基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

LED作為一種新型綠色光源，由于其具有耗電量低、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。LED照明將成為繼白熾燈、熒光燈、金屬鹵化物燈后的第四代新型照明技術(shù)。LED是一種新型的半導(dǎo)體器件，需要穩(wěn)定的直流電源。但傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源問(wèn)題，造成LED照明光源壽命短的缺點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)的LED驅(qū)動(dòng)電源對(duì)于LED照明至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)了基于TinySwitch-Ⅲ系列芯片的一種反激式低成本高效率驅(qū)動(dòng)電源電路，介紹了設(shè)計(jì)原理和方法。該驅(qū)動(dòng)電源能夠輸出恒定的電壓和恒定的電流，有效地延長(zhǎng)LED照明光源的壽命。

1 設(shè)計(jì)原理及芯片選擇

1．1 基本原理

反激式隔離變換器最主要的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，因而在中小功率開(kāi)關(guān)電源中是最為常用的變換器之一。其典型拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，+U_in為整流后的輸入電壓；T為脈沖變壓器，設(shè)計(jì)中還應(yīng)有回路控制的偏置繞組；D₁為輸出回路的快恢復(fù)肖特基整流二極管；R₁和C₁為其阻容吸收電路；輸出電路還包括由電感L₀和兩個(gè)電容C₀組成的一個(gè)π型低通濾波電路；變壓器初級(jí)有R_r、C_r和D_r組成的RCD漏感尖峰吸收電路；Q為控制脈沖變壓器一次繞組導(dǎo)通和截止的反激式變換器所需的開(kāi)關(guān)功率MOS管；N_p為初級(jí)繞組匝數(shù)，N_s為次級(jí)繞組匝數(shù)；設(shè)計(jì)中變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的地信號(hào)采用安規(guī)電容隔離；“·”表示同名端。

圖1 反激式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在反激式變換器中，Q導(dǎo)通時(shí)以隔離變換器的磁芯儲(chǔ)存能量，Q斷開(kāi)后將儲(chǔ)存在T中能量釋放至后級(jí)，經(jīng)過(guò)整流二極管、濾波電路處理后，給負(fù)載RL提供所需要的優(yōu)質(zhì)電壓和功率。

1．2 TNY275PN芯片介紹

TinySwitch-ⅢI器件以限流模：式工作。開(kāi)啟時(shí)，振蕩器在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)開(kāi)通功率MOSFET。電流上升到限流值或達(dá)到DC MAX的極限時(shí)關(guān)斷MOS-FET。由于TinySwitch-Ⅲ設(shè)計(jì)的最高限流值與頻率是定值，它提供給負(fù)載的功率與變壓器初級(jí)電感及峰值初級(jí)電流的平方成正比。因此，電源的設(shè)計(jì)包括計(jì)算實(shí)現(xiàn)最大輸出功率所需的變壓器初級(jí)電感。如果根據(jù)功率選擇了正確的TinySwitch-Ⅲ，那么流過(guò)電感內(nèi)的電流會(huì)在達(dá)到DC MAX極限前上升到限流值。

本設(shè)計(jì)采用TNY275PN電源芯片作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源的控制芯片。TNY275PN電源芯片在一個(gè)器件上集成了一個(gè)700 V高壓MOSFET開(kāi)關(guān)和一個(gè)電源控制器，與傳統(tǒng)的PWM控制器不同，它使用簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制方式來(lái)穩(wěn)定輸出電壓?？刂破靼ㄒ粋€(gè)振蕩器、使能電路、限流狀態(tài)調(diào)節(jié)器、5．8 V穩(wěn)壓器、旁路/多功能引腳(BP/M)欠壓及過(guò)壓電路、限流選擇電路、過(guò)熱保護(hù)、電流限流保護(hù)、前沿消隱電路。該芯片具有自動(dòng)重啟、自動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)周期導(dǎo)通時(shí)間及頻率抖動(dòng)等功能。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1 設(shè)計(jì)要求

AC輸入電壓范圍U=195 V～265 V(通常在亞洲、歐洲和世界上大多數(shù)地區(qū)使用)；

輸出電壓U。=20 V；輸出電流I。=0．7 A；

輸出功率P。=14 W；電路效率η≥80%。

2．2 電路實(shí)現(xiàn)

由于反激變換器電路簡(jiǎn)單且能高效提供直流輸出，在中小功率、小體積的電源電路中特別常用，因此主電路采用RCD箝位電路的反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定工作頻率f=132 kHz。基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅(qū)動(dòng)電源電路圖如圖2。

圖2基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅(qū)動(dòng)電源電路3 TinySwitch-Ⅲ外圍電路設(shè)計(jì)

為了更加透徹地分析此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與原理，把電路工作原理圖分為以下五個(gè)部分加以分析：輸入整流濾波電路、箝位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路和反饋電路。

3．1 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸入整流濾波電路包括整流部分、交流濾波和直流濾波電路。為了抑制電網(wǎng)中的浪涌電流，輸入端口串聯(lián)了1 A保險(xiǎn)管F保護(hù)電路和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT₁(NTC)。交流濾波采用π型濾波電路，電容C₁、C₂和共模扼流圈L₁。共同作用濾除雜波去除電網(wǎng)中的干擾，共模扼流圈(電感)是由兩股等同并且按同方向繞制在一個(gè)磁芯上的線(xiàn)圈組成。當(dāng)負(fù)載電流流過(guò)共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在火線(xiàn)上的線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁力線(xiàn)和串聯(lián)在零線(xiàn)上線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁力線(xiàn)方向相反，它們?cè)诖判局邢嗷サ窒?。因此即使在大?fù)載電流的情況下，磁芯也不會(huì)飽和。而對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，會(huì)呈現(xiàn)較大電感，從而起到衰減共模干擾信號(hào)的作用。

3．2 RCD箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì)

反激式變換器由于變壓器漏感的存在及其它分布參數(shù)的影響，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電壓，這個(gè)尖峰電壓嚴(yán)重威脅著開(kāi)關(guān)管的正常工作，必須采取措施對(duì)其進(jìn)行抑制。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的RCD箝位電路。根據(jù)

選取箝位電容。

3．3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

由于變壓器在電路中兼有儲(chǔ)能、限流和隔離作用，還要流過(guò)直流成分，因而是整個(gè)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵。為了合理選擇變壓器的磁芯，確定初級(jí)、次級(jí)線(xiàn)圈的線(xiàn)徑、匝數(shù)及氣隙等參數(shù)，必須對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、傳輸功率、傳輸效率、初級(jí)和次級(jí)峰值電流等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算方法多種多樣，但計(jì)算結(jié)果相差不大。本設(shè)計(jì)采用了PIXls Designer 8軟件，計(jì)算相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅需輸入相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，軟件就會(huì)輸出所需的變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)：初級(jí)線(xiàn)圈電感量L_p=2917 μH；初級(jí)匝數(shù)：N_p=90.7(實(shí)際設(shè)計(jì)中取91)；初級(jí)繞組電流密度：4A/mm²；次級(jí)主繞組圈數(shù)N_SM=14；磁芯選擇：EE22，相關(guān)參數(shù)：骨架繞組寬度B_w=8.45 mm，磁芯截面積A_E=42 mm²，帶氣隙磁芯等效電感量ALG=312 nH/T²，最大磁通密度B_M=274 mT，磁芯損耗中的交流磁通密度B_AC=80 mT；氣隙長(zhǎng)度L_G=0．147 mm；初級(jí)漏感L_{_LKG}=87.5 μH；次級(jí)走線(xiàn)電感L_SEC=20 nH。

軟件給出的參數(shù)都是經(jīng)過(guò)一定優(yōu)化得到的，故實(shí)際設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用這些推薦參數(shù)，實(shí)踐證明這樣做是合理且高效的。3．4 輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。整流二極管D₇選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，根據(jù)公式U_D7=U。+[U_inMAX·(N_s/N_p)]設(shè)計(jì)D₇并選用額定電壓為100 V的SBll00，與D₇并聯(lián)的RC緩沖吸收電路可以減少尖峰電壓的幅度和減少電壓波形的變化率，還降低了射頻輻射的頻譜成分，有益于降低射頻輻射的能量；電容器C₈一般應(yīng)選擇低ESR(等效串聯(lián)阻抗)的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)生的噪聲，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面再加一級(jí)LC濾波環(huán)節(jié)。

3．5 反饋電路設(shè)計(jì)

反饋電路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦+穩(wěn)壓管”形式反饋電路，光耦選LTV817A，VR₂是額定電壓為18 V容差為2%的穩(wěn)壓管。電源輸出端電壓由VR₂、LTV817A和R₄兩端的電壓決定。當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，電流流向光耦LED，從而下拉光耦中晶體管的電流。當(dāng)電流超過(guò)TNY275PN使能引腳的閾值電流時(shí)，將抑制下一個(gè)周期，當(dāng)下降的電壓小于反饋閾值時(shí)，會(huì)使能一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，通過(guò)調(diào)節(jié)使能周期的數(shù)量，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)反饋電路出現(xiàn)故障時(shí)，即在開(kāi)環(huán)故障時(shí)，偏置電壓超過(guò)R7與旁路/多功能(BP/M)引腳電壓之和時(shí)，電流流向BP/M引腳。當(dāng)此電流超過(guò)I_SD(關(guān)斷電流)時(shí)TNY275PN的內(nèi)部鎖存關(guān)斷電路將被激活，從而保護(hù)負(fù)載LED照明燈具。由于本設(shè)計(jì)使用了偏置繞組(可實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù))將電流送人BP/M引腳，抑制了內(nèi)部高電壓電流源，這樣的連接方式將265 VAC輸入時(shí)的空載功耗降低到40 mw，有效地降低了功耗。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅(qū)動(dòng)電源電路，分析了其工作原理和設(shè)計(jì)方法。綜合考慮了幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)并闡述了各外圍電路的功能特性，給出了合理設(shè)計(jì)相關(guān)電路參數(shù)的依據(jù)，特別是利用PIXls Designer8軟件設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，大大縮短了LED驅(qū)動(dòng)電源的開(kāi)發(fā)周期。經(jīng)驗(yàn)證，該電源具有變換效率高(82%)、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以為同類(lèi)LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。