基于MPS4021的20WLED驅動電源設計

周有平，羅中良，陳國杰

（1.佛山科學技術學院 理學院，廣東 佛山 528000；2.惠州學院 計算機系，廣東 惠州 516007）

1 引言

LED是本世紀最新發展的環保型光源，具有發光效率高、發光單色性好、壽命長和節能環保等諸多優點，是繼白熾燈、節能燈后的又一次照明革命，被譽為第四代光源。從2012年10月開始，國家將按照計劃逐步停止進口和銷售普通白熾燈，LED照明將得到全面的推廣。隨著技術的發展，大功率LED的特性將日趨完善。但實際中LED燈具壽命卻遠小于LED壽命，其中制約的關鍵是燈具中壽命最短的驅動電源，因此驅動電源的好壞影響了LED燈具的應用。由于當前LED照明還未形成正規的標準，在現有的LED驅動電源設計過程中存在著較大的差異。國內市場上存在降低成本的不良競爭，在驅動電源中普遍采用阻容降壓和非隔離方案，導致電源性能不良而影響LED燈具的壽命和安全。隨著LED在照明、背光等場合的深入應用，市場對驅動電源的要求越來越高，近年來，采用原邊反饋方式設計的LED驅動電源發展迅速，與傳統的副邊反饋光耦加TL431的結構相比，其最大的優勢在于省去了兩個芯片以及與之配合工作的一系列元器件，這樣就節省了系統板上的空間，降低了成本并且提高了系統的可靠性。

2 驅動電路設計

本文針對市場上照明應用，采用MPS4021為主芯片的原邊反饋方案進行20WLED驅動電源設計。該方案充分利用芯片的集成功率因數校正電路和獨特的MOSFET控制技術，通過原邊反饋實現對輸出電流的精準恒流控制，并對過流、過壓等安全電路和變壓器進行了設計。芯片引腳圖如圖1所示。

圖1 MP4021芯片引腳圖

2.1 驅動電源設計要求

驅動電源LED負載采用266顆3528燈珠芯片進行14串19并排列，每顆燈珠正向導通電壓Vf為3.0V－3.4V，工作電流If為20mA，整燈電壓額定值為45V、電流額定值為380mA，光功率約為17W，設計要求驅動電源效率大于85%，則電源輸入功率約為20W。

根據以上LED負載參數要求，本文采用MPS4021為主芯片的原邊反饋方案進行20WLED驅動電源設計。要求在全電壓100V－240V輸入范圍內，功率因數滿足能源之星固態照明大于0.9的要求，電磁干擾 EMI（Electro Magnetic Interference）符合EN55015的限制要求，輸出電流精度達到±5%，并且效率達到85%以上符合高能效設計要求，使用壽命大于3萬小時符合長壽命要求，并具備有過流保護和過壓保護功能。具體電路原理圖如圖2所示，設計基本參數如表1所示。

圖2 驅動電源電路原理圖

表1 驅動電源設計基本參數表

2.2 恒流電路設計

原邊反饋方案主要是通過檢查初級峰值電流來控制次級峰值電流達到恒定輸出電流，具體計算如下：

輸出電流：

次級峰值電流

由式（1）（2）可得輸出電流：

由式（3）可求的檢測電阻

在實際調試中R12A、R12B、R12C、R12D選擇2.4Ω電阻可達到輸出380mA電流。

2.3 過流電路設計

MPS4021芯片的ZCD PIN在MOS導通時作為電流的過流檢測引腳，具體設計最大峰值電流如下：

由（4）式可得最大峰值電流為：

當R15取560Ω和R16取2KΩ是最大峰值電流為：

由式（5）可知，只要設計好R15、R16的值即可精確的控制初級峰值電流。當輸出發生短路時，初級電流將超過Is＿pk從而使芯片自動進入過流保護模式。

2.4 過壓電路設計

MPS4021芯片的ZCD PIN在MOS關斷時作為次級輸出電壓的過壓檢測引腳，具體設計輸出最大電壓如下：

由式（6）可得最大輸出電壓為：

當R13取56KΩ和R14取25KΩ是最大輸出電壓為：

由式（7）可知，通過次級繞組與輔助繞組的比例關系Ns／Na和確定R13、R14的取值大小即可精確的調整最大輸出電壓。當輸出過電壓時，ZCD PIN的檢測電壓將大于5.4V，從而使芯片自動進入過壓保護模式。

3 變壓器設計

隔離反激式開關電源電路以其低廉成本、結構簡單和易實現多路輸出等優點，在小于100W的LED驅動電源設計中被廣泛采用，其設計核心之一就是反激式變壓器的設計，合理設計會讓電源效率較高且控制環路容易穩定。

變壓器的選型上本設計選擇的是ED25鐵氧體磁芯，磁芯峰值磁通密度 ，磁芯最大窗口面積 ，并在設計的過程中計算出最小氣隙，防止變壓器進入飽和狀態。由于反激式開關變壓器在電路中起儲能和電感作用，在設計中對于電感主要是確定初級繞組的電感量和各繞組之間的匝數比。其中主要通過匝數改變的初級繞組的電感量可決定電源的輸出功率，在計算上述兩個參數的同時，涉及了驅動電源的輸入輸出功率、效率和開關頻率等問題。針對本設計的電源要求，設計計算過程如下：

3.1 設計要求參數

輸出電流Iout＝0.38A；

輸出電壓Uout＝45V；

最大輸出功率Po＿max＝Iout＊Uout＝17.1W；

電源效率η＝85%；

最大占空比Dmax＝0.45；

電源工作頻率f＝100 KHz；

磁芯最大窗口面積Ae＝38mm2；

磁芯峰值磁通密度B＝0.25T。

3.2 初級繞組感量計算

在100VAC輸入并考慮電網波動時的最小直流輸入電壓，本設計取Vdc＿min＝80V。

3.3 繞組匝數的計算

初級繞組實際取值Ns＝38匝；

輸出整流二極管壓降Vd＝0.6V；

次級繞組實際取值Ns＝17匝；

根據芯片供電電壓，可知輔助繞組電壓Vaux＝15V；

輔助繞組實際取值Naux＿min＝6匝。

3.4 變壓器氣隙的計算

磁芯最小氣隙 。

3.5 漆包線線徑的計算

4 結語

本文針對市場上照明應用，采用MPS4021為主芯片的原邊反饋方案進行20WLED驅動電源設計，該方案充分利用芯片的集成功率因數校正電路和獨特的MOSFET控制技術，通過原邊反饋實現對輸出電流的精準恒流控制，在全電壓范圍內輸出電流精度達±5%、功率因數大于0.9、效率大于85%，使用壽命大于3萬小時，電磁干擾符合EN55015限制要求，并且具備有過流保護和過壓保護功能。同時，設計的原邊反饋方案采用初次級隔離并省去了副邊反饋電路，提高了驅動電源的安全性和可靠性并節約了BOM成本。

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