周建国;罗中良;陈治明;杨丽莉
【摘 要】采用MP4021GS-A方案,并充分利用芯片内部功率因数校正电路功能,设计一60W反激隔离式原边反馈恒流驱动电源,节约了系统成本.分析反激式开关电源的基本原理、控制芯片的外围电路和高频变压器的设计,所设计的产品通过了赛宝实验室的相关认证测试,测试结果表明该电源输出稳定,功率因数大于0.9,对中小功率LED驱动电源设计具有一定的参考价值.
【期刊名称】《现代计算机（专业版）》
活性炭脱硫剂电脑备用电源【年(卷),期】2013(000)012
【总页数】4页(P55-58)
【关键词】MP4021GS-A;LED驱动电源;原边反馈;变压器设计
【作 者】周建国;罗中良;陈治明;杨丽莉
【作者单位】惠州市经典照明电器股份有限公司,惠州516007;惠州学院,惠州516007;惠州学院,惠州516007;惠州学院,惠州516007
【正文语种】中 文
LED照明灯具以其长寿命、高亮度、无污染等优点，在照明市场中越来越受到用户的称赞，市场份额越来越大，成为照明市场的新宠并将成为主流。驱动电源是LED灯具的控制中心，也是制约其性能、寿命的关键部件。LED工作在直流状态，而传统的线性电源由于其效率低、寿命短，因而LED驱动电源大多采用开关电源，虽然低端市场部分采用阻容降压，但其安全性和电源稳定性差，所以市场上LED驱动电源根据功率的不同采取正激式隔离开关电源、反激式隔离开关电源、推挽式开关电源、桥式和半桥式开关电源等。在中小功率中大多是采用反激式结构，这也是LED家中照明的主流[1～2]。因此，本设计采用MP4021GS-A方案进行设计一款恒流LED驱动电源，由于IC内置了功率因数校正电路，因此，本文所设计的产品不仅满足照明灯具功率因数和高能效的规范要求，同时也节约了电源的制造成本，从公司产品的销售和市场反馈，可以确立本文所设计的产品具有高性价比和高可靠性。
在小于100W功率的LED照明灯具中，其驱动电源广泛采用隔离式反激拓扑结构，该结构下的开关电源典型电路图如图1所示，当场效应管（开关管）导通时，变压器初级绕组感应电压上正下负，由于变压器初级绕组和次级绕组的同名端相反，所以次级绕组的整流二极管处于截止状态，初级绕组进行储存能量。当场效应管截止时，初级绕组储存的能量通过次级绕组和二极管整流，并经电容滤波后输出给负载供电。因此，变压器具有两个主要作用，一是当场效应管导通时，变压器初级绕组储存能量；二是当场效应管截止时，变压器通过磁芯将能量传递给次级绕组为负载供电。图中的工作波形可描述为为：当原边电流到达内部参考值时，MOS关闭；然后副边二极管开通，激磁电流下降；当电路下降为零，干扰共振将使得MOSFET的漏电压下降；下降的电压可由ZCD电压监控到，当达到ZCD的内部阈值，MOS将开通。由此可以得到该方案是零电流开关。 由于LED照明电源要求：民用照明PF值必需大于0.7,商业照明必需大于0.9。对于10～70W的LED驱动电源，一般采用单级PFC来设计，即节省空间又节约成本。芯片引进图如图2所示，该芯片具有的优点是：
（1） 原边恒流控制：没有副边反馈分量；使系统显著简化；BOM成本低。
（2） 输入电压调节率下的高电流精度：在8 5 V～256V交流电输入范围下，±2%的电流精度。
（3） 高功率因素：＞0.9（85V～256V交流电输入）。
（4） 临界导通操作模式：高效，减少MOS开关损耗。
（5） 高可靠性和安全性的多层保护：逐周限流、过压保护、短路保护、过热关断等。
通过简单的芯片外围电路设计，可达到高功率因素的设计要求，外围电路和功率校正原理如图3所示，图中乘法器输出一个正弦波并指示了原边电流的参考值，原边电流的峰值将受限于整流正弦，并且具有和主输入电压同样的相位。
本文采用芯片支持的反激隔离式原边反馈方案，设计的LED恒流驱动电源，实现35V电压和1.5A恒定电流输出，可以驱动30颗10串3并排列的3W型XPE灯珠芯片。每颗LED灯珠的正向导通电压Vf= 3.5V，工作电流If=500mA，整灯电压额定值为35V、电流额定值为1500mA，光功率约为52W，设计要求驱动电源效率大于85%，则电源输入功率约为60W。电路如图4所示，在交流输入电压之后经过保险丝、压敏电阻，这是为了防止雷击
过电压对后级电路器件造成损坏。在整流桥前的差模电感是为了滤除电磁干扰信号，其作用和设计原理见参考文献[3]。电流经过整流桥之后还要通过无源功率因数校正电路提高电源的功率因数，之后电流流进初级绕组到芯片的8PIN即内部MOS管的漏极再从1PIN即内部MOS管的源极流出，该回路为电源的主回路。输出电流通过主回路电流来实现恒流控制，具体方法是通过采样电阻将主回路的电流信号转化为电压信号[4～6]，反馈到芯片的1PIN并调整芯片内部对MOS管栅极的脉冲占空比来实现的。
输入条件：电压范围176～265Vac50/60Hz；PF＞0.95；THD<25%；效率Ef＞0.87。
制作智能卡输出条件：输出电压35V；输出电流1.5A。
设计过程分为五步，分别为：
（1） 选择IC和磁芯。IC用士兰的SA7527,输出带准谐振，综合效率可以做到0.87；根据Po=100×Fs×Ve进行磁芯的选择。式中Po为输出功率，100为转换常数，Fs为开关频率，Ve为磁芯体积。本产品设计中Po=Vo×Io= 35×1.5=52.5，工作频率选择Fs=50Khz。
由此得到Ve=Po/（100×50000）=52.5（100×50000）= 10500mm3。而PQ3230的Ve值为
11970.00,由于系统是调频工作方式，可以满足需求，且代入Ve公式可修正实际需要的工作频率为51295hz。
（2） 计算初级电感量。
根据最小直流输入电压VDmin=176×1.414=249V，最大直流输入电压VDmax=265×1.414=375V。ip网络电话系统
最大输入功率PINmax=Po/Ef=52.5/0.9=58.3W（由于设计变压器时效率取值应该比总效率略高，故这里选择0.9进行计算）。cap3
最大占空比的选择上，根据工程经验宽电压一般选择小于0.5，窄电压一般选择在0.3左右[7～9]。考虑到MOS管的耐压，一般不要选择大于0.5，220V供电时选择0.3比较合适。在这里选择D max=0.327。
最大输入电流IINmax=PIN/VINmin=52.5/176=0.298A。
最大输入峰值电流IINmaxp=IINmax×1.414=0.298×1.414= 0.42A。
MOS管最大峰值电流Imosmax=2×IINmaxp/Dmax=2×0.42/ 0.327=2.57A。
初级电感量Lp=D2max×VINmin（2×IINmax×Fsmin）×1000= 0.327×0.327×176/（2×0.298×50000）×1000=631.53uH
这里取630uH。
（3）计算初级匝数Np。查磁芯资料，PQ3230的AL值为：5140nH/N^2，在设计反激变压器时，要留一定的气息。选择0.6倍的AL值比较合适。在这里取AL= 2600n H/N2，因此
（4）次级匝数Ns。VOR=VDmin×Dmax=249×0.327=81.4，匝比n=VOR/VO=81.4/35=2.326，因此Ns=Np/n=44/2.326= 19。
（5）计算辅助绕组NA。查看IC的技术数据资料知VCC=10.5～23V，在这选15V，因此NA=Ns/（VO×VCC）=19（35×15）=8.14，取NA=9。
采用FSEZ1317方案设计的60W反激隔离式原边反馈恒流驱动电源，样品的测试结果为：整机效率0.88；PF值在输入电压176V时为0.989，在输入电压220V时为0.984，输入电压2
65V时为0.975；变压器温升25K；文中在整个变压器设计过程中简化了一些次要因素，如二极管的压降，但总体对比与一般反激式的变压器基本一致；由于设计的电路中整流桥后没有接大容量的电解电容，导致实际的直流最低电压没有1.414倍，但节约了成本，同时减小了电解电容对驱动电源寿命的制约。但总体测试结果良好，对中小功率LED驱动电源设计具有一定的参考价值。
【相关文献】
[1]张祖正,谢运祥,王婷婷.电力电子变换器功率因数校正技术现状及趋势[J].电气自动化,2003,4（4):6～9
[2]SteveWinder.LED驱动电路设计[M].北京：人民邮电出版社，2009
[3]罗中良，陈治明，索剑等.面向LED驱动电源的EMI滤波器设计与仿真[J].现代计算机，2013（3中旬）：60～64
[4]王戎伟，罗中良，陈治明等.基于NCP1014的4W LED驱动电源设计[J].现代计算机，2013（3下旬）：58～61
[5]靳文汇,范蟠果,闫少雄.一种反激式开关电源变压器改进设计方法研究[J].电力电子技术,2009,43（1):62～63
[6]Abraham I.pressman.开关电源设计（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2010
[7]Santayana Maniktala.开关电源设计与优化[M].王志强译.北京：电子工业出版社，2006
[8]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版，2002
[9]Marty Brown.电源设计指南（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2004
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