杨家志，易胜利，蒋存波，杨 斐，钟亚洲，杨 帆

(1．桂林理工大学信息科学与工程学院，广西桂林541004;2．河南电力公司信阳供电公司，河南 信阳464100)

YANGJiazhi1* ，YI Shengli1，JIANGCunbo1，YANGFei1，ZHONGYazhou1，YANGFan2

(1．College of Information Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi541004，China;2．Henan Xinyang Power Supply Company，Xinyang He’nan 464100，China)

LED相对于传统光源而言具有发光效率高、控制方便、寿命长、环保、节能等优点，逐步在照明、信号指示、医疗设备、仪器仪表等方面替代传统照明方式，并随着LED制造技术和驱动技术的进步，其应用范围和应用水平将进一步扩大和提高［1－3］。

LED的稳定和高效率工作依赖于其驱动电源的驱动方式及效率。LED的驱动方式主要有恒压式和恒流式2种，其中恒流式能够较为精确的控制LED亮度，对LED的串接个数要求较低，并且能够让LED更加安全的工作，因而恒流驱动是当前流行的驱动方式［4－5］。另外在100 W 以下的开关电源中，反激式开关电源所需元件数量最少，电路简单，成本较低，因而在这一级别的电源中，常常采用反激式拓扑结构［6］。

因而，本文设计了一种反激式恒流LED驱动电源，其核心元件为美国Power Integration公司生产的TOPSwitch－Ⅱ系列芯片中的TOP222，集成了PWM输出，MOSFET及其驱动，提供了一种单芯片的解决方案，大大简化了电路设计，降低了成本［7］。

1 反激式开关电源工作原理

反激式开关在100 W以下的开关电源领域占有较大的市场份额，其电路原理示意图如图1所示。反激式开关的主要由整流电路，滤波电路，变压器及原边吸收电路，主开关及其驱动电路，输出整流滤波电路，电压或电流反馈回路等组成。

反激式开关电源的工作模式迥异于其他开关电源拓扑结构，在主开关导通时，变压器原边电流增加，此时副边并不输出能量，变压器存储能量;而当主开关截止时，原边截止，变压器存储的能量通过副边释放到负载上。输出电压或电流的调整通过反馈回路调整主开关的占空比实现。

图1 反激式开关电源工作原理示意图

反激式开关电源的设计中，变压器和反馈回路的设计是关键所在，关系到开关电源的效率和输出稳定性。

2 基于TOPSwitch-Ⅱ的反激式恒流开关电源设计

2．1 TOPSwitch-Ⅱ离线单片式开关电源芯片

TOPSwitch－Ⅱ系列离线单片式开关电源芯片是美国Power Integration公司生产的开关电源专用芯片，其集成了振荡器、PWM比较器、逻辑电路、高压MOSFET功率管及保护电路。TOPSwitch－Ⅱ芯片内部功能模块见图 2［8］。

图2 TOPSwitch－Ⅱ芯片内部功能模块图

TOPSwitch－Ⅱ芯片有3个管脚，其中，漏极连接内部MOSFET的漏极，在启动时，通过内部高压开关电流源提供内部偏置电流;源极连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点和基准点;控制极是误差放大电路和反馈电流的输入端，在正常工作时，由内部并联调整器提供内部偏流，系统关闭时，可激发输入电流，同时也是提供旁路、自动重启和补偿功能的电容连接点。

2．2 TOPSwitch-Ⅱ的反激式恒流开关电源原理

鉴于TOPSwitch－Ⅱ系列芯片具有集成度高、功能完备、电路简单等优点，本文根据输出功率和输入电源情况选用TOP222作为主控芯片，并采用恒流式反馈电路，设计了一种输出电流为1 A，额定功率为10 W的反激式恒流电源。该电源的原理图见图3。

图3 基于TOPSwitch的反激式恒流电源原理图

该反激式恒流式开关电源由整流滤波电路，变压器及原边吸收电路，主控芯片及辅助电路，恒流输出电路，恒流反馈电路等组成。

整流滤波电路由共模电感L1，整流桥BR1和电容C1、C2组成，其中C1和L1主要过滤来自电网的共模干扰，市电经BR1整流后形成310 V左右的直流，C2为后级电路存储能量。

变压器是反激式开关电源设计的难点和重点之一，其设计的好坏关系到开关电源的工作效率和稳定性。关于本文所涉及的反击恒流式开关电源变压器设计将在下一节详细叙述。瞬态抑制二极管VR1和快恢复二极管D1组成变压器T1原边的吸收电路，在主开关U1截止时能够把变压器原边线圈两端的电压箝位到200 V左右的一个固定值，这个固定值加上C2两端的电压即为施加在U1漏极与源极间的电压，防止U1漏极与源极电压过高而击穿。

主控芯片为TOP222，采用TO220封装，共3根引脚，分别为控制极、漏极和源极。其所需外围芯片极为简单，在控制极需要连接一个电容C4为控制极提供偏置电压，并为芯片内部的控制和驱动电路供电。

恒流输出电路较为简单，快恢复二极管D3保证在U1导通时变压器T1副边绕组电流为零，变压器存储能量，U1截止时D3导通，变压器能量通过C6、L2、C8滤波后输出。

恒流反馈电路把输出电路的电流以电压的形式负反馈到U1的控制极，U1通过调整开关工作的占空比改变输出回路的输出电压从而保证输出电流恒定。且反馈回路与前级电路通过光耦隔离。恒流反馈电路将在2．4节详细叙述。

2．3 基于TOPSwitch-Ⅱ的反激式开关电源变压器设计

所设计的开关电源的初始工作条件和预设输出参数见表1。

表1 反激式开关电源的初始工作条件和预设输出参数

在设计反激式开关电源变压器时，可先由式(1)确定变压器原边与副边绕组匝数之比。

其中，NP为原边绕组匝数，NS为副边绕组匝数，VMIN为输入交流最小电压，VDS为主开关导通时漏极源极压降，TOPSwitch－Ⅱ系列为10 V，VO为输出电压，VD为输出绕组整流二极管正向压降，为0．4 V，DMAX为主开关占空比最大值，一般小于0．64。

变压器反馈绕组匝数由式(2)确定。

其中，NB为反馈绕组匝数，VB为反馈绕组输出电压，采用光耦反馈电路的VB一般取12 V，VBD为反馈绕组整流二极管正向压降，为0．7 V。

由能量守恒原理可知变压器原边峰值电流:

其中，KRP为电流纹波系数，其值为纹波电流与峰值电流之比，大小在 0．4 ～1．0 之间，可取0．6。

变压器原边绕组电感量为:

原边电感LP的单位为μH。其中，Z为损耗分配因数，一般取0．5。其他量见表1。

接下来可根据电源输出功率PO的大小选择合适的磁芯，芯片厂商在设计文档里已经给出了输出功率与可选磁芯的关系表格。一旦选定了磁芯，就可确定磁芯有效磁通面积AE，磁芯有效磁路长度LE，磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL，绕线骨架的宽度WB。

副边绕组匝数NS可根据输入电压和输出电压确定，比如输入电压为230 VAC时，

一旦确定了NS，可根据式(1)和式(2)计算得到NP和NB的大小。

为了防止磁芯饱和，应该在磁芯间增加气隙，气隙长度为:

其中μr由下式确定:

根据表1给出的初始工作参数和上述公式，最终计算得到的变压器各项参数见表2。

表2 反激式开关电源变压器参数

根据上述参数绕制变压器，采用“三明治”绕法，原边绕组分为两组，第1组绕完后再绕副边绕组和辅助绕组，最后绕原边绕组的第2组。这样能够有效地降低变压器漏感。

2．4 恒流反馈回路工作原理

恒流反馈回路的电路原理图见图4。根据输出连接的负载情况，当输出电流小于额定电流时(例如当输出仅连接1串1 W的LED时，其输出电流大约在350 mA)，电路工作恒压模式;当电流逐渐增大到额定电流后，该电路工作在恒流模式。

图4 恒流反馈回路电路原理图

当该电路工作在恒压模式下时，输出电流小于额定电流1 A，此时在R6两端产生的电压降小于0．68 V(R6=0．68 Ω)，Q2截止，R5两端的压降为0，Q1也截止，此时输出电压由稳压二极管D4，R2两端的电压和U2内部发光二极管正向压降决定:

VR2由下式确定:

其中，IC为TOP222控制极输出电流，通过其数据手册可知，IC的平均值为4．5 mA，CTR为光耦的电流传输率，根据选用的光耦手册，其典型 CTR为120%。由此可计算出VR2=0．15 V(R2=39Ω)。

另外光耦内部发光二极管导通时正向压降的典型值为1．2 V，选用稳压值为8．2 V的稳压二极管，此时输出电压为9．55 V。

当该电路工作在恒流模式时，R6两端的电压降使Q2导通，R5两端的电压降使Q1导通，U2内部发光二极管正向电流经由R3、Q1、R2到地。此时输出电流IO有下式确定:

由上式可知输出电流IO约为1 A。

3 反激式恒流电源的实现与测试

根据上述内容，本文设计了基于TOP222的反激式恒流开关电源，其PCB见图5。

同时，根据恒流式开关电源的工作原理，绕制变压器，并合理选择相关元件的参数，制作出了该开关电源，其实物图见图6。

图5 基于TOP222的反激式恒流开关电源PCB

图6 基于TOP222的反激式恒流开关电源实物图

在电源的输出端接入220 V交流电，输出端接上可变电阻作为负载。改变负载电阻值，在电源恒压阶段，输出电流每改变0．1 A，测量一次输出电压值;在电源恒流阶段，输出电压每改变1 V，测量一次输出电压值。其结果见图7。

图7 基于TOP222的反激式恒流开关电源测试结果

由图7可见，该开关电源具有较好的工作稳定性和恒流效果。能够在输出端接上数串LED，若其中一串LED发生故障，并不会影响其他串LED的正常工作。因而，此反激式恒流开关电源适合作为LED驱动电源，在提供稳定可靠驱动的同时，具有较高的工作效率。

4 结论

本文基于TOP222设计了一款反激式恒流LED驱动电源。首先介绍了反激式开关电源的工作原理，接下来论述了反激式恒流开关电源的变压器设计方法及流程，恒流反馈电路工作原理，最后设计出开关电源PCB，并制造了电源实物。实验结果表明，该驱动电源具有较好的工作稳定性和恒流效果，能够胜任作为LED驱动电源这一角色。

［1］ 沈霞，李红伟，许瑾．基于无光耦反激变换器的LED驱动电源设计［J］．电测与仪表，2012，49(7):97－100．

［2］ 陈景忠．一种直流LED恒流源电路分析与研究［J］．电源技术，2012，36(12):1928－1930．

［3］ 张准，陈晓冰．大功率LED恒流驱动电源设计［J］．现代电子技术，2012，35(16):164－166+170．

［4］ 陈光，张兵．MC34844/A恒流驱动芯片在LED背光驱动上的应用［J］．光电子技术，2012．32(3):200－205．

［5］ 孙颖，侯艳波，张利利，等．基于MP2481和BH1710的自调光LED 驱动器设计［J］．电子器件，2013，36(1):105－108．

［6］ 晏剑辉．新型LED路灯电源驱动器研究［J］．电子器件，2013，36(3):426－430．

［7］ 孙鹏，王永彬．基于TOP247YN带单级PFC的20 W反激式恒流 LED 驱动器设计［J］．灯与照明，2009，33(04):47－49．

［8］ Power Integrations，INC．TOPSwitch－Ⅱ Family，Three-terminal Off-Line PWM Switch，1998［EB/OL］http://www．powerint．com．