基于SA7527的LED照明驱动电路的设计

2011-07-13 15:40:33来源: 互联网
  随着社会的发展,人们越来越提倡绿色照明,LED日光灯作为其中一种正在被广泛使用,LED日光灯相对于普通的日光灯具备节能、寿命长、适用性好等特点,因单颗LED的体积小,可以做成任何形状,拥有回应时间短、环保、无有害金属、废气物容易回收、色彩绚丽、发光色彩纯正等优势。本文通过SA7527设计的一款LED日光灯驱动电路,稳定可靠性比较好,不仅能够降低日光灯的成本,提高它的转化效率,还可以实现恒流恒压输出,同时能驱动不同功率的LED。

一、电路的设计

  1.电路组成

  全电路由抗浪涌保护EMI 滤波、全桥整流、反激式变换器、PWMLED驱动控制器、闭环反馈电路组成,如图1。

 

  

  图1 基于SA7527的LED驱动电路框图

  2.主电路分析

  主电路如图2所示。从AC220V看去,交流市电入口接有熔丝F1和抗浪涌的压敏电阻RV1,熔丝起到线路输入电路过流保护的作用,压敏电阻RV1用来抑制来自电网的瞬时高电压保护输入线路的安全,之后是EMI滤波器,L1,L2,C1是共模滤波器,L3,L4,C2是差模滤波器,DB107是全桥整流电路,C13是一个电容滤波器,经过整流后的电压(电流)仍然是有脉冲的直流电。为了减少波动,通常要加滤波器,由R19,C8,D5组成的RCD缓冲电路是为了防止功率管Q1在关断过程中承受大反压,缓冲电路的二极管一般选择快速恢复二极管。

  输出滤波器C10,C11,C12并联是为了减少电压纹波

  本电路的特点: ( 1 ) 宽电压输入范围;(2)恒流/恒压特性;(3)由LM358组成的输出反馈取样与恒流/恒压控制电路,成本低,控制精度高,调试简单; (4)本电路可以驱动不同功率的LED。

  3.启动电路的设计

  启动电路如图2所示。为了使电路正常启动,应该在整流桥整流后的变压器初级线圈与SA7527的供电电压端8脚之间连接一个启动电阻R20,并在8脚与地之间连接一个启动电容C9。接通电源时,流过启动电阻R20的电流对启动电容C9充电。当C9的充电电压达到启动门限电压(典型值为11.5V)后,SA7527导通,并驱动功率管Q1开始工作。整流后电压的最大值和最小值分别用U imax和U imin来表示,I STmax为最大启动电流,V th(st)max为启动门限电压最大值,启动电阻R20由下列公式(1)和公式(2)来确定,该电阻应选择功率电阻,最大消耗功率不能超过1W。

  

  图2 主电路和启动电路

  启动电容C9应由下式来确定:

  

  式中,I dcc为动态工作电流;f ac为交流电网频率;HY (ST)为欠电压锁定滞后电压。

  4.控制电路的设计

  4.1芯片介绍

  SA7527是一个简单而且高效的功率因子校正芯片。此电路适用于电子镇流器和所需体积小、功耗低、外围器件少的高密度电源。

  4.2控制方法的分析

  控制电路如图3所示。该控制电路是峰值电流控制模式,当功率管Q1导通时,二极管D6,D7截止,变压器T1的原边电感电流线性上升,当电流上升到乘法器输出电流基准时关断功率管Q1;当功率管Q1关断时,二极管D6,D7导通,电感电流从峰值开始线性下降,一旦电感电流降到零时,被零电流检测电阻检测到,功率管Q1再次导通,开始一个新的开关周期,如此反复。

  图3 控制电路

  4.3零电流检测电阻的设计

  零电流检测端外围电路如图4所示。MOSFET功率管利用零电流检测器导通,并且在峰值电感电流达到由乘法器输出设定的门限电平时关断。

 

  

  图4 零电流检测端外围电路

 

  一旦电感电流沿向下的斜坡降至零电平,SA7527的零电流检测器通过连接于5脚的变压器副绕组电压极性的反转进行检测,SA7527的7脚产生输出,驱动MOSFET功率管又开始导通。当电感电流沿向上的斜坡从零增加到峰值之后,MOSFET功率管则开始关断。直到电感电流降至零之前,MOSFET功率管一直截止。由芯片介绍资料可知,零电流检测端电流最大不能超过3mA,因此零电流检测电阻R25由下式来确定。

  

  式中,Vcc为芯片供电电压。

  4.4输入电压检测电阻的设计

  乘法器外围电路如图5所示。交流输入经整流后得到一个半波正弦形状的电压波形,为了使输入电流较好地跟踪输入电压波形,我们要在交流输入整流后进行电压采样,经电阻R21和R22分压后,电压约缩小100倍输入到SA7527的3脚,在电阻R2并联一个电容C15除整流后的电压纹波。由芯片的内部结构可知,乘法器输入端3脚电压在3.8V以下可以保证较好的功率因数校正效果。

乘法器外围电路

图5 乘法器外围电路

  因此应满足3脚的最大输入电压不超过3.8V,即:

  4.5电流感应电阻的设计

  电流检测外围电路如图6所示。

电流检测外围电路

图6 电流检测外围电路

  电路采用峰值电流检测法,因此在MOSFET功率管的源极与地之间接上一个电流感应电阻R24,MOSFET功率管的源极端接在SA7527的电流感应端4脚CS端,一般的应用电路中会在电流感应电阻后接上一个RC滤波电路以滤去开关电流的尖峰,因为SA7527芯片内部已经有RC滤波电路,所以这里不必加外围RC滤波电路,从而减少了SA7527的外部元件数量。电流感测比较器采用RS锁存结构,可以保证在给定的周期之内在驱动输出端仅有一个信号脉冲出现。当电流感应电阻两端的感应电压超过了乘法器的输出端门限电压时,电流感应比较器就会关断MOSFET功率管并且复位PWM锁存器。电感电流的峰值在正常情况下由乘法器的输出Vmo来控制,但压是当在输入电压太高或者输出电压误差放大器检测出现问题时,电流感应端的门限电值就会在内部被钳位在1.8V。这是由于芯片内部的电流感应比较器的反相输入端接有一个1.8V的稳压二极管,因此电流感应电阻的取值要满足公式(6)和公式(7)两个条件。

  其中

  K为乘法器增益,ΔVm2 =Vm2 -Vref ,为电压误差放大器的输出与芯片内部参考电压的差值。

  4.6闭环反馈电路的设计

  闭环反馈电路如图7所示。该电路是一个恒流恒压输出电路,它是由双运放LM358和TL431构成的电流控制环和电压控制环,先恒流后恒压,先是电流采样,D2导通,D1截止,实现恒流,然后是电压采样,D1导通,D2截止,实现恒压。

  图7 闭环反馈电路

  电流控制环:TL431是精密电压调整器,阴极K与控制极R直接短路构成精密的2.5V基准电压。该电压由R11送到LM358的5脚(同相输入端),R5直接从输出端采样电流,将电流转换成电压,再将电压值送到LM358的6脚(反相输入端),将同相输入端的电压和反相输入端的电压进行比较,并在7脚输出高低电平来控制流过光耦EL817的导通与关断,进而通过SA7527控制变压器一次侧输出占空比的大小,达到稳定输出电流的结果,C1,R3为反相输入端与输出端的反馈元件,可通过调整其数值来调整放大器的反馈增益。当电路接P5端口时,输出电流的大小为:

  

  其他端口同例。

  电压控制环:TL431是精密电压调整器,阴极K与控制极R直接短路构成精密的2.5V基准电压。该电压由R10送到LM358的3脚(同相输入端),R7直接从输出端采样电压,R7,R9组成分压电路,将分压值送到LM358的2脚(反相输入端),将同相输入端的电压和反相输入端的电压进行比较,并在1脚输出高低电平来控制流过光耦EL817的导通与关断,进而通过SA7527控制变压器一次侧输出占空比的大小,达到稳定输出电压的结果,C3,R8为反相输入端与输出端的反馈元件,可通过调整其数值来调整放大器的反馈增益。当电路接P1端口时,P1端口的输出电压为:

  

        其他端口同例。

二、电压控制环和电流控制环的建模与仿真

  1.电压控制环的建模与仿真

  首先一个重要的中间量是TL431阴极电压变化量k Δv 与输出波动o Δv的关系式为:

  

  其中

  

  阴极的电压变化引起光耦二极管电流变化:

  

  高压感应侧光电流变化:

  

  其中

  

  

  反馈网络

  

  组成控制框图如图8所示。

 

  

  图8 电压环结构

 

  系统的开环传递函数:

  

  将R 2=4.7KΩ,R 7=150kΩ,R 8 = 2 。 2 k Ω ,R 9 = 4 。 7 k Ω ,R 19=1kΩ,C 3=1mF,CTR =100%,101 pwm k= L? f = 代入式1 6 中, 用MATLAB仿真得到电压控制环的波特图如图9所示。交越频率4.8KHZ,相位裕量100o。

 

  

  图9 电压环的波特图

 

  2.电流环控制环的建模和仿真

  

  系统的开环传递函数:

  

  将R 2 = 4 。 7 k Ω ,R 3 = 2 。 2 k Ω ,R 4 = 2 。 2 k Ω ,R 5 = 0 。 3 6 Ω ,R 19=1kΩ,C 1=1mF ,CTR =100%,101 pwm k= L? f = 代入式1 9 中, 用MATLAB仿真得到电压控制环的波特图如图10所示。交越频率220kHz,相位裕量46°。

 

  

  图10 电流环结构

三、实验结果分析

 

  搭建一个18W的实验电路接入电源,用各种仪器测试的波形图如图11、图12、图13和图14所示。从上面波形图可以看出,输出电流电压能够恒流恒压输出,电路效率达到85%以上,功率因素(PF)达到90%左右。

 

  

  图11 电流环的波特图

  

  图12 电流电压输出波形

  

  图13 输入电压和效率曲线

  

  图14 输入电压和功率因数曲线

结论

  LED日光灯是一种绿色光源,有着非常广泛的应用前景。通过仿真和实验验证,本电路能宽电压输入,恒流恒压输出,电流控制环和电压控制环不仅响应速度快而且稳定,输出电流电压都很稳定,电路的效率达到85%以上,达到了满意的效果,该电路还有多个端口,能够驱动不同功率的LED,能够在实际生活中应用。

关键字:SA7527  LED照明  驱动电路

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0713/article_3860.html
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