基于MPS4021的30W LED驅動電源設計

作者簡介：羅中良（1968—），男，江西臨川人，教授，碩士，研究方向：電子信息系統的設計（E-mail：hzlaw@163.com）；李曦雯（1974—），女，廣東惠州人，實驗師，碩士，研究方向：電子信息工程。

摘要：隨著LED技術的日益成熟，LED已經被應用到很多領域，特別是在大功率商業照明領域，LED憑借其具有節能、長壽命、可靠性高、低成本等優點，充分地展現出高性價比的特點。本文設計一種反激式原邊反饋低成本方案的驅動電源，在100-240V電壓范圍內輸出電流精度達到±5%，功率因數大于0.9，效率大于85%，并具有過壓、短路保護功能。通過分析其工作原理并對具體參數給出詳細的計算過程。對LED驅動電源工程師在設計的過程中具有一定的參考價值。

關鍵詞：原邊反饋；MPS4021；LED電源

中圖分類號：TM402文獻標識碼：A

1引言

LED作為新型的節能光源，具有高光效、環保、長壽命等特點。LED使用時需要恒流輸出的驅動電源，目前大多數采用次級反饋方案[1-2]，該方案從輸出端進行電流采樣，再通過運算放大器將信號進行放大后利用光耦進行初次級隔離反饋控制。該方案輸出電流精度較高，但反饋電路元件較多，成本相對較高。本設計采用反激式原邊反饋低成本方案，通過檢查高頻變壓器初級繞組的電流實現對次級輸出電流的控制，輸出電流精度可達到±5%，基本達到LED驅動電源對電流精度的要求，并且集成了功率因數校正電路，所設計電源功率因數大于0.9，能夠符合能源之星對燈具功率因數的要求。電路結構簡單、低成本、高可靠性，在現有市場上具有一定的競爭力。

2原邊反饋方案的工作原理

原邊反饋方案具有結構簡單、低成本、高可靠性等優點。變壓器起到變壓和傳遞能力的作用，控制芯片通過檢測反激變壓器初級繞組的峰值電流來控制次級繞組的輸出電流[3-4]。如圖1所示，電路反饋具有兩個反饋環，一個是通過輔助繞組檢查輸出電壓信號的電壓外環，另一個是通過檢查初級繞組的峰值電流的電流內環。通過設計好這兩個反饋環路，提高系統的穩定性，可以得到較高精度的輸出電流。

3基于MPS4021控制芯片的電路設計

MPS4021是一個初級端控制的離線LED照明控制器。原邊控制可以顯著簡化了LED照明驅動系統消除了光電耦合和在一個孤立的單級轉換器的次級反饋組件[5-7]。其專有的實時電流控制方法，可以從檢測初級電流來準確地控制次級輸出電流。內部集成了電流精度補償模塊，可以提高線路的LED電流精度。

如圖2 MPS4021芯片引腳功能圖所示，MPS4021集成了功率因數校正功能，并在臨界導通模式下工作。功率因數校正功能可以實現在通用電壓范圍內PF>0.9。邊界導通工作模式可減少開關損耗，提高了EMI性能。極低的啟動電流和靜態電流，可以減少功率消耗，同時MPS4021提供了多種先進的保護措施，包括過電壓保護，短路保護，逐周期電流限制和熱關斷，以提高系統的安全性。

本設計采用MPS4021方案設計一種反激式原邊反饋低成本的驅動電源，LED燈板為14串29并排列，本設計選用406顆3528燈珠芯片做為LED負載，每顆燈珠正向導通電壓Vf為3.0V-3.4V，工作電流If為20mA，輸出電壓額定值為45V、輸出電流額定值為580mA，LED燈光功率約為26W，設計要求驅動電源效率大于85%，則電源輸入功率約為30W。具體電路原理圖如圖3所示，驅動電路主要包括浪涌保護電路、功率因數校正電路、MOS管驅動電路、RCD吸收回路、電流反饋電路和過壓、短路保護電路。每一模塊電路合理地設計可以保證電源穩定的工作，提高電源的可靠性，本文主要分析電流反饋電路和過壓、短路保護電路并給出了反激變壓器的詳細計算過程。

4結論

本文采用了MPS4021方案設計了一種反激式原邊反饋低成本的驅動電源，雙閉環反饋系統，電流內環反饋保證了電源輸出電流的穩定，電流精度達到±5%，同時電壓外環反饋也保證了過壓、短路等故障時系統的可靠性。本設計分析原邊反饋方案的工作原理，并對驅動電源的反饋電路、保護電路和高頻變壓器進行了詳細的計算。最終所設計的產品經驗證能夠達到預期設計的效果。

參考文獻

[1]董曉偉，裴云慶，曹建安，等 .一種新型單級PFC變換器的研究[J]. 電力電子技術，2004， 38（4）：32-38.

[2]靳文匯，范蟠果，閆少雄. 一種反激式開關電源變壓器改進設計方法研究[J].電力電子技術，2009，43（1）：62-63.

[3]王兆安，黃俊 .電力電子技術[M].北京：機械工業出版，2002.

[4]楊恒 .LED照明驅動器設計步驟詳解[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5]Marty Brown .電源設計指南（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]Steve Winder .LED驅動電路設計[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[7]Abraham I.pressman .開關電源設計（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2010.

[8]邱關源，羅先覺 .電路 第五版[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]Sanjaya Maniktala.精通開關電源設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[10]張繼紅，王衛，徐殿國. 單級功率因數校正變換器的拓撲研究[J]. 電力電子技術，2005， 2（ 3 ）：118-120.