陳 洋，段哲民，郭 龍

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

當(dāng)前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來面臨的重要的問題，在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，具有體積小、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、高亮度環(huán)保等特點(diǎn)[1]，所以必然是未來發(fā)展的趨勢(shì)，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代。

目前LED驅(qū)動(dòng)電路主要有線性穩(wěn)壓源、開關(guān)穩(wěn)壓源、開關(guān)恒流源等。本文設(shè)計(jì)的LED電源是由反激式變換器拓?fù)涠傻拈_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(chǔ)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(zhuǎn)換功能。下面對(duì)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。在工作過程中，變壓器起了儲(chǔ)能電感的作用，實(shí)際上是耦合電感，用普通導(dǎo)磁材料作鐵芯時(shí)，鐵芯必須留有氣隙，保證在最大負(fù)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(yīng)用。

圖1 Flyback（單端反激）變換器原理圖Fig.1 Flyback （single-ended flyback） converter schematics

Flyback（單端反激）變換器有連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）兩種工作方式。Flyback變換器是耦合電感，對(duì)原邊繞組的自感來講，它的電流不可能連續(xù)，因?yàn)楣β示w管斷開后電流必然為零，這時(shí)必然在次級(jí)繞組的自感中引起電流，故對(duì)Flyback變換器來講，電流連續(xù)是指變壓器兩個(gè)繞組的合成安匝在一個(gè)開關(guān)周期中不為零，與此相反即為電流斷續(xù)。

當(dāng)晶體管Q導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加到變壓器的初級(jí)繞組兩端，由于變壓器對(duì)應(yīng)的極性，次級(jí)繞組下正上負(fù)，二極管截止，次級(jí)繞組中沒有電流流過，負(fù)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(dāng)于一個(gè)電感。

當(dāng)晶體管Q截止時(shí)，原邊繞組開路，次級(jí)繞組的電壓極性上正下負(fù)，二極管D導(dǎo)通，導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在變壓器中的能量通過二極管向負(fù)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控制晶體管的導(dǎo)通的時(shí)間來維持負(fù)載上的穩(wěn)定電壓的。

2 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)LED電源的主要指標(biāo)有：1）輸入電壓為85～265 V；2）輸出電壓為12 V（誤差不超過5%），輸出電流為 350 mA（誤差不超過5%）；3）電源效率為84%左右。根據(jù)要求設(shè)計(jì)出的電路圖如圖2所示。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

此電源主電路為反激式變換器。

在輸入端串聯(lián)的電阻 RF1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(shè)備對(duì)電網(wǎng)的干擾[2]。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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中被稱為“Y電容”。C1和C5都被稱為安全電容，但是C1用于濾除電網(wǎng)中的串模干擾，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中被稱為“X電容”[3]。

VR1與D5組成鉗位電路。在MOSFET導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)線圈電壓上正下負(fù)，使得D5截止，此時(shí)鉗位電路不起作用，而在MOSFET有導(dǎo)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(yīng)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(hù)開關(guān)管。

2.2 輸出電路設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)

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(gòu)成。

其中U3是TI公司生產(chǎn)的可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431，它通過調(diào)節(jié)電阻R7與的R8阻值來調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓值。C10是TL431的頻率補(bǔ)償電容，可以用來提高TL431的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。

U2是線性光耦合器LTV817，其電流傳輸比范圍為80%～160%，能夠較好的滿足反饋回路的設(shè)計(jì)要求。反饋線圈上產(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(zhǎng)TV817供電。LTV817是通過將輸出端電流送至TOP252PN的控制端來調(diào)節(jié)占空比的[4]。

C4為控制端為控制端旁路電容，他能對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償并設(shè)定自動(dòng)重啟頻率。當(dāng)C4=47 μF時(shí)，自動(dòng)重啟頻率為1.2 Hz，即每隔0.83 s檢測(cè)一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除，若確認(rèn)已被排除，就自動(dòng)重啟開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。

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

反饋控制電路的工作原理如下：

當(dāng)輸出電壓VO發(fā)生波動(dòng)且變化量為ΔVO時(shí)，通過取樣電阻R7和R8分壓后，就使T L431的輸出電壓VK也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而使LTV817中LED的工作電流IF改變，最后通過控制端流IC的變化兩來調(diào)節(jié)占空比D，使VO產(chǎn)生相反的變化，從而抵消ΔUO的波動(dòng)。上述穩(wěn)壓過程可歸納為:VO↑→VK↓→IF↑→IC↑→D↓→VO↓→ 最終使VO不變。

2.4 變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器的設(shè)計(jì)整個(gè)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，不論電感、匝數(shù)、線徑、氣隙等參數(shù)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(shè)計(jì)中磁芯選擇為EE16，其磁芯長(zhǎng)度A=16 mm。從廠家提供的磁芯產(chǎn)品手冊(cè)中可查得磁芯有效橫截面積Ae=0.192cm2，有效磁路長(zhǎng)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[5]。

2）確定 VOR和 VR1

電路中輸入電壓為85～265 V，所以其加在變換器上的整流直流電壓最大為：

由于TOP252PN承受電壓約為700 V，留出100 V的裕量所以對(duì)于穩(wěn)壓管VR1應(yīng)有：

故VR1可選用180 V的穩(wěn)壓管。

一般情況下，VR1/VOR=1.4[6]為最優(yōu)比（此時(shí)鉗位消耗曲線下降明顯）固有：

3）最大占空比Dmax

反激式變換器的占空比計(jì)算公式如下（這里將MOSFET的漏-源導(dǎo)通電壓 VDS（ON）記為 10 V）：

4）初級(jí)線圈的電流

5）初級(jí)線圈的電感LP

式中頻率f=50 kHz。

6）初級(jí)線圈匝數(shù)

式中AL為磁芯EE16的磁芯等效電感，且有AL=1140 nH/匝2。

7）次級(jí)線圈匝數(shù)參數(shù)計(jì)算好后，根據(jù)安全系數(shù)和輸入輸出關(guān)系對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，初級(jí)線圈調(diào)整為84匝，次級(jí)線圈9匝。

最后設(shè)計(jì)出的變壓器電特性如圖3，其中Pri=初級(jí)線圈，Psh-1=初級(jí)屏蔽線圈1，Psh-2=初級(jí)屏蔽線圈2，T.I.W.=三層絕緣線。

圖3 變壓器電特性圖Fig.3 Electrical diagram of transformer

根據(jù)變壓器電特性圖設(shè)計(jì)出的變壓器的繞制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中實(shí)心圈“●”表示線圈繞制的起始位置，1，2--NC為屏蔽線圈，4--5為偏置線圈，1，2--3為初級(jí)線圈，6--7為次級(jí)線圈。

圖4 變壓器的繞制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Mechanical diagram of transformer

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)焊接了實(shí)驗(yàn)板，并且在85～265 V的交流電壓范圍內(nèi)對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示，輸出電壓VO和輸出電流IO誤差范圍均在2%內(nèi)，符合誤差在5%以內(nèi)的要求。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of LED power circuit

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過設(shè)計(jì)一臺(tái)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?fù)涑蒐ED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(duì)每個(gè)元件的作用進(jìn)行了說明，特別是對(duì)變壓器的制作進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。在最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，輸出電壓與電流的誤差范圍均在2%以內(nèi)，設(shè)計(jì)達(dá)到了要求。

[1]曲勇，王善忠，張毅仁，等.T8 LED照明燈管電路設(shè)計(jì)[J].燈與照明，2013（1）:42-44.

QU Yong，WANG Shan-zhong，ZHANG Yi-ren，et al.T8 LED lighting tube driver circuit design[J].Light&Lighting，2013（1）:42-44.

[2]徐艷霞.基于TOP Switch反激式高精度開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2012（6）:33-38.

XU Yan-xia.Design of flyback switching power supply with high precision based on the TOP switch[J].Telecom Power Technology，2012（6）:33-38.

[3]段哲民，陳志寅，任艷.單端初級(jí)電感變換器拓?fù)涞腖ED電源設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2010（8）:95-96.

DUAN Zhe-min，CHEN Zhi-yin，REN Yan.Design of LED power supply based on single-ended primary inductance converter[J].Power Electronica，2010（6）:95-96.

[4]楊立杰.多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（6）:23-26.

YANG Li-jie.Design of power supply of multi-terminal export and reverse excitation AC/DC module[J].Modern Electronic Technique，2007（6）:23-26.

[5]劉毅清.高效單級(jí)變換式LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì) [J].通信電源技術(shù)，2012（1）:33-36.

LIU Yi-qing.Design of high performance single-stage transform LEDdriverpower[J].TelecomPowerTechnology，2012（1）:33-36.

[6]Sanjaya Maniktala.精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社，2008.