大功率LED恒流驱动电源设计

摘要：为了驱动高功率LED，设计了一种基于隔离反激式原理的恒流驱动开关电源。该设计主要包括反激式开关电源电路的设计、开关电源变压器的选择和设计、功率因数校正电路的设计以及相关的各种保护电路的设计。综合考虑EMI和散热问题，对该电源进行了恰当的PCB设计并完成了实物制作，对该电源进行了输出测试和功率因数测试实验，实验结果表明该电源功率输出稳定，输出电压为41．8 V，电流为338 mA功率因数为0．86，并成功点亮了12个1 W的大功率LED。该设计对大功率LED的应用具有一定的参考价值。
关键词：大功率LED；恒流驱动电源；开关电源；功率因数校正

0 引言
    LED(Light Emitting Diode)是一种注入型电致发光半导体器件，作为21世纪最新发展的环保型光源，有着发光效率高、发光单色性好、寿命长、节能环保等诸多优点，因此被誉为“第四代光源”，随着大功率LED的研究和发展，发光效率超过100 lm／W的功率型LED已经在照明行业得到了广泛的应用，随着技术的发展，大功率LED的特性将日趋完善，但是也存在不少的缺点，其中灯具寿命与LED寿命的不匹配是一个较为严重的问题，一般LED具有很长的寿命，利用LED设计的照明产品，其整体寿命取决于这个设计中寿命最短的部分，而一个LED灯寿命最短的就是驱动电源，因此驱动电源的好坏影响了LED灯具的应用。
    LED的驱动电源大多采用开关电源，比如正激式隔离开关电源、反激式隔离开关电源、推挽式开关电源、桥式和半桥式开关电源等。本文采用的是反激式隔离开关电源，通过合理的元件选择、电路设计、补偿电路设计，探索提高效率和合理的LED驱动电源的设计方法。

1 驱动电源的电路设计
    该驱动电源采用反激式隔离开关电源设计，实现350 mA的恒流输出，可以驱动12个1 W的大功率LED。电路整体设计如图1所示，整个电路的工作原理及工作过程是当110～265 V的交流电输入电路之后经过保险丝F1和EMI滤波电路之后整流，其中的EMI电路由一个共模电感T1和两个X2型电容CX1和CX2组成。在输入端还有一个负温度效应的热敏电阻RT1，这是为了防止浪涌电流对后面的器件造成损害，当电源还没有通电时，热敏电阻的阻值很大，所以可以起到限制浪涌电流的作用；当电路正常工作后，热敏电阻由于有电流通过而发热，导致电阻会变得很小，所以正常工作后，热敏电阻的功率损耗是很小的。

    电流经过整流桥滤波之后再经过CBB电容C1滤波，然后经过功率因数校正电路，使功率因数提高到0．85～0．90之间。之后电流经过初级绕组、开关管Q1和采样电阻R6和R7到地，这就是电源输入端的主回路。通过控制主回路的电流实现恒流控制，具体的方法是通过采样电阻将输入端的电流信号转化为电压信号，反馈到PWM控制芯片的3号引脚调整芯片输出脉冲的占空比来实现。在主回路上，由于开关管在断开的瞬
间初级绕组的能量无法瞬间释放而产生很大的尖峰电压，如果这部分电压无法释放将会造成开关管“打火”而烧毁，所以在初级绕组的两端还要设计尖峰电压吸收回路，这部分电路由肖特基二极管D4、电阻R4，R5和高压瓷片电容C3组成。当开关管断开的时候，二极管D4导通，初级绕组和这部分电路形成了回路，从而实现尖峰电压的吸收。
    电源实现恒流控制的核心是PWM控制芯片082532。电阻R1和R2给芯片提供启动电流。为了提高效率，该电源有一个辅助绕组给芯片供电，辅助绕组的输出经过整流二极管D5和滤波电容C4之后形成大约20 V的电压给芯片供电。同时，这个绕组还起到另外一个关键的作用——电压采样，输出电压经过R9和R10分压之后反馈到芯片的4号引脚。为了使芯片能够稳定的稳压，在芯片的5号引脚和地之间串联一个电容C8作为环路补偿。芯片的2号端口是脉冲的输出端，输出端与场效应管Q1的栅极连接以控制开关管的导通与截止。输入电压经过变压器变压之后，经过超快速恢复二极管D6整流之后由电解电容C5滤波再输出。在二极管D6上，并上电阻R11和电容C7，是由于二极管在电路工作时处在高频的开关状态，加上这部分电路可以避免二极管产生振荡。
    该电源电路涉及的主要分电路的设计分述如下：
1．1 反激式开关电源
    隔离反激式电源的拓扑结构典型电路如图2所示，当开关管VT1导通时，高频变压器T一次绕组的感应电压为上正下负，由于变压器的初级绕组和次级绕组的同名端相反，所以此时次级绕组的整流二极管VD1处于截止状态，初级绕组储存能量；当开关管VT1截止时，变压器初级绕组储存的能量通过次级绕组和VD1整流和电容C1滤波后向负载输出。因此，变压器在这个电路中有两个作用：当开关管导通时，变压器储存能量；开关管截止时，变压器通过磁芯将能量传递给次级绕组，供给负载。这种拓扑结构的输出功率一般在100 W以内，且有较好的电压调整率，如果需要精密控制输出电流，可以在输出回路串联采样电阻通过光耦反馈实现初级绕组和次级绕组的隔离。

1．2 开关变压器的选择与设计
    变压器的设计是开关电源设计的核心，反激式的开关变压器在电路中起到两个作用：储能电感，当开关管导通时，初级绕组开始储存能量；当开关管截止时，初级绕组储存的能量通过磁芯传递给次级绕组。因此，该设计对于电感主要考虑两个方面：一是初级绕组的电感量，这决定了电源的输出功率，可通过改变绕组的线圈匝数改变电感量；二是各绕组之间的匝数比。在计算这两个参数的同时，也涉及到电源的输入功率、输出功率、效率和开关频率等问题。该设计的最大占空比为45％。效率预计为85％，输出功率为40×0．35=14 W，开关频率为60 kHz，经过理论计算并考虑裕量，本设计初级绕组的电感取1．5 mH。根据测试，变压器的磁芯系数为：88．7 μH，所以有初级绕组的匝数为130匝。
    该设计采用的是基于最大占空比的设计方法来确定变压器匝数比，经过理论计算当电源加到负载的电压40 V时，再考虑输出二极管的压降0．6 V，则变压器的匝数比为0．45，这里计算出来的结果是匝数比N的最小值。根据电感量的要求，初级绕组已经确定为130匝，则次级绕组的匝数为58．5匝。为了方便绕制，可将匝数取为60匝，匝数比N为0．46，对于反激式开关电源，最大占空比小于50％时，系统是固有稳定的，不用增加补偿电路。
1．3 功率因数校正电路
    由于LED驱动电路中采用电感和电容等元件，引起相位漂移，所以功率因数比较低，一般不会超过0．6。提高功率因数不仅可以减少线路的损耗，还能减少电源产生的高次谐波对电网的污染，提高供电的质量。该设计采用的“填谷电路”(又称平衡半桥补偿电路)就是无源校正电路中典型的一种，电路原理如图3所示。

    该电路中的电容C1和C2采用10μF／400V的电解电容，两电容参数相同，通过电容的充放电作用，能够增加导通角，在正半周期可以将导通角扩展到30°～150°，在负半周期可拓展到210°～330°。因此通过该电路可以将功率因数从0．6提高到0．85～0．9。

2 驱动电源电路的PCB设计
    一个开关电源的工作性能与电路原理的设计、元件的使用有直接的关系，但是该电源是否能正常工作，PCB的设计也是一个关键点。在合理的原理设计的基础上，作品最终的性能好坏取决于它的布线。不可避免的，PCB的走线会产生一系列的寄生参数，在PCB设计的时候要想办法减小这些参数。同时，开关电源的一些器件会产生热量，因此在PCB设计的时候也要考虑到散热问题。
    EMI(电磁干扰)不仅会干扰无线电系统，还会造成其他设备故障。要减小EMI，首先要确定哪个位置可能会成为EMI源。对于一个开关电源，EMI源的中心就是场效应管，因为它处于快速的导通截止状态，因此存在尖的边沿，含有高频分量。如果高频型号太强，可以在场效应管的栅极串联一个电阻，电阻一般在10～100 Ω的范围。当开关导通和截止时，这个电阻可以降低栅极充电的速度，使高速开关波形边沿变陡，高频谐波含量减小。该设计采用了一个100 Ω的贴片电阻串联在场效应管的栅极和PWM芯片的脉冲输出端之间。在PCB布局的时候，开关电流的路径要尽量保持简短。另外，还要远离低频的元件，比如采样电阻。另一个会产生EMI的位置是尖峰电压的吸收电路。在开关管断开的瞬间，由于初级绕组的电流不能突变，所以会产生一个尖峰电压。该设计对这部分电路的处理时尽可能地将这部分和其他EMI源靠近。如图4所示，尖峰电压吸收电路由D4，R4，R5，C3组成，R8和Q1的栅极之间就是开关电流的路径，这部分的布局比较紧凑，就是为了减小EMI的影响。

    在本电源中，可能会产生较大热量的是场效应管、输出端的整流二极管、尖峰电压吸收电路。其中，场效应管的热量比较大，所以采用散热片给它散热。其他部分主要是通过大面积的覆铜来散热。该设计采用贴片元件和插件元件结合的方式，主要是考虑到实际应用中，要尽可能地减小电源的体积，通过贴片元件和插件结合的方式可以将体积缩小1／2以下，主要是因为体积最大的变压器所在位置的底层可以焊接很多元件。同时，通过这种方式也给布线带来很大的方便，得到的打印预览图如图5所示。

3 结语
    本文给出了一种大功率LED恒流驱动电源的设计方案，该方案包括了涉及到的元器件选择、总体电路设计、关键电路设计、开关电源变压器的参数设计、电源的PCB设计等。经过实际电路运行测试，本电源在通电之后输出参数正常：输出电压为41．8 V，电流为338 mA，设计的要求是输出电压42 V，输出电流(350±20)mA；在220 V输入的情况下，电源的输入电流是75．6 mA；功率因数为0．86，该驱动电源正常驱动了12个1 W的大功率LED灯，运行稳定，效率较高，为LED灯具的设计提供了一个可行的恒流驱动电源设计方案。