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一种分段调光LED电源设计

2016-05-14童飞李晓春

数字技术与应用 2016年5期
关键词:触发器

童飞 李晓春

摘要:本文设计了一款基于原边反馈单级反激拓扑的分段调光LED驱动电源。电源采用单级带功率因数校正的Flyback拓扑,通过墙壁开关触发分段调光控制电路,改变初级侧采样电阻阻值,实现次级LED电流的改变。这种调光方案降低了成本,保持了电源系统的高效率。最后,采用矽力杰的电源芯片SYPH83A,恩智浦的双D触发器74HC74制作实验样机。实验证明, 在额定电压220V满载情况下,测得电源效率为90.5%,功率因数0.977。该方案满足单级原边反馈反激拓扑,调光模式满足分段循环切换且调光无闪烁。

关键词:LED电源 分段调光 原边反馈 单级反激 触发器

中图分类号:TN383 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2016)05-0000-00

LED光源具有光效高和寿命长的特点,因此被广泛应用在家用,商业和工业领域[1]。为了更好地发挥LED照明节能的优点,在LED驱动器中加入调光功能是大势所趋[2]。同时,调光技术也可改善灯光舒适度,延长灯具寿命。目前市面上的LED调光的方式主要有三种:线性调光,可控硅调光和PWM 调光。在低成本家居照明应用里,人们通常更倾向于可控硅调光技术,但可控硅调光需维持电流,且调光易出现闪烁。实际上,满额输出的一半作为调光等级也被认为是一种节能技术而大量采用。因此,分段调光在照明应用中也有相当的好处。

本文提出了一种新的分段调光电路设计,基于原边反馈单级反激拓扑,分析了分段调光控制电路的工作原理,利用墙壁开关触发LED驱动器,实现了LED亮度的分段调节。该方案成本低,不需要特殊调光器,操作简单。最后制作样机并测试,试验结果证明了该电路具有很高的实用价值。

1 原边反馈反激电路工作原理

图1为原边反馈单级反激的LED驱动电源电路图。次级省略的光偶和TL431电路,大大减少了元器件,缩小了电源空间,降低了成本。当开关管Q1导通时,整流二极管D6反向截止,输出电容C3给负载供电,此时变压器T1相当于一个纯电感Lp,流过原边绕组的电流线性增加,斜率为,直至达到峰值Lpp;当开关管Q1截止时,变压器所有绕组电压反向,此反向电压使输出二极管D6导通,原边绕组在开关管导通存储的能量 传送到辅助绕组,给输出电容C3供电,同时给负载供电[3-4]。

反激电路拓扑工作在DCM模式(不连续导通模式Discontinuous Conduction Mode)。Vo的采样主要是通过辅助线圈耦合副边线圈,在Tdis时间内,副边线圈上二极管正向导通,副边线圈电流下降,辅助线圈电压。当开关管Q1截止时,次级续流二极管D1将导通期间存储在变压器中的磁场能量传输到负载,根据电流比方程,有:

其中,Ipp为原边电流峰值,Isp为次级电流峰值,Np,Ns分别为反激变压器原边绕组的匝数和次级绕组的匝数。

输出电容在开关管导通时被充电,断开时给负载供电,其平均电流一直为零。因此平均二极管电流必须等于负载电流,有

其中为反激变压器释放能量的时间。

由式(1),(2)得输出电流ILED为

在图1的电路中,电源芯片的Vcs端口的参考电压恒定,Vcs=Ipp* Rcs ,故原边反馈反激电路的输出负载电流ILED为:

由上式可见,保持续流二极管导通时间和开关管周期的比值不变,变压器匝比Nps不变,输出负载电流可以通过改变原边采样电阻Rcs来调整实际输出。因此,低成本的分段调光功能可以通过改变采样电阻Rcs的大小来实现LED亮度的调节,对这部分功能实现的详细描述见一部分。

3基于原边反馈反激电路分段调光工作原理

原边反馈反激电路拓扑工作在DCM模式,实现了驱动电源的高功率因数、高效率。基于这种电路拓扑,设计并实现了LED灯具墙壁开关的分段调光功能。调光主要是通过调节流过LED负载的电流大小来改变LED的亮度,由本文的第三部分可知,增大原边采样电阻Rcs可以降低LED驱动电源的输出电流。图2中,并联在 R5端的两个采样电阻R6,R7分别接N沟道MOS管M2,M3。开关管M2,M3的驱动信号M1,M2可以改变原边采样电阻实际阻值的大小。

第一次闭合墙壁开关S1时刻前,Q1,Q2均为低电平,引脚DATA1,DATA2则均为高电平。闭合墙壁开关S1,辅助绕组线圈给双D触发器Vcc引脚供电,引脚SET1,SET2,RESET1,RESET2变为高电平,引脚CLOCK1 有上升沿信号,根据图3真值表,Q1输出为高电平,此时,引脚CLOCK2 出现上升沿信号, Q2输出为高电平。MOS管M2,M3导通,原边采样电阻R5,R6,R7并联,由公式(5),可知流过负载LED电流最大,亮度最高。

断开墙壁开关,引脚DATA1,DATA2保持为低电平,第二次闭合墙壁开关S1,引脚SET1,RESET1变为高电平,引脚CLOCK1 有上升沿信号,根据图3真值表,Q1输出为低电平,此时,引脚CLOCK2 出现下降沿信号, Q2输出保持为高电平。MOS管M2导通,M3关断,原边采样电阻R5,R6并联,由公式(6),可知流过负载LED电流变小,亮度变暗。

断开墙壁开关S1,引脚DATA2为低电平,DATA1为高电平, 第三次闭合墙壁开关S1,引脚SET1,RESET1变为高电平,引脚CLOCK1有上升沿信号,根据图3真值表,Q1输出为高电平,此时,引脚CLOCK2 出现上升沿信号, Q2输出为低电平,三极管M4导通,Q1变为低电平。MOS管M2,M3关断,原边采样电阻仅有R5,由公式(7),可知流过负载LED电流再次变小,亮度再次变暗。

此调光过程满足三段分段式调光,合理设计原边采样电阻R5,R6,R7,可满足100%,50%,25%循环调节模式。

4系统样机的设计与实验结果

为了验证新型分段调光方案的可行性,设计了一款功率为41W的LED驱动电源,工作范围为100Vac~240Vac,满载输出电流为1080mA。原边反馈反激拓扑的电源控制芯片采用矽力杰的电源芯片SYPH83A,分段调光控制电路中的双D触发器采用恩智浦的74HC74。

LED驱动器性能参数的详细测试结果见表1,驱动器满载工作在五个不同的输入电压下,电源的输出电流恒流率保持在1%以内,且功率因数和系统效率分别达到0.97和91%。

LED驱动器工作在满载工作时的效率为90.5%,在调光轻载输出电流时,效率会降低。但在50%额定LED电流输出时效率仍为83.7%。图4所示曲线为LED驱动器工作在全电压100~240V下,不同输出电流时的效率。

另外,LED驱动电源还满足输出开路,短路保护功能设计。当使电源负载处于开路或短路状态时,电源系统进入保护模式,没有输出。

5结语

本文详细分析了原边恒流控制的原理,提出了一种新的分段调光电路设计思路,最后应用芯片SYPH83A和双D触发器74HC74制作了一款41W的LED驱动器。实验结果表明电源的各项参数都达到了设计要求,并且具有高效率和高功率因数。此外,可兼容原边反馈反激拓扑的电源芯片的使用,可以缩短研发时间,节约成本,节约能源,在照明产品应用中有很大的实用性。在灯具安装时,无需特定的调光器,在固有的家居墙壁开关的操作下,即可实现三段式调光。

参考文献

[1] 廖志凌,阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报,2006,21(9):106-111.

[2]陈浩,席光,刘胜 等.一种精确调光的LED电源设计[J].电源技术,2011,35(2):218-220.

[3]普利斯曼,比利斯,莫瑞.开关电源设计[M].3版.王志强,肖文勋,虞龙,等译.北京:电子工业出版社,2010:1-99.

[4]郭庆明,何云峰,王昌明,等.单端反激式开关电源变压器[J].电子设计工程,2010.5:165-171.

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