一款小功率基于原邊控制技術的反激式LED恒流驅動電路

吳影清,劉廷章,沈晶杰,熊 峰

(1.上海大學 機電工程與自動化學院,上海 200072；2.上海亮碩光電子科技有限公司 上海 201112)

一款小功率基于原邊控制技術的反激式LED恒流驅動電路

吳影清1,劉廷章1,沈晶杰1,熊 峰2

(1.上海大學 機電工程與自動化學院,上海 200072；2.上海亮碩光電子科技有限公司 上海 201112)

文中設計了一款額定功率為3W的反激式LED恒流驅動電路,利用原邊控制技術,去除了隔離光耦與二次側輔助調整電路,解決了傳統電路電源布局要求高,體積大的問題。文中分析了電路實現恒流與恒壓的原理,并介紹了電路元件參數。當輸入電壓在60～260 VAC下變動時輸出電流精度為6.4﹪。實驗結果表明該電路具有結構簡單、高恒流精度以及高穩定性的優點。

原邊反饋；恒流；反激；LED；驅動電路

LED需要恒定電流驅動,電流過大會縮短其壽命,過小會明顯降低其亮度。目前,LED常采用的驅動方式有電阻限流、電荷泵、線性電源、開關電源等4大類。開關電源驅動是目前效率最高的能量轉換方式［1］,具有功耗小、效率高、穩壓范圍寬、體積小、性能可靠等優點,缺點是電路復雜、成本高、且會產生電磁干擾。反激電路是開關電源的一種常見的拓撲結構,在100 W以下的中小功率LED燈具的驅動中,反激拓撲因電路簡單、電氣隔離等優點得到了最廣泛的運用。傳統的反激電路通常運用副邊反饋控制,通過使用隔離光耦實現,對于電源的布局提出了很高要求,并限制了其體積。對于小功率LED驅動電路,這是一大難題。

1 電路結構設計與工作原理

1.1 電路基本結構設計

文中基于iW3620芯片設計了一款反激式LED恒流驅動電路,電壓輸入為60-260 VAC,輸出電壓/電流為10.2 V/350 mA,額定負載為3 W,驅動負載為3個大功率白光LED（每顆1 W/350 mA）。圖1為電路的基本結構如圖1所示。

在電路中,BDR為整流橋,L1,C1與C2組成了π型濾波電路。R2,C3與D1組成了原邊鉗位保護電路用以保護開關管,防止其由于高頻變壓器的漏感形成的尖峰電壓而被擊穿。T為高頻變壓器,D3為輸出端濾波二極管,C4為輸出端濾波電容,R10與輸出并聯,起到對電路的保護作用。iW3620為該電路的控制芯片,用以控制MOSFET開關的占空比。R9為電流采樣電阻,R5與R6為電壓反饋檢測電阻,D2為輔助邊整流二極管。

考慮到電路傳輸過程中的延遲以及MOSFET開啟時的延遲,R8與C8組成延遲網絡來對上述延遲進行補償。與此同時R8可以減小在在MOSFET開啟過程中R9上的電流峰值。

1.2 副邊反饋控制部分設計

傳統的副邊反饋控制通常是使用隔離光耦PC817以及可調基準源TL431所組成的閉環系統來實現的。如圖2所示,電路通過由電阻R1與R2所組成的輸出電壓采樣電路來獲取輸出電壓信號,TL431將該信號與其內部的2.5 V基準電壓進行比較來獲取誤差信號,該誤差信號由光耦中的發光二極管轉換為光信號,光耦在電路高壓端的光敏晶體管將該光信號再一次轉換為電信號,該電信號由控制電路反饋端檢測以調整開關管的占空比,從而實現調節電路的輸出大小的功能。

圖1 LED恒流電路結構Fig.1 LED constant current circuit structure

圖2 副邊反饋電路結構Fig.2 Side feedback circuit structure

由于其具有精度高與反應速度快的特點,因而被廣泛運用于各類場合。然而,若驅動器的體積被嚴格限制,隔離光耦對于電路的整體布局就會成為一個很大的問題。除此之外,隔離光耦的使用還會帶來另外一個問題。光耦的最高工作溫度相對于電路中的其他元件要低很多,因此一旦在電路中使用了光耦就必須將電路的工作頻率限制在20～30 kHz,如此電路就難以工作在更高的頻率下。

1.3 原邊反饋控制部分設計

根據實際運用需要,文中使用原邊反饋控制,省去了二次側調整電路與配套的隔離光耦,使電路設計得到了簡化。為精確控制輸出電壓和電流,需要檢測反饋信號從而調節輸出信號,反饋信號由變壓器的輔助繞組獲得。

在圖1中,u（t）為經過整流后的直流電壓,Lm為高頻變壓器的原邊電感。當開關管開啟時,通過開關管的電流ip（t）線性增加:

當開關管斷開的時刻,ip（t）達到其峰值:

此刻,能量由高頻變壓器的原邊向其副邊傳遞。根據高頻變壓器的原邊與副邊繞組圈數之比,在MOSFET關斷時刻is為:

所以通過調節原邊峰值電流 ip（peak）（ton）可以實現對輸出電流的反饋控制。

uaux為輔助邊電壓,uo電路輸出電壓。Naux為變壓器輔助邊繞組的圈數。則uaux為:

Δu為電流通過輸出端整流二極管D3產生的壓降。當高頻變壓器的去磁過程結束的時刻Δu的值降到0,在此時刻之后變壓器副邊與輔助邊中都沒有電流。在此時刻輸出電壓與輔助邊的電壓成線性比例關系。因此,輸出電壓的反饋控制可以通過調節輔助邊的電壓來實現。

1.4 恒壓與恒流控制的實現

iW3620通過檢測輔助邊的電壓和通過MOSFET的電流信號來實現恒壓與恒流的反饋控制。Vsense引腳檢測輔助邊的電壓,輔助邊電壓為:

當去磁過程沒有結束的時,輸出端整流二極管D3兩端的壓降Δu約為0.3 V。因此usense為:

Vsense引腳負責檢測輸出電路電壓uo。如果檢測到了誤差OUTPUT引腳就會調整MOSFET開關的占空比從而改變從變壓器原邊傳遞至副邊的能量,如此實現恒定輸出電壓的目的,即實現了輸出電壓的反饋控制。

Isense是原邊電流的檢測引腳,負責檢測高頻變壓器的原邊的峰值電流。它檢測電流通過電阻R9所形成的壓降并將其與芯片內部的基準電壓進行比較,如果兩個信號存在誤差,就通過調整MOSFET開關的占空比來實現恒定輸出電流的目的,實現了輸出電流的反饋控制。

為了使得檢測更加精確,R9選擇使用精度為1﹪的電阻。

1.5 降低損耗

一般反激式拓撲中MOSFET工作在硬開關模式,高頻工作時開關損耗大。iW3620采用了準諧振運行模式,將MOEFET導通時間設定為其漏源極電壓uDS最低時,由此實現零電壓開通的軟開關,大幅降低開通損耗。這些措施能夠大幅降低MOSFET開關損耗。

iW3620有多種工作模式。負載額定時以PWM方式工作,當負載減小負載電流降低至額定時10﹪時,芯片自動切換至PFM工作模式。一旦電流回升,芯片切回至PWM工作模式。由于其良好的負載動態響應,使得功耗減小從而使效率提升。

2 電路參數的分析與設計

2.1 輸入電容的選擇

輸入電容負責當輸入電壓下降的時段為負載供電。如果電容太大,電流相位于電壓相位的差可能太大從而導致功率因數下降。所以在此選擇電容值為22 uF的電解電容。

2.2 變壓器設計

因為額定輸出功率為3 W,所以相應選擇RM6磁芯作為高頻變壓器的磁芯。uin為輸入電壓,ton為開關管導通的時間,Bmax為飽和磁感應強度,Ae為磁芯面積,根據反激電路高頻變壓器的設計理論,高頻變壓器的原邊繞組圈數Np為:

因此選取Np=80。

Treset為變壓器的回復時間,uo為輸出電壓,則變壓器的原邊繞組與副邊繞組的圈數之比為:

因此N=5。

Ns為副邊繞組的圈數,Naux為輔助邊繞組的圈數,可以得到:

芯片的工作電壓Ucc為12 V,D2兩端的電壓降UFD大約為0.5 V。因此,Ns=16,Naux=16。

2.3 電流采樣電阻與電壓采樣電阻

電壓采樣電阻R9可以由下式得到:

KC=0.5,N=5,變壓器的效率 ηx=88﹪,iout=350 mA,因此RIsense=3.3 Ω。為了提升輸出電流的精度,選擇精度為1﹪ 的電阻。

根據式（6）:

因為芯片內部的參考電壓usense=1.538 V,而且uo=10.2 V,因此R5=15 kΩ,R6=2 kΩ。

2.4 輸出電容的選擇

當MOSFET處于關斷的時段負載是由輸出濾波電容來提供能量的。因為電路的輸出電壓為10.2 V,選擇電容值為330 μF的電解電容作為輸出濾波電容,如此可以在實現濾波的同時為負載提供能量。

3 實驗結果與分析

實驗條件:輸入電壓為60～260 V AC,輸出負載為3個大功率LED,每個功率為1 W。

圖3 輸出電壓波形Fig.3 Waveform of output voltage

當輸入電壓為220 V AC,輸出負載為3個大功率白光LED（1 W×3）,電路的輸出電壓為10.2 V（圖3）,輸出電流為 351 mA（圖4）。 如圖3所示輸出電壓的紋波很小 （電壓精度為1.9﹪）。

圖4 在不同輸入電壓下輸出電流的變化Fig.4 Changes of output current under different input voltage

如圖4所示,當輸入電壓在60～260 VAC下變動時輸出電流精度為6.4﹪,電路效率為73.1﹪。實驗結果表明,簡化設計的同時電路依然保持良好輸出特性。

4 結 論

文中介紹了一款小功率基于原邊控制技術的反激式LED恒流驅動電路,電路未使用隔離光耦與二次側調整電路,使得其在布局上更為自由,減少了體積上的限制。實驗表明,當輸入電壓在60～260VAC下變動時輸出電流精度為6.4﹪,電路效率為73.1﹪,簡化設計的同時電路依然保持良好輸出特性。通過改變電流檢測電阻以及電壓檢測電阻可以以降低恒流精度為代價進一步提高電路的效率。

［1］裴倩.一種恒流型DC-DC大功率LED驅動電路的設計［D］.杭州:浙江大學,2010.

［2］Nishikawa M,Ishizuka Y,Matsuo H.An LED Drive Circuit with ConstantOutputCurrentControland Constant-Luminance Control ［C］//Applied Annual International Telecommunications Energy Conference,2006:1-6.

［3］Tsung-Yao Chiang.An Observer Design for Primary-Side Control of Flyback Converter ［C］//Applied International Conference on System Science and Engineering,2010:358-363.

［4］Mahmoud P.Sayani,Robert V.White,Daniel G.nason,et al, ISOLATED FEEDBACK FOR OFF-LINE SWITCHING POWER SUPPLIES WITH PRIMARY-SIDE CONTROL［C］//Applied PowerElectronicsConference and Exposition, 1988,third annual IEEE,1988:203-211.

［5］CHANG Che-wei,LIU Yu-tzung.DigitalPrimary-Side Sensing Control for Flyback Converters ［C］//2009 International Conference on Power Electronics and Drive Systems,2009:689-694.

［6］Alenka Hren,Joze Korelic,Miro Milanovic.RC-RCD Clamp Circuit for Ringing Losses Reduction in a Flyback Converter［C］//IEEE Transaction on Circuit and System-II:Express Briefs,2006:369-373.

Constant current LED driver based on flyback structure with primary side control

WU Ying-qing1,LIU Ting-zhang1,SHEN Jing-jie1,XIONG Feng2
（1.School of Mechatronics Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China；2.Shanghai LightSky Optoelectronics Technology Co.,Ltd,Shanghai 201112,China）

The design of a 3 W constant current LED driver based on flyback structure with primary side control technology is proposed,which eliminates the opto-isolated feedback and secondary regulation circuits which are required in conventional designs.The principle of constant current and constant voltage of the circuit is analyzed,and parameters of the circuit are introduced.The constant current accuracy of the circuit under 60～260 V AC input voltage is 6.4﹪.The experimental results show that the circuit has the advantages of simple structure,high constant current precision and high stability.

primary side control；constant current；flyback；LED；drive circuit

TN86

：A

：1674-6236（2015）18-0137-03

2014-12-17稿件編號：201412146

上海市科委課題智能化照明系統的開發(12dz1143700)；上海市科委課題HV-LED一體化模組的開發及應用(13111102500)

吳影清(1987—),女,上海人,碩士研究生,助理實驗師。研究方向:LED驅動及嵌入式。