大功率恒流LED驅動(dòng)電源方案分享之電路設計

在上周周五的文章中，我們針對一種大功率LED驅動(dòng)電源方案的設計原理進(jìn)行了詳細介紹，并對這一LED電源的PFC電路設計方案進(jìn)行了簡(jiǎn)析。今天我們將會(huì )繼續就這一大功率恒流LED驅動(dòng)電源方案展開(kāi)分享，并針對該方案中的電路設計部分進(jìn)行重點(diǎn)闡述和介紹。

調光電路設計

相信通過(guò)上周周五的恒流LED電源設計原理介紹，大家應該都非常清楚，這一方案主要采用PWM調光的方式來(lái)對驅動(dòng)電源調光電路進(jìn)行設計。因此，在這一設計的基礎上，我們對驅動(dòng)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)要的改動(dòng)設計。下圖中，圖1是LED驅動(dòng)電路的結構簡(jiǎn)圖，我們所設計的這一驅動(dòng)電源在輸出端做出了如下圖圖2所示的改動(dòng)，即是在輸出端LED的燈串中串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)管，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導通和關(guān)斷來(lái)改變平均輸出電流。

從圖2所展示的這種大功率恒流LED電源的調光電路圖中可以看到，在這一電路系統的設計中，我們選擇將NCS1002的Vcc端與V3相連，并將CON2端為輸入PWM信號端口。采用該種設計的特點(diǎn)和缺陷非常明顯，當輸入PWM信號為低電平時(shí)，三極管V5的集電極與發(fā)射極截止，V3的柵源兩端電壓為Vcc，約為14V，V3處于導通狀態(tài)，LED正常發(fā)光。而當輸入信號為高電平時(shí)，V5的集電極與發(fā)射極導通，V3的柵源兩端電壓被拉低，V3截止，LED不發(fā)光?？紤]到輸出端被斷開(kāi)時(shí)，采樣電阻上不產(chǎn)生電壓，為瞬間的開(kāi)路狀態(tài)。

圖1 LED驅動(dòng)電路結構簡(jiǎn)圖

圖2 調光電路的電路圖

因此，在了解了這一調光電路設計過(guò)程中的主要問(wèn)題之后，為了解決這一缺陷，在本次所設計的大功率恒流LED電源的電路系統中，我們特別添加V4和C12。由上圖圖2可見(jiàn)，V3和V4同時(shí)導通和關(guān)斷，在V3、V4關(guān)斷時(shí)，恒流控制環(huán)檢測到C12兩端的電壓，即正常工作時(shí)R12兩端的電壓，稱(chēng)為虛擬電壓。而在添加了V4與C12之后，當PWM信號頻率足夠高時(shí)，輸出端開(kāi)路時(shí)間很短，C12尚未完全放電，恒流控制環(huán)將C12兩端電壓作為檢測到的電壓，從而使電路保持正常工作。所以由于虛擬電壓，此時(shí)的PWM調光電路就不會(huì )影響電路的恒流效果了。

變壓器匝數計算及設計

在完成了調光電路以及硬件設計之后，接下來(lái)我們需要做的是整個(gè)LED電源設計中最關(guān)鍵的一部分，那就是完成電源變壓器的匝數計算和相關(guān)的設計工作。由于在本方案中，我們所設計電路的輸出額定功率是75W，因此，我們選擇型號為PQ3230的變壓器磁芯。查表得其磁芯面積為1.6cm2，驅動(dòng)電源的效率為85%，這里取輸入最小電壓120V和最大占空比0.45，則變壓器初級的平均電流為Iav=Po/(ηUinmin)，經(jīng)計算得出結果為0.74A。

在已經(jīng)得出了電源變壓器的初級平均電流值之后，接下來(lái)我們需要計算的是這一LED驅動(dòng)電源變壓器的初級峰值電流Ipk，為了得到精確的計算結果，此時(shí)我們需引入初級的電流變化量△I，與Ipk的比值Krp。由于LED電源的主電路工作在CCM模式，因此取Krp=0.7，則可得出公式為IgvT=(Ipk-IpkKrp+Ipk)ton/2，式中T為工作周期，T=1/∫，ton=TDmax。計算得到Ipk為2.53A，進(jìn)一步可得到初級的電感量和匝數分別為：

在上述公式中，磁通密度△B的值一般取0.1～0.2T之間。通過(guò)對該公式的推導和演算，解得Lp=436μH，Np=33匝。又因輸出電壓Uo=50V，續流二極管壓降Uvo=1V。根據公式Ns=(Uo+UVD)Np/Uinmin，得到次級匝數為14匝，進(jìn)一步可得輔助繞組匝數為5匝。

實(shí)驗測試結果

在完成了對該種大功率恒流LED驅動(dòng)電源的硬件及電路設計好，接下來(lái)需要做的就是制作樣機并進(jìn)行實(shí)驗。首先我們要對未加調光電路的驅動(dòng)電源進(jìn)行實(shí)驗測試。實(shí)驗條件為輸入為90～260V交流電壓、負載為75W的LED燈串(即60個(gè)3.5V/0.35A的LED燈)。下圖中，圖3(a)示出全電壓下驅動(dòng)電路輸出電流、功率因數及轉換效率。

從圖3(a)中可以看出，在沒(méi)有添加調光電路的前提下，當輸入交流電壓在90～260V之間變化時(shí)，這一恒流大功率LED驅動(dòng)電源的輸出電流變化范圍為1.472～1.593A，波動(dòng)率為8.16%。驅動(dòng)電路的功率因數一直非常高，保持在0.95以上。而當輸入電壓低于220V時(shí).隨輸入電壓的升高，驅動(dòng)電路的轉換效率逐漸提高，最高可達86%。當輸入電壓高于220V時(shí)，轉換效率隨電壓升高略有下降。

接下來(lái)我們在樣機在原有的驅動(dòng)電路上增加本文中所設計的調光電路，在添加調光電路的同時(shí)，利用n555定時(shí)器電路產(chǎn)生PWM信號輸入CON2端口，在220V的輸入電壓條件下，改變輸入PWM信號的占空比。負載仍是75w的LED燈串。下圖中，圖3(b)示出不同占空比的PWM信號下驅動(dòng)電路輸出電流、功率因數及轉換效率。

(a)

(b)

圖3 輸出電流、功率因數及轉換效率

從上圖中圖3(b)的LED電源輸出電流、功率因數及轉換效率曲線(xiàn)圖可知，在輸入220V交流電壓條件下，在這一大功率恒流LED驅動(dòng)電源的主電路系統中隨著(zhù)PWM 占空比的減小，輸出電流也減小，占空比在0.2～1之間變化時(shí).輸出電流的變化范圍為0.6～1.5A。當占空比大于0I3時(shí)，驅動(dòng)電路的功率因數基本不變，保持在0.9以上。當占空比低于0-3時(shí)，功率因數有明顯下降，但仍維持在0.88以上。轉換效率隨著(zhù)占空比的減小而減小，最低降至約50%。