一文看懂节能灯适用的高频恒流LED开关电源设计

LED开关电源概述

LED开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

LED开关电源中应用的电子器件主要为：LED二极管、IGBT和MOSFET。SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。

1、开关是：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态

2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频

3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流

LED开关电源是有电路来控制开关管而进行高速的道通和截止。是将直流电转化成高频交流电来给变换器进行变压，使其产生所需要的一组或多组电压！转化为高频交流电的道理是高频交流在变压器电路中的效率要比市电50Hz或60Hz高。因此开关电源变压器可以做到体积很小，在开关电源工作的时候不会很热，产品价格比工频直流稳压电源低．如果不将50Hz或60Hz变为高频电，那么开关电源就没有任何意义。开关电源大体可以分为隔离和不隔离这两种，是隔离型的一定有开关电源变换器，而不隔离的未必一定有开关电源变换器。开关电源与传统直流电源相比具有体积小、重量轻、和效率高等优点。

1、最明显的区别：LED电源是恒流源，一般开关电源是恒压源。

2、LED开关电源的设计难点是体积和价钱。

3、LED电源：首先要求一定要恒流；其次低温低热长寿命；然后小体积；再次防水防腐防静电；最后高频污染。普通电源和低品质LED电源高频污染严重，输出直流即便是加电感和大电容滤波，波形都很复杂。差的电源，电源本身可能不坏，但是LED寿命和光衰都大大降低。

4、LED电源电路实际上多是由开关电源电路+反馈电路这样的形式构成，反馈电路从负载处取样后对开关电路进行脉冲的占空比调整或频率调整，以达到控制开关电路输出的目的。

5、LED开关电源是不需要整流器。

6、LED电源是指给LED照明供电用的电源，多是开关电源，最大的特点恒压恒流输出。

在本方案中，我们所设计的这一适用于节能灯的高频恒流LED开关电源方案，其核心以UC3842为控制部件，完成后的开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。在这一电压电流双闭环控制系统中，我们所设计的变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此，增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。

这一LED开关电源的主要的功能模块包括启动电路、过流过压欠压保护电路、反馈电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析。该电路系统的设计原理图如下图图1所示。

图1 LED开关电源电路原理图

首先我们来看一下这一节能灯适用的LED开关电源启动电路的设计方案。如上图图1所示，在这一电路系统中，交流电由C16、L1、C15以及C14、C13进行低通滤波，其中，C16、C15组成抗串模干扰电路，用于抑制正态噪声。而C14、C13、L1组成抗共模干扰电路，其主要功能是抑制共态噪声干扰。它们的组合应用对电磁干扰由很强的衰减旁路作用。

经过低通滤波和共态噪声干扰抑制后的交流电压，经D1～D4桥式整流以及电解电容C1、C2滤波后，将会变成310V的脉动直流电压。这一脉动直流电压经R1降压后能够给C8充电，当C8的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由脚6输出推动开关管工作。

随着控制芯片UC3842的启动，R1的工作也就基本结束了，余下的任务将会交给反馈绕组来完成，此时反馈绕组将会产生电压给UC3842供电。由于输入电压超过了UC3842的工作，为了避免意外，用D10稳压管限定UC3842的输入电压，否则将出现UC3842被损坏的情况。

LED开关电源的电路设计中，工程师需要综合权衡可能遇到的突发情况，并合理设置相应的保护电路，以此保障开关电源的正常驱动工作。在本方案中，我们所设计的保护措施主要有短路过流、过压以及欠压保护三个方面。

如上图图1所示，如果在这一节能灯适用的高频恒流LED开关电源运行过程中出现了输出端短路而产生过流的情况，此时开关管的漏极电流将大幅度上升，而R9两端的电压将会快速上升，UC3842的脚3上的电压也上升。如果当该脚的电压超过正常值0.3V达到1V（即电流超过1.5A）时，UC3842的PWM比较器将输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时UC3842的脚6无输出，MOS管S1截止，从而对电路起到一个保护作用。

接下来再来看一下本方案中的过压保护电路设计思路。在我们所设计的恒流驱动LED开关电源方案中，如果供电电压发生过压，此时控制器UC3842将无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，UC3842的脚7供电电压也急剧上升，其脚2的电压也上升，关闭输出。如果电网的电压低于85V，UC3842的脚1电压也下降，当下降到lV以下时，则PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。

如果人为意外地将输出端短路，这时输出电流将成倍增大，使得自动恢复开关RF内部的热量激增，它立即断开电路，起到过压保护作用。一旦故障排除，自动恢复开关RF在5s之内快速恢复阻抗。因此，此电路具有短路过流、过压、欠压三重保护。

在本方案中，我们所设计的高频恒流驱动LED开关电源，其反馈电路在设计时主要采用精密稳压源TL431、放大器AD8022和线性光耦PC817来构成。在这一反馈电路的设计中，我们主要利用TL43l可调式精密稳压器构成误差电压放大器和电流放大器AD8022，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图1所示，R4、R5是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放大器。

在这一恒流驱动LED开关电源的电路设计中，反馈电路的设置也是非常重要的，直接关系到功耗的大小和稳压效果。当输出电压升高时，取样电压VR7也随之升高。在这一电路系统的设计中，我们设定电压大于基准电压2.5V时，使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo下降，最后Vo趋于稳定。

相反的，当输出电压下降并引起设置电压下降时，一旦输出电压低于设置电压，则误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得控制器UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。R7、R8的阻值是这样计算的：先固定R7的阻值，再计算R8的阻值，即有公式为：

在我们所设计的这一反馈电路中，AD8022电路通过调节误差放大器的增益来改变误差放大器的输出，并以此来改变开关信号的占空比。这种拓扑结构不仅具有外接元器件较少的特点，而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管，使得输出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本上没有变化。

在这一LED开关电源方案中，输出整流滤波电路设计的合理与否将直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。在本方案中，我们在电源输入端加电容C5，以滤除输入电源的噪声干扰。对于高频噪声，我们所提出的解决方案是在输出端采用π型滤波的方式。滤波电感采用150μH的电感，通过以上合理设置能够有效滤除高频噪声。同时，在本方案中我们还选择采用快速恢复二极管D6、D7整流。基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。

在本方案的整流电路系统设计过程中，我们同样需要解决二极管尖峰电压的问题。在本方案中，我们提出了一种新的解决办法，即整流二极管并联，其具体的电路图如图2所示。这种方法在大功率全桥移相DC/DC电源变换器的项目中得到了应用，实验波形验证了该方法，验证了该方法的有效性。

图2并联整流二极管电路图