一文看懂節能燈適用的高頻恆流LED開關電源設計

　　LED開關電源概述

　　LED開關電源高頻化是其發展的方向，高頻化使開關電源小型化，並使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。

　　LED開關電源中應用的電子器件主要為：LED二極體、IGBT和MOSFET。SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用，GTR驅動困難，開關頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。

　　LED開關電源三個條件

　　1、開關是：電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態

　　2、高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

　　3、直流：開關電源輸出的是直流而不是交流

　　led開關電源的作用

　　LED開關電源是有電路來控制開關管而進行高速的道通和截止。是將直流電轉化成高頻交流電來給變換器進行變壓，使其產生所需要的一組或多組電壓！轉化為高頻交流電的道理是高頻交流在變壓器電路中的效率要比市電50Hz或60Hz高。因此開關電源變壓器可以做到體積很小，在開關電源工作的時候不會很熱，產品價格比工頻直流穩壓電源低．如果不將50Hz或60Hz變為高頻電，那麼開關電源就沒有任何意義。開關電源大體可以分為隔離和不隔離這兩種，是隔離型的一定有開關電源變換器，而不隔離的未必一定有開關電源變換器。開關電源與傳統直流電源相比具有體積小、重量輕、和效率高等優點。

　　LED開關電源與普通開關電源的區別

　　1、最明顯的區別：LED電源是恆流源，一般開關電源是恆壓源。

　　2、LED開關電源的設計難點是體積和價錢。

　　3、LED電源：首先要求一定要恆流；其次低溫低熱長壽命；然後小體積；再次防水防腐防靜電；最後高頻汙染。普通電源和低品質LED電源高頻汙染嚴重，輸出直流即便是加電感和大電容濾波，波形都很複雜。差的電源，電源本身可能不壞，但是LED壽命和光衰都大大降低。

　　4、LED電源電路實際上多是由開關電源電路+反饋電路這樣的形式構成，反饋電路從負載處取樣後對開關電路進行脈衝的佔空比調整或頻率調整，以達到控制開關電路輸出的目的。

　　5、LED開關電源是不需要整流器。

　　6、LED電源是指給LED照明供電用的電源，多是開關電源，最大的特點恆壓恆流輸出。

　　節能燈適用的高頻恆流LED開關電源設計

　　在本方案中，我們所設計的這一適用於節能燈的高頻恆流LED開關電源方案，其核心以UC3842為控制部件，完成後的開關電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環控制系統。在這一電壓電流雙閉環控制系統中，我們所設計的變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩定幅度大，具有良好的頻率響應特性。

　　這一LED開關電源的主要的功能模塊包括啟動電路、過流過壓欠壓保護電路、反饋電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。該電路系統的設計原理圖如下圖圖1所示。

　　圖1 LED開關電源電路原理圖

　　1、啟動電路設計思路

　　首先我們來看一下這一節能燈適用的LED開關電源啟動電路的設計方案。如上圖圖1所示，在這一電路系統中，交流電由C16、L1、C15以及C14、C13進行低通濾波，其中，C16、C15組成抗串模幹擾電路，用於抑制正態噪聲。而C14、C13、L1組成抗共模幹擾電路，其主要功能是抑制共態噪聲幹擾。它們的組合應用對電磁幹擾由很強的衰減旁路作用。

　　經過低通濾波和共態噪聲幹擾抑制後的交流電壓，經D1～D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波後，將會變成310V的脈動直流電壓。這一脈動直流電壓經R1降壓後能夠給C8充電，當C8的電壓達到UC3842的啟動電壓門檻值時，UC3842開始工作並提供驅動脈衝，由腳6輸出推動開關管工作。

　　隨著控制晶片UC3842的啟動，R1的工作也就基本結束了，餘下的任務將會交給反饋繞組來完成，此時反饋繞組將會產生電壓給UC3842供電。由於輸入電壓超過了UC3842的工作，為了避免意外，用D10穩壓管限定UC3842的輸入電壓，否則將出現UC3842被損壞的情況。

　　2、短路過流、過壓、欠壓保護電路設計思路

　　LED開關電源的電路設計中，工程師需要綜合權衡可能遇到的突發情況，併合理設置相應的保護電路，以此保障開關電源的正常驅動工作。在本方案中，我們所設計的保護措施主要有短路過流、過壓以及欠壓保護三個方面。

　　如上圖圖1所示，如果在這一節能燈適用的高頻恆流LED開關電源運行過程中出現了輸出端短路而產生過流的情況，此時開關管的漏極電流將大幅度上升，而R9兩端的電壓將會快速上升，UC3842的腳3上的電壓也上升。如果當該腳的電壓超過正常值0.3V達到1V（即電流超過1.5A）時，UC3842的PWM比較器將輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉輸出。這時UC3842的腳6無輸出，MOS管S1截止，從而對電路起到一個保護作用。

　　接下來再來看一下本方案中的過壓保護電路設計思路。在我們所設計的恆流驅動LED開關電源方案中，如果供電電壓發生過壓，此時控制器UC3842將無法調節佔空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，UC3842的腳7供電電壓也急劇上升，其腳2的電壓也上升，關閉輸出。如果電網的電壓低於85V，UC3842的腳1電壓也下降，當下降到lV以下時，則PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉輸出。

　　如果人為意外地將輸出端短路，這時輸出電流將成倍增大，使得自動恢復開關RF內部的熱量激增，它立即斷開電路，起到過壓保護作用。一旦故障排除，自動恢復開關RF在5s之內快速恢復阻抗。因此，此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護。

　　3、反饋電路設計思路

　　在本方案中，我們所設計的高頻恆流驅動LED開關電源，其反饋電路在設計時主要採用精密穩壓源TL431、放大器AD8022和線性光耦PC817來構成。在這一反饋電路的設計中，我們主要利用TL43l可調式精密穩壓器構成誤差電壓放大器和電流放大器AD8022，再通過線性光耦對輸出進行精確的調整。如圖1所示，R4、R5是精密穩壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和TL431一併組成外部誤差放大器。

　　在這一恆流驅動LED開關電源的電路設計中，反饋電路的設置也是非常重要的，直接關係到功耗的大小和穩壓效果。當輸出電壓升高時，取樣電壓VR7也隨之升高。在這一電路系統的設計中，我們設定電壓大於基準電壓2.5V時，使TL431內的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內驅動三極體的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最後Vo趨於穩定。

　　相反的，當輸出電壓下降並引起設置電壓下降時，一旦輸出電壓低於設置電壓，則誤差放大器的輸出電壓下降，片內的驅動三極體的輸出電壓升高，最終使得控制器UC3842的腳1的補償輸入電流隨之變化，促使片內對PWM比較器進行調節，改變佔空比，達到穩壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計算的：先固定R7的阻值，再計算R8的阻值，即有公式為：

　　在我們所設計的這一反饋電路中，AD8022電路通過調節誤差放大器的增益來改變誤差放大器的輸出，並以此來改變開關信號的佔空比。這種拓撲結構不僅具有外接元器件較少的特點，而且在電壓採樣電路中採用了三端可調穩壓管，使得輸出電壓在負載發生較大的變化時，輸出電壓基本上沒有變化。

　　4、整流濾波電路設計

　　在這一LED開關電源方案中，輸出整流濾波電路設計的合理與否將直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。在本方案中，我們在電源輸入端加電容C5，以濾除輸入電源的噪聲幹擾。對於高頻噪聲，我們所提出的解決方案是在輸出端採用π型濾波的方式。濾波電感採用150μH的電感，通過以上合理設置能夠有效濾除高頻噪聲。同時，在本方案中我們還選擇採用快速恢復二極體D6、D7整流。基於低壓、功耗低、大電流的特點，有利於提高電源的效率，其反向恢復時間短，有利於減少高頻噪聲。

　　5、並聯整流二極體設計

　　在本方案的整流電路系統設計過程中，我們同樣需要解決二極體尖峰電壓的問題。在本方案中，我們提出了一種新的解決辦法，即整流二極體並聯，其具體的電路圖如圖2所示。這種方法在大功率全橋移相DC/DC電源變換器的項目中得到了應用，實驗波形驗證了該方法，驗證了該方法的有效性。

　　圖2並聯整流二極體電路圖

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