恒流开关电源设计
2018-01-04何颖
何 颖
恒流开关电源设计
何 颖
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）
LED照明具有亮度高、功耗低、耐震动、寿命长、外观尺寸小、响应速度快等显著优点，可广泛应用于室内及室外照明、景观及装饰照明、汽车照明、道路照明等领域[1]。由于这些优点，近年来LED照明已逐步取代传统照明，市场规模逐渐扩大。LED驱动电源作为LED照明的重要组成部分，直接影响照明效果及使用寿命，近年来也随着LED照明技术的进步而得到较大发展。针对LED照明的特点，根据实际工程应用对LED恒流驱动开关电源的要求，以功率因数调整等设计目标为主线，详细介绍LED驱动电源各组成模块，并给出对各个模块的设计方法。
LED照明；恒流驱动；功率因数；开关电源
1 引言
LED是一种低压直流驱动型器件，需要在LED光源和交流市电之间根据实际情况装配不同的电源适配器（LED驱动电源）[2]。LED发光强度由流过LED的电流决定，电流过强会造成LED的消损甚至导致LED损坏，电流过弱则会影响LED的发光强度。在目前技术条件下，使用市电驱动LED需要解决压降、整流、隔离、PFC（功率因数校正）、恒流等问题，除此之外还需提高转化效率，并做到小体积、易散热、低成本、抗电磁干扰，实现长时间稳定工作。针对以上特点及要求，目前LED驱动电源基本都采用恒流开关电源方式作为解决方案。
2 选用恒流驱动的理由
图1为LED伏安特性曲线，从曲线中可以看到，LED作为二极管，其伏安特性符合指数方程：
观察式(1)可知，较小的电压变化将引起较大的电流变化，而LED发光亮度是由电流决定，因此较小的电压变化将致使LED发生闪烁。另外LED具有负温度特性，其温度越高导通电阻越低，如采用恒压源，一旦由于环境温度等因素导致LED的结温升高，如图2所示，其伏安特性曲线将整体左移，从而导致其导通电阻降低。由于采用的是恒压源，导通电阻降低后导通电流将进一步增大，使结温进一步升高，最终影响LED寿命甚或导致烧毁。基于上述讨论，照明用LED驱动电源应以恒流源为主[3]。
图1 LED伏安特性曲线
图2 LED负温度特性伏安曲线
3 LED驱动电源设计基本思路
为保障设备及人员安全，使用高频变压器在物理上实现交流市电线路与LED驱动电源之间的隔离。
根据LED的伏安特性和温度等物理特性，LED驱动器采用直流电压恒流驱动。
采用有源功率因数调整技术，利用全控开关器件对输入的电流波形及相位进行控制，使其与电压波形同相位，以达到提高功率因数和降低能耗的目的。
根据驱动需求选取反激变换器作为LED驱动电源的拓扑结构。
选取iw3612作为开关电源的主控芯片，其能够满足88～264V的交流输入电压，芯片内部集成MOSFET，最大输出电流为350mA；超过350mA时可配置外部N沟道MOSFET，最高开关频率为200kHz，输出电流精度为5%，电源效率可达85%，功率因数可达0.9。内置输入电压补偿电路，在不同输入电压下均能改善LED电流稳定性，LED电流可通过外部电阻进行设定[4]。iw3612采用一次侧反馈恒流控制的反激变换器，不需要使用光电耦合器及反馈补偿元件，大大简化了电路设计，并且利用数字技术使功率开关管恰好在反馈波形处于波谷时开始导通，相当于零电压开关技术，有效降低了开关损耗。iw3612还具有开路和短路保护、驱动芯片输入过电压保护、过电流及过热保护等功能。iw3612的工作原理如图3所示。
图3 iw3612原理图
采用电磁干扰滤波器（EMI Filter）作为抗干扰组件，有效抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力，增强系统的稳定性。
4 模块化设计详解
4.1 输入整流及EMI设计
采用全桥整流电路对交流电进行整流，采用1A/250V熔丝管及压敏电阻器进行过流保护，同时也吸收浪涌电压。图4所示的EMI滤波器由共模电感L1、L2以及串模电容C1等组成，当共模干扰出现时，由于L1、L2磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，从而对共模信号产生很大的感抗，使之不易通过[5]。经过计算，可选取L1=L2，I=3A，L=5mH的共模电感，另外R1、R2作为电感泄放电阻，在系统断电时使电感放电。串模电容器可选取630V/3nF电容滤掉串模干扰。整流原理如图5所示。
图4 EMI滤波原理图
图5 整流原理图
4.2 PFC电路设计
目前，采用AC-DC变换器的开关电源均通过整流电路与电网相连，其输入整流滤波器由整流桥和滤波电容构成，二者均属于非线性元器件，使得开关电源对电网电源表现为非线性阻抗。由于大容量滤波电容的存在，使得整流二极管的导通角变窄，仅在交流输入电压的峰值附近才能导通，交流输入电流将因此产生严重失真[6]。图6为未经PFC处理的整流波形。
图6 未经PFC处理的波形
图7 PFC工作原理图
针对这一问题，采用有源PFC升压式变换器加以解决。PFC的工作原理如图7所示，它的详细工作原理如下所述：在PWM信号的控制下，当V导通时，L上有脉动直流电流通过而存储电能，电压极性是左端为正，右端为负，使VD截止，此时C对后级负载放电；当V关断时，在L上产生的反向电动势的极性是左端为负、右端为正，与U（wt）叠加后达到升压目的，使VD导通；L上存储的电能通过VD给负载供电，并对C进行充电，由于VD具有隔离作用，因此整流桥的电流波形不受滤波电容影响；当交流输入电压u以正弦变化时，控制电路只需以PWM方式对V的通、断进行控制，即可使电感电流自动跟踪交流正弦波电压的变化，与之保持同相位。调整后的波形如图8所示。
图8 有源PFC调整波形
4.3 稳压管钳位电路
反激变换器在开关关断时向次级提供能量，此时，初级会受到由次级反射的电压，感应电压的极性与直流输入电压相同，开关管承受两种电压的叠加作用，由于反射电压有尖峰存在，因此必须添加保护电路来保护MOS管[7]。
方案中所采用的是稳压管钳位电路，由于在开关管导通和关断的瞬间，瞬态电压抑制管VR会通过较大电流，所以这种电路会受到瞬态电压抑制管温升的限制。由于没有电容，不会出现通过电阻的充放电现象，所以在整个负载范围内有较高的效率，同时空载功耗很低。R2不但起限流作用，同时也吸收部分能量，从而抑制了振荡。R1由于提供了与VR不同的回路，所以也在一定程度上降低了E-MI。工作原理图如图9所示。
图9稳压管钳位电路原理图
图9 中的各参数为：
VR：1.4Vor＜VR＜200V,0.5～6W
R1：47～330kΩ
R2：0～22Ω，1W
D1：600V，1A
4.4 DC-DC变换
设计中采用反激变换器作为拓扑结构，其原理如图10。在脉宽调制信号的正半周时，V导通，一次侧有电流Ip通过，将能量存储在一次绕组中。此时二次绕组的输出电压是上正下负，使VD截止，没有输出；负半周期时，V截止，一次侧没有电流通过，根据电磁感应原理，此时在一次绕组上会产生感应电压Uor，使二次绕组产生电压Us，其极性为上正下负，从而VD导通，经VD、C整流滤波后获得输出电压，由于开关频率很高，输出电流能基本维持恒定，从而实现恒流的目的。设计原理图如图10。
图10 采用反激变换器结构的DC-DC变换原理图
在实际应用中，还需要考虑输出电压、电流、主控芯片频率等因素，据此为变压器供货方提出制造要求，并设计采样电阻匹配网络、以及过流、过压、欠压、温度保护等网络。
5 结束语
半导体技术仍在不断发展，无论LED或电源主控芯片的价格都会随之有一定程度的下降，因此LED照明的普及率及应用前景也将得到进一步提高[8]。大功率、高功率因数、高转换率的LED驱动电源将是未来发展的趋势。
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Design of Constant Current Switching Power Supply
LED lighting with high brightness,low power consumption,vibration resistant,long service life,small appearance size and fast response etc,can be widely used in indoor and outdoor lighting,landscape and decorative lighting,automotive lighting,road lighting and other fields.Because of these advantages,LED lighting has gradually replaced traditional lighting in recent years,and the market size has gradually expanded.LED driving power supply is an important part of LED lighting,which directly affects the lighting effect and service life,and it also has been developed greatly with the development of LED lighting technology in these years.According to the characteristics of LED lighting and the requirements of practical engineering application to the LED constant current driving switch power supply,taking the design goals such as power factor adjustment as the main line,each module of LED driving power is introduced in detail,and the design methods for each module is given.
LED lighting;Constant current driving;Powerfactor;Switching power supply
10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.005
B
1002-2279-（2017）06-0021-04
何颖(1983-)，女，辽宁省盘锦市人，助理工程师，主研方向：电子信息工程。
2017-11-01
