大功率恒流LED驅動電源方案分享之電路設計

在上周周五的文章中，我們針對一種大功率LED驅動電源方案的設計原理進行了詳細介紹，并對這一LED電源的PFC電路設計方案進行了簡析。今天我們將會繼續(xù)就這一大功率恒流LED驅動電源方案展開分享，并針對該方案中的電路設計部分進行重點闡述和介紹。

調光電路設計

相信通過上周周五的恒流LED電源設計原理介紹，大家應該都非常清楚，這一方案主要采用PWM調光的方式來對驅動電源調光電路進行設計。因此，在這一設計的基礎上，我們對驅動電路進行了簡要的改動設計。下圖中，圖1是LED驅動電路的結構簡圖，我們所設計的這一驅動電源在輸出端做出了如下圖圖2所示的改動，即是在輸出端LED的燈串中串聯(lián)一個開關管，通過控制開關管的導通和關斷來改變平均輸出電流。

從圖2所展示的這種大功率恒流LED電源的調光電路圖中可以看到，在這一電路系統(tǒng)的設計中，我們選擇將NCS1002的Vcc端與V3相連，并將CON2端為輸入PWM信號端口。采用該種設計的特點和缺陷非常明顯，當輸入PWM信號為低電平時，三極管V5的集電極與發(fā)射極截止，V3的柵源兩端電壓為Vcc，約為14V，V3處于導通狀態(tài)，LED正常發(fā)光。而當輸入信號為高電平時，V5的集電極與發(fā)射極導通，V3的柵源兩端電壓被拉低，V3截止，LED不發(fā)光?？紤]到輸出端被斷開時，采樣電阻上不產(chǎn)生電壓，為瞬間的開路狀態(tài)。

圖1 LED驅動電路結構簡圖

圖2 調光電路的電路圖

因此，在了解了這一調光電路設計過程中的主要問題之后，為了解決這一缺陷，在本次所設計的大功率恒流LED電源的電路系統(tǒng)中，我們特別添加V4和C12。由上圖圖2可見，V3和V4同時導通和關斷，在V3、V4關斷時，恒流控制環(huán)檢測到C12兩端的電壓，即正常工作時R12兩端的電壓，稱為虛擬電壓。而在添加了V4與C12之后，當PWM信號頻率足夠高時，輸出端開路時間很短，C12尚未完全放電，恒流控制環(huán)將C12兩端電壓作為檢測到的電壓，從而使電路保持正常工作。所以由于虛擬電壓，此時的PWM調光電路就不會影響電路的恒流效果了。

變壓器匝數(shù)計算及設計

在完成了調光電路以及硬件設計之后，接下來我們需要做的是整個LED電源設計中最關鍵的一部分，那就是完成電源變壓器的匝數(shù)計算和相關的設計工作。由于在本方案中，我們所設計電路的輸出額定功率是75W，因此，我們選擇型號為PQ3230的變壓器磁芯。查表得其磁芯面積為1.6cm2，驅動電源的效率為85%，這里取輸入最小電壓120V和最大占空比0.45，則變壓器初級的平均電流為Iav=Po/(ηUinmin)，經(jīng)計算得出結果為0.74A。

在已經(jīng)得出了電源變壓器的初級平均電流值之后，接下來我們需要計算的是這一LED驅動電源變壓器的初級峰值電流Ipk，為了得到精確的計算結果，此時我們需引入初級的電流變化量△I，與Ipk的比值Krp。由于LED電源的主電路工作在CCM模式，因此取Krp=0.7，則可得出公式為IgvT=(Ipk-IpkKrp+Ipk)ton/2，式中T為工作周期，T=1/∫，ton=TDmax。計算得到Ipk為2.53A，進一步可得到初級的電感量和匝數(shù)分別為：

在上述公式中，磁通密度△B的值一般取0.1～0.2T之間。通過對該公式的推導和演算，解得Lp=436μH，Np=33匝。又因輸出電壓Uo=50V，續(xù)流二極管壓降Uvo=1V。根據(jù)公式Ns=(Uo+UVD)Np/Uinmin，得到次級匝數(shù)為14匝，進一步可得輔助繞組匝數(shù)為5匝。

實驗測試結果

在完成了對該種大功率恒流LED驅動電源的硬件及電路設計好，接下來需要做的就是制作樣機并進行實驗。首先我們要對未加調光電路的驅動電源進行實驗測試。實驗條件為輸入為90～260V交流電壓、負載為75W的LED燈串(即60個3.5V/0.35A的LED燈)。下圖中，圖3(a)示出全電壓下驅動電路輸出電流、功率因數(shù)及轉換效率。

從圖3(a)中可以看出，在沒有添加調光電路的前提下，當輸入交流電壓在90～260V之間變化時，這一恒流大功率LED驅動電源的輸出電流變化范圍為1.472～1.593A，波動率為8.16%。驅動電路的功率因數(shù)一直非常高，保持在0.95以上。而當輸入電壓低于220V時.隨輸入電壓的升高，驅動電路的轉換效率逐漸提高，最高可達86%。當輸入電壓高于220V時，轉換效率隨電壓升高略有下降。

接下來我們在樣機在原有的驅動電路上增加本文中所設計的調光電路，在添加調光電路的同時，利用n555定時器電路產(chǎn)生PWM信號輸入CON2端口，在220V的輸入電壓條件下，改變輸入PWM信號的占空比。負載仍是75w的LED燈串。下圖中，圖3(b)示出不同占空比的PWM信號下驅動電路輸出電流、功率因數(shù)及轉換效率。

(a)

(b)

圖3 輸出電流、功率因數(shù)及轉換效率

從上圖中圖3(b)的LED電源輸出電流、功率因數(shù)及轉換效率曲線圖可知，在輸入220V交流電壓條件下，在這一大功率恒流LED驅動電源的主電路系統(tǒng)中隨著PWM 占空比的減小，輸出電流也減小，占空比在0.2～1之間變化時.輸出電流的變化范圍為0.6～1.5A。當占空比大于0I3時，驅動電路的功率因數(shù)基本不變，保持在0.9以上。當占空比低于0-3時，功率因數(shù)有明顯下降，但仍維持在0.88以上。轉換效率隨著占空比的減小而減小，最低降至約50%。