反激式變換器拓撲的LED電源設計

為了LED%B5%E7%D4%B4" style="color: rgb(14, 106, 173); outline: none; ">LED電源的推廣使用，設計了以常用的反激式變換器為核心的LED電源。本文通過(guò)設計出來(lái)一種4.2W的LED電源電路，具體介紹了利用反激式變換器拓撲成LED電源的方法，并且對各個(gè)元件的參數選擇進(jìn)行了說(shuō)明，特別對變壓器的參數進(jìn)行了詳細的計算。實(shí)驗結果完全達標，說(shuō)明了設計方法的正確性。

當前全球能源短缺的憂(yōu)慮再度升高的背景下，節約能源是我們未來(lái)面臨的重要的問(wèn)題，在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應用正吸引著(zhù)世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，具有體積小、節能、壽命長(cháng)、高亮度環(huán)保等特點(diǎn)，所以必然是未來(lái)發(fā)展的趨勢，二十一世紀將進(jìn)入以L(fǎng)ED為代表的新型照明光源時(shí)代。

目前LED驅動(dòng)電路主要有線(xiàn)性穩壓源、開(kāi)關(guān)穩壓源、開(kāi)關(guān)恒流源等。本文設計的LED電源是由反激式變換器拓撲而成的開(kāi)關(guān)電源。

1 單端反激式變換器

所謂單端反激式(Flyback)變換器其實(shí)就是“基于變壓器的非隔離buck-boost變換器”，它使用耦合電感(也就是變壓器)來(lái)代替常用的單電感的buck-boost電路，這個(gè)耦合電感不但能像所有電感一樣儲存電磁能量，而且能像變壓器一樣提供電網(wǎng)隔離，其“匝比”決定了變壓器的恒比降壓轉換功能。下面對反激式變換器工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

Flyback(單端反激)變換器原理圖如圖1所示。在工作過(guò)程中，變壓器起了儲能電感的作用，實(shí)際上是耦合電感，用普通導磁材料作鐵芯時(shí)，鐵芯必須留有氣隙，保證在最大負載電流時(shí)鐵芯不會(huì )飽和。Flyback(單端反激)變換器由于電路簡(jiǎn)單，所用器件少，適于多路輸出場(chǎng)合應用。

Flyback(單端反激)變換器有連續導通模式(CCM)和斷續導通模式(DCM)兩種工作方式。Flyback變換器是耦合電感，對原邊繞組的自感來(lái)講，它的電流不可能連續，因為功率晶體管斷開(kāi)后電流必然為零，這時(shí)必然在次級繞組的自感中引起電流，故對Flyback變換器來(lái)講，電流連續是指變壓器兩個(gè)繞組的合成安匝在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中不為零，與此相反即為電流斷續。

當晶體管Q導通時(shí)，輸入電壓加到變壓器的初級繞組兩端，由于變壓器對應的極性，次級繞組下正上負，二極管截止，次級繞組中沒(méi)有電流流過(guò)，負載電流由濾波電容提供。此時(shí)只有變壓器原邊繞組工作，變壓器相當于一個(gè)電感。

當晶體管Q截止時(shí)，原邊繞組開(kāi)路，次級繞組的電壓極性上正下負，二極管D導通，導通期間儲存在變壓器中的能量通過(guò)二極管向負載釋放，同時(shí)向電容充電。此時(shí)變壓器只有副邊繞組工作。

單端反激式變換器就是通過(guò)控制晶體管的導通的時(shí)間來(lái)維持負載上的穩定電壓的。

2 電路設計

設計LED電源的主要指標有：1)輸入電壓為85～265 V;2)輸出電壓為12 V(誤差不超過(guò)5%)，輸出電流為350 mA(誤差不超過(guò)5%);3)電源效率為84%左右。

2.1 主電路設計

此電源主電路為反激式變換器。

在輸入端串聯(lián)的電阻月。是限流電阻。由C1，C2，L1，L2組成的EMI濾波器連接于橋式整流電路之后，用于濾除電網(wǎng)干擾，并且抑制設備對電網(wǎng)的干擾。C5連接在高壓和地之間，用于濾除高頻變壓器和電容產(chǎn)生的共模干擾，在國際標準中被稱(chēng)為“Y電容”。C1和C5都被稱(chēng)為安全電容，但是C1用于濾除電網(wǎng)中的串模干擾，在國際標準中被稱(chēng)為“X電容”。

VR1與D5組成鉗位電路。在MOSFET導通時(shí)，初級線(xiàn)圈電壓上正下負，使得D5截止，此時(shí)鉗位電路不起作用，而在MOSFET有導通到截止的時(shí)刻，由高頻變壓器的漏感產(chǎn)生的尖峰電壓會(huì )疊加在直流高壓和感應電壓上，疊加的電壓很容易損壞MOSFET，此時(shí)鉗位電路就可以抑制此尖峰電壓，保護開(kāi)關(guān)管。

2.2 輸出電路設計

此電路在整流二極管D7兩端并聯(lián)R4和C6以濾除電磁干擾，后面又使用L3和C8、C9組成的π型濾波電路進(jìn)一步平緩輸出電壓。

2.3 反饋控制電路設計

反饋控制電路由光耦LTV817、TL431、控制芯片TOP252PN，以及若干電容和電阻構成。

其中U3是TI公司生產(chǎn)的可調試精密并聯(lián)穩壓器TL431，它通過(guò)調節電阻R7與的R8阻值來(lái)調節輸出電壓的穩壓值。C10是TL431的頻率補償電容，可以用來(lái)提高TL431的瞬態(tài)頻率響應。

U2是線(xiàn)性光耦合器LTV817，其電流傳輸比范圍為80%～160%，能夠較好的滿(mǎn)足反饋回路的設計要求。反饋線(xiàn)圈上產(chǎn)生的電壓經(jīng)D6、C7整流濾波，得到非隔離式+12 V電壓，為L(cháng)TV817供電。LTV817是通過(guò)將輸出端電流送至TOP252PN的控制端來(lái)調節占空比的。

C4為控制端為控制端旁路電容，他能對控制回路進(jìn)行補償并設定自動(dòng)重啟頻率。當C4=47μF時(shí)，自動(dòng)重啟頻率為1.2 Hz，即每隔0.83s檢測一次調節失控故障是否已經(jīng)被排除，若確認已被排除，就自動(dòng)重啟開(kāi)關(guān)電源恢復正常工作。

R5為L(cháng)TV817中LED的外部限流電阻。實(shí)際上除了限流保護作用外，他對控制回路的增益也具有重要影響。

當輸出電壓VO發(fā)生波動(dòng)且變化量為△VO時(shí)，通過(guò)取樣電阻R7和R8分壓后，就使TL431的輸出電壓VK也產(chǎn)生相應的變化，進(jìn)而使LTV817中LED的工作電流IF改變，最后通過(guò)控制端流IC的變化兩來(lái)調節占空比D，使VO產(chǎn)生相反的變化，從而抵消△UO的波動(dòng)。上述穩壓過(guò)程可歸納為：VO↑→VK↓→IF↑→IC↑→D↓→VO↓→最終使VO不變。

2.4 變壓器設計

高頻變壓器的設計整個(gè)電源設計的關(guān)鍵，不論電感、匝數、線(xiàn)徑、氣隙等參數哪一個(gè)有了微弱的變化，都會(huì )引起變壓器性能的大幅度改變。

1)磁芯的選擇

此設計中磁芯選擇為EE16，其磁芯長(cháng)度A=16 mm。從廠(chǎng)家提供的磁芯產(chǎn)品手冊中可查得磁芯有效橫截面積Ae=0.192 cm2，有效磁路長(cháng)度Le=3.50 cm，磁芯等效電感AL=1 140 nH/匝2，骨架寬度b=8.50 mm。

2)確定VOR和VR1

參數計算好后，根據安全系數和輸入輸出關(guān)系對參數進(jìn)行調整，初級線(xiàn)圈調整為84匝，次級線(xiàn)圈9匝。

最后設計出的變壓器電特性如圖3，其中Pri=初級線(xiàn)圈，Psh-1=初級屏蔽線(xiàn)圈1，Psh-2=初級屏蔽線(xiàn)圈2，T.I.W. =三層絕緣線(xiàn)。

根據變壓器電特性圖設計出的變壓器的繞制結構圖如圖4所示。其中實(shí)心圈“●”表示線(xiàn)圈繞制的起始位置，1，2-NC為屏蔽線(xiàn)圈，4-5為偏置線(xiàn)圈，1，2-3為初級線(xiàn)圈，6-7為次級線(xiàn)圈。

3 實(shí)驗數據

根據上述設計參數焊接了實(shí)驗板，并且在85～265 V的交流電壓范圍內對輸出電壓和電流進(jìn)行測試，輸出電壓VO和輸出電流IO誤差范圍均在2%內，符合誤差在5%以?xún)鹊囊蟆?/p>

4 結束語(yǔ)

本文通過(guò)設計一臺輸出電壓為12 V，輸出電流為350 mA的LED電源，介紹了反激式變換器拓撲成LED電源的方法。文中首先介紹了反激式變換器的工作原理，之后給出了具體的電源電路并且對每個(gè)元件的作用進(jìn)行了說(shuō)明，特別是對變壓器的制作進(jìn)行了詳細的計算。在最后實(shí)驗結果中，輸出電壓與電流的誤差范圍均在2%以?xún)?，設計達到了要求。