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隨著開關電源技術的不斷發展和完善，小型輕量、高效率和低成本的開關電源得到了廣泛的應用，以往開關電源的設計通常采用控制電路與功率管相分離的拓撲結構，但這種方案存在成本高、系統可靠性低等問題。美國功率集成公司(Power Integration Inc)開發的TinySwitch-Ⅲ系列新型智能高頻開關電源集成芯片很好地解決了這些問題。 LED作為一種新型綠色光源，由于其具有耗電量低、壽命長、反應速度快、高效節能等優點，已被越來越廣泛的應用。LED照明將成為繼白熾燈、熒光燈、金屬鹵化物燈后的第四代新型照明技術。LED是一種新型的半導體器件，需要穩定的直流電源。但傳統的驅動電源問題，造成LED照明光源壽命短的缺點，因此設計一種穩定可靠、轉換效率高、壽命長的LED驅動電源對于LED照明至關重要。本文設計了基于TinySwitch-Ⅲ系列芯片的一種反激式低成本高效率驅動電源電路，介紹了設計原理和方法。該驅動電源能夠輸出恒定的電壓和恒定的電流，有效地延長LED照明光源的壽命。 1 設計原理及芯片選擇 1．1 基本原理 反激式隔離變換器最主要的特點是結構簡單、成本低，因而在中小功率開關電源中是最為常用的變換器之一。其典型拓撲結構如圖1所示。圖1中，+Uin為整流后的輸入電壓；T為脈沖變壓器，設計中還應有回路控制的偏置繞組；D1為輸出回路的快恢復肖特基整流二極管；R1和C1為其阻容吸收電路；輸出電路還包括由電感L0和兩個電容C0組成的一個π型低通濾波電路；變壓器初級有Rr、Cr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路；Q為控制脈沖變壓器一次繞組導通和截止的反激式變換器所需的開關功率MOS管；Np為初級繞組匝數，Ns為次級繞組匝數；設計中變壓器一次側與二次側的地信號采用安規電容隔離；“·”表示同名端。 圖1 反激式變換器拓撲結構 在反激式變換器中，Q導通時以隔離變換器的磁芯儲存能量，Q斷開后將儲存在T中能量釋放至后級，經過整流二極管、濾波電路處理后，給負載RL提供所需要的優質電壓和功率。 1．2 TNY275PN芯片介紹 TinySwitch-ⅢI器件以限流模：式工作。開啟時，振蕩器在每個周期開始時開通功率MOSFET。電流上升到限流值或達到DC MAX的極限時關斷MOS-FET。由于TinySwitch-Ⅲ設計的最高限流值與頻率是定值，它提供給負載的功率與變壓器初級電感及峰值初級電流的平方成正比。因此，電源的設計包括計算實現最大輸出功率所需的變壓器初級電感。如果根據功率選擇了正確的TinySwitch-Ⅲ，那么流過電感內的電流會在達到DC MAX極限前上升到限流值。 本設計采用TNY275PN電源芯片作為LED驅動電源的控制芯片。TNY275PN電源芯片在一個器件上集成了一個700 V高壓MOSFET開關和一個電源控制器，與傳統的PWM控制器不同，它使用簡單的開/關控制方式來穩定輸出電壓。控制器包括一個振蕩器、使能電路、限流狀態調節器、5．8 V穩壓器、旁路/多功能引腳(BP/M)欠壓及過壓電路、限流選擇電路、過熱保護、電流限流保護、前沿消隱電路。該芯片具有自動重啟、自動調整開關周期導通時間及頻率抖動等功能。 2 系統設計與實現 2．1 設計要求 AC輸入電壓范圍U=195 V～265 V(通常在亞洲、歐洲和世界上大多數地區使用)； 輸出電壓U。=20 V；輸出電流I。=0．7 A； 輸出功率P。=14 W；電路效率η≥80%。 2．2 電路實現 由于反激變換器電路簡單且能高效提供直流輸出，在中小功率、小體積的電源電路中特別常用，因此主電路采用RCD箝位電路的反激變換器拓撲結構，確定工作頻率f=132 kHz。基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅動電源電路圖如圖2。 圖2基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅動電源電路 3 TinySwitch-Ⅲ外圍電路設計 為了更加透徹地分析此設計的結構與原理，把電路工作原理圖分為以下五個部分加以分析：輸入整流濾波電路、箝位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路和反饋電路。 3．1 輸入整流濾波電路設計 輸入整流濾波電路包括整流部分、交流濾波和直流濾波電路。為了抑制電網中的浪涌電流，輸入端口串聯了1 A保險管F保護電路和負溫度系數熱敏電阻RT1(NTC)。交流濾波采用π型濾波電路，電容C1、C2和共模扼流圈L1。共同作用濾除雜波去除電網中的干擾，共模扼流圈(電感)是由兩股等同并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成。當負載電流流過共模扼流圈時，串聯在火線上的線圈所產生的磁力線和串聯在零線上線圈所產生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消。因此即使在大負載電流的情況下，磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流，兩個線圈產生的磁場是同方向的，會呈現較大電感，從而起到衰減共模干擾信號的作用。 3．2 RCD箝位保護電路設計 反激式變換器由于變壓器漏感的存在及其它分布參數的影響，在開關管關斷瞬間會產生很大的尖峰電壓，這個尖峰電壓嚴重威脅著開關管的正常工作，必須采取措施對其進行抑制。本設計采用結構簡單、成本低廉的RCD箝位電路。根據 選取箝位電容。 3．3 高頻變壓器設計 由于變壓器在電路中兼有儲能、限流和隔離作用，還要流過直流成分，因而是整個設計中的難點和關鍵。為了合理選擇變壓器的磁芯，確定初級、次級線圈的線徑、匝數及氣隙等參數，必須對磁場強度、傳輸功率、傳輸效率、初級和次級峰值電流等多項參數進行分析計算。計算方法多種多樣，但計算結果相差不大。本設計采用了PIXls Designer 8軟件，計算相當簡單，僅需輸入相關設計參數，軟件就會輸出所需的變壓器設計參數：初級線圈電感量Lp=2917 μH；初級匝數：Np=90.7(實際設計中取91)；初級繞組電流密度：4A/mm2；次級主繞組圈數NSM=14；磁芯選擇：EE22，相關參數：骨架繞組寬度Bw=8.45 mm，磁芯截面積AE=42 mm2，帶氣隙磁芯等效電感量ALG=312 nH/T2，最大磁通密度BM=274 mT，磁芯損耗中的交流磁通密度BAC=80 mT；氣隙長度LG=0．147 mm；初級漏感L_LKG=87.5 μH；次級走線電感LSEC=20 nH。 軟件給出的參數都是經過一定優化得到的，故實際設計中優先選用這些推薦參數，實踐證明這樣做是合理且高效的。 3．4 輸出整流濾波電路設計 輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構成。整流二極管D7選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，根據公式UD7=U。+[UinMAX·(Ns/Np)]設計D7并選用額定電壓為100 V的SBll00，與D7并聯的RC緩沖吸收電路可以減少尖峰電壓的幅度和減少電壓波形的變化率，還降低了射頻輻射的頻譜成分，有益于降低射頻輻射的能量；電容器C8一般應選擇低ESR(等效串聯阻抗)的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關器件所產生的噪聲，在整流濾波環節的后面再加一級LC濾波環節。 3．5 反饋電路設計 反饋電路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦+穩壓管”形式反饋電路，光耦選LTV817A，VR2是額定電壓為18 V容差為2%的穩壓管。電源輸出端電壓由VR2、LTV817A和R4兩端的電壓決定。當輸出電壓變化時，電流流向光耦LED，從而下拉光耦中晶體管的電流。當電流超過TNY275PN使能引腳的閾值電流時，將抑制下一個周期，當下降的電壓小于反饋閾值時，會使能一個開關周期，通過調節使能周期的數量，對輸出電壓進行調節。 當反饋電路出現故障時，即在開環故障時，偏置電壓超過R7與旁路/多功能(BP/M)引腳電壓之和時，電流流向BP/M引腳。當此電流超過ISD(關斷電流)時TNY275PN的內部鎖存關斷電路將被激活，從而保護負載LED照明燈具。由于本設計使用了偏置繞組(可實現輸出過壓保護)將電流送人BP/M引腳，抑制了內部高電壓電流源，這樣的連接方式將265 VAC輸入時的空載功耗降低到40 mw，有效地降低了功耗。 4 結語 本文設計了一種基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅動電源電路，分析了其工作原理和設計方法。綜合考慮了幾個關鍵環節并闡述了各外圍電路的功能特性，給出了合理設計相關電路參數的依據，特別是利用PIXls Designer8軟件設計變壓器參數，大大縮短了LED驅動電源的開發周期。經驗證，該電源具有變換效率高(82%)、穩定性好、可靠性高等優點，可以為同類LED驅動電源設計提供一定的參考和借鑒。 |
