基于AC-DC來解析LED恒流驅(qū)動電源設(shè)計(jì)的步驟

LED燈作為一種新的照明用光源，正在逐漸得到大規(guī)模和大范圍內(nèi)的應(yīng)用;決定LED燈的性能和壽命的核心部分是LED恒流驅(qū)動電路，LED燈的壽命(光亮度衰減)與驅(qū)動電流的穩(wěn)定性和電流紋波或雜訊息息相關(guān)。

本文以交流AC供電到輸出恒定直流DC為例，設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行的幾個(gè)步驟，搞定LED恒流驅(qū)動電源設(shè)計(jì)。

第一步：明確所設(shè)計(jì)LED驅(qū)動反激電源技術(shù)要求

我們今天先從AC-DC用單端正激式開關(guān)電源拓?fù)溟_始，因?yàn)樗且环N小型、經(jīng)濟(jì)，也是開關(guān)電源應(yīng)用較多一種，并且它功率輸出在50～200W是最合適的。設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：

輸入電壓：交流220V±10%紋波電壓UP：0.5V

輸出電壓UO：15V輸出波動電流IP：±0.1A

輸出電流IO：10A占空比：D max=0.42

第二步：LED恒流反激電源設(shè)計(jì)步驟

1,總體流程圖

如同開關(guān)電源設(shè)計(jì)一樣，LED驅(qū)動反激電源也是先進(jìn)行總體考慮，然后對電源各部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，接下來就是設(shè)計(jì)總體和輔助功能，最后進(jìn)行測試和設(shè)計(jì)優(yōu)化的。下面設(shè)計(jì)步驟流程：

2. 驅(qū)動電源模塊功能圖

第三步：變壓器設(shè)計(jì)

1、輸出變壓器次級電壓U2計(jì)算

UL是輸出扼流圈在內(nèi)次級線圈的電壓降，Uf是輸出二極管的正向電壓。最低的次級電壓U2min為：

設(shè)

2、初、次級線圈計(jì)算

輸入直流電壓U1的最小值使用按輸出電路計(jì)算求得的U1min值。根據(jù)中國輸配電情況U1=200～253V,則變壓比N為

根據(jù)輸出容量磁心尺寸關(guān)系表3-4 [2] 選取EI-30。它的有效面積為S=111mm2。

磁心材質(zhì)相當(dāng)于TDK的H7C4,最大工作磁道密度Bm可從圖3-4中查得.實(shí)際使用時(shí)的磁心溫度約100℃，且要選擇能保持線性范圍的Bm，即0.3T以下。當(dāng)磁心溫度有100℃，工作頻率200KHz時(shí)，約減少0.1T而成為 。根據(jù)線圈計(jì)算公式則，

因而次級N2 = 4，式中Bm為磁心的磁通密度(T);S為磁心的有效截面積(mm2)。初級線圈的匝數(shù)則是

確定 。次級線圈所需要的電壓U2min一定要充分，因此要進(jìn)行ton max的修正計(jì)算。

則有，

Dmax修正結(jié)果為0.42,仍然在0.4～0.45范圍內(nèi)，可以繼續(xù)使用以下計(jì)算。

第四步：輸出濾波器設(shè)計(jì)

在開關(guān)電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線圈Lf 與輸出濾波電容器Cf 構(gòu)成的“L”型濾波器如下圖。電感線圈對高頻成分呈現(xiàn)很高的感抗，而電容對高頻成分呈現(xiàn)很小容抗，已達(dá)到在電路中抑制紋波和平滑直流的作用。

1、輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì)

計(jì)算流入輸出扼流圈電流

L為輸出扼流圈的電感(μH);為輸出電流的10%~30%。則有

電感L值為：

由此可見，需要11.86μH，10A的扼流圈。

2、輸出濾波電容的確定

輸出電容器的選定取決于輸出脈動電壓控制在多少毫伏。輸出脈動電壓 雖要根據(jù) 和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 確定，但一般規(guī)定為輸出電壓的0.3%～0.5%范圍。

又因

就是在200HKz范圍內(nèi)，需要 值在37.5m 以下電容器的。所以可以選擇20V，8200 H，則 為31m ,容許脈動電流為2.9Ams.

流向電容器的紋波電流為：

即0.58A<2.9A,說明電容合適

3、濾波器電阻設(shè)計(jì)

要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時(shí)，可以假設(shè)電阻值Rd

則假設(shè)電阻Rd電耗為 Wrd

第五步：復(fù)位電路計(jì)算

復(fù)位電路如圖所示。開關(guān)功率管VT1接通時(shí)，變壓器T1的磁通增加，磁能被儲存到T1，當(dāng)VT1截止時(shí)，即放出這種受激磁的磁能下圖復(fù)位線圈到T1上以在VT1截止時(shí)通過VD1把磁能反饋到輸入。

則磁復(fù)位串接在N3的中二極管VD1承受最大電壓為

那么選擇VD1額定電壓為800V，這樣基本符合要求的。

第六步：功率開關(guān)管選擇

圖為MOSFET型功率開關(guān)管，它主要具有驅(qū)動功率小，器件功率容量大;第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度快，工作頻率高，另外他的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR等優(yōu)點(diǎn)，也是目前開關(guān)變換器廣泛應(yīng)用的開關(guān)器件。

根據(jù)單端正激式變換器計(jì)開關(guān)管VT1承受最大電壓公式得:

流過MOSFET開關(guān)管最大電流為：

根據(jù)下面功率MOSFET表3.7，可以選擇2SK2718型號。它的最高承受電壓為900V，允許最大電流為2.5A，而功率損耗是40W，是上面功率最小損耗的。

第七步 輸出二極管選擇

輸出二極管有肖特基二極管(SBD),低損耗二極管(LLD)、高速二極管(FRD)。輸出為低壓大電流時(shí)應(yīng)采用肖特基二極管，其他則采用低損耗或調(diào)整二極管。

(1.)選擇二極管時(shí)要注意選擇反向恢復(fù)時(shí)間trr快的二極管。

這是因?yàn)橹鏖_關(guān)元件閉合時(shí)反向流入二極管的電流會影響初級線圈開關(guān)特性并致使損耗增大。同時(shí)，輸出噪聲也會受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點(diǎn)。

1、選用正向壓降VDF小的整流二極管;

2、選用反向恢復(fù)時(shí)間trr整流二極管;

3、選用正向恢復(fù)電壓VFRm整流二極管;

4、選用反向漏電流IR小整流二極管。

(2.)續(xù)流二極管VD2選擇

續(xù)流二極管VD2上的反向電壓UVD2與輸出變壓器次級電壓的最大值是相同的。根據(jù)單端正激式變換器公式得:

流過它方向電流Ir一般看作與IO大致相同的，即Ir=Io=10A..

可選擇低損耗二極管MBR1545作為續(xù)流二極管它參數(shù)為，Uds=45V, IO=15A,trr<1.0ns。

第八步：恒流輸出電路設(shè)計(jì)

1、恒流輸出原理

任何電源要實(shí)現(xiàn)恒流功能，均需對電源的輸出電流進(jìn)行檢測取樣，與電流設(shè)置值即參考值進(jìn)行比較，經(jīng)負(fù)反饋放大調(diào)節(jié)(P、PI、PID)。線性串聯(lián)穩(wěn)壓是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，而開關(guān)電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬(或占空比)，維持輸出電流的恒定。

下圖是恒流控制反饋系統(tǒng)圖。圖中Iref是電流設(shè)置基準(zhǔn);CR是電流PI調(diào)節(jié);Kfi是電流取樣反饋系數(shù);RS、Ro是電流取樣電阻和負(fù)載電阻。該系統(tǒng)采用是電流模式控制，可以檢測變換器輸出電流，適當(dāng)?shù)剡x取反饋系數(shù)Kfi, 通過P(比例)、PI(比例積分)、PID(比例積分微分器)實(shí)現(xiàn)恒流控制。在反饋系數(shù)不變情況下，也可以通過改變電壓或電流實(shí)現(xiàn)恒流值控制。

下圖是恒流電源常用電路，其中采樣電阻RS串聯(lián)在功率回路里，作為回路電流的采樣元件。它把回路電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，并與基準(zhǔn)電壓Uref在放大器中進(jìn)行比較放大，然后將其送至調(diào)整管VT的基極，驅(qū)動調(diào)整管VT對輸出電流IO變化進(jìn)行補(bǔ)償校正。就可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出的。

2、恒流輸出計(jì)算

恒流輸出電路是采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源電路構(gòu)成如下圖所示。MC7815為三端固定式集成穩(wěn)壓器，RL為LED二極管負(fù)載電阻，RW為可調(diào)電阻器。

工作原理：固定式集成穩(wěn)壓器工作在正常狀態(tài)，在輸出2和公共端3之間接一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調(diào)節(jié)RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為

式中Iq為MC7815的靜電流，小于10mA。當(dāng)RW較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略Iq。當(dāng)電路中電壓或者是負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，MC7815用改變自身壓差來維持通過負(fù)載的電流不變的。

設(shè)RW=1~15 時(shí)，那么它輸出恒定電流變化范圍

因此可以實(shí)現(xiàn)10A恒流輸出的。

第九步：緩沖吸收電路設(shè)計(jì)

在開關(guān)電源中，由于變壓器的漏感、布線的引線電感存在、開關(guān)管在關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復(fù)二極管由于存在存儲效應(yīng)，反向恢復(fù)過程中也會出現(xiàn)很高的反向恢復(fù)的碾壓尖峰脈沖。這些過電壓尖峰脈沖的出現(xiàn)不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很強(qiáng)的電磁干擾噪聲。為此必須在功率器件兩端設(shè)計(jì)尖峰電壓緩沖吸收電路。緩沖電路圖如圖中紅框部分：

從緩沖電路中均有電容器元件，電容器的端電壓不能突變，當(dāng)MOSFET功率開關(guān)管關(guān)斷是形成尖峰電壓脈沖能量轉(zhuǎn)移到電容器中儲存，然后電容器的儲能通過電阻消耗或返回電源，起到緩沖吸收電壓尖端作用。而輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時(shí)也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會隨之而減少，以及減少損耗和可能出現(xiàn)振蕩。

第十步 控制電路設(shè)計(jì)

下面采用是μPC1094C控制電路

1、振蕩器

振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時(shí)電阻器R17與接在引腳5上的定時(shí)電容器C15決定的。當(dāng) 時(shí)振蕩頻率 。

2、啟動電路

啟動電路由接在引腳8上R14接上外部電源為芯片工作提供Vcc=15V電源，而接在引腳9上是通過R10接在外部電路提供集電極電壓。

3、限流電路

過流保護(hù)電路由R18、R19 、C16組成。它們是接到引腳3上的，在正常情況下，引腳3上電壓低于200mV。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，引腳3上的電壓超過200mV的正負(fù)閥值，輸出級被鎖定為低電平，下個(gè)脈沖周期來之前，過流閉鎖器復(fù)位，對下個(gè)周期的過電流進(jìn)行檢測，限制脈沖寬度。

4、過電壓保護(hù)電路

過電壓保護(hù)電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當(dāng)輸出電壓超過15V時(shí)，光電耦合器PC1動作，經(jīng)過引腳2接入反饋電壓電路，使輸出級鎖定為低電平。

5、最大占空比的設(shè)定和軟啟動

最大占空比是由電阻器R14、R15分壓比來確定的。為了防止變壓器的磁飽和，

當(dāng)電源電壓剛啟動時(shí)，與R14并聯(lián)的電容器C14上電壓不能突變，引腳1上電壓為UREF,占空比為最大的。

6、輸出電壓控制電路

輸出電壓可通過調(diào)節(jié)R5、R6、R7組成分壓電路確定的：

第十一步：PCB布線

在畫PCB布線時(shí)，應(yīng)先確定元器件的位置，然后布置地線、電源線、再安排高速

信號線，最后考慮低速信號線[8]。

元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互干擾。格局元器件的位置可以確定PCB連接器各個(gè)引腳的安排。所有連接器應(yīng)安排在PCB的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，減少共模輻射。

1、電源

在考慮安全條件下，電源線應(yīng)盡可能近地線，減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾。

2、時(shí)鐘線、信號線和地線位置

信號線與地線距離較近，形成的環(huán)面積較小;這樣才合理的。

3、按邏輯速度分割

當(dāng)需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí)，高速的器件應(yīng)按放在緊靠邊緣連接器范圍內(nèi)，而低速邏輯和存儲器，應(yīng)放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)。這樣對共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。

4、應(yīng)避免PCB導(dǎo)線的不連續(xù)性

1)、跡線寬度不要突變;

2)、導(dǎo)線不要突然拐角。

以上幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟，是設(shè)計(jì)LED恒流驅(qū)動電源的一般步驟，今天就介紹到這里。