反激式可調光LED驅動器設計

李翔，李強

(1.安徽國防科技職業(yè)學院機電工程系，安徽六安 237011；2.南京理工大學自動化學院，江蘇南京 210094)

反激式可調光LED驅動器設計

李翔1，李強2

(1.安徽國防科技職業(yè)學院機電工程系，安徽六安 237011；2.南京理工大學自動化學院，江蘇南京 210094)

針對傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)功率因數(shù)低、調光效果不佳的情況，在分析可控硅調光原理的基礎上，設計了基于SSL2103的反激式可調光50 W LED驅動器，主要由輸入電路、反激變換電路、調光控制電路、反饋環(huán)路和輸出電路5部分組成。實驗結果證明驅動器可以正常工作并達到設計要求。

反激式；LED驅動；可控硅調光；SSL2103

LED具有光效高、耗能低、綠色環(huán)保、壽命長、體積小、易維護、啟動迅速等特點，作為第四代照明光源或綠色光源，現(xiàn)廣泛應用于各種顯示、裝飾、普通照明和城市夜景等領域。

從物理特性分析，LED相當于一個有較小等效串聯(lián)電阻ESR的恒壓負載，因為ESR的值很小，電源輸出電壓或者負載電壓的輕微變化就會導致很大的電流變化，見圖1。LED的光通量與電流成正比，因此，在恒壓驅動和恒流驅動之間，恒流驅動LED顯然是一個合適的方案。LED的光通量和電流成正比：其壓降隨著電流的增加而增大，隨著溫度的降低而減少。

圖1 LED伏安特性

LED照明技術發(fā)展面臨光品質、光效表現(xiàn)、可靠性以及設計簡單化方面的四大挑戰(zhàn)，采用傳統(tǒng)的驅動器存在功率因數(shù)低、發(fā)光效率不高，對電網(wǎng)干擾大、電網(wǎng)質量影響嚴重等問題，因此選用專用LED照明芯片，采用反激式拓撲，實現(xiàn)具有恒流限壓反饋的可調光LED驅動系統(tǒng)具有一定的研究意義[1]。

1 驅動器結構框圖設計

驅動器結構框圖如圖2所示，可控硅調光器接在交流電壓和驅動系統(tǒng)輸入端之間，設計的驅動系統(tǒng)由整流濾波電路、反激式變換電路、調光控制電路、反饋環(huán)路和輸出電路5部分組成，采用反激式拓撲；整流濾波、反激式變換和輸出電路構成主電路，主要完成將市電變化到LED所需的工作電壓，同時實現(xiàn)隔離和抗干擾功能；控制電路通過開關管的通斷實現(xiàn)調光功能；反饋電路用于穩(wěn)定輸出電流[2]。

圖2 驅動器結構框圖

2 驅動系統(tǒng)功能模塊設計

2.1 輸入電路設計

圖3 輸入電路原理圖

本系統(tǒng)開關頻率選取75 kHz，剪切頻率設置7 kHz，計算得到2=6.8 mH，2=3=150 nF。

2.2 芯片工作電路設計

2.2.1 反激變換電路設計

本系統(tǒng)采用NXP公司的LED照明專用驅動芯片SSL2103構建反激式驅動系統(tǒng)。圖4為反激變換電路。

圖4 反激變換電路

當接入市電時，由于芯片未工作，無法驅動功率開關管Q3，變壓器原繞組儲能，副繞組沒有輸出，輔助繞組也沒有向芯片供電，此時芯片通過14腳(HVDETC)直接由整流之后的市電供電啟動；之后，芯片12腳(GATE)輸出驅動信號驅動外部Q3管，變壓器原繞組放能，副繞組輸出能量給LED，輔助繞組通過R22，D7，C8為VCC提供穩(wěn)定的直流電壓保證芯片工作，D8防止供電電壓過高損壞芯片。

由于開關損耗正相關于開關電壓，為了提高發(fā)光效率，令本系統(tǒng)工作在斷續(xù)模式。

芯片工作時，上一個周期中變壓器原邊電感和RC振蕩電路放電完成后，13腳(DRAIN)電壓開始振蕩，通過13腳(DRAIN)和10腳(AUX)檢測振蕩波形，當振蕩至谷底時開通這樣確保了損耗最低，此時芯片發(fā)出開通信號。之后變壓器原邊電感開始儲能，11腳(SOURCE)電壓(即R19上的電壓，該電壓的變化體現(xiàn)了原邊電流的變化)上升，上升至閾值時，芯片發(fā)出關斷信號；如果輸入電壓很低，則11腳(SOURCE)電壓上升很慢，8腳(PWMLMT)對上升時間設定了上限，即限制了最大占空比，當時間達到上限時，芯片同樣會發(fā)出關斷信號。

當系統(tǒng)工作時，瞬時輸入電壓越小，原邊電流上升越慢，由于最大開通時間受到限制，因此電流峰值也越小。這意味著電流大小的變化跟隨輸入電壓大小變化，實現(xiàn)PFC。

變壓器在開關瞬間會產(chǎn)生高壓尖峰損壞元件，D5用來為高壓尖峰提供通路，D4用來限制高壓尖峰的最大值。

本系統(tǒng)需要一個帶三個線圈的變壓器：一個電源或者原邊繞組Np，一個輸出或者副邊繞組Ns，一個輔助繞組Na。變壓器計算步驟如下[3]：

(2)根據(jù)輸入和輸出的參數(shù)我們計算占空比δ1的數(shù)值(即原邊充電的時間)，進而可以求出δ2(即副邊充電的時間)：

2.2.2 調光控制電路

輸入端的電阻R1和電容C1、C13用于抑制調光時產(chǎn)生的電壓尖峰和電流尖峰。圖5調為光控制電路圖。

圖5 調光控制電路圖

如前文所述，調光器電流需要達到導通電流才能開通，在導通瞬間因移除觸發(fā)信號可能導致重新關斷的現(xiàn)象。14腳(HVDET)檢測到電壓輸入后，1腳(SBDR)發(fā)出驅動信號，Q2開通，提供電流保證調光器不會關斷。9腳(ISENSE)檢測主電路中的電流，當電流很小時，說明調光器電流也很小，此時2腳(WBDR)驅動Q1開通，構成泄放回路，保證流過調光器的電流在維持電流之上，可以有效改善因為電流過低而造成的閃爍和滅燈現(xiàn)象。

R11//R12//C5振蕩和R12//C5振蕩配合芯片內部振蕩電路來設置芯片的最大和最小工作頻率。

調光器改變輸入電壓的大小，輸入電壓的變化通過R2和R10的分壓傳遞給5腳(BRT)，控制輸出電流，從而控制LED燈的亮度。

2.3 反饋環(huán)路設計

輸出電流通過R25采樣。當電流未達到設定的值時，Q1和Q2處于飽和區(qū)，電流分別流過Q1和Q2，光耦的回路中沒有電流流過。圖6為反饋環(huán)路。

圖6 反饋環(huán)路

2.4 輸出電路設計

輸出電路器件的值由LED串中LED個數(shù)、電壓和電流決定。電流紋波的大小決定著緩沖電容應該取值多少，緩沖電容可以通過下面的等式計算出來：

本系統(tǒng)的負載是4串LED并聯(lián)，每串10個燈。每個燈珠電壓3.3 V，電流0.31 A，LED典型的動態(tài)電阻是0.6 Ω，整個負載動態(tài)電阻是1.5 Ω。市電頻率是50 Hz，紋波比例取0.3。經(jīng)過計算后選擇的輸出電容是3 000 μF。

C11連接在地和副邊電路之間，目的為抑制變壓器各繞組之間的電容耦合。按照經(jīng)驗，最好選取20倍。所以如果coup=100 pF，則應當11＞2 nF。如果需要安全隔離，該電容應當保證能承受EN132400規(guī)定的電壓(Yn型)。這里使用2.2 nF。

圖7 輸出電路

3 實驗結果

3.1 不接調光器條件下的實驗結果

完成實驗樣機后，將負載接入驅動電源的輸出端，對驅動系統(tǒng)進行測試。該驅動系統(tǒng)的額定輸入是230 V/50 Hz，額定負載是10 LEDs×4 string。兼顧市電輸入電壓波動和負載偏差的影響，設計在市電的90%～110%的范圍下進行取樣測試。數(shù)據(jù)見表1，功率因數(shù)、輸出電流及效率的變化曲線見圖8。

表1 不接調光器條件下的實驗數(shù)據(jù)

圖8 功率因數(shù)、輸出電流及效率曲線

由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)功率因數(shù)與市電電壓成負相關，與負載成正相關，在不同市電下的線性調整率是±2%；系統(tǒng)輸出電流與市電電壓成正相關，與負載成負相關，線性調整率是±2%；系統(tǒng)效率在額定工作點是82.75%，線性調整率是±1%，測試結果說明該系統(tǒng)性能優(yōu)良。

3.2 接入調光器條件下的實驗結果

將調光器接入驅動器的輸入端，按調光角從最大向小角度調的模式，不同的導通角下的輸出電流數(shù)據(jù)見表2，輸出電流關于調光角的調光曲線見圖9?？芍敵鲭娏麟S著調光角的減小而減小，且中間處斜率較大，兩端斜率較小，自然亮度也按照同樣的曲線變化，這種調光曲線符合NEMA SSL-6(美國電氣制造商協(xié)會關于固態(tài)照明的調光曲線標準)，調光效果較好。

表2 在不同的導通角下的輸出電流

圖9 輸出電流關于調光角的調光曲線

輸入輸出波形見圖10。上圖中藍色的波形是輸入電壓，紅色的波形是輸入電流，電壓波形的顯示比例是1/500，電流波形顯示比例是0.1 V/A，由上圖可知，電流波形畸變較小，且能夠較好地跟隨電壓波形，說明系統(tǒng)功率因數(shù)較高[5]。下圖中的波形是輸出電流(1為零坐標軸)，電流波形顯示比例是0.4 V/A。由下圖可知，輸出電流最大值是1.4 A，最小值是1.05 A，平均值是1.24 A，紋波率是(1.4－1.05)×1.24=28%，滿足LED驅動系統(tǒng)的要求。

4 結語

闡述了利用SSL2103專用芯片設計并制作了負載為4串并聯(lián)、每串10個LED燈珠，總功率為50 W的LED驅動器樣機。對系統(tǒng)的主要功能模塊等進行了分析與設計，實驗結果為當輸入電壓在208～253 V時，樣機的功率因數(shù)在0.9以上，效率高于82%，紋波小于32%，說明該系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、效率高、調光范圍寬和運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

圖10 輸入輸出波形

[1]沈霞，王洪誠，蔣林，等.基于反激變換器的高功率因數(shù)LED驅動電源設計[J].電力自動化設備，2011，31(6):140-143.

[2]彭少華.LED驅動電源的設計[D].南京：南京理工大學，2012: 48-50.

[3]姬海寧.高頻開關電源變壓器的優(yōu)化設計及其應用[D].成都:電子科技大學，2003:36-41.

[4]王松林，陳雷，葉強，等．高轉換速率恒定跨導軌對軌運算放大器的設計[J].華中科技大學學報：自然科學版，2010，38(3)： 80-83．

[5]李翔，凌瑋杰．降壓式可調光LED驅動系統(tǒng)設計[J]．江漢大學學報：自然科學版，2010，41(5)：52-57．

Research of flyback topology and dimmable LED driver circuit system

LI Xiang1,LI Qiang2

The low PF and dimming ineffective of traditional drive systems of controllable silicon dimmer LED were considered;the principle of controlled silicon was analyzed;then a new 50 W LED driver based on SSL2103 was designed.The system was mainly composed by main circuit,the dimming control circuit,the output and feedback circuit.Experimental results show that the drive is working properly.

flyback topology;LED driver;SCR dimming;SSL2103

TM 46

A

1002-087 X(2014)02-0355-04

2013-06-22

安徽省2013年高校省級自然科學研究項目(KJ2013B44)

李翔(1970—)，男，安徽省人，副教授，碩士，主要研究方向為電力電子與電氣傳動、LED驅動。