基于TOPSwitch－Ⅱ的反激式恒流LED驅(qū)動(dòng)電源*

楊家志，易勝利，蔣存波，楊 斐，鐘亞洲，楊 帆

(1．桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004;2．河南電力公司信陽供電公司，河南 信陽464100)

YANGJiazhi1* ，YI Shengli1，JIANGCunbo1，YANGFei1，ZHONGYazhou1，YANGFan2

(1．College of Information Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi541004，China;2．Henan Xinyang Power Supply Company，Xinyang He’nan 464100，China)

LED相對于傳統(tǒng)光源而言具有發(fā)光效率高、控制方便、壽命長、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，逐步在照明、信號指示、醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表等方面替代傳統(tǒng)照明方式，并隨著LED制造技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍和應(yīng)用水平將進(jìn)一步擴(kuò)大和提高［1－3］。

LED的穩(wěn)定和高效率工作依賴于其驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)方式及效率。LED的驅(qū)動(dòng)方式主要有恒壓式和恒流式2種，其中恒流式能夠較為精確的控制LED亮度，對LED的串接個(gè)數(shù)要求較低，并且能夠讓LED更加安全的工作，因而恒流驅(qū)動(dòng)是當(dāng)前流行的驅(qū)動(dòng)方式［4－5］。另外在100 W 以下的開關(guān)電源中，反激式開關(guān)電源所需元件數(shù)量最少，電路簡單，成本較低，因而在這一級別的電源中，常常采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［6］。

因而，本文設(shè)計(jì)了一種反激式恒流LED驅(qū)動(dòng)電源，其核心元件為美國Power Integration公司生產(chǎn)的TOPSwitch－Ⅱ系列芯片中的TOP222，集成了PWM輸出，MOSFET及其驅(qū)動(dòng)，提供了一種單芯片的解決方案，大大簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本［7］。

1 反激式開關(guān)電源工作原理

反激式開關(guān)在100 W以下的開關(guān)電源領(lǐng)域占有較大的市場份額，其電路原理示意圖如圖1所示。反激式開關(guān)的主要由整流電路，濾波電路，變壓器及原邊吸收電路，主開關(guān)及其驅(qū)動(dòng)電路，輸出整流濾波電路，電壓或電流反饋回路等組成。

反激式開關(guān)電源的工作模式迥異于其他開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電流增加，此時(shí)副邊并不輸出能量，變壓器存儲(chǔ)能量;而當(dāng)主開關(guān)截止時(shí)，原邊截止，變壓器存儲(chǔ)的能量通過副邊釋放到負(fù)載上。輸出電壓或電流的調(diào)整通過反饋回路調(diào)整主開關(guān)的占空比實(shí)現(xiàn)。

圖1 反激式開關(guān)電源工作原理示意圖

反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，變壓器和反饋回路的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵所在，關(guān)系到開關(guān)電源的效率和輸出穩(wěn)定性。

2 基于TOPSwitch-Ⅱ的反激式恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)

2．1 TOPSwitch-Ⅱ離線單片式開關(guān)電源芯片

TOPSwitch－Ⅱ系列離線單片式開關(guān)電源芯片是美國Power Integration公司生產(chǎn)的開關(guān)電源專用芯片，其集成了振蕩器、PWM比較器、邏輯電路、高壓MOSFET功率管及保護(hù)電路。TOPSwitch－Ⅱ芯片內(nèi)部功能模塊見圖 2［8］。

圖2 TOPSwitch－Ⅱ芯片內(nèi)部功能模塊圖

TOPSwitch－Ⅱ芯片有3個(gè)管腳，其中，漏極連接內(nèi)部MOSFET的漏極，在啟動(dòng)時(shí)，通過內(nèi)部高壓開關(guān)電流源提供內(nèi)部偏置電流;源極連接內(nèi)部MOSFET的源極，是初級電路的公共點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn);控制極是誤差放大電路和反饋電流的輸入端，在正常工作時(shí)，由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流，系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，可激發(fā)輸入電流，同時(shí)也是提供旁路、自動(dòng)重啟和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。

2．2 TOPSwitch-Ⅱ的反激式恒流開關(guān)電源原理

鑒于TOPSwitch－Ⅱ系列芯片具有集成度高、功能完備、電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，本文根據(jù)輸出功率和輸入電源情況選用TOP222作為主控芯片，并采用恒流式反饋電路，設(shè)計(jì)了一種輸出電流為1 A，額定功率為10 W的反激式恒流電源。該電源的原理圖見圖3。

圖3 基于TOPSwitch的反激式恒流電源原理圖

該反激式恒流式開關(guān)電源由整流濾波電路，變壓器及原邊吸收電路，主控芯片及輔助電路，恒流輸出電路，恒流反饋電路等組成。

整流濾波電路由共模電感L1，整流橋BR1和電容C1、C2組成，其中C1和L1主要過濾來自電網(wǎng)的共模干擾，市電經(jīng)BR1整流后形成310 V左右的直流，C2為后級電路存儲(chǔ)能量。

變壓器是反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一，其設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到開關(guān)電源的工作效率和穩(wěn)定性。關(guān)于本文所涉及的反擊恒流式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)將在下一節(jié)詳細(xì)敘述。瞬態(tài)抑制二極管VR1和快恢復(fù)二極管D1組成變壓器T1原邊的吸收電路，在主開關(guān)U1截止時(shí)能夠把變壓器原邊線圈兩端的電壓箝位到200 V左右的一個(gè)固定值，這個(gè)固定值加上C2兩端的電壓即為施加在U1漏極與源極間的電壓，防止U1漏極與源極電壓過高而擊穿。

主控芯片為TOP222，采用TO220封裝，共3根引腳，分別為控制極、漏極和源極。其所需外圍芯片極為簡單，在控制極需要連接一個(gè)電容C4為控制極提供偏置電壓，并為芯片內(nèi)部的控制和驅(qū)動(dòng)電路供電。

恒流輸出電路較為簡單，快恢復(fù)二極管D3保證在U1導(dǎo)通時(shí)變壓器T1副邊繞組電流為零，變壓器存儲(chǔ)能量，U1截止時(shí)D3導(dǎo)通，變壓器能量通過C6、L2、C8濾波后輸出。

恒流反饋電路把輸出電路的電流以電壓的形式負(fù)反饋到U1的控制極，U1通過調(diào)整開關(guān)工作的占空比改變輸出回路的輸出電壓從而保證輸出電流恒定。且反饋回路與前級電路通過光耦隔離。恒流反饋電路將在2．4節(jié)詳細(xì)敘述。

2．3 基于TOPSwitch-Ⅱ的反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的初始工作條件和預(yù)設(shè)輸出參數(shù)見表1。

表1 反激式開關(guān)電源的初始工作條件和預(yù)設(shè)輸出參數(shù)

在設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源變壓器時(shí)，可先由式(1)確定變壓器原邊與副邊繞組匝數(shù)之比。

其中，NP為原邊繞組匝數(shù)，NS為副邊繞組匝數(shù)，VMIN為輸入交流最小電壓，VDS為主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極源極壓降，TOPSwitch－Ⅱ系列為10 V，VO為輸出電壓，VD為輸出繞組整流二極管正向壓降，為0．4 V，DMAX為主開關(guān)占空比最大值，一般小于0．64。

變壓器反饋繞組匝數(shù)由式(2)確定。

其中，NB為反饋繞組匝數(shù)，VB為反饋繞組輸出電壓，采用光耦反饋電路的VB一般取12 V，VBD為反饋繞組整流二極管正向壓降，為0．7 V。

由能量守恒原理可知變壓器原邊峰值電流:

其中，KRP為電流紋波系數(shù)，其值為紋波電流與峰值電流之比，大小在 0．4 ～1．0 之間，可取0．6。

變壓器原邊繞組電感量為:

原邊電感LP的單位為μH。其中，Z為損耗分配因數(shù)，一般取0．5。其他量見表1。

接下來可根據(jù)電源輸出功率PO的大小選擇合適的磁芯，芯片廠商在設(shè)計(jì)文檔里已經(jīng)給出了輸出功率與可選磁芯的關(guān)系表格。一旦選定了磁芯，就可確定磁芯有效磁通面積AE，磁芯有效磁路長度LE，磁芯在不留間隙時(shí)與匝數(shù)相關(guān)的等效電感AL，繞線骨架的寬度WB。

副邊繞組匝數(shù)NS可根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定，比如輸入電壓為230 VAC時(shí)，

一旦確定了NS，可根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得到NP和NB的大小。

為了防止磁芯飽和，應(yīng)該在磁芯間增加氣隙，氣隙長度為:

其中μr由下式確定:

根據(jù)表1給出的初始工作參數(shù)和上述公式，最終計(jì)算得到的變壓器各項(xiàng)參數(shù)見表2。

表2 反激式開關(guān)電源變壓器參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)繞制變壓器，采用“三明治”繞法，原邊繞組分為兩組，第1組繞完后再繞副邊繞組和輔助繞組，最后繞原邊繞組的第2組。這樣能夠有效地降低變壓器漏感。

2．4 恒流反饋回路工作原理

恒流反饋回路的電路原理圖見圖4。根據(jù)輸出連接的負(fù)載情況，當(dāng)輸出電流小于額定電流時(shí)(例如當(dāng)輸出僅連接1串1 W的LED時(shí)，其輸出電流大約在350 mA)，電路工作恒壓模式;當(dāng)電流逐漸增大到額定電流后，該電路工作在恒流模式。

圖4 恒流反饋回路電路原理圖

當(dāng)該電路工作在恒壓模式下時(shí)，輸出電流小于額定電流1 A，此時(shí)在R6兩端產(chǎn)生的電壓降小于0．68 V(R6=0．68 Ω)，Q2截止，R5兩端的壓降為0，Q1也截止，此時(shí)輸出電壓由穩(wěn)壓二極管D4，R2兩端的電壓和U2內(nèi)部發(fā)光二極管正向壓降決定:

VR2由下式確定:

其中，IC為TOP222控制極輸出電流，通過其數(shù)據(jù)手冊可知，IC的平均值為4．5 mA，CTR為光耦的電流傳輸率，根據(jù)選用的光耦手冊，其典型 CTR為120%。由此可計(jì)算出VR2=0．15 V(R2=39Ω)。

另外光耦內(nèi)部發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)正向壓降的典型值為1．2 V，選用穩(wěn)壓值為8．2 V的穩(wěn)壓二極管，此時(shí)輸出電壓為9．55 V。

當(dāng)該電路工作在恒流模式時(shí)，R6兩端的電壓降使Q2導(dǎo)通，R5兩端的電壓降使Q1導(dǎo)通，U2內(nèi)部發(fā)光二極管正向電流經(jīng)由R3、Q1、R2到地。此時(shí)輸出電流IO有下式確定:

由上式可知輸出電流IO約為1 A。

3 反激式恒流電源的實(shí)現(xiàn)與測試

根據(jù)上述內(nèi)容，本文設(shè)計(jì)了基于TOP222的反激式恒流開關(guān)電源，其PCB見圖5。

同時(shí)，根據(jù)恒流式開關(guān)電源的工作原理，繞制變壓器，并合理選擇相關(guān)元件的參數(shù)，制作出了該開關(guān)電源，其實(shí)物圖見圖6。

圖5 基于TOP222的反激式恒流開關(guān)電源PCB

圖6 基于TOP222的反激式恒流開關(guān)電源實(shí)物圖

在電源的輸出端接入220 V交流電，輸出端接上可變電阻作為負(fù)載。改變負(fù)載電阻值，在電源恒壓階段，輸出電流每改變0．1 A，測量一次輸出電壓值;在電源恒流階段，輸出電壓每改變1 V，測量一次輸出電壓值。其結(jié)果見圖7。

圖7 基于TOP222的反激式恒流開關(guān)電源測試結(jié)果

由圖7可見，該開關(guān)電源具有較好的工作穩(wěn)定性和恒流效果。能夠在輸出端接上數(shù)串LED，若其中一串LED發(fā)生故障，并不會(huì)影響其他串LED的正常工作。因而，此反激式恒流開關(guān)電源適合作為LED驅(qū)動(dòng)電源，在提供穩(wěn)定可靠驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，具有較高的工作效率。

4 結(jié)論

本文基于TOP222設(shè)計(jì)了一款反激式恒流LED驅(qū)動(dòng)電源。首先介紹了反激式開關(guān)電源的工作原理，接下來論述了反激式恒流開關(guān)電源的變壓器設(shè)計(jì)方法及流程，恒流反饋電路工作原理，最后設(shè)計(jì)出開關(guān)電源PCB，并制造了電源實(shí)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電源具有較好的工作穩(wěn)定性和恒流效果，能夠勝任作為LED驅(qū)動(dòng)電源這一角色。

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