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一种大功率LED照明驱动电源的设计与研究

  摘要:针对大功率LED照明驱动的需求,本文设计了一款基于L6561和OB2269芯片的LED驱动电源。该驱动电源采用两级驱动结构,前级为工作在临界断续模式的有源功率因数校正电路,后级为单端反激变换电路。最后,基于以上设计制作出一台输入宽电压范围100~240V、输出36V/3A的108W驱动电源,并通过实验测试,验证所设计驱动电源的可行性。本文网络版地址:http://www.eepw.com.cn/article/233869.htm
  关键词:驱动电源;功率因数校正;单端反激
  DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.2.008
  第一作者简介: 周俊生, (1968 - ) 男, 广东饶平人, 硕士,工程师, 华南理工大学, 研究方向: 电子电路、电子工艺和焊接技术。
   1 驱动电源整体结构
  本文设计的大功率LED驱动电源采用两级结构。市电220V交流电经过整流滤波电路后,进入前级的有源功率因数校正(APFC)电路,输出稳定的直流后,通过后级的单端反激变换电路进行降压,实现稳态恒功率控制[1-2],其结构框图如图1所示。
  计算得到Co为102.9μF。
  因电容器的电容量存在误差,还需要考虑降额使用。在此设计中降额20%,故选用标称值150μF、耐压值420V的电解电容。
  2.3 功率MOSFET的选择
  选择MOSFET的主要参考依据是导通电阻RDSon,针对功率因数校正技术的应用,开关管的耐压是由过压允许值以及输出电压决定的,它所能承受的最大电压出现在开关管的关断时刻,大约为电源额定直流的输出电压值[4]。在选用开关管时,它的耐压规格最好留出20%的电压裕量,因此本设计中采用的开关管源漏极承受电压为VDSS≥1.2V0=480V。流过MOSFET的最大平均电流为
  电流检测比较器的反向输入端,通过L6561芯片的CS引脚,可检测流过电感的瞬间电流大小,并藉由外部检测电阻RS转换成电压值。一旦这个值达到了乘法器输的出极限值,PWM的栓锁就被重置、MOSFET就被关闭。在PWM栓锁还未被ZCD讯号设定之前,MOSFET都会在关闭的状态。感测电阻值RS的大小由下式计算:
  管脚3是乘法器的第二个输入端;整流后的电压通过一个电阻分压网络连接到此引脚,以获得一个正弦波的参考电压信号[5]。乘法器可由以下关系描述:
   3 单端反激恒流电路
  本设计采用单端反激式变换器,使用On-Bright(昂宝)公司OB2269芯片[6]。反激式变换器电路的原理图设计如图4所示。
  3.1 变压器的设计
  设计反激式变压器,就是要让反激式开关电源工作在一个合理工作点,使其发热量尽量少[7-8]。
  求得NS=8.29,取9匝。两个辅助绕组,一个用于输出端恒流芯片供电,一个用于去磁检测,取两个辅助绕组的输出电压为15V,其匝数均为:NA=15×Ns/(Vo+VF)。计算NA=3.69,取4匝。
  变压器绕制,初级线圈采用0.4mm漆包线,次级绕组及两个辅助绕组采用0.3mm漆包线,为降低集肤效应影响,都采用3股并绕法。绕线占用窗口面积为20.19mm2,小于PQ3230型铁氧体磁芯的窗口面积,因此线圈绕制合理。变压器需开气隙为:Ig=4π×10-7?Np?Ag/Lp=0.34mm。3.2 开关管的选择
  开关管承受最大电压有PFC输入电压、原边感应电压和开关管关断时初级线圈冲击电压,电压之和约为638V。开关管开通延迟与关断延迟时间都要尽可能短,以提高开关速度,避免造成无谓损耗。考虑裕量和开关管损耗,在此选用Infineon公司的20N60S5。
  3.3 恒流限压控制电路的设计
  限压控制方面,选用德州仪器公司生产的三端可调分流基准源TL431A。在应用中要选择传输系数和耐压较高的光电耦合器,选用型号为PC817的光耦器。另外需通过R16、R17、R18对TL431A进行分压,分别取R16=3kΩ、R17=100kΩ、R18=39kΩ,计算能得到稳定时V1=36V,符合条件。恒流控制方面,选用型号为LM358的运算放大器。
   4 实验测试数据及分析
  在完成电路调试和驱动电源的制作后,采用功率电阻模拟负载的方式,对电源样机的实际工作情况进行了实验测试。电源在不同输入电压条件下负载工作时所测得的数据如表1所示。从表中数据可以看出,在100到240V的宽输入电压范围内,输出电流均保持在3A左右,达到恒流输出的效果。
  电源在不同负载条件下工作时所测得的数据如表2所示。数据表明,电源效率及功率因数随负载增加而上升。在满负载的情况下,驱动电源样机的功率因数达到96.9%,效率能达到86.75%,基本符合大功率LED照明系统对驱动电源的要求。
   5 结论
  本文从功率因数校正和变换器及其拓扑结构上进行了讨论分析,设计出一款有源功率因素校正的单端反激变换大功率LED驱动电源,通过测试驱动电源的功率因数和效率,给出实验结果并进行分析,验证本文所述理论的正确性。
  参考文献:
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