【LED凈化燈】恒流驅動(dòng)電源設計的步驟

LED凈化燈作為一種新的照明用光源，正在逐漸得到大規模和大范圍內的應用;決定LED燈的性能和壽命的核心部分是LED恒流驅動(dòng)電路，LED燈的壽命(光亮度衰減)與驅動(dòng)電流的穩定性和電流紋波或雜訊息息相關(guān)。

　　本文以交流AC供電到輸出恒定直流DC為例，設計中必須進(jìn)行的幾個(gè)步驟，搞定LED恒流驅動(dòng)電源設計。

　　第一步：明確所設計LED凈化燈驅動(dòng)反激電源技術(shù)要求

　　我們今天先從AC-DC用單端正激式開(kāi)關(guān)電源拓撲開(kāi)始，因為它是一種小型、經(jīng)濟，也是開(kāi)關(guān)電源應用較多一種，并且它功率輸出在50～200W是最合適的。設計技術(shù)要求如下：

　　輸入電壓：交流220V±10% 紋波電壓UP：0.5V

　　輸出電壓UO：15V 輸出波動(dòng)電流IP：±0.1A

　　輸出電流IO：10A 占空比：D max=0.42

　　第二步：LED凈化燈恒流反激電源設計步驟

　　1,總體流程圖

　　如同開(kāi)關(guān)電源設計一樣，LED凈化燈驅動(dòng)反激電源也是先進(jìn)行總體考慮，然后對電源各部分分別進(jìn)行設計，接下來(lái)就是設計總體和輔助功能，最后進(jìn)行測試和設計優(yōu)化的。下面設計步驟流程：

　　2. 驅動(dòng)電源模塊功能圖

　　第三步：變壓器設計

　　1、輸出變壓器次級電壓U2計算

　　
　　UL是輸出扼流圈在內次級線(xiàn)圈的電壓降，Uf是輸出二極管的正向電壓。最低的次級電壓U2min為：

　　
　　設：

　　(設定肖特基二極管)，則

　　2、初、次級線(xiàn)圈計算

　　輸入直流電壓U1的最小值使用按輸出電路計算求得的U1min值。根據中國輸配電情況U1=200～253V,則變壓比N為

　　根據輸出容量磁心尺寸關(guān)系表3-4 [2] 選取EI-30。它的有效面積為S=111mm2。

　　磁心材質(zhì)相當于TDK的H7C4,最大工作磁道密度Bm可從圖3-4中查得.實(shí)際使用時(shí)的磁心溫度約100℃，且要選擇能保持線(xiàn)性范圍的Bm，即0.3T以下。當磁心溫度有100℃，工作頻率200KHz時(shí)，約減少0.1T而成為 。根據線(xiàn)圈計算公式則，

　　因而次級N2 = 4，式中Bm為磁心的磁通密度(T);S為磁心的有效截面積(mm2)。初級線(xiàn)圈的匝數則是以下公式確定。

　　次級線(xiàn)圈所需要的電壓U2min一定要充分，因此要進(jìn)行ton max的修正計算。

　　則有，

　　Dmax修正結果為0.42,仍然在0.4～0.45范圍內，可以繼續使用以下計算。

　　第四步：輸出濾波器設計

　　在開(kāi)關(guān)電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線(xiàn)圈Lf 與輸出濾波電容器Cf 構成的“L”型濾波器如下圖。電感線(xiàn)圈對高頻成分呈現很高的感抗，而電容對高頻成分呈現很小容抗，已達到在電路中抑制紋波和平滑直流的作用。

　　1、輸出扼流圈的電感值設計

　　計算流入輸出扼流圈電流

　　L為輸出扼流圈的電感(μH); 為輸出電流的10%~30%。則有

　　電感L值為：

　　由此可見(jiàn)，需要11.86μH，10A的扼流圈。

　　2、輸出濾波電容的確定

　　輸出電容器的選定取決于輸出脈動(dòng)電壓控制在多少毫伏。輸出脈動(dòng)電壓 雖要根據 和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 確定，但一般規定為輸出電壓的0.3%～0.5%范圍。

　　又因

　　就是在200HKz范圍內，需要 值在37.5m 以下電容器的。所以可以選擇20V，8200 H，則 為31m ,容許脈動(dòng)電流為2.9Ams.

　　流向電容器的紋波電流為：

　　即0.58A<2.9A,說(shuō)明電容合適

　　3、濾波器電阻設計

　　要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時(shí)，可以假設電阻值Rd

　　則假設電阻Rd電耗為 Wrd

　　第五步：復位電路計算

　　復位電路如圖所示。開(kāi)關(guān)功率管VT1接通時(shí)，變壓器T1的磁通增加，磁能被儲存到T1，當VT1截止時(shí)，即放出這種受激磁的磁能下圖復位線(xiàn)圈到T1上以在VT1截止時(shí)通過(guò)VD1把磁能反饋到輸入。

　　則磁復位串接在N3的中二極管VD1承受最大電壓為

　　那么選擇VD1額定電壓為800V，這樣基本符合要求的。

　　第六步：功率開(kāi)關(guān)管選擇

　　圖為MOSFET型功率開(kāi)關(guān)管，它主要具有驅動(dòng)功率小，器件功率容量大;第二個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，另外他的熱穩定性?xún)?yōu)于GTR等優(yōu)點(diǎn)，也是目前開(kāi)關(guān)變換器廣泛應用的開(kāi)關(guān)器件。

　　根據單端正激式變換器計開(kāi)關(guān)管VT1承受最大電壓公式得:

　　流過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)管最大電流為：

　　根據下面功率MOSFET表3.7，可以選擇2SK2718型號。它的最高承受電壓為900V，允許最大電流為2.5A，而功率損耗是40W，是上面功率最小損耗的。

　　第七步 輸出二極管選擇

　　輸出二極管有肖特基二極管(SBD),低損耗二極管(LLD)、高速二極管(FRD)。輸出為低壓大電流時(shí)應采用肖特基二極管，其他則采用低損耗或調整二極管。

　　(1.)選擇二極管時(shí)要注意選擇反向恢復時(shí)間trr快的二極管。

　　這是因為主開(kāi)關(guān)元件閉合時(shí)反向流入二極管的電流會(huì )影響初級線(xiàn)圈開(kāi)關(guān)特性并致使損耗增大。同時(shí)，輸出噪聲也會(huì )受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點(diǎn)。

　　1、選用正向壓降VDF小的整流二極管;

　　2、選用反向恢復時(shí)間trr整流二極管;

　　3、選用正向恢復電壓VFRm整流二極管;

　　4、選用反向漏電流IR小整流二極管。

　　(2.)續流二極管VD2選擇

　　續流二極管VD2上的反向電壓UVD2與輸出變壓器次級電壓的最大值是相同的。根據單端正激式變換器公式得:

　　流過(guò)它方向電流Ir一般看作與IO大致相同的，即 Ir=Io=10A..

　　可選擇低損耗二極管MBR1545 作為續流二極管它參數為，Uds=45V, IO=15A,trr<1.0ns。

　　第八步：恒流輸出電路設計

　　1、恒流輸出原理

　　任何電源要實(shí)現恒流功能，均需對電源的輸出電流進(jìn)行檢測取樣，與電流設置值即參考值進(jìn)行比較，經(jīng)負反饋放大調節(P、PI、PID)。線(xiàn)性串聯(lián)穩壓是調節調整管的壓降，而開(kāi)關(guān)電源是調節變換器的脈寬(或占空比)，維持輸出電流的恒定。

　　下圖是恒流控制反饋系統圖。圖中Iref是電流設置基準;CR是電流PI調節;Kfi是電流取樣反饋系數;RS、Ro是電流取樣電阻和負載電阻。該系統采用是電流模式控制，可以檢測變換器輸出電流，適當地選取反饋系數Kfi, 通過(guò)P(比例)、PI(比例積分)、PID(比例積分微分器)實(shí)現恒流控制。在反饋系數不變情況下，也可以通過(guò)改變電壓或電流實(shí)現恒流值控制。

　　下圖是恒流電源常用電路，其中采樣電阻RS串聯(lián)在功率回路里，作為回路電流的采樣元件。它把回路電流轉換成電壓信號，并與基準電壓Uref在放大器中進(jìn)行比較放大，然后將其送至調整管VT的基極，驅動(dòng)調整管VT對輸出電流IO變化進(jìn)行補償校正。就可以實(shí)現恒流輸出的。

　　2、恒流輸出計算

　　恒流輸出電路是采用集成穩壓器構成的開(kāi)關(guān)恒流源電路構成如下圖所示。MC7815為三端固定式集成穩壓器，RL為L(cháng)ED二極管負載電阻，RW為可調電阻器。

　　工作原理：固定式集成穩壓器工作在正常狀態(tài)，在輸出2和公共端3之間接一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調節RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為

　　式中Iq為MC7815的靜電流，小于10mA。當RW較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略Iq。當電路中電壓或者是負載發(fā)生變化時(shí)，MC7815用改變自身壓差來(lái)維持通過(guò)負載的電流不變的。

　　設RW=1~15 時(shí)，那么它輸出恒定電流變化范圍

　　因此可以實(shí)現10A恒流輸出的。

　　第九步：緩沖吸收電路設計

　　在開(kāi)關(guān)電源中，由于變壓器的漏感、布線(xiàn)的引線(xiàn)電感存在、開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷瞬間會(huì )產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復二極管由于存在存儲效應，反向恢復過(guò)程中也會(huì )出現很高的反向恢復的碾壓尖峰脈沖。這些過(guò)電壓尖峰脈沖的出現不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很強的電磁干擾噪聲。為此必須在功率器件兩端設計尖峰電壓緩沖吸收電路。緩沖電路圖如圖中紅框部分：

　　從緩沖電路中均有電容器元件，電容器的端電壓不能突變，當MOSFET功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷是形成尖峰電壓脈沖能量轉移到電容器中儲存，然后電容器的儲能通過(guò)電阻消耗或返回電源，起到緩沖吸收電壓尖端作用。而輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時(shí)也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會(huì )隨之而減少，以及減少損耗和可能出現振蕩。

　　第十步 控制電路設計

　　下面采用是μPC1094C控制電路

　　芯片框圖及引腳說(shuō)明

　　1、振蕩器

　　振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時(shí)電阻器R17與接在引腳5上的定時(shí)電容器C15決定的。當 時(shí)振蕩頻率 。

　　2、啟動(dòng)電路

　　啟動(dòng)電路由接在引腳8上R14接上外部電源為芯片工作提供Vcc=15V電源，而接在引腳9上是通過(guò)R10接在外部電路提供集電極電壓。

　　3、限流電路

　　過(guò)流保護電路由R18、R19 、C16組成。它們是接到引腳3上的，在正常情況下，引腳3上電壓低于200mV。當出現過(guò)流時(shí)，引腳3上的電壓超過(guò)200mV的正負閥值，輸出級被鎖定為低電平，下個(gè)脈沖周期來(lái)之前，過(guò)流閉鎖器復位，對下個(gè)周期的過(guò)電流進(jìn)行檢測，限制脈沖寬度。

　　4、過(guò)電壓保護電路

　　過(guò)電壓保護電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當輸出電壓超過(guò)15V時(shí)，光電耦合器PC1動(dòng)作，經(jīng)過(guò)引腳2接入反饋電壓電路，使輸出級鎖定為低電平。

　　5、最大占空比的設定和軟啟動(dòng)

　　最大占空比是由電阻器R14、R15分壓比來(lái)確定的。為了防止變壓器的磁飽和，

　　當電源電壓剛啟動(dòng)時(shí)，與R14并聯(lián)的電容器C14上電壓不能突變，引腳1上電壓為UREF,占空比為最大的。
　　
　　6、輸出電壓控制電路

　　輸出電壓可通過(guò)調節R5、R6、R7組成分壓電路確定的：

　　第十一步：PCB布線(xiàn)

　　在畫(huà)PCB布線(xiàn)時(shí)，應先確定元器件的位置，然后布置地線(xiàn)、電源線(xiàn)、再安排高速

　　信號線(xiàn)，最后考慮低速信號線(xiàn)[8]。

　　元器件的位置應按電源電壓、數字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互干擾。格局元器件的位置可以確定PCB連接器各個(gè)引腳的安排。所有連接器應安排在PCB的一側，盡量避免從兩側引出電纜，減少共模輻射。

　　1、電源

　　在考慮安全條件下，電源線(xiàn)應盡可能近地線(xiàn)，減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾。

　　2、時(shí)鐘線(xiàn)、信號線(xiàn)和地線(xiàn)位置

　　信號線(xiàn)與地線(xiàn)距離較近，形成的環(huán)面積較小;這樣才合理的。

　　3、按邏輯速度分割

　　當需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí)，高速的器件應按放在緊靠邊緣連接器范圍內，而低速邏輯和存儲器，應放在遠離連接器范圍內。這樣對共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。

　　4、應避免PCB導線(xiàn)的不連續性

　　1)、跡線(xiàn)寬度不要突變;

　　2)、導線(xiàn)不要突然拐角。

　　以上幾個(gè)設計步驟，是設計LED恒流驅動(dòng)電源的一般步驟，今天就介紹到這里。

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　　工作原理：固定式集成穩壓器工作在正常狀態(tài)，在輸出2和公共端3之間接一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調節RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為

　　式中Iq為MC7815的靜電流，小于10mA。當RW較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略Iq。當電路中電壓或者是負載發(fā)生變化時(shí)，MC7815用改變自身壓差來(lái)維持通過(guò)負載的電流不變的。

 

　　設RW=1~15 時(shí)，那么它輸出恒定電流變化范圍

　　因此可以實(shí)現10A恒流輸出的。

 

　　第九步：緩沖吸收電路設計

 

　　在開(kāi)關(guān)電源中，由于變壓器的漏感、布線(xiàn)的引線(xiàn)電感存在、開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷瞬間會(huì )產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復二極管由于存在存儲效應，反向恢復過(guò)程中也會(huì )出現很高的反向恢復的碾壓尖峰脈沖。這些過(guò)電壓尖峰脈沖的出現不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很強的電磁干擾噪聲。為此必須在功率器件兩端設計尖峰電壓緩沖吸收電路。緩沖電路圖如圖中紅框部分：

    從緩沖電路中均有電容器元件，電容器的端電壓不能突變，當MOSFET功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷是形成尖峰電壓脈沖能量轉移到電容器中儲存，然后電容器的儲能通過(guò)電阻消耗或返回電源，起到緩沖吸收電壓尖端作用。而輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時(shí)也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會(huì )隨之而減少，以及減少損耗和可能出現振蕩。

 

　　第十步 控制電路設計

 

　　下面采用是μPC1094C控制電路

 

　　芯片框圖及引腳說(shuō)明

　　1、振蕩器

 

　　振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時(shí)電阻器R17與接在引腳5上的定時(shí)電容器C15決定的。當 時(shí)振蕩頻率 。

 

　　2、啟動(dòng)電路

 

　　啟動(dòng)電路由接在引腳8上R14接上外部電源為芯片工作提供Vcc=15V電源，而接在引腳9上是通過(guò)R10接在外部電路提供集電極電壓。

 

　　3、限流電路

 

　　過(guò)流保護電路由R18、R19 、C16組成。它們是接到引腳3上的，在正常情況下，引腳3上電壓低于200mV。當出現過(guò)流時(shí)，引腳3上的電壓超過(guò)200mV的正負閥值，輸出級被鎖定為低電平，下個(gè)脈沖周期來(lái)之前，過(guò)流閉鎖器復位，對下個(gè)周期的過(guò)電流進(jìn)行檢測，限制脈沖寬度。

 

　　4、過(guò)電壓保護電路

 

　　過(guò)電壓保護電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當輸出電壓超過(guò)15V時(shí)，光電耦合器PC1動(dòng)作，經(jīng)過(guò)引腳2接入反饋電壓電路，使輸出級鎖定為低電平。

 

　　5、最大占空比的設定和軟啟動(dòng)

 

　　最大占空比是由電阻器R14、R15分壓比來(lái)確定的。為了防止變壓器的磁飽和，

 

　　當電源電壓剛啟動(dòng)時(shí)，與R14并聯(lián)的電容器C14上電壓不能突變，引腳1上電壓為UREF,占空比為最大的。

 

　　6、輸出電壓控制電路

 

　　輸出電壓可通過(guò)調節R5、R6、R7組成分壓電路確定的：

 

　　第十一步：PCB布線(xiàn)

　　在畫(huà)PCB布線(xiàn)時(shí)，應先確定元器件的位置，然后布置地線(xiàn)、電源線(xiàn)、再安排高速

 

　　信號線(xiàn)，最后考慮低速信號線(xiàn)[8]。

 

　　元器件的位置應按電源電壓、數字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互干擾。格局元器件的位置可以確定PCB連接器各個(gè)引腳的安排。所有連接器應安排在PCB的一側，盡量避免從兩側引出電纜，減少共模輻射。

 

　　1、電源

 

　　在考慮安全條件下，電源線(xiàn)應盡可能近地線(xiàn)，減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾。

 

　　2、時(shí)鐘線(xiàn)、信號線(xiàn)和地線(xiàn)位置

 

　　信號線(xiàn)與地線(xiàn)距離較近，形成的環(huán)面積較小;這樣才合理的。

 

　　3、按邏輯速度分割

 

　　當需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí)，高速的器件應按放在緊靠邊緣連接器范圍內，而低速邏輯和存儲器，應放在遠離連接器范圍內。這樣對共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。

 

　　4、應避免PCB導線(xiàn)的不連續性

 

　　1)、跡線(xiàn)寬度不要突變;

 

　　2)、導線(xiàn)不要突然拐角。

 

　　以上幾個(gè)設計步驟，是設計LED恒流驅動(dòng)電源的一般步驟，今天就介紹到這里。

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