基于PL3536的18W LED驱动电源设计

2015-03-14编辑:探路者 关键字:PL3536  18W  LED  驱动电源设计
LED照明作为一种高效节能的照明技术,已逐步取代着传统白炽灯和荧光灯的照明技术。未来照明行业的主流必然是LED照明。

LED驱动电源与普通的线性稳压源相比,它具有体积小、成本低、效率高等优点。LED驱动电源主要有恒压和恒流两种工作模式,在LED照明早期,一般都采用工作在恒压模式的驱动电源,但经过长期的实践发现其有很多的缺陷。目前大多数LED驱动电源都工作在恒流工作模式。对于恒流模式的LED电源,在设计方面,我们要求无论环境如何变化它都能输出恒定的电流且电流纹波都能在要求的范围内。本文所设计的就是一种工作在恒流模式的LED驱动电源。

1 电路原理与分析

本文设计的是一种基于PL3536的18 W LED驱动电源,其输出模式是恒流输出模式。此设计的电路主要分为四个部分,分别是:交流输入端整流滤波设计、DC/DC变换器设计、反馈电路设计、输出滤波电路设计。电路原理框图如图1所示。

1.1 交流输入端整流滤波设计

交流输入端整流滤波电路图如图2所示。此部分电路主要元器件有熔丝管FUSE,整流二极管D1、D2、D3、D4,电容C1。其中熔丝管是为了防止电源工作电流过大而设计的。流过熔丝管的电流计算公式为:

在此电路中取P0=18 W;η为电源的效率我们取83%;umin为交流输入的最小值,这里取85 V;cosφ为功率因数,取0.6,代入(1)式得I=0.43 A。又应为实际电流不是正弦电流,而是窄脉冲电流,因此得I0=0.65*I=0.28A。所以在此我们取熔丝管的规格为2 A/250 V,对于整流二极管我们选用IN4007。对于输入滤波电容C1,其估算公式为C=K*P。在本设计中因为输入电压为85 V~265 V,所以K可取2.5μF /W,由此可得C1=2.5*18=45μF,实际取47μf。而对于电容两端电压最大值Ucmax=1.4*Uimax=1.4*265=371 V。综上所述,电容C1实际所取规格为47 μF/400 V。

1.2 DC/DC变换器设计

DC/DC变换器电路图如图3所示。该电路图主元器件有电阻R1、R2、R3、R4、R5;电容C2、C3、C4;二极管D5、D6;高频变压器T1;电源芯片PL3536。此部分电路可分为如下几个模块设计。

1)钳位电路

在此电路中对于由R2、C2及D5构成漏极钳位保护电路,由于开关频率为40 kHz,输入电压为85 V~265 V。根据经验可取电阻R2的型号为150 K/0.5 W,电容C2的型号为2.2 nF/1 kV,对于阻塞二极管D5,可取快速恢复二极管FR107。

2)供电电路

当电路刚上电时,市电通过整流桥后对电容C3充电,当C3上的电压到达电源芯片工作电压后,PL3536开始工作,之后就由辅助绕组对PL3536提供工作电压。

通常我们取启动时间为0.5 s,储能电容C3取47 μf。启动电阻的计算公式为:

R=t/{ln[(V1-V0)/(V1-VT)]*C} (2)

t=0.5 s,V1=264 V,V0=0 V,Vt=14.5 V,C=47 μF代入(2)式得RI=188 k,因此取R1的型号为200 k/0.5 W。对于整流二极管我们选择IN4007。

3)电流检测电路

PL3536的CS端接电阻R5到地。PL3536通过检测电阻R5两端的电压来检测原边电感的电流值。其中电阻R5计算方法如下:

故R5所取的型号是0.16Ω/7 W。

4)补偿电容

PL3536的comp脚接电容C4到地用于对误差放大器输出信号进行相位补偿,推荐值为100 nF,此值太大或太小都可能会造成电路工作不稳定。

5)反馈电路

因为PL3536的EA基准电压为2 V,辅助的电压最大值为20 V,所以

,取R3=20,则R4=2.22 k,取2.3 k。

6)高频变压器

设Np、Ns及Nb分别为变压器的原边、副边及辅助的绕组匝数。由于本设计的电路为反激式电路,故线圈匝数比公式为:

上式中VO为输出电压,VDF整流二极管的电压降,TOFF和TON分别为MOS管的关断与导通时间,VIL为最低输入电压,Vf为PL3536工作的电源电压。

因为我们变压器磁芯所选的材料为PC40,开关频率为40 k,占空比为0.4,故每1伏电压的1次绕组匝数位0.363,结合(7)、(8)式可得Ns=79.86,Nb=71.07,Nb=23.95。在此我们选择Ns=80,Np=71,Nb=24。考虑到电流的作用,本设计在绕制变压器时,原边选用0.28 mm的铜线,副边选用0.3 mm的铜线,辅助选用0.15 mm的铜线。绕制顺序为先原边40圈加两层绝缘胶带,再副边71圈加两层绝缘胶带,然后原边40圈加两层绝缘胶带,最后辅助24圈加两层绝缘胶带。1. 3 输出滤波电路设计

输出滤波电容的计算公式为:

式中△Q为电荷变化量,Upp为输出电压纹波峰-峰值。I为输出电流,t为放电时间。其中Upp=50 mV,I=300 mA,

代入(9)、(10)式得C=60 μF,最终C6选择100μF/63 V。此外,为了让输出电压在空载时能稳定输出一个电压,本设计为此输出电路加了一个输出负载,选择型号为39 k/0.25 W。

2 PCB设计

对于PCB设计主要注意一下几点。

1)在输入端的滤波电容到PL3536的地之间的铜箔区域应使用单点接地。

2)由输入电容C1到变压器及PL3536之间的环路面积要尽可能的小。

3)为减少EMI干扰,从RCD钳位电路到PL3536脚Drain端的路径要保证最小。

4)为保证电路板有良好的散热性,应在电源芯片的下方进行铺地。

3 电路相关性能测试结果

上图为输出电流的波形,此波形的测量方法如下:首先在输出端串联一个10 Ω的电阻,然后连接一个100 Ω的电阻负载,最后用示波器测量10 Ω电阻两端电压即可。由欧姆定律可知该电压波形与输出电流波形等效。

由图上可以看出,输出端会周期性的出现尖峰电流。经测试和分析得出该尖峰电流是因为输出回路存在寄生电感,故滤波电容对它是无效的。

表1的测试条件是输出负载100,环境温度为23。

由表1可知该驱动电源在输入电压变化时,其输出电流基本稳定,电源效率可达82.0%左右。

4 结束语

本设计采用PL3536作为控制芯片,可以达到使用很少的外围元器件就能达到恒流的效果,并且由于此电源芯片内置了限流保护、高压保、护欠压保护等电路,在降低驱动电路的生产成本的同时也保证了电路的安全性。经测试该驱动电源输入电压宽度可达AC 85-265V,输出电压可达40 V~60 V,输出电流为300 mA ±5%,电源效率为82%左右。

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