%.

變壓器的設(shè)計步驟主要包括以下幾個方面：

（1）確定導通時間.原邊開關(guān)管的最大導通時間出現(xiàn)在最小輸入電壓和最大負載時[12].本電路設(shè)計最大導通時間不能超過總工作周期的50%，芯片開關(guān)頻率為 64 kHz，周期為 15.6 μs，半周期為 7.8 μs，導通時間要留有富余量以使控制保持在合適的最小輸入電壓，因此本設(shè)計可用周期為7 μs，即：

（2）變壓器最小和最大輸入電壓的計算.輸入電壓為85～265 VAC，頻率為50 Hz，交流輸入電壓通過整流橋后，其最小和最大輸入直流電壓可由公式（2）和（3）計算得出：

（3）紋波電流與峰值電流的估算.平均電流IAVG和峰值電流IPK由公式（4）和公式（5）得出：

（4）變壓器初級與次級匝數(shù)比的計算.匝比用N（Np/Ns=N）表示，根據(jù)伏-秒平衡，匝比可由公式（7）、公式（8）和公式（9）得出[13]：

式中：Vf為二極管電壓，本文取值為0.5 V.代入?yún)?shù)計算得：

（5）初級繞組最小匝數(shù)的計算.用Nmin表示最小匝數(shù)比，利用伏-秒法，Nmin可以用公式（10）算得：

式中：0.4＜KRP＜1，本設(shè)計中取KRP=0.7.紋波電流由式（6）得出：

（6）次級繞組匝數(shù)計算.由于匝比N=6，Npri=Nmin=186，由公式（11）可得出Nsec：

（7）輔助繞組匝數(shù)的計算.偏置電路中的二極管壓降VD=0.5 V，Vcc=11 V，所以Nbias繞組的匝數(shù)由公式（12）得出：

（8）變壓器原邊電感量Lp的計算.

式中：Z為損耗分配因子，是次級損耗與總損耗的比率[14].如果Z=1，則所有的損耗都在次級邊；如果Z=0，則所有的損耗都在初級邊.本文中取Z=0.5.代入數(shù)據(jù)計算可得：

2.2 電流反饋采樣電阻的設(shè)計

IW1810驅(qū)動芯片通過采樣電阻R6來控制輸出電流.公式（15）為R6即電流檢測電阻的表達式[3]：

式中：Kc為固定常數(shù)，本文取Kc=0.6；ηx為變壓器的轉(zhuǎn)換效率，本文取ηx=80%，由此可得R6的值為3.6 Ω.

2.3 電壓反饋采樣電阻的設(shè)計

電壓反饋電阻為原理圖中的R9，根據(jù)公式（16）和公式（17）計算輸出反饋電阻值[8]：

先假定R8的值為24 kΩ，Nbias和Nsec分別為變壓器輔助邊和副邊線圈匝數(shù)，Vsence輸入電壓范圍是-0.7～4 V，這里取典型值2.4 V，得出R9為6 kΩ.

3 實驗測試及結(jié)果

3.1 實物連接測試圖

實物連接測試如圖3所示.圖3（a）為基于IW1810開關(guān)電源的實物圖，負載6顆1 W LED燈珠；圖3（b）為電源工作圖，6顆LED發(fā)光正常.

3.2 電路輸出電壓電流測試

本次設(shè)計的電路要求在85～265 VAC寬電壓范圍內(nèi)可用，所以測試時選取了3個電壓值進行測試，分別為85、220和265 V.測試儀器選用遠方公司生產(chǎn)的LT-101A LED開關(guān)電源性能測試儀，測試結(jié)果如圖4所示.

由圖4可以看出，當輸入電壓為85 V時，輸出電壓為16.7 V、輸出電流為335 mA、輸出功率為5.7 W、效率為79.5%；當輸入電壓為225 V時，輸出電壓為16.9 V，輸出電流為348 mA，輸出功率5.93 W，效率為79.8%，誤差在1%以下；當輸入電壓為265 V時，輸出電壓16.9 V、輸出電流為353 mA、輸出功率為5.97 W、效率為79.7%，均滿足設(shè)計要求.

圖3 實際電路Fig.3 Actual circuit

圖4 電路輸出電壓電流測試結(jié)果Fig.4 Test result of output voltage and current

測試結(jié)果證明：本次基于IW1810設(shè)計的輸出為17 V、350 mA的LED開關(guān)電源，在85～265 VAC寬電壓范圍內(nèi)能正常工作，且性能良好，另外在測試過程中，電路工作穩(wěn)定，沒有噪音和頻閃現(xiàn)象出現(xiàn).

4 結(jié)語

本次設(shè)計的LED開關(guān)電源，在額定電壓為220 V時，實際輸出電壓16.9 V、電流348 mA、功率5.9 W，效率79.8%，整體誤差在2%以下，達到了設(shè)計目的，并能驅(qū)動6顆LED燈正常工作.該電源采用AC/DC反激式轉(zhuǎn)換器一次側(cè)調(diào)節(jié)控制技術(shù)，去掉了光電耦合器反饋和二次側(cè)調(diào)節(jié)電路，使整個電路變得非常簡單，極大地降低了成本，縮小了電路體積.

[1]楊玉杰，毛興武.IW1810離線式數(shù)字綠色型PWM控制器[J].通用電子器，2012， 14（9）： 37-38.

[2]HUANG Bin-Juniue， TANG Chun-Wen， WU Min-Sheng.System dynamics model of high-power LED luminaire[J].Applied Hermal Engineering， 2009（9）： 609-616.

[3]付賢松，朱恕帥，牛萍娟.基于IW1696的LED驅(qū)動電源設(shè)計[J].電工技術(shù)學報，2013， 23（11）：222-224.

[4]候清江，張黎強，許棟剛.開關(guān)電源的基本原理及發(fā)展趨勢探析[J].制造業(yè)自動化，2010， 32（9）： 160-162.

[5]劉毅莉，付賢松，張金建，等.一種有穩(wěn)定輸出的單端反激式LED 開關(guān)電源的設(shè)計[J].天津工業(yè)大學學報，2012，31（3）：52-55.

[6]林曉偉.單端反激開關(guān)電源原理與設(shè)計[J].電子工程師，2007， 33（5）： 33-34.

[7]黃登科，劉拓夫，王正仕.原邊控制反激式LED驅(qū)動電源的研究[J].機電工程，2013，30（7）：867-869.

[8]林浩.淺析高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)[J].通信電源技術(shù)，2013，30（4）：138-139.

[9]沙占友，王彥朋，馬洪濤.開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2013.

[10]徐強，董威，田俊杰，等.反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計[J].中國測試，2009， 35（3）： 75-76.

[11]比林斯.開關(guān)電源手冊[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[12]張占松，張心益.開關(guān)電源技術(shù)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[13]彭云華，黃土榮，廖曉文，等.反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014，22（9）：107-109.

[14]黎敏，張久亮.反激式開關(guān)電源變壓器程序化設(shè)計[J].電測與儀表，2013， 568（4）：125-127.

LED drive power supply based on IW1810

FU Xian-song1， LI Hong-chao1，2， NIU Ping-juan1， LI Yuan-yuan1，2， GUO Na-na1，2
（1.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China； 2.School of Electronics and Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

A power of 6 W LED drive power supply was designed based on IW1810.By using the numerical control technology， a side feedback and operated in quasi-resonant mode， the design simplifies the circuit structure，reduces the cost and improves the stability.In addition，this circuit adopted multi-mode PWM/PFM control to improve the efficiency of the light load and the total average efficiency greatly.The testing results showed that when the input voltage range is 85-265 VAC，the power supply can drive 6 LED light to light normally and work steadily，which meet the design requirements that output voltage 17 V，current 350 mA，efficiency greater than 78%.

a side feedback； PWM/PFM； quasi-resonant switching； transformer； drive power supply

TN313.6

A

1671－024X（2015）06－0076－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.06.016

2015-01-26

國家科技支撐計劃項目（2011BAE01B01）；科技型中小企業(yè)科技創(chuàng)新資金資助項目（13ZXCXGX31700）

付賢松（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計及LED驅(qū)動電源.E-mail：fuxians@163.com