基于iW1706反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

付賢松，劉雅楠，桑若愚，張金健，牛萍娟

(1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387；3.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津300387；4.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387)

基于iW1706反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

付賢松1,3,4，劉雅楠2,3，桑若愚1,3，張金健2,3，牛萍娟1,3,4

(1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387；3.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津300387；4.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387)

基于芯片iW1706設(shè)計(jì)了一款反激式開關(guān)電源，用于驅(qū)動(dòng)LED。iW1706是一種高性能AC/DC離線電源控制器，利用初級(jí)側(cè)感測(cè)技術(shù)和準(zhǔn)諧振操作，提供了過壓、過流保護(hù)。闡述了該芯片的工作原理及特點(diǎn)，基于iW1706設(shè)計(jì)出一款具有寬電壓范圍輸入(AC 85～265 V)、輸出電流恒定在330 mA、輸出功率為5 W的開關(guān)穩(wěn)壓電源。給出了變壓器的設(shè)計(jì)過程及主要元件參數(shù)的計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性，電路中使用了較少的元件，達(dá)到了穩(wěn)定的電流輸出。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；iW1706；準(zhǔn)諧振；反激式

近幾年來，反激式開關(guān)電源在中小功率用電器中得到了廣泛應(yīng)用，這標(biāo)志著開關(guān)電源技術(shù)逐漸成熟，越來越多的領(lǐng)域都開始采用開關(guān)電源，LED照明領(lǐng)域也不例外[1]。然而，LED驅(qū)動(dòng)電源的要求也在不斷提高，高效率、安全隔離、輸出穩(wěn)定、控制精度、體積小、成本低等成為LED驅(qū)動(dòng)電源的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。本文基于iW1706芯片特性，設(shè)計(jì)了一款離線型反激式LED驅(qū)動(dòng)電源，并且提供過壓、過流保護(hù)，外圍元器件較少，開關(guān)管使用價(jià)格相對(duì)便宜的雙極型晶體管，降低了設(shè)計(jì)成本。

1 芯片簡介

iW1706采用5引腳的SOT-23封裝，引腳配置如圖1所示。圖中：VSENSE引腳是變壓器輔助繞組感測(cè)信號(hào)輸入端，用于初級(jí)調(diào)節(jié)；ISENSE引腳是初級(jí)電流檢測(cè)端，用于控制峰值電流；OUTPUT引腳為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，用于驅(qū)動(dòng)芯片外部的雙極型晶體管基極。

圖1 iW1706的引腳排列

iW1706是一款高性能的AC/DC電源控制器，其內(nèi)部集成了啟動(dòng)和輸入電壓檢測(cè)電路、反饋信號(hào)調(diào)節(jié)電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、過流保護(hù)比較器、峰值電流限制比較器、雙極型晶體管基極驅(qū)動(dòng)器等。

iW1706利用數(shù)控技術(shù)構(gòu)造了峰值電流模式的PWM反激式電源，它只用輔助供電繞組就可以實(shí)現(xiàn)次級(jí)電壓反饋，從而省去了大多數(shù)開關(guān)電源必需的次級(jí)取樣和光電耦合電路，同時(shí)也省去了復(fù)雜的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而簡化了EMI設(shè)計(jì)[3]，降低了電路制作成本。

2 基于iW1706的LED驅(qū)動(dòng)電源

采用iW1706設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 基于iW1706的LED驅(qū)動(dòng)電源電路

本文所設(shè)計(jì)的電路是一種基于反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在DCM模式下工作的LED驅(qū)動(dòng)電源。設(shè)計(jì)要求為：AC輸入范圍為85～265 V寬電壓輸入范圍，在330 mA的穩(wěn)定電流輸出下，用于驅(qū)動(dòng)5個(gè)1 W的串聯(lián)LED，輸出電壓為15 V。其主要的電路組成和工作原理如下：

(1)輸入保護(hù)：保險(xiǎn)絲FR1的作用是防止開通瞬間沖擊電流過大燒毀其他元器件，起到保護(hù)作用。

(2)EMI濾波：電感L1與電容C1、電容C2構(gòu)成差模濾波器，衰減差模干擾，同時(shí)增強(qiáng)了抗浪涌的能力。與次級(jí)端二極管D3并聯(lián)的C5和R8組成吸收電路，可以整流并且限制尖峰電壓，減小干擾噪聲對(duì)外界的輻射。

(3)RCD鉗位電路[4]：當(dāng)反激變換器功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于漏感的影響，將引起電壓尖峰，對(duì)功率管造成損害。鉗位電路由C3、R4、D1組成，功率開關(guān)管Q1截止，漏感釋放能量，D1的作用是單向?qū)щ姡oC3充電，然后D1截止，R4的作用是在Q1導(dǎo)通時(shí)，將C3上的電荷釋放掉一部分，使得C3上的電壓保持相對(duì)恒定[5]。

(4)供電電路：輸入的交流電壓經(jīng)過濾波整流后轉(zhuǎn)換成直流電壓，經(jīng)過R2、R3對(duì)電容C4充電，當(dāng)達(dá)到芯片內(nèi)部啟動(dòng)閾值電壓后，芯片開始工作。此后轉(zhuǎn)為由輔助繞組經(jīng)過R10限流，D2整流，C4濾波后給芯片供電。

(5)初級(jí)側(cè)反饋與恒定LED電流操作電路：iW1706采用初級(jí)側(cè)反饋，無需次級(jí)側(cè)感測(cè)和光耦合器。T1輔助繞組(匝數(shù)為AUX)上的電壓AUX是輸出電壓發(fā)射的結(jié)果。T1輔助繞組上的電壓經(jīng)R6和R7饋送到U1引腳VSENSE，經(jīng)內(nèi)部恒流控制電路將輸出電流調(diào)節(jié)到一個(gè)恒定電平上[6]，而不管輸出電壓與否。初級(jí)側(cè)電流通過電阻R5檢測(cè)，以執(zhí)行峰值電流限制(PCL)和過電流保護(hù)(OCP)。

3 電路設(shè)計(jì)參數(shù)及元器件選擇

3.1 磁芯的選擇

開關(guān)電源變壓器磁芯大多數(shù)是鐵氧化磁芯，它有較高的磁導(dǎo)率、低的矯頑力和高的電阻率。本設(shè)計(jì)在考慮磁芯時(shí)選用Ap法進(jìn)行計(jì)算。Ap法稱為磁芯面積乘積法，設(shè)計(jì)時(shí)先求出磁芯窗口面積和磁芯的有效面積的乘積值[7]，然后加一定的裕度(10%)后選取值相近的磁芯。

根據(jù)反激式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出的計(jì)算公式為：式中：out為變壓器的輸出功率max為最大導(dǎo)通占空比；為變壓器的預(yù)期效率；為分配給初級(jí)繞組的面積，通常為0.5 mm2；為初級(jí)等效串聯(lián)電阻電流和平均電流之比，在非連續(xù)反激模式中一般取0.55～0.65；為窗口填充系數(shù)，一般取0.4；為電流密度，一般取3～10 A/mm2；max為最大工作磁通密度，反激式一般取0.12～0.15 T[8]；為開關(guān)工作頻率，根據(jù)iW1706芯片手冊(cè)，得知其工作頻率為72 kHz。

最大占空比可表示為：

計(jì)算出值后，通過查閱廠商提供的磁芯參數(shù)表就可以選出適合的芯片，實(shí)驗(yàn)中選用EE型磁芯，經(jīng)查閱發(fā)現(xiàn)EE13的值為570 mm4，最接近設(shè)計(jì)值，所以最終采用EE13型磁芯。

3.2 變壓器參數(shù)計(jì)算

初級(jí)峰值電流為：

初級(jí)電感量為：

由于已經(jīng)計(jì)算出磁芯選用EE13型號(hào)，所以根據(jù)參數(shù)資料可以知道EE13的值，經(jīng)過計(jì)算最后得出初級(jí)繞組的匝數(shù)為193匝，實(shí)驗(yàn)室調(diào)整為188匝；初級(jí)峰值電流為0.207 A；初級(jí)電感量為3.4 mH。設(shè)變壓器初級(jí)匝數(shù)與次級(jí)匝數(shù)的比值為，根據(jù)變壓器磁復(fù)位基本原理，則有：

3.3 開關(guān)管的選擇

芯片iW1706的OUTPUT端被連接到外部雙極型晶體管的基極。雙極型晶體管上面所承受的電壓主要由三部分組成：初級(jí)側(cè)主線電壓，次級(jí)側(cè)的反射電壓和漏感引起的尖峰電壓。可通過以下公式計(jì)算：

式中：in_max是輸入總線最大電壓，為373 V；是初級(jí)與次級(jí)匝數(shù)比，經(jīng)前文計(jì)算得出為6.7；0是輸出電壓，為15 V；最大尖峰電壓估算為100 V[9]。由此可得，ce_max=573 V。因此選用耐壓值為650 V的雙極型晶體管TSC13003。

3.4 VSENSE引腳分壓電阻R6和R7的參數(shù)計(jì)算

設(shè)iW1706電源電路中輸出整流二極管D3的壓降為0.6 V，次級(jí)繞組上的電壓為=15 V+0.6 V=15.6 V。輔助繞組上的電壓為AUX=(AUX/)·。又因?yàn)锳UX=ref·(6+7)/7，所以最后可得到：

3.5 ISENSE檢測(cè)電阻R5的參數(shù)計(jì)算

輸出電流可以表示為：

式中：dis為去磁時(shí)間，為開關(guān)周期，在恒流模式下它們的比例保持一個(gè)常數(shù)；ISENSE為SENSE引腳限壓極限值，根據(jù)iW1706手冊(cè)，其值為1 V。經(jīng)計(jì)算最后得出，5=0.185(/)/0，電路所設(shè)計(jì)的恒流輸出為330 mA，由此算得5=3.76Ω。

4 測(cè)試結(jié)果

為了核實(shí)所設(shè)計(jì)的基于iW1706的反激式開關(guān)電源的性能，繪制了它的印刷電路板(PCB)。所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的實(shí)物如圖3所示(左圖為底部，右圖為頂部)。

圖3 設(shè)計(jì)開關(guān)電源的實(shí)物圖

所設(shè)計(jì)的電路的成敗在于輸出電流是否可穩(wěn)定在330 mA，驅(qū)動(dòng)5個(gè)1 W的LED。當(dāng)輸入電壓為220 V(AC)時(shí)，開關(guān)管Vce波形如圖4(a)所示；330 mA的恒流輸出波形如圖4(b)所示；圖4(c)顯示了當(dāng)輸入電壓為90 V(AC)，驅(qū)動(dòng)5個(gè)LED時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓情況，從圖中可以看出用萬用表測(cè)出的輸出電壓為15.304 V。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于iW1706的反激式LED開關(guān)電源，用于驅(qū)動(dòng)5個(gè)1 W串聯(lián)LED。介紹了整個(gè)電路的工作原理以及變壓器和重要元器件參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。所設(shè)計(jì)的電路輸入電壓范圍為85～265 V(AC)，輸出電流穩(wěn)定在330 mA，通過驅(qū)動(dòng)5個(gè)1 W串聯(lián)LED的實(shí)際電路驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

圖4 測(cè)試結(jié)果

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Design of flyback switch power supply based on iW1706

FU Xian-song1,3,4,LIU Ya-nan2,3,SANG Ruo-yu1,3,ZHANG Jin-jian2,3,NIU Ping-juan1,3,4

Flyback switch power supply was designed based on iW1706 and used to drive LED.iW1706 was a high performance AC/DC off-line power supply controller.The primary side sensing and quasi resonant operation were used,and the over voltage,over current protection were provided.The main feature and principle of iW1706 were introduced.A switch power supply of the wide voltage range input(AC 85～265 V),the output current of constant 330 mA,the rated power of 5 W was designed basing on iW1706.The transformer design and calculation of main parameters were given.The experimental results demonstrate the feasibility of the design,fewer components in the circuit is used and a stable current output is achieved.

switch power supply;iW1706;quasi resonant;flyback

TM 571

A

1002-087 X(2015)03-0594-03

2014-08-15

付賢松(1976—)，男，浙江省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榇蠊β拾坠釲ED驅(qū)動(dòng)芯片及驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)。