徐珍寶,沈 洋,蘇玲愛,陳 亮,金尚忠,周占春

(中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

一種反激式LED驅(qū)動電源變壓器設(shè)計方法

徐珍寶,沈 洋,蘇玲愛,陳 亮,金尚忠,周占春

(中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

變壓器作為LED驅(qū)動電源的核心部分,其設(shè)計方法較多,但是大部分設(shè)計方法都有公式多、計算困難等缺陷.研究提出一種反激式LED驅(qū)動電源變壓器設(shè)計方法，從電感的電學(xué)特性引入變壓器相關(guān)參數(shù)的計算,并結(jié)合工程實踐給出了相關(guān)參數(shù)計算步驟.最終通過相關(guān)實例對該方法進行了驗證,并且與電源設(shè)計軟件PI Expert相比較.結(jié)果表明，該方法有效可行,且對參數(shù)的選擇更具有靈活性.

開關(guān)電源;反激式LED驅(qū)動電源;變壓器設(shè)計方法

伴隨LED發(fā)光效率的提高,特別是在20世紀90年代末白光LED的發(fā)明,為LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用打開了空間,使之成為繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后的新一代光源[1].但對于一個LED燈具來說,要在燈具市場上取得優(yōu)先地位,不僅僅是擁有一個質(zhì)量優(yōu)等的LED芯片的問題,而且擁有一個良好的LED驅(qū)動也是非常有必要的.對于一個LED驅(qū)動器,由于其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的線性恒流源復(fù)雜得多,且其變壓器受很多因素的影響,同時,變壓器也影響著LED驅(qū)動電源的效率、輸出電流、最大輸出功率等諸多性能參數(shù)[2].可見,驅(qū)動電源設(shè)計得是否合理跟變壓器參數(shù)的選擇有很大關(guān)系,因此,擁有一個簡便可靠的變壓器的設(shè)計方法是至關(guān)重要的.本文以反激式LED驅(qū)動電源變壓器的設(shè)計為例,從電感的電學(xué)特性引入變壓器相關(guān)參數(shù)的計算方法,并結(jié)合工程實踐給出了相關(guān)參數(shù)計算步驟,進而給出了一個設(shè)計實例.

1 反激式LED驅(qū)動的工作原理

(1)

在(1)式中:Lp—初級繞組的感量,Vdc—初級繞組兩端的電壓(忽略了MOS管導(dǎo)通壓降),ton—MOS管導(dǎo)通時間.在MOS導(dǎo)通的過程中,初級繞組上的電勢表現(xiàn)為上高下低,而次級繞組上的電勢表現(xiàn)為上低下高,因此,此時二極管D2反向截止,初級繞組上的能量不能傳遞到次級回路中,只能存儲在變壓器磁芯當中.

圖1 反激式LED驅(qū)動原理圖Figure 1 Flyback LED diagram

(2)

在(2)式中:isk—次級繞組上的峰值電流,其計算公式為isk=N·ipk(N為次級繞組匝數(shù)與初級繞組匝數(shù)的比值),uout為輸出電壓(忽略了二極管D2的壓降),toff為MOS管Q1的有效關(guān)斷時間(次級繞組上的電流從開始下降到降為0所經(jīng)歷的時間),Ls為次級繞組的感量.

對于輔助線圈Nf,其主要用于給電源IC供電,當MOS關(guān)斷時給電源IC提供供電能量,且其兩端的電壓表達式為

(3)

2 反激式LED驅(qū)動電源變壓器的設(shè)計步驟

2.1 選擇變壓器的磁芯

對于LED驅(qū)動器的設(shè)計,在選擇磁芯時,我們通常選用EE型磁芯.對于EE型磁芯尺寸的選擇,為了設(shè)計的方便,我們利用查表法選擇,具體表格可參考相關(guān)資料[6].

由于不同的頻率,不同的功率對應(yīng)的磁芯型號都不同.在選擇磁芯型號時,只要確定LED驅(qū)動器的輸出功率及其工作的頻率即可確定所選用的磁芯型號.

2.2 確定變壓器的各繞組的匝數(shù)比

為了能使得輸入電壓最低時,輸出電壓最大時也能達到最大輸出功率,初級繞組與次級繞組的匝數(shù)比應(yīng)滿足如下關(guān)系[7]:

(4)

通常在實際的設(shè)計中,考慮到效率的問題,我們?nèi)?/p>

(5)

對于輔助繞組匝數(shù)與次級繞組匝數(shù)的比值應(yīng)滿足(3)式所表述的關(guān)系,在平時的變壓器設(shè)計中為保證給電源IC的工作電壓能在工作范圍內(nèi)，通常輔助繞組匝數(shù)與次級繞組匝數(shù)的比值應(yīng)滿足如下關(guān)系:

(6)

在(4)、(5)、(6)三式中,Ns、Nf及Np分別表示次級、輔助及初級繞組的匝數(shù),uoutmax表示輸出功率最大時的輸出電壓,uinmin表示初級繞組上的最小輸入電壓,ufmin表示電源IC最小工作電源電壓,ton及toff分別表示輸入電壓最小且輸出功率最大時MOS管的導(dǎo)通時間及有效關(guān)斷時間.對于ton及toff取值,所應(yīng)用的電源IC不同取值有所不同,可根據(jù)電源IC的最佳工作頻率及最佳占空比得出.根據(jù)經(jīng)驗,一般f=40 kHz,D=0.4.(f為電源IC的工作頻率,D為MOS驅(qū)動信號的占空比.)

2.3 確定變壓器各繞組的匝數(shù)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,且保證磁芯不出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,MOS管導(dǎo)通時,Np可由如下公式計算[8-9]:

(7)

在(7)式中：Np—初級繞組匝數(shù),uin—初級繞組上的輸入電壓,ton—MOS管的導(dǎo)通時間,ΔB—磁芯工作時的磁感應(yīng)強度變化范圍,Ae—磁芯的橫截面積.對于如上參數(shù),在設(shè)計時uin通常取初級繞組上的最小輸入電壓,ton取輸入電壓最小且輸出功率最大時MOS管的導(dǎo)通時間,ΔB隨著磁芯材料的不同取值不同(PC40材料通常取0.4T),Ae由所選用的磁芯型號決定.Np求出之后,根據(jù)(5)式和(6)式便可求出Ns及Nf的值.

2.4 確定次級電流峰值isk及初級電流峰值ipk

對于不同的電源IC,其電流調(diào)控的方式不同,計算次級電流峰值isk及初級電流峰值ipk的公式就有所不同,一般通過查閱相關(guān)電源IC的資料即可找出相關(guān)信息,但不管如何，次級電流峰值isk及初級電流峰值ipk始終滿足如下關(guān)系式:

(8)

2.5 確定初級電感感量

當初級繞組兩端的最小輸入電壓uinmin、輸入電壓最小時MOS管的導(dǎo)通時間ton及初級電流峰值ipk確定后,初級繞組的電感感量也就隨之確定,其表達式如下:

(9)

2.6 確定各繞組的線徑

對于所選用線圈的線徑,其取值與流過相應(yīng)繞組的有效電流值有密切關(guān)系,計算公式如下[10]:

(10)

在(10)式中:d—線徑,I—電流的有效值,J—電流密度(通常取7 A/mm2).值得聲明的是,當線圈電流大于10 A時應(yīng)選擇多股線或多根導(dǎo)線并聯(lián)[11].對于輔助繞組,由于其流過的電流較小,所以其線徑?jīng)]有嚴格要求.

3 設(shè)計實例

本例利用華晶的CS6552設(shè)計了一款驅(qū)動,設(shè)計規(guī)格為:輸入電壓85～265AC,輸出12 W/300 mA.

倘若由PIExpert軟件進行設(shè)計,則需要找到與CS6552工作原理相似的芯片,然后再輸入相關(guān)參數(shù)進行設(shè)計,其中所需輸入的參數(shù)除了輸入電壓最大值、輸入電壓最小值、輸出電流、輸出電壓最大值、變壓器工作頻率、工作比例(KP)之外,還包括反射輸出電壓、損耗分配因子、漏極到源極電壓、容差及估計效率等參數(shù).

相比于本文提出的設(shè)計方法,用PIExpert無疑涉及到更多的參數(shù),這不僅會降低變壓器設(shè)計的靈活性,還會降低其開發(fā)效率.用PIExpert軟件計算的變壓器主要參數(shù)與用本文提出的設(shè)計方法計算的變壓器主要參數(shù)對照如表1.

表1 變壓器參數(shù)對照

對于PI Expert設(shè)計的結(jié)果,由變壓器的伏秒原則可知,由于其計算的變壓器的次級匝數(shù)Ns與原邊匝數(shù)Np的比值為0.37,當輸入電壓為85 VAC時,其輸出電壓的最大值為37.7 V,即此時輸出功率會小于12 W,并且MOS的導(dǎo)通時間達到電源芯片的最大值0.5 T,使其負載調(diào)整率也有所降低.由此可見,用PI Expert軟件設(shè)計出的參數(shù)很難滿足設(shè)計要求,后續(xù)的優(yōu)化也較困難.

用本文所提出的設(shè)計方法設(shè)計的變壓器經(jīng)過測試后,相關(guān)波形圖和相關(guān)數(shù)據(jù)如2～3:

圖2 初級繞組兩端的電壓波形Figure 2 Voltage waveform of the primary winding

由圖2可知本例設(shè)計的變壓器基本能使工作頻率達到預(yù)定值,但還是存在一定的誤差,經(jīng)分析,主要原因是變壓器的制作存在偏差且數(shù)據(jù)計算也有一定的誤差.由圖3可知變壓器上的電流變化平穩(wěn),沒有出現(xiàn)飽和等不良現(xiàn)象.

圖3 電流采樣電阻兩端的波形Figure 3 Waveform of the current sampling resistor at both ends

交流輸入電壓/V輸出電流/mA效率/%8529675.811030081.515029984.222029285.226528585.3

由表3可知用本文所述方法設(shè)計的電源效率基本可達80%左右,且在輸入電壓寬度內(nèi)基本能保正輸出電流在300 mA,其恒流精度≤±5%.

表3 負載調(diào)整率測試表

由表3可知,用本文所述方法設(shè)計的變壓器,使用在LED驅(qū)動電源上時,其負載調(diào)整率≤±5%.

4 結(jié) 語

在實際的LED驅(qū)動設(shè)計中,變壓器設(shè)計好后還要結(jié)合所用芯片的實際情況進行不斷的調(diào)試,以達到設(shè)計出最優(yōu)變壓器的目的.本文主要為變壓器的初步設(shè)計提供一種簡便易行的方法,加快變壓器設(shè)計的速度.

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Design of a power supply transformer for flyback LED drivers

XU Zhenbao, SHEN Yang, SU Lingai, CHEN Liang, JIN Shangzhong, ZHOU Zhanchun

(College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Transformer serves as the core part of an LED driver. There are many design methods of transformers. But most designs involve too much formula and calculation. Now, we put forward a novel design of a power transformer for flyback LED drivers. The parameters of the transformer were calculated from the electrical characteristics of inductance. We put forward the calculation procedure combined with engineering practices. Finally, the method was verified by relevant examples and was compared with PI Expert. The results show that the method is effective and feasible and has much flexibility on the choice of parameters.

switching power; flyback LED driver; transformer design

1004-1540(2015)01-0094-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.01.017

2014-09-22 《中國計量學(xué)院學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

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