基于TPS92314的LED燈設(shè)計(jì)

劉 輝

（吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院 電氣信息工程系，吉林 長春 130111）

1 TPS92314簡介及引腳功能描述

1.1 TPS92314簡介

LED燈具有壽命長、效率高、不含鉛和汞等有害物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，文中介紹的LED燈控制采用TI公司的控制芯片TPS92314［1］，此芯片是專為LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)［2－3］的，有電流過零檢測和自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間的PFC（功率因數(shù)校正）功能，以及過流檢測、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)等功能。

1.2 TPS92314的引腳功能描述［4］

TPS92314引腳功能如圖1所示。

1腳：VCC，電源供電引腳，為內(nèi)部控制電路提供電源，連接10μF到20μF電容到地用來濾波。正常工作時(shí)的電壓范圍為13～35V。VCC的turn on閾值電壓典型值為25.4V，低電壓turn off閾值電壓典型值為12.9V。滯回電壓為12.5V。過壓保護(hù)閾值的典型值為35.5V，這個(gè)值在32.7～38V之間，不同的芯片會(huì)有差別。正常工作時(shí)，在65kHz開關(guān)頻率工作，最大工作電流為3mA。

2腳：AGND，小信號(hào)地，控制信號(hào)地。

3腳：ZCD，過零檢測輸入端。這個(gè)引腳感應(yīng)輔助繞組的電壓，用來檢測零電流。

4腳：COMP，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。誤差放大輸出，連接一個(gè)電容到地，用來確定平均電流控制環(huán)路的頻率響應(yīng)。

5腳：DLY，延遲控制輸入。連接一個(gè)電阻到地，用來設(shè)置開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷期間的延時(shí)。

6腳：PGND，功率地。柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)返回地。

7腳：ISNS，電流感應(yīng)電壓反饋。開關(guān)場效應(yīng)管電流感應(yīng)引腳。

8腳：GATE，柵極驅(qū)動(dòng)輸出。提供功率場效應(yīng)管的柵極驅(qū)動(dòng)［3］。

圖1 TPS92314引腳功能示意圖

2 TPS92314的工作模式與電路設(shè)計(jì)

2.1 工作模式［5］

TPS92314工作在離線隔離電路結(jié)構(gòu)，電路中的反激式變壓器由初級繞組Lp、次級繞組Ls和輔助繞組Laux這3個(gè)繞組組成。TPS92314控制外接的MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通和截止。MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級儲(chǔ)存能量，場效應(yīng)管截止時(shí)，向次級和輔助繞組釋放能量。變壓器輔助繞組有兩個(gè)功能：向TPS92314供電（啟動(dòng)以后）和電流過零點(diǎn)檢測（一個(gè)完整的開關(guān)周期結(jié)束時(shí)）。在導(dǎo)通期間，場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，電流流過Lp，Q1和電流檢測電阻R14到地。輸入的能量被存儲(chǔ)在初級繞組Lp內(nèi)。同時(shí)，ISNS腳（7腳）監(jiān)視電流檢測電阻R14的電壓，并且執(zhí)行逐個(gè)周期電流限制功能。Q1截止時(shí)，流入Lp的電流停止，導(dǎo)通期間存儲(chǔ)的能量釋放到輸出電路和輔助繞組電路。當(dāng)Q1截止期間，次級繞組電流通過D3給C6，C7充電，并且給LED燈供電。在Q1導(dǎo)通期間，由C6，C7繼續(xù)向LED負(fù)載供電。在Q1截止期間，電流也向輔助繞組向TPS92314供電。Laux的電壓Vaux通過電阻R6，R8分壓后反饋到過零檢測引腳，執(zhí)行過零檢測功能，決定了開關(guān)周期的結(jié)束時(shí)間。插入兩個(gè)延遲Tdly，下一個(gè)新的周期開始。Tdly可以通過DLY引腳連接的電阻來設(shè)置。驅(qū)動(dòng)信號(hào)tON的時(shí)間寬度由內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波和COMP引腳的電壓比較產(chǎn)生。由于Vcomp是緩慢變化的，tON在AC line周期內(nèi)幾乎不變。關(guān)斷期間的持續(xù)時(shí)間是由變壓器次級電流的放電速率決定的。

2.2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)［6－8］

變壓器初級電流峰值ILP－PEAK和次級電流峰值ILS－PEAK的關(guān)系如下：

式中：n——變壓器初次級匝數(shù)比。

LED電路由交流220V供電，供電電壓由AC 180V到AC 240V變化都能適應(yīng)。啟動(dòng)時(shí)，TPS92314的供電由交流電經(jīng)過整流橋整流后，由電阻R1，R3提供。在啟動(dòng)狀態(tài)，為了最小化內(nèi)部靜態(tài)電流，TPS92314大多數(shù)的內(nèi)部電路關(guān)斷。當(dāng)VCC上升到達(dá)開通閾值（典型值為26V），TPS92314工作在低開關(guān)頻率模式，tON和tOFF被固定為1.5μs和72μs，當(dāng)VZCD－PEAK高于VZCD－ARM，TPS92314進(jìn)入正常操作模式。

此LED燈的個(gè)數(shù)為每6個(gè)LED串聯(lián)為一組，兩組并聯(lián)，共12個(gè)LED，總功率約為15W。每個(gè)LED的電流為350mA，單個(gè)LED的前向電壓約為3V，6個(gè)LED串聯(lián)，總電壓約為18V。

轉(zhuǎn)換器最小開關(guān)頻率：75kHz；

輸出整流器最大反相電壓：100V；

功率MOSFET額定耐壓值：800V；

功率MOSFET漏極源極電容：Cds約為100pF。

2.2.1 確定啟動(dòng)電阻R1，R3

啟動(dòng)期間，TPS92314的供電電壓VCC由交流電經(jīng)過橋式整流，通過外接的啟動(dòng)電阻R1與R3提供。VCC的啟動(dòng)電流Ist必須設(shè)置在一個(gè)范圍，IVCC＞Ist＞Istmax以確保在高輸入電壓時(shí)能正常啟動(dòng)。典型值為0.88mA。R1＋R3可以通過下式計(jì)算：

其中，Vacmax是最大交流有效值240V，R1＋R3＝272kΩ，所以R1取120kΩ，R3取150kΩ。

2.2.2 變壓器匝數(shù)比

n＝nLP／nLS。變壓器繞組的匝數(shù)比受限于場效應(yīng)管的額定電壓值，最高輸入電壓和輸出二極管的最高反相耐壓。當(dāng)場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通時(shí)二極管反向電壓VD＞VLED＋1.414＊Vacmax／n，VD取反向耐壓為100V的肖特基二極管。當(dāng)場效應(yīng)管Q1關(guān)閉時(shí)，VQ1＝1.414＊Vacmax＋n＊VLED＋VOS＜0.9＊VQ1BR，VQ1BR取800V，VLED為18V，這里VQ1＜0.9＊VQ1BR是留有0.1的安全余量。VOS假定為50V的開關(guān)節(jié)點(diǎn)過沖。根據(jù)上面兩個(gè)不等式，可以確定匝數(shù)比n的范圍為18.36＞n＞4.12。低的匝數(shù)比可以獲得好的電壓調(diào)整率和較低的次級峰值電流，因此，n取5.8。

2.2.3 開關(guān)頻率選擇

TPS92314可以工作在60kHz到150kHz的開關(guān)頻率范圍內(nèi)?？紤]到效率和電磁兼容的需求，選擇75kHz開關(guān)頻率。

2.2.4 功率場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間

功率場效應(yīng)管最大導(dǎo)通時(shí)間tON發(fā)生在輸入電壓最低的時(shí)候，即180VAC輸入的時(shí)候。

這里，VLED＝18V，Vmin＝180V＊1.414＝255V，F(xiàn)sw＝75 000Hz。

2.2.5 變壓器初級電感

變壓器的初級電感量Lp關(guān)系到最小開關(guān)頻率Fsw，轉(zhuǎn)換器的輸出功率，系統(tǒng)效率和最小輸入電壓。在臨界導(dǎo)通模式（CRM）下，輸出功率最大值設(shè)計(jì)為約15W。由于Vmin＝Lp＊ILp－peak／tON，可以得到Lp的值。效率η假定為85%，Vmin＝255V，F(xiàn)sw＝75 000Hz，tON＝3.88μs，經(jīng)計(jì)算得：Lp＝1.988mH。即變壓器的初級電感值為1.988mH。

2.2.6 計(jì)算電流檢測電阻

R14∶R14＝n＊Vref／ILED，Vref＝0.14V，ILED＝2＊0.35A＝0.7A，n＝5.8，計(jì)算R14＝1.16Ω。濾波電阻R11，這個(gè)電阻是防止噪聲進(jìn)入ISNS腳，R11的典型值為300＊R14＝348Ω。實(shí)際取值，R14取1.2Ω，R11取360Ω。如果要能控制LED的亮度，就要在電流取樣電路中加入額外的電路，用來影響流過R14的電流，從而影響流過LED的電流，進(jìn)而控制LED燈的亮度。

LED亮度控制原理如圖3所示。

圖3 LED亮度控制原理圖

流過R14的電流為I＝Vref／R14＝0.14V／1.2Ω＝0.116 7A，如果采用上面的電路，A點(diǎn)電壓設(shè)置為0V時(shí)，流過R14的電流0.116 7A時(shí)，產(chǎn)生0.28V的電壓，經(jīng)過R11和R13分壓可產(chǎn)生0.14V的電壓。A點(diǎn)電壓增加，流過R14的峰值電流將減小，因此，改變A點(diǎn)電壓可以控制變壓器初級電流的峰值，從而改變LED的電流，進(jìn)而改變LED的亮度。R11和R13并聯(lián)的電阻值等于300＊R14＝1.44kΩ，R11和R13取阻值最接近的1.43kΩ。A點(diǎn)電壓由ARM經(jīng)過D／A輸出電壓，經(jīng)過運(yùn)放緩沖輸出接到A點(diǎn)，控制LED的亮度。A點(diǎn)的電壓不能超過0.14V。當(dāng)A點(diǎn)電壓為0.08V時(shí)，變壓器的初級電流為最大值的0.707倍，輸出功率為原來的一半。

2.2.7 輔助繞組接口至ZCD腳

通過R6和R8組成的電阻分壓器來設(shè)置VLED的過壓保護(hù)值和VZCD的峰值，設(shè)置VLED的過壓保護(hù)閾值為1.3倍的VLED，考慮到變壓器的漏感比較大，實(shí)際中設(shè)置為1.5倍。VLED假定為18V，AUX繞組開路保護(hù)電壓設(shè)置為27V，流經(jīng)R6，R8的電流為0.4mA，所以R6和R8分別為62kΩ，12kΩ。過壓保護(hù)與TPS92314供電電路如圖4所示。

圖4 過壓保護(hù)與TPS92314供電電路

圖中，C5為VCC的濾波電容，D11為箝位二極管，在場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通時(shí)，D11導(dǎo)通，使ZCD的電壓在0.7V附近，不至于太低。

2.2.8 補(bǔ)償電容和延時(shí)定時(shí)電阻的選擇

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，補(bǔ)償電容選擇4.7μF。延時(shí)定時(shí)電阻可按下面的算式計(jì)算：

所以R12＝19kΩ，實(shí)際取值：19.1kΩ。

2.2.9 初級側(cè)緩沖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

緩沖網(wǎng)絡(luò)電壓波形如圖5所示。

圖5 緩沖網(wǎng)絡(luò)電壓波形

所 以VSN＞206.6V。VSN＜VMOS－BV－1.414VACMAX＝800V－340V＝460V，即VSN＜460V。因此，緩沖箝位電壓選擇250V可以滿足要求。

2.2.10 輸出濾波電容COUT的選擇

輸出濾波電容的容量由6個(gè)LED的等效串聯(lián)電阻RLED和允許的紋波電流ΔILED決定，由下面的式子計(jì)算：

式中，fAC為50Hz，RLED＝6＊2.6Ω＝15.6Ω，ILED＝0.7A，紋波電流ΔILED為輸出電流的30%，即ΔILED＝0.7A＊0.3，計(jì)算得COUT＝672μF，COUT＝C6＋C7，C6取270μF，C7取470μF，電容耐壓值取35V。

圖6 LED部分整體電路圖

LED是否點(diǎn)亮，靠控制繼電器來控制。由ARM輸出高電平至LED control，控制LED點(diǎn)亮。

3 結(jié) 語

以TPS92314為主控芯片設(shè)計(jì)的LED控制電路，實(shí)現(xiàn)了亮度可控制，并具自適應(yīng)PFC控制，有過流、過壓保護(hù)功能，能很好地完成LED照明控制，并且具有電路簡單、無需電流采樣電阻、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

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