基于軟開關管LED開關電源設計

江 偉，周俊生，謝再晉

（華南理工大學 廣東 廣州　510641）

基于軟開關管LED開關電源設計

江 偉，周俊生，謝再晉

（華南理工大學 廣東 廣州510641）

針對目前大部分LED電源損耗大、可靠性差和使用壽命短的缺點，設計一款采用單片機為軟開關主控芯片的LED開關電源，通過諧振電路使主開關管處于軟開關工作狀態，可降低開關管的損耗，提升開關電源的整體效率，通過仿真及測試結果表明，該LED開關電源損耗小，效率高（轉換效率達91%以上），可靠性好，具有良好的實用價值。

低損耗；開關電源；軟開關；單片機

LED作為本世紀最新發展的環保型光源，有著發光效率高、單色性好、壽命長、節能高效等儲多優點，但是很大程度受到其驅動的開關電源影響，如何改進開關電源技術，降低電源的損耗，確保開關電源的可靠性和使用壽命與LED燈的可靠性和使用壽命相匹配，是LED技術研究的重要方向［1-3］。所以，開關電源成LED產業生死成敗之關鍵。

開關電源的功耗由開關功率管損耗、開關變壓器損耗、整流管損耗及其它輔助電路損耗組成［4-5］。由于開關功率管損耗在整個電源的損耗中所占的比重最大［6］，文中設計一款采用單片機為軟開關主控芯片的開關電源電路，通過電容電感諧振電路令主開關管處于軟開關工作狀態。這種技術可降低主開關管的損耗，降低開關電源的損耗，從而提升開關電源的整體效率，將這種軟開關技術應用到LED驅動，提升LED能源的整體效率。

1　LED開關電源設計

1.1總體框架

本LED開關電源的總體設計框圖如圖1所示，由過流過壓保護電路、PFC功率因數校正電路、前級整流濾波電路、高頻變換電路、后級整流濾波電路、電流電壓反饋電路及控制電路組成。文中工作集中在高頻軟開關［7］電路模塊上，電路圖如圖2。

圖1　LED開關電源的總體設計框圖

1.2軟開關電路設計

為了提高電源的效率，本設計希望開關電源工作在最大占空比附近，由于橋式電路上、下橋臂不能同時導通，故必須保證有足夠的死區時間，因此最大的占空比不能超過80%；按全橋整流濾波計算VDD。由此可以算出最大的匝數比為1：8，一次側變壓器平均電流為IPA=IO/（1-D）

開關變壓器一次側平均電流IPA=IO*n=1.4/8=0.175 A，橋式高頻變換主電路如圖2所示。主開關管Q1、Q2采用2SK2110場效應管。2SK1120參數是1 000 V，2.5 A，N溝道的場效應管，管腳順序是G，D，S。Q1、Q2的控制觸發信號是來自主控電路部分的驅動模塊NCP 5181的驅動輸出。場效應管Q1導通Q2截止時，變壓器T1正半周，變壓器T1轉換能量；Q1截止Q2導通時，變壓器T1負半周，變壓器T1也轉換能量，組成半橋式軟開關變換電路。

圖2　高頻軟開關電路

為了實現半橋臂的零壓開關，必須滿足以下幾點：

1）隔直電容C19的容量必須遠大于電容C17、C18之和；

2）電容C17、C18加上場效應管的輸出電容與變壓器T1漏感的回路的時間常數大于等于3倍的開關管開關時間；

3）變壓器T1漏感，加上次級濾波電感折算到初級的電感產生的電流足夠電容C17、C18的充放電。

場效應管關斷的瞬間，高壓脈沖被超快恢復二極管回饋到電源。由于電容C17、C18也有很好的削尖峰的作用，因此保護了場效應管Q1和Q2，使得場效應管不易被擊穿，電路的可靠性得到提高。

另外，NCP5181模塊是高電壓功率MOSFET驅動器，適用在半電橋（或任何其他的高側+低側）場合，提供兩個輸出的2個直接驅動。它采用自舉技術，為Q1，Q2的N溝道功率MOSFET高側開關管提供直接驅動。

2　仿真與制作測試

2.1仿真

筆者為了避免大量的繁瑣計算過程，先對功率因數校正及EMI濾波電路、整流濾波電路、主電路、電流電壓反饋電路等進行仿真，特別介紹軟開關主電路仿真過程如下。

圖3為軟開關主電路仿真圖，為了消除開關損耗，在兩個開關管 Q1、Q2分別并聯電容C9、C6組成軟開關電路，可以看出，在開關管Q1關斷時，開關管的電壓上升之前，開關管的電流提前由負回歸到零，并且可以看到在開關管Q1的電壓從0上升到下降整個矩形區域內，開關管Q1的電流保持在零值，因此說明了開關管工作在軟開關狀態。圖4為軟開關電流電壓的仿真圖，下方波形為Q1的電流電壓的乘積（即開關管損耗）的波形圖，可以看出，功率尖峰完全消失。圖5為Q1的軟、硬兩種開關工作模式的平均功耗圖，可以看出上方軟開關模式為損耗功率 9.5 W，而下方硬開關模式時損耗功率17.6 W，是軟開關模式功耗的兩倍。

Q2仿真情況與Q1相似。

圖3　帶輔助電容主電路仿真電路圖

2.2制作與測試

2.2.1實際電路制作

使用電路制作軟件將電路原理圖按要求繪制出來，根據原理圖繪制布置PCB板圖如圖6，根據PCB板圖采用環保制板設備制作樣品實物如圖7。

為了方便測試，單獨焊接一個外接5 V電源供應單片機。對單片機編程運行后，用示波器觀測到的輸出控制脈沖是否符合要求。在輸出脈沖有較小占空比的穩定輸出后，去掉外接電源，接上220 V交流電源的輸入電源，同時接上4 個15瓦的水泥電阻作為假負載代替4路LED，并在假負載的連接下運行。在假負載運行后檢測電壓電流均正常穩定后再接上實際的LED運行。由于單片機的工作電壓是從2.3至5.5 V，設置并啟動單片機內的上電延時定時器（PWRT）。

圖4　帶輔助電容Q1開關管電流電壓的仿真波形圖

圖5　Q1開關管兩種工作模式的損耗功率對比

圖6　PCB板圖

圖7　樣品實物圖

圖8　效率測試方框圖

2.2.2測試確認電源的效率

采測試電路方框如圖8，此時負載用4個15瓦水泥電阻接兩路輸出的總輸出端，測試數據如表1。結果表明，效率達到預期的91%以上。

表1　電源效率數據

圖9　恒流特性測試電路

2.2.3恒流特性測試

測試開關電源兩路輸出的其中一路，采用測試電路如圖9，此時負載用LED。通過改變電源的輸入電壓，檢測負載的電流。通常要求電流的變化小于10%。

測試方法：將數字萬用表串聯于輸出回路中。由多個3瓦的發光二極管串聯組成輸出負載，每兩個發光二極管有一個中間抽頭接與多路開關。通過改變多路開關的位置來改變所連接于開關電源的負載數量，觀察電流表的電流值看輸出電流是否恒定。

測試結果：輸出電流恒定于0.65 A，切換開關后電流能夠快速穩定在0.68 A，而電壓則隨發光二極管的增加而升高，減少而降低。從表2測試數據可以看出電源輸出具有恒流特性。輸出特性曲線如圖10。

表2　恒流特性測試數據

圖10　輸出特性曲線圖

3　結　論

文中設計的軟開關驅動LED開關電源，經過多次計算仿真，制作成品進行實際測試，開關電源的效率達到91%以上，輸出電流恒定于0.65A，切換開關后電流能夠快速穩定在0.68A，恒流效果顯著，值得推廣與應用研究。

［1］王文杰.LED光源與光學特性檢測［J］.江蘇現代計量，2011 （3）：39-41.

［2］Microchip Technology Inc.PIC16（L）F1503［EB/OL］.（2012）http：//www.microchip.com.

［3］國內外LED產業概況及其重要性［J］.杭州科技，2008（1）：35.

［4］任大為.DC24V_50WLED驅動電源的設計與研究 ［D］.杭州：杭州電子科技大學，2011：9.

［5］高一星.多路并聯LED驅動開關電源設計［D］.成都：電子科技大學，2011（3）：5.

［6］趙同賀.開關電源與LED照明的優化設計應用［M］.機械工業出版社，2012.

［7］周知敏，紀愛華.零起點學開關電源設計［M］.北京：電子工業出版社，2013.

LED switching power supply design based on soft-switching tube

JIANG Wei，ZHOU Jun-sheng，XIE Zai-jin
（South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

At present most LED power supplies have the disadvantages of large power loss，poor reliability and short service life，to improve these we design a LED switching power supply，the main control chip of its soft-switching is a microcontroller，through a resonant circuit let the main switch working at the soft-switching condition，which can reduce the loss of switch tube ，and increase the overall efficiency of the switching power supply.Through simulation and test results we can make the conclusion that this LED switching power supply has lower energy loss，high efficiency（conversion efficiency is more than 91%），good reliability，and good practical value.

low loss；switching power supply；soft-switching；microcontrollers

TN86

A

1674－6236（2016）06-0042-04

2015-04-19稿件編號：201504214

廣東省高等教育學會2012年研究基金項目（GDJ2012035）；廣東省科學技術廳技術開發項目（2012440002100948）

江偉（1970—），男，廣東茂名人，碩士，工程師。研究方向：成型焊接技術，PLC工業控制。