何 穎

恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)

何 穎

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

LED照明具有亮度高、功耗低、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)、外觀尺寸小、響應(yīng)速度快等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)及室外照明、景觀及裝飾照明、汽車照明、道路照明等領(lǐng)域[1]。由于這些優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)LED照明已逐步取代傳統(tǒng)照明，市場(chǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。LED驅(qū)動(dòng)電源作為L(zhǎng)ED照明的重要組成部分，直接影響照明效果及使用壽命，近年來(lái)也隨著LED照明技術(shù)的進(jìn)步而得到較大發(fā)展。針對(duì)LED照明的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)LED恒流驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源的要求，以功率因數(shù)調(diào)整等設(shè)計(jì)目標(biāo)為主線，詳細(xì)介紹LED驅(qū)動(dòng)電源各組成模塊，并給出對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法。

LED照明；恒流驅(qū)動(dòng)；功率因數(shù)；開關(guān)電源

1 引言

LED是一種低壓直流驅(qū)動(dòng)型器件，需要在LED光源和交流市電之間根據(jù)實(shí)際情況裝配不同的電源適配器（LED驅(qū)動(dòng)電源）[2]。LED發(fā)光強(qiáng)度由流過LED的電流決定，電流過強(qiáng)會(huì)造成LED的消損甚至導(dǎo)致LED損壞，電流過弱則會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度。在目前技術(shù)條件下，使用市電驅(qū)動(dòng)LED需要解決壓降、整流、隔離、PFC（功率因數(shù)校正）、恒流等問題，除此之外還需提高轉(zhuǎn)化效率，并做到小體積、易散熱、低成本、抗電磁干擾，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。針對(duì)以上特點(diǎn)及要求，目前LED驅(qū)動(dòng)電源基本都采用恒流開關(guān)電源方式作為解決方案。

2 選用恒流驅(qū)動(dòng)的理由

圖1為L(zhǎng)ED伏安特性曲線，從曲線中可以看到，LED作為二極管，其伏安特性符合指數(shù)方程：

觀察式(1)可知，較小的電壓變化將引起較大的電流變化，而LED發(fā)光亮度是由電流決定，因此較小的電壓變化將致使LED發(fā)生閃爍。另外LED具有負(fù)溫度特性，其溫度越高導(dǎo)通電阻越低，如采用恒壓源，一旦由于環(huán)境溫度等因素導(dǎo)致LED的結(jié)溫升高，如圖2所示，其伏安特性曲線將整體左移，從而導(dǎo)致其導(dǎo)通電阻降低。由于采用的是恒壓源，導(dǎo)通電阻降低后導(dǎo)通電流將進(jìn)一步增大，使結(jié)溫進(jìn)一步升高，最終影響LED壽命甚或?qū)е聼龤А；谏鲜鲇懻?，照明用LED驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)以恒流源為主[3]。

圖1 LED伏安特性曲線

圖2 LED負(fù)溫度特性伏安曲線

3 LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)基本思路

為保障設(shè)備及人員安全，使用高頻變壓器在物理上實(shí)現(xiàn)交流市電線路與LED驅(qū)動(dòng)電源之間的隔離。

根據(jù)LED的伏安特性和溫度等物理特性，LED驅(qū)動(dòng)器采用直流電壓恒流驅(qū)動(dòng)。

采用有源功率因數(shù)調(diào)整技術(shù)，利用全控開關(guān)器件對(duì)輸入的電流波形及相位進(jìn)行控制，使其與電壓波形同相位，以達(dá)到提高功率因數(shù)和降低能耗的目的。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)需求選取反激變換器作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

選取iw3612作為開關(guān)電源的主控芯片，其能夠滿足88～264V的交流輸入電壓，芯片內(nèi)部集成MOSFET，最大輸出電流為350mA；超過350mA時(shí)可配置外部N溝道MOSFET，最高開關(guān)頻率為200kHz，輸出電流精度為5%，電源效率可達(dá)85%，功率因數(shù)可達(dá)0.9。內(nèi)置輸入電壓補(bǔ)償電路，在不同輸入電壓下均能改善LED電流穩(wěn)定性，LED電流可通過外部電阻進(jìn)行設(shè)定[4]。iw3612采用一次側(cè)反饋恒流控制的反激變換器，不需要使用光電耦合器及反饋補(bǔ)償元件，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，并且利用數(shù)字技術(shù)使功率開關(guān)管恰好在反饋波形處于波谷時(shí)開始導(dǎo)通，相當(dāng)于零電壓開關(guān)技術(shù)，有效降低了開關(guān)損耗。iw3612還具有開路和短路保護(hù)、驅(qū)動(dòng)芯片輸入過電壓保護(hù)、過電流及過熱保護(hù)等功能。iw3612的工作原理如圖3所示。

圖3 iw3612原理圖

采用電磁干擾濾波器（EMI Filter）作為抗干擾組件，有效抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 模塊化設(shè)計(jì)詳解

4.1 輸入整流及EMI設(shè)計(jì)

采用全橋整流電路對(duì)交流電進(jìn)行整流，采用1A/250V熔絲管及壓敏電阻器進(jìn)行過流保護(hù)，同時(shí)也吸收浪涌電壓。圖4所示的EMI濾波器由共模電感L1、L2以及串模電容C1等組成，當(dāng)共模干擾出現(xiàn)時(shí)，由于L1、L2磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，從而對(duì)共模信號(hào)產(chǎn)生很大的感抗，使之不易通過[5]。經(jīng)過計(jì)算，可選取L1=L2，I=3A，L=5mH的共模電感，另外R1、R2作為電感泄放電阻，在系統(tǒng)斷電時(shí)使電感放電。串模電容器可選取630V/3nF電容濾掉串模干擾。整流原理如圖5所示。

圖4 EMI濾波原理圖

圖5 整流原理圖

4.2 PFC電路設(shè)計(jì)

目前，采用AC-DC變換器的開關(guān)電源均通過整流電路與電網(wǎng)相連，其輸入整流濾波器由整流橋和濾波電容構(gòu)成，二者均屬于非線性元器件，使得開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)電源表現(xiàn)為非線性阻抗。由于大容量濾波電容的存在，使得整流二極管的導(dǎo)通角變窄，僅在交流輸入電壓的峰值附近才能導(dǎo)通，交流輸入電流將因此產(chǎn)生嚴(yán)重失真[6]。圖6為未經(jīng)PFC處理的整流波形。

圖6 未經(jīng)PFC處理的波形

圖7 PFC工作原理圖

針對(duì)這一問題，采用有源PFC升壓式變換器加以解決。PFC的工作原理如圖7所示，它的詳細(xì)工作原理如下所述：在PWM信號(hào)的控制下，當(dāng)V導(dǎo)通時(shí)，L上有脈動(dòng)直流電流通過而存儲(chǔ)電能，電壓極性是左端為正，右端為負(fù)，使VD截止，此時(shí)C對(duì)后級(jí)負(fù)載放電；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，在L上產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)的極性是左端為負(fù)、右端為正，與U（wt）疊加后達(dá)到升壓目的，使VD導(dǎo)通；L上存儲(chǔ)的電能通過VD給負(fù)載供電，并對(duì)C進(jìn)行充電，由于VD具有隔離作用，因此整流橋的電流波形不受濾波電容影響；當(dāng)交流輸入電壓u以正弦變化時(shí)，控制電路只需以PWM方式對(duì)V的通、斷進(jìn)行控制，即可使電感電流自動(dòng)跟蹤交流正弦波電壓的變化，與之保持同相位。調(diào)整后的波形如圖8所示。

圖8 有源PFC調(diào)整波形

4.3 穩(wěn)壓管鉗位電路

反激變換器在開關(guān)關(guān)斷時(shí)向次級(jí)提供能量，此時(shí)，初級(jí)會(huì)受到由次級(jí)反射的電壓，感應(yīng)電壓的極性與直流輸入電壓相同，開關(guān)管承受兩種電壓的疊加作用，由于反射電壓有尖峰存在，因此必須添加保護(hù)電路來(lái)保護(hù)MOS管[7]。

方案中所采用的是穩(wěn)壓管鉗位電路，由于在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間，瞬態(tài)電壓抑制管VR會(huì)通過較大電流，所以這種電路會(huì)受到瞬態(tài)電壓抑制管溫升的限制。由于沒有電容，不會(huì)出現(xiàn)通過電阻的充放電現(xiàn)象，所以在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)有較高的效率，同時(shí)空載功耗很低。R2不但起限流作用，同時(shí)也吸收部分能量，從而抑制了振蕩。R1由于提供了與VR不同的回路，所以也在一定程度上降低了E-MI。工作原理圖如圖9所示。

圖9穩(wěn)壓管鉗位電路原理圖

圖9 中的各參數(shù)為：

VR：1.4Vor＜VR＜200V,0.5～6W

R1：47～330kΩ

R2：0～22Ω，1W

D1：600V，1A

4.4 DC-DC變換

設(shè)計(jì)中采用反激變換器作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其原理如圖10。在脈寬調(diào)制信號(hào)的正半周時(shí)，V導(dǎo)通，一次側(cè)有電流Ip通過，將能量存儲(chǔ)在一次繞組中。此時(shí)二次繞組的輸出電壓是上正下負(fù)，使VD截止，沒有輸出；負(fù)半周期時(shí)，V截止，一次側(cè)沒有電流通過，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，此時(shí)在一次繞組上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓Uor，使二次繞組產(chǎn)生電壓Us，其極性為上正下負(fù)，從而VD導(dǎo)通，經(jīng)VD、C整流濾波后獲得輸出電壓，由于開關(guān)頻率很高，輸出電流能基本維持恒定，從而實(shí)現(xiàn)恒流的目的。設(shè)計(jì)原理圖如圖10。

圖10 采用反激變換器結(jié)構(gòu)的DC-DC變換原理圖

在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮輸出電壓、電流、主控芯片頻率等因素，據(jù)此為變壓器供貨方提出制造要求，并設(shè)計(jì)采樣電阻匹配網(wǎng)絡(luò)、以及過流、過壓、欠壓、溫度保護(hù)等網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語(yǔ)

半導(dǎo)體技術(shù)仍在不斷發(fā)展，無(wú)論LED或電源主控芯片的價(jià)格都會(huì)隨之有一定程度的下降，因此LED照明的普及率及應(yīng)用前景也將得到進(jìn)一步提高[8]。大功率、高功率因數(shù)、高轉(zhuǎn)換率的LED驅(qū)動(dòng)電源將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

[1] 沙占友,王彥朋,馬洪濤.LED照明驅(qū)動(dòng)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].中國(guó)電力出版社,2014.Sha Zhanyou,Wang Yanpeng,Ma Hongtao.Optimization Designof LEDLighting Driving Power Supply[M].China Electric Power Press,2014.

[2]溫德爾.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) [M].謝運(yùn)祥，王曉剛，譯.人民郵電出版社,2009.SteveWinder.Power Supplies for LEDDriving[M].XieYunxiang,Wang Xiaogang,Trans..POST&TELECOM PRESS,2009.10.

[3] 周志敏,紀(jì)愛華.LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)100例[M].中國(guó)電力出版社,2010.Zhou Zhimin,Ji Aihua.100 Examples of LED Driving Power Supply Design[M].China Electric Power Press,2010.

[4] 周太明.半導(dǎo)體照明的曙光[J].照明工程學(xué)報(bào),2004,15(2)：1-6.Zhou Taiming.The Dawn of Semiconductor Lighting[J].China Illuminating Engineering Journal,2004,15(2)：1-6.

[5]王光峰.白光LED驅(qū)動(dòng)電路的研究及其電路的設(shè)計(jì)[D].浙江大學(xué),2005.Wang Guangfeng.Researchon White LEDDriving Circuitand Designof Its Circuits[D].Zhejiang University,2005.

[6] 文茂強(qiáng).照明用LED驅(qū)動(dòng)電源趨勢(shì)及設(shè)計(jì)[EB/OL].國(guó)益興業(yè)科技有限公司，2001.Wen Maoqiang.The Trend and Design of LED Driving Power Supplyfor Lighting[EB/OL].Ko-EXingye Scienceand Technologyco.,LTD.,2001.

[7] 沙占友，LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)入門 [M].中國(guó)電力出版社，2013.04.Sha Zhanyou,IntroductiontoDesigning of LEDDriving Power Supply[M].China Electric Power Press,2013.04.

[8] 沙占友，LED數(shù)顯儀表設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].中國(guó)電力出版社，2014.04.Sha Zhanyou,Designand Application Examplesof LEDDigital Display Instruments[M].China Electric Power Press,2014.04.

Design of Constant Current Switching Power Supply

He Ying
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

LED lighting with high brightness,low power consumption,vibration resistant,long service life,small appearance size and fast response etc,can be widely used in indoor and outdoor lighting,landscape and decorative lighting,automotive lighting,road lighting and other fields.Because of these advantages,LED lighting has gradually replaced traditional lighting in recent years,and the market size has gradually expanded.LED driving power supply is an important part of LED lighting,which directly affects the lighting effect and service life,and it also has been developed greatly with the development of LED lighting technology in these years.According to the characteristics of LED lighting and the requirements of practical engineering application to the LED constant current driving switch power supply,taking the design goals such as power factor adjustment as the main line,each module of LED driving power is introduced in detail,and the design methods for each module is given.

LED lighting;Constant current driving;Powerfactor;Switching power supply

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.005

B

1002-2279-（2017）06-0021-04

何穎(1983-)，女，遼寧省盤錦市人，助理工程師，主研方向：電子信息工程。

2017-11-01