基于MPS4021的20WLED驅(qū)動電源設(shè)計

周有平，羅中良，陳國杰

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 理學(xué)院，廣東 佛山 528000；2.惠州學(xué)院 計算機系，廣東 惠州 516007）

1 引言

LED是本世紀最新發(fā)展的環(huán)保型光源，具有發(fā)光效率高、發(fā)光單色性好、壽命長和節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，是繼白熾燈、節(jié)能燈后的又一次照明革命，被譽為第四代光源。從2012年10月開始，國家將按照計劃逐步停止進口和銷售普通白熾燈，LED照明將得到全面的推廣。隨著技術(shù)的發(fā)展，大功率LED的特性將日趨完善。但實際中LED燈具壽命卻遠小于LED壽命，其中制約的關(guān)鍵是燈具中壽命最短的驅(qū)動電源，因此驅(qū)動電源的好壞影響了LED燈具的應(yīng)用。由于當(dāng)前LED照明還未形成正規(guī)的標(biāo)準，在現(xiàn)有的LED驅(qū)動電源設(shè)計過程中存在著較大的差異。國內(nèi)市場上存在降低成本的不良競爭，在驅(qū)動電源中普遍采用阻容降壓和非隔離方案，導(dǎo)致電源性能不良而影響LED燈具的壽命和安全。隨著LED在照明、背光等場合的深入應(yīng)用，市場對驅(qū)動電源的要求越來越高，近年來，采用原邊反饋方式設(shè)計的LED驅(qū)動電源發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)的副邊反饋光耦加TL431的結(jié)構(gòu)相比，其最大的優(yōu)勢在于省去了兩個芯片以及與之配合工作的一系列元器件，這樣就節(jié)省了系統(tǒng)板上的空間，降低了成本并且提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 驅(qū)動電路設(shè)計

本文針對市場上照明應(yīng)用，采用MPS4021為主芯片的原邊反饋方案進行20WLED驅(qū)動電源設(shè)計。該方案充分利用芯片的集成功率因數(shù)校正電路和獨特的MOSFET控制技術(shù)，通過原邊反饋實現(xiàn)對輸出電流的精準恒流控制，并對過流、過壓等安全電路和變壓器進行了設(shè)計。芯片引腳圖如圖1所示。

圖1 MP4021芯片引腳圖

2.1 驅(qū)動電源設(shè)計要求

驅(qū)動電源LED負載采用266顆3528燈珠芯片進行14串19并排列，每顆燈珠正向?qū)妷篤f為3.0V－3.4V，工作電流If為20mA，整燈電壓額定值為45V、電流額定值為380mA，光功率約為17W，設(shè)計要求驅(qū)動電源效率大于85%，則電源輸入功率約為20W。

根據(jù)以上LED負載參數(shù)要求，本文采用MPS4021為主芯片的原邊反饋方案進行20WLED驅(qū)動電源設(shè)計。要求在全電壓100V－240V輸入范圍內(nèi)，功率因數(shù)滿足能源之星固態(tài)照明大于0.9的要求，電磁干擾 EMI（Electro Magnetic Interference）符合EN55015的限制要求，輸出電流精度達到±5%，并且效率達到85%以上符合高能效設(shè)計要求，使用壽命大于3萬小時符合長壽命要求，并具備有過流保護和過壓保護功能。具體電路原理圖如圖2所示，設(shè)計基本參數(shù)如表1所示。

圖2 驅(qū)動電源電路原理圖

表1 驅(qū)動電源設(shè)計基本參數(shù)表

2.2 恒流電路設(shè)計

原邊反饋方案主要是通過檢查初級峰值電流來控制次級峰值電流達到恒定輸出電流，具體計算如下：

輸出電流：

次級峰值電流

由式（1）（2）可得輸出電流：

由式（3）可求的檢測電阻

在實際調(diào)試中R12A、R12B、R12C、R12D選擇2.4Ω電阻可達到輸出380mA電流。

2.3 過流電路設(shè)計

MPS4021芯片的ZCD PIN在MOS導(dǎo)通時作為電流的過流檢測引腳，具體設(shè)計最大峰值電流如下：

由（4）式可得最大峰值電流為：

當(dāng)R15取560Ω和R16取2KΩ是最大峰值電流為：

由式（5）可知，只要設(shè)計好R15、R16的值即可精確的控制初級峰值電流。當(dāng)輸出發(fā)生短路時，初級電流將超過Is＿pk從而使芯片自動進入過流保護模式。

2.4 過壓電路設(shè)計

MPS4021芯片的ZCD PIN在MOS關(guān)斷時作為次級輸出電壓的過壓檢測引腳，具體設(shè)計輸出最大電壓如下：

由式（6）可得最大輸出電壓為：

當(dāng)R13取56KΩ和R14取25KΩ是最大輸出電壓為：

由式（7）可知，通過次級繞組與輔助繞組的比例關(guān)系Ns／Na和確定R13、R14的取值大小即可精確的調(diào)整最大輸出電壓。當(dāng)輸出過電壓時，ZCD PIN的檢測電壓將大于5.4V，從而使芯片自動進入過壓保護模式。

3 變壓器設(shè)計

隔離反激式開關(guān)電源電路以其低廉成本、結(jié)構(gòu)簡單和易實現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點，在小于100W的LED驅(qū)動電源設(shè)計中被廣泛采用，其設(shè)計核心之一就是反激式變壓器的設(shè)計，合理設(shè)計會讓電源效率較高且控制環(huán)路容易穩(wěn)定。

變壓器的選型上本設(shè)計選擇的是ED25鐵氧體磁芯，磁芯峰值磁通密度 ，磁芯最大窗口面積 ，并在設(shè)計的過程中計算出最小氣隙，防止變壓器進入飽和狀態(tài)。由于反激式開關(guān)變壓器在電路中起儲能和電感作用，在設(shè)計中對于電感主要是確定初級繞組的電感量和各繞組之間的匝數(shù)比。其中主要通過匝數(shù)改變的初級繞組的電感量可決定電源的輸出功率，在計算上述兩個參數(shù)的同時，涉及了驅(qū)動電源的輸入輸出功率、效率和開關(guān)頻率等問題。針對本設(shè)計的電源要求，設(shè)計計算過程如下：

3.1 設(shè)計要求參數(shù)

輸出電流Iout＝0.38A；

輸出電壓Uout＝45V；

最大輸出功率Po＿max＝Iout＊Uout＝17.1W；

電源效率η＝85%；

最大占空比Dmax＝0.45；

電源工作頻率f＝100 KHz；

磁芯最大窗口面積Ae＝38mm2；

磁芯峰值磁通密度B＝0.25T。

3.2 初級繞組感量計算

在100VAC輸入并考慮電網(wǎng)波動時的最小直流輸入電壓，本設(shè)計取Vdc＿min＝80V。

3.3 繞組匝數(shù)的計算

初級繞組實際取值Ns＝38匝；

輸出整流二極管壓降Vd＝0.6V；

次級繞組實際取值Ns＝17匝；

根據(jù)芯片供電電壓，可知輔助繞組電壓Vaux＝15V；

輔助繞組實際取值Naux＿min＝6匝。

3.4 變壓器氣隙的計算

磁芯最小氣隙 。

3.5 漆包線線徑的計算

4 結(jié)語

本文針對市場上照明應(yīng)用，采用MPS4021為主芯片的原邊反饋方案進行20WLED驅(qū)動電源設(shè)計，該方案充分利用芯片的集成功率因數(shù)校正電路和獨特的MOSFET控制技術(shù)，通過原邊反饋實現(xiàn)對輸出電流的精準恒流控制，在全電壓范圍內(nèi)輸出電流精度達±5%、功率因數(shù)大于0.9、效率大于85%，使用壽命大于3萬小時，電磁干擾符合EN55015限制要求，并且具備有過流保護和過壓保護功能。同時，設(shè)計的原邊反饋方案采用初次級隔離并省去了副邊反饋電路，提高了驅(qū)動電源的安全性和可靠性并節(jié)約了BOM成本。

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