【導讀】本文主要講述的是LED光源驅動(dòng)電路，其轉換效率達到了83%以上，并且LED光源耗電量?jì)H為白熾燈的十分之一，壽命延長(cháng)了100倍。本文從設計原理和方法入手，采用電壓和電流雙環(huán)反饋，能夠輸出恒定的電壓和電流，能夠有效延長(cháng)LED的使用壽命。
1 芯片介紹
本設計采用TNY279 電源芯片作為開(kāi)關(guān)電源的控制芯片，TNY279電源芯片在一個(gè)器件上集成了一個(gè)700V高壓MOSFET開(kāi)關(guān)和一個(gè)電源控制器，與普通的PWM控制器不同，它使用簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制方式來(lái)穩定輸出電壓?？刂破靼ㄒ粋€(gè)振蕩器、使能電路、限流狀態(tài)調節器、5.8V 穩壓器、欠電壓即過(guò)電壓電路、限流選擇電路、過(guò)熱保護、電流限流保護、前沿消隱電路。該芯片具有自動(dòng)重啟、自動(dòng)調整開(kāi)關(guān)周期導通時(shí)間及頻率抖動(dòng)等功能。
2 電路的工作原理分析
電源的核心部分采用反激式變換器，結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。整體設計電路圖如圖1。
圖1 電源整體設計電路
2.1 輸入整流濾波電路
考慮到成本、體積等因素，改善諧波采用無(wú)源功率因數校正電路，主要是通過(guò)改善輸入整流濾波電容的導通角方式來(lái)實(shí)現。具體方法是在交流進(jìn)線(xiàn)端和整流橋之間串聯(lián)電感，如圖1 所示C1、C2、L1、L2組成一個(gè)π型電磁干擾濾波器，并使用填谷電路填平電路，減小總諧波失真。填谷電路由D1、D2、、D3、C3、C4、R3組成，限制50Hz交流電流的3次諧波和5次諧波。
經(jīng)整流及濾波的直流輸入電壓被加到T1的初級繞組上。U1(TNY279)中集成的MOSFET驅動(dòng)變壓器初級的另一側。二極管D4、C5、R6 組成鉗位電路，將漏極的漏感關(guān)斷電壓尖峰控制在安全值范圍以?xún)?。齊納二極管箝位及并聯(lián)RC 的結合使用不但優(yōu)化了EMI，而且更有效率。
2.2 高頻變壓器設計
TNY279完全可以自供電的，但是使用偏置繞組，可以實(shí)現輸出過(guò)壓保護，在反饋出現開(kāi)環(huán)故障時(shí)能夠保護負載，有效地減少對LED光源的產(chǎn)生的損害，在本設計中采用偏置繞組，如圖1，同時(shí)可由更低的偏置電壓向芯片供電，抑制了內部高壓電流源供電，在空載時(shí)功耗可降低到40MW以下。Y電容可降低電磁干擾。
2.3 反饋電路設計
次級采用恒流恒壓雙環(huán)控制。NCS1002是一款恒流恒壓次級端控制器。如圖2所示，它的內部集成了一個(gè)2.5V的基準和兩個(gè)高精度的運放。
圖2 NCS1002 芯片內部結構
電壓基準和運放1是電壓控制環(huán)路的核心。運放2則是一個(gè)獨立運放，用于電流控制。在本設計中，電壓控制環(huán)路用于保證輸出電壓的穩定，電流反饋控制環(huán)路檢測LED 平均電流，即電路中R17 上的電流，將其轉換成電壓和2.5V基準比較，并將誤差反饋到TNY279 中來(lái)調整導通。
具體的工作原理是：NCS1002 調節輸出的電壓值，當輸出電壓超過(guò)設定電壓值時(shí)，電流流向光耦LED，從而下拉光耦中晶體管的電流。當電流超過(guò)TNY279 的使能引腳的閾值電流時(shí)，將抑制下一個(gè)周期，當下降的電壓小于反饋閾值時(shí)，會(huì )使能一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，通過(guò)調節使能周期的數量，對輸出電壓進(jìn)行調節，同樣，當通過(guò)檢測到R16上的電流即輸出電流大于設定的值時(shí)，電流通過(guò)另一個(gè)二極管下拉光耦LED 中晶體管的電流，達到抑制TNY279 的下一個(gè)周期的目的，當輸出電流小于設定電流時(shí)會(huì )使能一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，通過(guò)這樣的反饋調節機制，能使得輸出的電壓和電流都處于穩定的狀態(tài)。
當反饋電路出現故障時(shí)，即在開(kāi)環(huán)故障時(shí)，偏置電壓超過(guò)D9 與旁路/多功能引腳電壓時(shí)，電流流向BP/M 引腳。當此電流超過(guò)ISD(關(guān)斷電流)時(shí)TNY279 的內部鎖存關(guān)斷電路將被激活，從而保護負載。由于使用了偏置繞組將電流送入BP/M引腳，抑制了內部高電壓電流源，這樣的連接方式將265VAC 輸入時(shí)的空載功耗降低到40MW有效的降低功耗。
3 電路的參數
3.1 輸入輸出參數
輸入電壓(AC)： 85～265V
頻率：50Hz
輸出電壓： 12V
輸出電流：1.67A
輸出功率：20W
[page]
3.2 變壓器參數計算
在最低電網(wǎng)電壓為85V 時(shí)，最小的直流輸入電壓V MIN ，可通過(guò)下式計算：
式中，ACMIN，PK V是最小輸入電壓的峰值，W IN是電容的放電能量，其中：
放電能量IN W等于需要的峰值輸出功率OPK P和放電時(shí)間/2tLT的乘積：
式中， c t為整流二極管的導通時(shí)間，假設為3ms，L T為20ms，η為轉換效率。計算得IN V大約為88V。在設計變壓器時(shí)，考慮到開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)范圍內其磁通是不連續的。在最小輸入電壓時(shí)的最大占空比為 DMAX=0.5。
初級感應電動(dòng)勢R V是通過(guò)初級線(xiàn)圈的次級電壓的感應值，可以由下式計算：
VDS可以忽略，則VR=88V。
初級電流的最大峰值PKMAX I和最大輸出功率POMAX成正比：
可計算得IPKMAX=1.16A。
初級電感L1的計算。初級電感可以由回掃變壓器的能量方程確定：
開(kāi)關(guān)頻率大約132kHz，所以計算得L1=891μH。
在不連續模式下，磁芯最大磁通密度通常受磁芯損耗的限制，為了使磁芯損耗保持在可接受的范圍內，對于本設計采用EF25 的磁芯，選擇BMAX=0.4 特斯拉來(lái)計算初級線(xiàn)圈的匝數N1。
式中， MINA是磁芯的最小橫截面積。對于EF25，AMIN=52.5mm2，N1=85。
同樣根據設計要求計算得：
次級N2=8，采用兩個(gè)并聯(lián)繞組；偏置繞組N3=9，采用兩個(gè)并聯(lián)繞組。
3.3 變壓器的繞制
圖3 變壓的初級、次級和偏置繞組的繞制示意圖
初級繞組以引腳2作為起始引腳，繞85圈(x1線(xiàn))，在2層中從左向右。在第1層結束時(shí)，繼續從右向左繞下一層。在最后一層上，使繞組均勻分布在整個(gè)骨架上。 以引腳1作為結束引腳，添加1層膠帶以進(jìn)行絕緣。
偏置繞組以引腳4作為起始引腳，繞9圈(x2線(xiàn))。沿與初級繞組相同的旋轉方向進(jìn)行繞制。使繞組均勻分布在整個(gè)骨架上。 以引腳3作為結束引腳，添加3層膠帶以進(jìn)行絕緣。
次級繞組以引腳7作為起始引腳，繞8圈(x2線(xiàn))。 使繞組均勻分布在整個(gè)骨架上。沿與初級繞組相同的旋轉方向進(jìn)行繞制。以引腳6作為結束引腳，添加2層膠帶以進(jìn)行絕緣。
相關(guān)閱讀：
中大功率LED路燈"足夠節能"的散熱設計方案
分享：大功率LED燈珠參數選型及設計技巧
大功率LED真的是最好的嗎？求解析
