何 穎

恒流開關(guān)電源設(shè)計

何 穎

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

LED照明具有亮度高、功耗低、耐震動、壽命長、外觀尺寸小、響應(yīng)速度快等顯著優(yōu)點，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，近年來LED照明已逐步取代傳統(tǒng)照明，市場規(guī)模逐漸擴大。LED驅(qū)動電源作為LED照明的重要組成部分，直接影響照明效果及使用壽命，近年來也隨著LED照明技術(shù)的進步而得到較大發(fā)展。針對LED照明的特點，根據(jù)實際工程應(yīng)用對LED恒流驅(qū)動開關(guān)電源的要求，以功率因數(shù)調(diào)整等設(shè)計目標為主線，詳細介紹LED驅(qū)動電源各組成模塊，并給出對各個模塊的設(shè)計方法。

LED照明；恒流驅(qū)動；功率因數(shù)；開關(guān)電源

1 引言

LED是一種低壓直流驅(qū)動型器件，需要在LED光源和交流市電之間根據(jù)實際情況裝配不同的電源適配器（LED驅(qū)動電源）[2]。LED發(fā)光強度由流過LED的電流決定，電流過強會造成LED的消損甚至導(dǎo)致LED損壞，電流過弱則會影響LED的發(fā)光強度。在目前技術(shù)條件下，使用市電驅(qū)動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，實現(xiàn)長時間穩(wěn)定工作。針對以上特點及要求，目前LED驅(qū)動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)動的理由

圖1為LED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)通電流將進一步增大，使結(jié)溫進一步升高，最終影響LED壽命甚或?qū)е聼龤??；谏鲜鲇懻摚彰饔肔ED驅(qū)動電源應(yīng)以恒流源為主[3]。

圖1 LED伏安特性曲線

圖2 LED負溫度特性伏安曲線

3 LED驅(qū)動電源設(shè)計基本思路

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

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

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

根據(jù)驅(qū)動需求選取反激變換器作為LED驅(qū)動電源的拓撲結(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85%，功率因數(shù)可達0.9。內(nèi)置輸入電壓補償電路，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償元件，大大簡化了電路設(shè)計，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、驅(qū)動芯片輸入過電壓保護、過電流及過熱保護等功能。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，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 模塊化設(shè)計詳解

4.1 輸入整流及EMI設(shè)計

采用全橋整流電路對交流電進行整流，采用1A/250V熔絲管及壓敏電阻器進行過流保護，同時也吸收浪涌電壓。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，由于L1、L2磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，從而對共模信號產(chǎn)生很大的感抗，使之不易通過[5]。經(jīng)過計算，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

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，它的詳細工作原理如下所述：在PWM信號的控制下，當(dāng)V導(dǎo)通時，L上有脈動直流電流通過而存儲電能，電壓極性是左端為正，右端為負，使VD截止，此時C對后級負載放電；當(dāng)V關(guān)斷時，在L上產(chǎn)生的反向電動勢的極性是左端為負、右端為正，與U（wt）疊加后達到升壓目的，使VD導(dǎo)通；L上存儲的電能通過VD給負載供電，并對C進行充電，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，控制電路只需以PWM方式對V的通、斷進行控制，即可使電感電流自動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)斷時向次級提供能量，此時，初級會受到由次級反射的電壓，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，因此必須添加保護電路來保護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會通過較大電流，所以這種電路會受到瞬態(tài)電壓抑制管溫升的限制。由于沒有電容，不會出現(xiàn)通過電阻的充放電現(xiàn)象，所以在整個負載范圍內(nèi)有較高的效率，同時空載功耗很低。R2不但起限流作用，同時也吸收部分能量，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)計中采用反激變換器作為拓撲結(jié)構(gòu)，其原理如圖10。在脈寬調(diào)制信號的正半周時，V導(dǎo)通，一次側(cè)有電流Ip通過，將能量存儲在一次繞組中。此時二次繞組的輸出電壓是上正下負，使VD截止，沒有輸出；負半周期時，V截止，一次側(cè)沒有電流通過，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，此時在一次繞組上會產(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，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，從而實現(xiàn)恒流的目的。設(shè)計原理圖如圖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)計采樣電阻匹配網(wǎng)絡(luò)、以及過流、過壓、欠壓、溫度保護等網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

半導(dǎo)體技術(shù)仍在不斷發(fā)展，無論LED或電源主控芯片的價格都會隨之有一定程度的下降，因此LED照明的普及率及應(yīng)用前景也將得到進一步提高[8]。大功率、高功率因數(shù)、高轉(zhuǎn)換率的LED驅(qū)動電源將是未來發(fā)展的趨勢。

[1] 沙占友,王彥朋,馬洪濤.LED照明驅(qū)動電源優(yōu)化設(shè)計[M].中國電力出版社,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)動電路設(shè)計 [M].謝運祥，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.

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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