一種反激式LED驅(qū)動(dòng)電源變壓器設(shè)計(jì)方法

徐珍寶,沈 洋,蘇玲愛(ài),陳 亮,金尚忠,周占春

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

一種反激式LED驅(qū)動(dòng)電源變壓器設(shè)計(jì)方法

徐珍寶,沈 洋,蘇玲愛(ài),陳 亮,金尚忠,周占春

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

變壓器作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源的核心部分,其設(shè)計(jì)方法較多,但是大部分設(shè)計(jì)方法都有公式多、計(jì)算困難等缺陷.研究提出一種反激式LED驅(qū)動(dòng)電源變壓器設(shè)計(jì)方法，從電感的電學(xué)特性引入變壓器相關(guān)參數(shù)的計(jì)算,并結(jié)合工程實(shí)踐給出了相關(guān)參數(shù)計(jì)算步驟.最終通過(guò)相關(guān)實(shí)例對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證,并且與電源設(shè)計(jì)軟件PI Expert相比較.結(jié)果表明，該方法有效可行,且對(duì)參數(shù)的選擇更具有靈活性.

開(kāi)關(guān)電源;反激式LED驅(qū)動(dòng)電源;變壓器設(shè)計(jì)方法

伴隨LED發(fā)光效率的提高,特別是在20世紀(jì)90年代末白光LED的發(fā)明,為L(zhǎng)ED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用打開(kāi)了空間,使之成為繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后的新一代光源[1].但對(duì)于一個(gè)LED燈具來(lái)說(shuō),要在燈具市場(chǎng)上取得優(yōu)先地位,不僅僅是擁有一個(gè)質(zhì)量?jī)?yōu)等的LED芯片的問(wèn)題,而且擁有一個(gè)良好的LED驅(qū)動(dòng)也是非常有必要的.對(duì)于一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器,由于其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的線性恒流源復(fù)雜得多,且其變壓器受很多因素的影響,同時(shí),變壓器也影響著LED驅(qū)動(dòng)電源的效率、輸出電流、最大輸出功率等諸多性能參數(shù)[2].可見(jiàn),驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)得是否合理跟變壓器參數(shù)的選擇有很大關(guān)系,因此,擁有一個(gè)簡(jiǎn)便可靠的變壓器的設(shè)計(jì)方法是至關(guān)重要的.本文以反激式LED驅(qū)動(dòng)電源變壓器的設(shè)計(jì)為例,從電感的電學(xué)特性引入變壓器相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法,并結(jié)合工程實(shí)踐給出了相關(guān)參數(shù)計(jì)算步驟,進(jìn)而給出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例.

1 反激式LED驅(qū)動(dòng)的工作原理

(1)

在(1)式中:Lp—初級(jí)繞組的感量,Vdc—初級(jí)繞組兩端的電壓(忽略了MOS管導(dǎo)通壓降),ton—MOS管導(dǎo)通時(shí)間.在MOS導(dǎo)通的過(guò)程中,初級(jí)繞組上的電勢(shì)表現(xiàn)為上高下低,而次級(jí)繞組上的電勢(shì)表現(xiàn)為上低下高,因此,此時(shí)二極管D2反向截止,初級(jí)繞組上的能量不能傳遞到次級(jí)回路中,只能存儲(chǔ)在變壓器磁芯當(dāng)中.

圖1 反激式LED驅(qū)動(dòng)原理圖Figure 1 Flyback LED diagram

(2)

在(2)式中:isk—次級(jí)繞組上的峰值電流,其計(jì)算公式為isk=N·ipk(N為次級(jí)繞組匝數(shù)與初級(jí)繞組匝數(shù)的比值),uout為輸出電壓(忽略了二極管D2的壓降),toff為MOS管Q1的有效關(guān)斷時(shí)間(次級(jí)繞組上的電流從開(kāi)始下降到降為0所經(jīng)歷的時(shí)間),Ls為次級(jí)繞組的感量.

對(duì)于輔助線圈Nf,其主要用于給電源IC供電,當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí)給電源IC提供供電能量,且其兩端的電壓表達(dá)式為

(3)

2 反激式LED驅(qū)動(dòng)電源變壓器的設(shè)計(jì)步驟

2.1 選擇變壓器的磁芯

對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì),在選擇磁芯時(shí),我們通常選用EE型磁芯.對(duì)于EE型磁芯尺寸的選擇,為了設(shè)計(jì)的方便,我們利用查表法選擇,具體表格可參考相關(guān)資料[6].

由于不同的頻率,不同的功率對(duì)應(yīng)的磁芯型號(hào)都不同.在選擇磁芯型號(hào)時(shí),只要確定LED驅(qū)動(dòng)器的輸出功率及其工作的頻率即可確定所選用的磁芯型號(hào).

2.2 確定變壓器的各繞組的匝數(shù)比

為了能使得輸入電壓最低時(shí),輸出電壓最大時(shí)也能達(dá)到最大輸出功率,初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的匝數(shù)比應(yīng)滿足如下關(guān)系[7]:

(4)

通常在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,考慮到效率的問(wèn)題,我們?nèi)?/p>

(5)

對(duì)于輔助繞組匝數(shù)與次級(jí)繞組匝數(shù)的比值應(yīng)滿足(3)式所表述的關(guān)系,在平時(shí)的變壓器設(shè)計(jì)中為保證給電源IC的工作電壓能在工作范圍內(nèi)，通常輔助繞組匝數(shù)與次級(jí)繞組匝數(shù)的比值應(yīng)滿足如下關(guān)系:

(6)

在(4)、(5)、(6)三式中,Ns、Nf及Np分別表示次級(jí)、輔助及初級(jí)繞組的匝數(shù),uoutmax表示輸出功率最大時(shí)的輸出電壓,uinmin表示初級(jí)繞組上的最小輸入電壓,ufmin表示電源IC最小工作電源電壓,ton及toff分別表示輸入電壓最小且輸出功率最大時(shí)MOS管的導(dǎo)通時(shí)間及有效關(guān)斷時(shí)間.對(duì)于ton及toff取值,所應(yīng)用的電源IC不同取值有所不同,可根據(jù)電源IC的最佳工作頻率及最佳占空比得出.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般f=40 kHz,D=0.4.(f為電源IC的工作頻率,D為MOS驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比.)

2.3 確定變壓器各繞組的匝數(shù)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,且保證磁芯不出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,MOS管導(dǎo)通時(shí),Np可由如下公式計(jì)算[8-9]:

(7)

在(7)式中：Np—初級(jí)繞組匝數(shù),uin—初級(jí)繞組上的輸入電壓,ton—MOS管的導(dǎo)通時(shí)間,ΔB—磁芯工作時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍,Ae—磁芯的橫截面積.對(duì)于如上參數(shù),在設(shè)計(jì)時(shí)uin通常取初級(jí)繞組上的最小輸入電壓,ton取輸入電壓最小且輸出功率最大時(shí)MOS管的導(dǎo)通時(shí)間,ΔB隨著磁芯材料的不同取值不同(PC40材料通常取0.4T),Ae由所選用的磁芯型號(hào)決定.Np求出之后,根據(jù)(5)式和(6)式便可求出Ns及Nf的值.

2.4 確定次級(jí)電流峰值isk及初級(jí)電流峰值ipk

對(duì)于不同的電源IC,其電流調(diào)控的方式不同,計(jì)算次級(jí)電流峰值isk及初級(jí)電流峰值ipk的公式就有所不同,一般通過(guò)查閱相關(guān)電源IC的資料即可找出相關(guān)信息,但不管如何，次級(jí)電流峰值isk及初級(jí)電流峰值ipk始終滿足如下關(guān)系式:

(8)

2.5 確定初級(jí)電感感量

當(dāng)初級(jí)繞組兩端的最小輸入電壓uinmin、輸入電壓最小時(shí)MOS管的導(dǎo)通時(shí)間ton及初級(jí)電流峰值ipk確定后,初級(jí)繞組的電感感量也就隨之確定,其表達(dá)式如下:

(9)

2.6 確定各繞組的線徑

對(duì)于所選用線圈的線徑,其取值與流過(guò)相應(yīng)繞組的有效電流值有密切關(guān)系,計(jì)算公式如下[10]:

(10)

在(10)式中:d—線徑,I—電流的有效值,J—電流密度(通常取7 A/mm2).值得聲明的是,當(dāng)線圈電流大于10 A時(shí)應(yīng)選擇多股線或多根導(dǎo)線并聯(lián)[11].對(duì)于輔助繞組,由于其流過(guò)的電流較小,所以其線徑?jīng)]有嚴(yán)格要求.

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本例利用華晶的CS6552設(shè)計(jì)了一款驅(qū)動(dòng),設(shè)計(jì)規(guī)格為:輸入電壓85～265AC,輸出12 W/300 mA.

倘若由PIExpert軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),則需要找到與CS6552工作原理相似的芯片,然后再輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),其中所需輸入的參數(shù)除了輸入電壓最大值、輸入電壓最小值、輸出電流、輸出電壓最大值、變壓器工作頻率、工作比例(KP)之外,還包括反射輸出電壓、損耗分配因子、漏極到源極電壓、容差及估計(jì)效率等參數(shù).

相比于本文提出的設(shè)計(jì)方法,用PIExpert無(wú)疑涉及到更多的參數(shù),這不僅會(huì)降低變壓器設(shè)計(jì)的靈活性,還會(huì)降低其開(kāi)發(fā)效率.用PIExpert軟件計(jì)算的變壓器主要參數(shù)與用本文提出的設(shè)計(jì)方法計(jì)算的變壓器主要參數(shù)對(duì)照如表1.

表1 變壓器參數(shù)對(duì)照

對(duì)于PI Expert設(shè)計(jì)的結(jié)果,由變壓器的伏秒原則可知,由于其計(jì)算的變壓器的次級(jí)匝數(shù)Ns與原邊匝數(shù)Np的比值為0.37,當(dāng)輸入電壓為85 VAC時(shí),其輸出電壓的最大值為37.7 V,即此時(shí)輸出功率會(huì)小于12 W,并且MOS的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到電源芯片的最大值0.5 T,使其負(fù)載調(diào)整率也有所降低.由此可見(jiàn),用PI Expert軟件設(shè)計(jì)出的參數(shù)很難滿足設(shè)計(jì)要求,后續(xù)的優(yōu)化也較困難.

用本文所提出的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的變壓器經(jīng)過(guò)測(cè)試后,相關(guān)波形圖和相關(guān)數(shù)據(jù)如2～3:

圖2 初級(jí)繞組兩端的電壓波形Figure 2 Voltage waveform of the primary winding

由圖2可知本例設(shè)計(jì)的變壓器基本能使工作頻率達(dá)到預(yù)定值,但還是存在一定的誤差,經(jīng)分析,主要原因是變壓器的制作存在偏差且數(shù)據(jù)計(jì)算也有一定的誤差.由圖3可知變壓器上的電流變化平穩(wěn),沒(méi)有出現(xiàn)飽和等不良現(xiàn)象.

圖3 電流采樣電阻兩端的波形Figure 3 Waveform of the current sampling resistor at both ends

交流輸入電壓/V輸出電流/mA效率/%8529675.811030081.515029984.222029285.226528585.3

由表3可知用本文所述方法設(shè)計(jì)的電源效率基本可達(dá)80%左右,且在輸入電壓寬度內(nèi)基本能保正輸出電流在300 mA,其恒流精度≤±5%.

表3 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試表

由表3可知,用本文所述方法設(shè)計(jì)的變壓器,使用在LED驅(qū)動(dòng)電源上時(shí),其負(fù)載調(diào)整率≤±5%.

4 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)際的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中,變壓器設(shè)計(jì)好后還要結(jié)合所用芯片的實(shí)際情況進(jìn)行不斷的調(diào)試,以達(dá)到設(shè)計(jì)出最優(yōu)變壓器的目的.本文主要為變壓器的初步設(shè)計(jì)提供一種簡(jiǎn)便易行的方法,加快變壓器設(shè)計(jì)的速度.

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Design of a power supply transformer for flyback LED drivers

XU Zhenbao, SHEN Yang, SU Lingai, CHEN Liang, JIN Shangzhong, ZHOU Zhanchun

(College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Transformer serves as the core part of an LED driver. There are many design methods of transformers. But most designs involve too much formula and calculation. Now, we put forward a novel design of a power transformer for flyback LED drivers. The parameters of the transformer were calculated from the electrical characteristics of inductance. We put forward the calculation procedure combined with engineering practices. Finally, the method was verified by relevant examples and was compared with PI Expert. The results show that the method is effective and feasible and has much flexibility on the choice of parameters.

switching power; flyback LED driver; transformer design

1004-1540(2015)01-0094-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.01.017

2014-09-22 《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

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