用于LED路燈的高效率電源驅動(dòng)器設計方案

　　T3 與T4 分別為變壓器上的兩個(gè)繞組： 其中， T3 為二次側繞組， 用于能量的傳遞， T4 為輔助繞組。T4上的電壓跟隨T3 的電壓升高， 用以開(kāi)啟同步整流Mos 管M1。CT1 與CT2 則為電流互感器CT 的兩個(gè)繞組， 其中， 初級繞組CT1 被串在主電路中， 用于檢測流經(jīng)Mos 管的電流。當CT1 中的電流下降到零時(shí)， CT2 將把M1 關(guān)斷。因此， 此方案以電壓信號控制Mos 管導通， 電流信號控制Mos 管關(guān)斷， 不僅效率高， 而且工作穩定， 不存在誤開(kāi)通的情況。下面將對這種驅動(dòng)方案的工作過(guò)程做詳細分析。

　　1） 第一階段， 變壓器一次側Mos 管關(guān)斷， 電流從變壓器的一次側換流到二次側。T3 繞組通過(guò)CT1 , M1 為輸出電容器C3 充電。T3 繞組的輸出電壓被鉗位于C3 兩端電壓（在本應用中約為52V） 。

　　由于T4 繞組為變壓器的一個(gè)輔助繞組， 因此， 同名端B 點(diǎn)的電壓比例上升至一個(gè)高電壓（在此應用中約為10V） 。則B 點(diǎn)電壓通過(guò)二極管D2 為電容器C1、C4 充電。其中， 電容器C4 為Mos 管M1 的門(mén)極輸入電容， 通常小于1nF , 以虛線(xiàn)示出。電容器C1為外加電容， 取C4 電容值的10 倍以上。由于C4 遠小于C1 , 并且電容值很小， 根據電容器的串聯(lián)分壓原理， C 點(diǎn)電壓很快被充至近10V , M1 導通。同時(shí)， 電流互感器CT 中的能量從繞組CT2 通過(guò)二極管D1 饋入輸出電容器C3 , 降低了開(kāi)關(guān)驅動(dòng)損耗，D 點(diǎn)電壓也被鉗制在約52V。

2） 第二階段， 流經(jīng)D1 的電流降為0 , 此時(shí)流經(jīng)CT1 的電流降為I_off 。D1 關(guān)斷， D 點(diǎn)電壓開(kāi)始降低， 最終使PNP 型三極管Q1 導通， C4 上的電被放掉， C 點(diǎn)變?yōu)榈碗妷海?M1 關(guān)斷， 同步整流結束。由于此時(shí)I_off > 0 , 變壓器二次側的充電過(guò)程仍未結束，改經(jīng)M1 的寄生體二極管續流， A 點(diǎn)、B 點(diǎn)仍為高電壓。由于C4 被Q1 短路， T4 通過(guò)D2、Q1 為C1 充電， 直到C1 被充滿(mǎn)。值得注意的是， C1 之所以選用電容而不使用電阻， 一方面保證了第一階段中對C4 的快速充電， 另一方面使得第二階段中Q1 導通后在其上的損耗得以降低， 提高了驅動(dòng)的效率。

　　3） 第三階段， 變壓器一次側Mos 管再次導通，A 點(diǎn)、B 點(diǎn)為負電壓， PNP 三極管Q2 導通， C1 被放電， 保證了下一周期能夠再次正常工作。C 點(diǎn)電壓保持在低電壓， 不會(huì )造成M1 的誤開(kāi)通。值得注意的是， 在每個(gè)周期中， C1 都會(huì )被反復沖放電。其損耗由公式P = 1/2 CU² f 可得。其中， 設C = 10nF ,U = 10V , f = 100kHz。因此P = 50mW, 此即在C1上損耗的功率。當變壓器一次側Mos 管在一段時(shí)間后再次關(guān)斷后， 新的一個(gè)周期開(kāi)始。

　　這種新型的同步整流方案具有如下特點(diǎn)： 1） 可以廣泛適用于各種輸出電壓。2） 電路結構和原理較為簡(jiǎn)單。3） 驅動(dòng)損耗小， 效率高。4） 電路確定性好， 無(wú)誤動(dòng)作。電路在PSpice 下的Mos 管電流波形和門(mén)極驅動(dòng)電壓波形的仿真結果如圖4 所示。

圖4 　Mos 管電流波形和門(mén)極驅動(dòng)電壓波形的Pspice 仿真結果

　　2.4 　變壓器設計

　　高頻變壓器作為隔離型電源中必不可少的組件，在提升效率方面所起的作用也是不容忽視的。變壓器的損耗主要分為銅損、鐵損及漏感造成的損耗三大塊。

　　銅損是指變壓器線(xiàn)圈電阻所引起的損耗。當電流通過(guò)線(xiàn)圈電阻發(fā)熱時(shí)， 一部分電能就轉變?yōu)闊崮芏鴵p耗。在低頻時(shí)， 變壓器的銅損主要是銅導線(xiàn)的直流電阻造成的， 但工作在50kHz～100kHz 的高頻電源變壓器則必須考慮到集膚和鄰近效應。為減小兩者帶來(lái)的交流銅阻變大的現象， 可以采取用里茲線(xiàn)替代單股粗銅線(xiàn)繞制變壓器， 一次側線(xiàn)圈與二次側線(xiàn)圈交錯繞制等方法。

　　鐵損即磁芯損耗， 包括磁滯損耗、渦流損耗和殘留損耗。其大小由公式Pc = K_p ×Bⁿ ×f ^m ×vol所決定。其中， B 為鐵芯中的工作磁感應強度， f 為工作頻率， vol 為鐵芯體積。K_p , n , m 則為與鐵芯材料有關(guān)的常數。要減小鐵損， 可以在增加線(xiàn)圈匝數的同時(shí)增大氣隙， 以此來(lái)減小工作磁通， 但最根本的措施還是選用更好的磁芯材料。

　　另外要使鐵損與銅損之和最小， 必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件： 1） 鐵損= 銅損。2） 原邊銅損= 副邊銅損。

　　變壓器損耗的另一重要組成部分則是由漏感造成的。漏感Lσ 上損耗的功率由公式P = 1P2LσI² f確定。其中， I 為變壓器一次側的峰值電流， f 為開(kāi)關(guān)頻率。漏感的存在使初級Mos 管上需要承受更大的電壓應力。而在反射電壓一定的條件下， 漏感越大， 則變壓器的效率越低 。要減小變壓器的漏感， 需要從鐵芯結構的選取， 氣隙的位置， 繞組繞制的方式等方面綜合考慮。

　　近年來(lái)， 平面變壓器作為一種新的變壓器技術(shù)正在日趨成熟。該變壓器使用的是高度較低， 底部面積較大的平面磁芯。同常規的漆包線(xiàn)繞組不同，該變壓器的繞組是利用印制板上的螺旋形印制線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。與傳統變壓器相比， 平面變壓器具有效率高、工作頻率高、體積小、漏感小、熱傳導性好、一致性好等眾多特點(diǎn)。雖然其目前在國內還面臨著(zhù)成本較高、技術(shù)仍不完善等缺陷， 但隨著(zhù)進(jìn)一步的發(fā)展， 平面變壓器必將在一些高端應用中取代傳統變壓器。