LED恒流驱动电源设计的步骤

2015-03-28编辑:探路者 关键字:LED  恒流驱动  电源设计
  LED作为一种新的照明用光源,正在逐渐得到大规模和大范围内的应用;决定LED灯的性能和寿命的核心部分是LED恒流驱动电路,LED灯的寿命(光亮度衰减)与驱动电流的稳定性和电流纹波或杂讯息息相关。

  本文以交流AC供电到输出恒定直流DC为例,设计中必须进行的几个步骤,搞定LED恒流驱动电源设计

  第一步:明确所设计LED驱动反激电源技术要求

  我们今天先从AC-DC用单端正激式开关电源拓扑开始,因为它是一种小型、经济,也是开关电源应用较多一种,并且它功率输出在50~200W是最合适的。设计技术要求如下:

  输入电压:交流220V±10% 纹波电压UP:0.5V

  输出电压UO:15V 输出波动电流IP:±0.1A

  输出电流IO:10A 占空比:D max=0.42

  第二步:LED恒流反激电源设计步骤

  1,总体流程图

  如同开关电源设计一样,LED驱动反激电源也是先进行总体考虑,然后对电源各部分分别进行设计,接下来就是设计总体和辅助功能,最后进行测试和设计优化的。下面设计步骤流程:

  2. 驱动电源模块功能图

  第三步:变压器设计

  1、输出变压器次级电压U2计算


  
  UL是输出扼流圈在内次级线圈的电压降,Uf是输出二极管的正向电压。最低的次级电压U2min为:


  
  设:

  (设定肖特基二极管),则

  2、初、次级线圈计算

  输入直流电压U1的最小值使用按输出电路计算求得的U1min值。根据中国输配电情况U1=200~253V,则变压比N为

  根据输出容量磁心尺寸关系表3-4 [2] 选取EI-30。它的有效面积为S=111mm2。

  磁心材质相当于TDK的H7C4,最大工作磁道密度Bm可从图3-4中查得.实际使用时的磁心温度约100℃,且要选择能保持线性范围的Bm,即0.3T以下。当磁心温度有100℃,工作频率200KHz时,约减少0.1T而成为 。根据线圈计算公式则,

  因而次级N2 = 4,式中Bm为磁心的磁通密度(T);S为磁心的有效截面积(mm2)。初级线圈的匝数则是以下公式确定。

  次级线圈所需要的电压U2min一定要充分,因此要进行ton max的修正计算。

  则有,

  Dmax修正结果为0.42,仍然在0.4~0.45范围内,可以继续使用以下计算。

  第四步:输出滤波器设计

  在开关电源中带磁心的电感器,一般采用电感线圈Lf 与输出滤波电容器Cf 构成的“L”型滤波器如下图。电感线圈对高频成分呈现很高的感抗,而电容对高频成分呈现很小容抗,已达到在电路中抑制纹波和平滑直流的作用。

  1、输出扼流圈的电感值设计

  计算流入输出扼流圈电流

  L为输出扼流圈的电感(μH); 为输出电流的10%~30%。则有

  电感L值为:

  由此可见,需要11.86μH,10A的扼流圈。

  2、输出滤波电容的确定

  输出电容器的选定取决于输出脉动电压控制在多少毫伏。输出脉动电压 虽要根据 和输出电容器的等效串联电阻 确定,但一般规定为输出电压的0.3%~0.5%范围。

  又因

  就是在200HKz范围内,需要 值在37.5m 以下电容器的。所以可以选择20V,8200 H,则 为31m ,容许脉动电流为2.9Ams.

  流向电容器的纹波电流为:

  即0.58A<2.9A,说明电容合适

  3、滤波器电阻设计

  要想不是输出扼流圈的电流中断而直接使用时,可以假设电阻值Rd

  则假设电阻Rd电耗为 Wrd

  第五步:复位电路计算

  复位电路如图所示。开关功率管VT1接通时,变压器T1的磁通增加,磁能被储存到T1,当VT1截止时,即放出这种受激磁的磁能下图复位线圈到T1上以在VT1截止时通过VD1把磁能反馈到输入。

  则磁复位串接在N3的中二极管VD1承受最大电压为

  那么选择VD1额定电压为800V,这样基本符合要求的。

  第六步:功率开关管选择

  图为MOSFET型功率开关管,它主要具有驱动功率小,器件功率容量大;第二个显著特点是开关速度快,工作频率高,另外他的热稳定性优于GTR等优点,也是目前开关变换器广泛应用的开关器件。

  根据单端正激式变换器计开关管VT1承受最大电压公式得:

  流过MOSFET开关管最大电流为:

  根据下面功率MOSFET表3.7,可以选择2SK2718型号。它的最高承受电压为900V,允许最大电流为2.5A,而功率损耗是40W,是上面功率最小损耗的。

  第七步 输出二极管选择

  输出二极管有肖特基二极管(SBD),低损耗二极管(LLD)、高速二极管(FRD)。输出为低压大电流时应采用肖特基二极管,其他则采用低损耗或调整二极管。

  (1.)选择二极管时要注意选择反向恢复时间trr快的二极管。

  这是因为主开关元件闭合时反向流入二极管的电流会影响初级线圈开关特性并致使损耗增大。同时,输出噪声也会受很大影响的。所以输出整流二极管选择一般原则有四点。

  1、选用正向压降VDF小的整流二极管;

  2、选用反向恢复时间trr整流二极管;

  3、选用正向恢复电压VFRm整流二极管;

  4、选用反向漏电流IR小整流二极管。

  (2.)续流二极管VD2选择

  续流二极管VD2上的反向电压UVD2与输出变压器次级电压的最大值是相同的。根据单端正激式变换器公式得:

  流过它方向电流Ir一般看作与IO大致相同的,即 Ir=Io=10A..

  可选择低损耗二极管MBR1545 作为续流二极管它参数为,Uds=45V, IO=15A,trr<1.0ns。

  第八步:恒流输出电路设计

  1、恒流输出原理

  任何电源要实现恒流功能,均需对电源的输出电流进行检测取样,与电流设置值即参考值进行比较,经负反馈放大调节(P、PI、PID)。线性串联稳压是调节调整管的压降,而开关电源是调节变换器的脉宽(或占空比),维持输出电流的恒定。

  下图是恒流控制反馈系统图。图中Iref是电流设置基准;CR是电流PI调节;Kfi是电流取样反馈系数;RS、Ro是电流取样电阻和负载电阻。该系统采用是电流模式控制,可以检测变换器输出电流,适当地选取反馈系数Kfi, 通过P(比例)、PI(比例积分)、PID(比例积分微分器)实现恒流控制。在反馈系数不变情况下,也可以通过改变电压或电流实现恒流值控制。

  下图是恒流电源常用电路,其中采样电阻RS串联在功率回路里,作为回路电流的采样元件。它把回路电流转换成电压信号,并与基准电压Uref在放大器中进行比较放大,然后将其送至调整管VT的基极,驱动调整管VT对输出电流IO变化进行补偿校正。就可以实现恒流输出的。

  2、恒流输出计算

  恒流输出电路是采用集成稳压器构成的开关恒流源电路构成如下图所示。MC7815为三端固定式集成稳压器,RL为LED二极管负载电阻,RW为可调电阻器。

  工作原理:固定式集成稳压器工作在正常状态,在输出2和公共端3之间接一电位器RW,从而形成一固定恒流源。调节RW,可以改变电流的大小,其输出电流为

  式中Iq为MC7815的静电流,小于10mA。当RW较小即输出电流较大时,可以忽略Iq。当电路中电压或者是负载发生变化时,MC7815用改变自身压差来维持通过负载的电流不变的。

  设RW=1~15 时,那么它输出恒定电流变化范围

  因此可以实现10A恒流输出的。

  第九步:缓冲吸收电路设计

  在开关电源中,由于变压器的漏感、布线的引线电感存在、开关管在关断瞬间会产生很高的电压尖峰脉冲。整流快速恢复二极管由于存在存储效应,反向恢复过程中也会出现很高的反向恢复的碾压尖峰脉冲。这些过电压尖峰脉冲的出现不但危及功率器件的工作安全性,而且形成很强的电磁干扰噪声。为此必须在功率器件两端设计尖峰电压缓冲吸收电路。缓冲电路图如图中红框部分:

  从缓冲电路中均有电容器元件,电容器的端电压不能突变,当MOSFET功率开关管关断是形成尖峰电压脉冲能量转移到电容器中储存,然后电容器的储能通过电阻消耗或返回电源,起到缓冲吸收电压尖端作用。而输出二极管两端产生的反向浪涌电压同时也受到限制,这样因此反向浪涌电流就会随之而减少,以及减少损耗和可能出现振荡。

  第十步 控制电路设计

  下面采用是μPC1094C控制电路

  芯片框图及引脚说明

  1、振荡器

  振荡器的振荡频率fosc有接在引脚6上的定时电阻器R17与接在引脚5上的定时电容器C15决定的。当 时振荡频率 。

  2、启动电路

  启动电路由接在引脚8上R14接上外部电源为芯片工作提供Vcc=15V电源,而接在引脚9上是通过R10接在外部电路提供集电极电压。

  3、限流电路

  过流保护电路由R18、R19 、C16组成。它们是接到引脚3上的,在正常情况下,引脚3上电压低于200mV。当出现过流时,引脚3上的电压超过200mV的正负阀值,输出级被锁定为低电平,下个脉冲周期来之前,过流闭锁器复位,对下个周期的过电流进行检测,限制脉冲宽度。

  4、过电压保护电路

  过电压保护电路由光电耦合器PC1、R16组成的。当输出电压超过15V时,光电耦合器PC1动作,经过引脚2接入反馈电压电路,使输出级锁定为低电平。

  5、最大占空比的设定和软启动

  最大占空比是由电阻器R14、R15分压比来确定的。为了防止变压器的磁饱和,

  当电源电压刚启动时,与R14并联的电容器C14上电压不能突变,引脚1上电压为UREF,占空比为最大的。
  
  6、输出电压控制电路

  输出电压可通过调节R5、R6、R7组成分压电路确定的:

  第十一步:PCB布线

  在画PCB布线时,应先确定元器件的位置,然后布置地线、电源线、再安排高速

  信号线,最后考虑低速信号线[8]。

  元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组,以免相互干扰。格局元器件的位置可以确定PCB连接器各个引脚的安排。所有连接器应安排在PCB的一侧,尽量避免从两侧引出电缆,减少共模辐射。

  1、电源

  在考虑安全条件下,电源线应尽可能近地线,减小差模辐射的环面积,也有助于减小电路的交扰。

  2、时钟线、信号线和地线位置

  信号线与地线距离较近,形成的环面积较小;这样才合理的。

  3、按逻辑速度分割

  当需要在电路板上布置快速、中速和低速逻辑电路时,高速的器件应按放在紧靠边缘连接器范围内,而低速逻辑和存储器,应放在远离连接器范围内。这样对共阻抗耦合、辐射和交扰的减小都是有利的。

  4、应避免PCB导线的不连续性

  1)、迹线宽度不要突变;

  2)、导线不要突然拐角。

  以上几个设计步骤,是设计LED恒流驱动电源的一般步骤,今天就介绍到这里。

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  工作原理:固定式集成稳压器工作在正常状态,在输出2和公共端3之间接一电位器RW,从而形成一固定恒流源。调节RW,可以改变电流的大小,其输出电流为

  式中Iq为MC7815的静电流,小于10mA。当RW较小即输出电流较大时,可以忽略Iq。当电路中电压或者是负载发生变化时,MC7815用改变自身压差来维持通过负载的电流不变的。

 

  设RW=1~15 时,那么它输出恒定电流变化范围

  因此可以实现10A恒流输出的。

 

  第九步:缓冲吸收电路设计

 

  在开关电源中,由于变压器的漏感、布线的引线电感存在、开关管在关断瞬间会产生很高的电压尖峰脉冲。整流快速恢复二极管由于存在存储效应,反向恢复过程中也会出现很高的反向恢复的碾压尖峰脉冲。这些过电压尖峰脉冲的出现不但危及功率器件的工作安全性,而且形成很强的电磁干扰噪声。为此必须在功率器件两端设计尖峰电压缓冲吸收电路。缓冲电路图如图中红框部分:

    从缓冲电路中均有电容器元件,电容器的端电压不能突变,当MOSFET功率开关管关断是形成尖峰电压脉冲能量转移到电容器中储存,然后电容器的储能通过电阻消耗或返回电源,起到缓冲吸收电压尖端作用。而输出二极管两端产生的反向浪涌电压同时也受到限制,这样因此反向浪涌电流就会随之而减少,以及减少损耗和可能出现振荡。

 

  第十步 控制电路设计

 

  下面采用是μPC1094C控制电路

  芯片框图及引脚说明

 

  1、振荡器

 

  振荡器的振荡频率fosc有接在引脚6上的定时电阻器R17与接在引脚5上的定时电容器C15决定的。当 时振荡频率 。

 

  2、启动电路

 

  启动电路由接在引脚8上R14接上外部电源为芯片工作提供Vcc=15V电源,而接在引脚9上是通过R10接在外部电路提供集电极电压。

 

  3、限流电路

 

  过流保护电路由R18、R19 、C16组成。它们是接到引脚3上的,在正常情况下,引脚3上电压低于200mV。当出现过流时,引脚3上的电压超过200mV的正负阀值,输出级被锁定为低电平,下个脉冲周期来之前,过流闭锁器复位,对下个周期的过电流进行检测,限制脉冲宽度。

 

  4、过电压保护电路

 

  过电压保护电路由光电耦合器PC1、R16组成的。当输出电压超过15V时,光电耦合器PC1动作,经过引脚2接入反馈电压电路,使输出级锁定为低电平。

 

  5、最大占空比的设定和软启动

 

  最大占空比是由电阻器R14、R15分压比来确定的。为了防止变压器的磁饱和,

 

  当电源电压刚启动时,与R14并联的电容器C14上电压不能突变,引脚1上电压为UREF,占空比为最大的。

 

  6、输出电压控制电路

 

  输出电压可通过调节R5、R6、R7组成分压电路确定的:

 

  第十一步:PCB布线

  在画PCB布线时,应先确定元器件的位置,然后布置地线、电源线、再安排高速

 

  信号线,最后考虑低速信号线[8]。

 

  元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组,以免相互干扰。格局元器件的位置可以确定PCB连接器各个引脚的安排。所有连接器应安排在PCB的一侧,尽量避免从两侧引出电缆,减少共模辐射。

 

  1、电源

 

  在考虑安全条件下,电源线应尽可能近地线,减小差模辐射的环面积,也有助于减小电路的交扰。

 

  2、时钟线、信号线和地线位置

 

  信号线与地线距离较近,形成的环面积较小;这样才合理的。

 

  3、按逻辑速度分割

 

  当需要在电路板上布置快速、中速和低速逻辑电路时,高速的器件应按放在紧靠边缘连接器范围内,而低速逻辑和存储器,应放在远离连接器范围内。这样对共阻抗耦合、辐射和交扰的减小都是有利的。

 

  4、应避免PCB导线的不连续性

 

  1)、迹线宽度不要突变;

 

  2)、导线不要突然拐角。

 

  以上几个设计步骤,是设计LED恒流驱动电源的一般步骤,今天就介绍到这里。

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