【LED凈化燈】恒流驅動電源設計的步驟

2017-08-10 09:55:40 admin

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恒流驅動電路，LED燈的壽命(光亮度衰減)與驅動電流的穩定性和電流紋波或雜訊息息相關。

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

　　第一步：明確所設計LED凈化燈驅動反激電源技術要求

　　我們今天先從AC-DC用單端正激式開關電源拓撲開始，因為它是一種小型、經濟，也是開關電源應用較多一種，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

　　如同開關電源設計一樣，LED凈化燈驅動反激電源也是先進行總體考慮，然后對電源各部分分別進行設計，接下來就是設計總體和輔助功能，最后進行測試和設計優化的。下面設計步驟流程：

　　2. 驅動電源模塊功能圖

　　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系表3-4 [2] 選取EI-30。它的有效面積為S=111mm2。

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

　　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)。初級線圈的匝數則是以下公式確定。

　　次級線圈所需要的電壓U2min一定要充分，因此要進行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

　　在開關電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線圈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，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電壓控制在多少毫伏。輸出脈動電壓雖要根據和輸出電容器的等效串聯電阻確定，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 ,容許脈動電流為2.9Ams.

　　流向電容器的紋波電流為：

　　即0.58A<2.9A,說明電容合適

　　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，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。開關功率管VT1接通時，變壓器T1的磁通增加，磁能被儲存到T1，當VT1截止時，即放出這種受激磁的磁能下圖復位線圈到T1上以在VT1截止時通過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：功率開關管選擇

　　圖為MOSFET型功率開關管，它主要具有驅動功率小，器件功率容量大;第二個顯著特點是開關速度快，工作頻率高，另外他的熱穩定性優于GTR等優點，也是目前開關變換器廣泛應用的開關器件。

　　根據單端正激式變換器計開關管VT1承受最大電壓公式得:

　　流過MOSFET開關管最大電流為：

　　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.)選擇二極管時要注意選擇反向恢復時間trr快的二極管。

　　這是因為主開關元件閉合時反向流入二極管的電流會影響初級線圈開關特性并致使損耗增大。同時，輸出噪聲也會受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點。

　　1、選用正向壓降VDF小的整流二極管;

　　2、選用反向恢復時間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

　　任何電源要實現恒流功能，均需對電源的輸出電流進行檢測取樣，與電流設置值即參考值進行比較，經負反饋放大調節(P、PI、PID)。線性串聯穩壓是調節調整管的壓降，而開關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P(比例)、PI(比例積分)、PID(比例積分微分器)實現恒流控制。在反饋系數不變情況下，也可以通過改變電壓或電流實現恒流值控制。

　　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在放大器中進行比較放大，然后將其送至調整管VT的基極，驅動調整管VT對輸出電流IO變化進行補償校正。就可以實現恒流輸出的。

　　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關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LED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，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，可以忽略Iq。當電路中電壓或者是負載發生變化時，MC7815用改變自身壓差來維持通過負載的電流不變的。

　　設RW=1~15 時，那么它輸出恒定電流變化范圍

　　因此可以實現10A恒流輸出的。

　　第九步：緩沖吸收電路設計

　　在開關電源中，由于變壓器的漏感、布線的引線電感存在、開關管在關斷瞬間會產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，反向恢復過程中也會出現很高的反向恢復的碾壓尖峰脈沖。這些過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功率開關管關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生的反向浪涌電壓同時也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會隨之而減少，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

　　芯片框圖及引腳說明

　　1、振蕩器

　　振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時電阻器R17與接在引腳5上的定時電容器C15決定的。當時振蕩頻率。

　　2、啟動電路

　　啟動電路由接在引腳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R10接在外部電路提供集電極電壓。

　　3、限流電路

　　過流保護電路由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。當出現過流時，引腳3上的電壓超過200mV的正負閥值，輸出級被鎖定為低電平，下個脈沖周期來之前，過流閉鎖器復位，對下個周期的過電流進行檢測，限制脈沖寬度。

　　4、過電壓保護電路

　　過電壓保護電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當輸出電壓超過15V時，光電耦合器PC1動作，經過引腳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

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

　　當電源電壓剛啟動時，與R14并聯的電容器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

　　輸出電壓可通過調節R5、R6、R7組成分壓電路確定的：

　　第十一步：PCB布線

　　在畫PCB布線時，應先確定元器件的位置，然后布置地線、電源線、再安排高速

　　信號線，最后考慮低速信號線[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，電源線應盡可能近地線，減小差模輻射的環面積，也有助于減小電路的交擾。

　　2、時鐘線、信號線和地線位置

　　信號線與地線距離較近，形成的環面積較小;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，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導線的不連續性

　　1)、跡線寬度不要突變;

　　2)、導線不要突然拐角。

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