一種小功率高效恒流電源設(shè)計

王 林，夏 婷，張立生，王荃禹

（1.鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002；2.麗水學(xué)院 學(xué)生處，浙江 麗水 323000；3.國網(wǎng)黃山市供電公司，安徽 黃山 230061）

0 引 言

近些年來，由于低碳和節(jié)能需求，具有體積較小、功耗較低、使用壽命較長、高亮度，低熱量、可控性強等優(yōu)點的LED照明技術(shù)引起廣泛關(guān)注。LED照明的核心是LED驅(qū)動電路的設(shè)計，即需要一個適配的LED驅(qū)動電路才可以實現(xiàn)LED照明的正常工作［1，2］。因此設(shè)計一個具有高轉(zhuǎn)換效率、電氣性能優(yōu)良的驅(qū)動電源是非常有必要的，這也正是設(shè)計恒流電源的意義所在［3－5］。

本文設(shè)計了一種高性能的12 W恒流電源。在研究驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適配條件的基礎(chǔ)上，采用帶有自抖動功能的電流模式PWM控制器SD4843P，以反激電路為主電路與反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計相結(jié)合實現(xiàn)12 W恒流電源的高轉(zhuǎn)換效率運行；分析了系統(tǒng)的工作原理，給出了詳細(xì)的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計過程，最后通過實驗評估恒流電源的性能。

1 控制原理分析

主控芯片選擇電流模式PWM控制器SD4843P。它具有抖動的振蕩頻率、欠壓鎖定、過壓保護、脈沖前沿消隱、過流保護和溫度保護等功能。內(nèi)部集成了高壓650 V功率 MOSFET［1］，其反激拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，Uin為輸入電壓，UOR為反射電壓，IPRI為變壓器初級電流，UDS為開關(guān)管導(dǎo)通壓降，ISEC次級電流；圖2中tON為Q1導(dǎo)通時間，在此期間，初級工作，次級儲能，C1向載荷提供能量；tOFF為Q1截止時間，在此期間次級工作，電容C1儲能。在連續(xù)工作模式下，電路工作方式如圖2所示。

圖2 連續(xù)模式下工作波形

2 驅(qū)動電源模塊設(shè)計

2.1 AC－DC模塊設(shè)計

RTH為熱敏電阻，可以抑制輸入電路浪涌電流；F1為熔斷器，起過流保護作用；為提高EMI性能，由于SD4843內(nèi)部自帶頻率抖動，因此AC輸入方式選用共模輸入方式，完全可以滿足抗干擾需求，共模電感選為20 mH，X電容C1選為0.1μF400 V。電源的輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓為220 VAC，頻率為50 Hz，設(shè)計輸出電壓范圍為195 VAC－265 VAC，設(shè)計輸出功率為12 W，效率η＝90%，則交流輸入功率P＝P0／η＝13.3 W，因此整流二極管選用IN4007可以滿足需求（也可選用整流模塊）。綜合考慮交流電壓輸入范圍，整流輸出濾波電容為1.6μF／W，選為22μF／400 V。AC－DC模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 AC－DC模塊

交流輸入電壓經(jīng)熱敏電阻RTH，進入干擾抑制共模電感L1，整流橋整流后，經(jīng)濾波電容C2濾波，并在C2兩端形成300 V左右的直流電，作為后級電路的輸入電壓和SD4843啟動電源。

2.2 反激電路設(shè)計

2.2.1 SD4843P周圍電路

基于SD4843P的恒流電源反激功能模塊，如圖4所示。整流后電壓經(jīng)R3、R4加至3腳進行啟動供電，啟動后變壓器輔助繞組獲得的電壓經(jīng)R8限流和VD6整流后對C4充電，當(dāng)C4電壓達(dá)到12 V后，開始對芯片進行供電。整流濾波后電壓經(jīng)變壓器初級線圈加至6、7、8腳與SD4843P內(nèi)部的 MOS管的漏極相連。R5、R6、R7、C3、VD5組成 RCD吸收電路，主要作用是嵌位漏感所產(chǎn)生的電壓，從而保證了MOSFET管的漏端電壓小于其耐壓值。

圖4 反激功能模塊

2.2.2 變壓器的設(shè)計

（1）輸入整流濾波電容CDC和整流之后的電壓范圍

當(dāng)輸入AC為110／115 V（輸入最小值為85 V且輸入最大值為132 V）和通用輸入（輸入最小為85 V且輸入最大為265 V）時，輸入整流濾波電容約為3 mF／W；當(dāng)輸入AC為220 V（輸入最小為195 V且輸入最大為265 V）時，輸入整流濾波電容約為1 mF／W。由此可見：輸入整流濾波電容CDC＝1 mF／W。

在已知輸入整流濾波電容為1 mF／W的基礎(chǔ)上可知整流之后的最小輸入直流電壓

整流之后的最大輸入直流電壓為：

式（1）、（2）中，fL為輸入交流電的頻率，為工頻50 Hz；輸入整流濾波電容CDC為取技術(shù)給定值輸入電容；P0為輸出功率；η為效率；tc表示整流導(dǎo)通時間（取3 ms）；Uacmin和Uacmax分別表示輸入交流電壓的最小有效值和最大有效值。

（2）確定最大占空比Dmax和MOSFET耐壓值

當(dāng)電路工作在連續(xù)模式下（理想情況），為了防止次振蕩諧波的存在，一般D取0.45，在占空比的基礎(chǔ)上可以求得反射電壓值：

MOSFET漏端電壓值：

（3）確定變壓器初級電感值Lm

在滿載以及輸入電壓最低情況下計算變壓器初級電感值是最大的，其他任何情況電感值都比其要低。因此，可以求得Lm，

式中，fs表示開關(guān)頻率（本設(shè)計fs＝67 kHz）；KRF表示紋波系數(shù)，對于連續(xù)模式CCM中KRF＜1取0.45。根據(jù)公式：

可知，開關(guān)管MOSFET上的峰值電流為：

開關(guān)管MOSFET電流有效值為：

（4）確定變壓器的合適磁芯以及初級匝數(shù)的最小線圈防止變壓器磁芯飽和

在計算變壓器鐵芯時采用最常見的AP法，其窗口大小為：

式中，Aw為窗口面積；Ae為磁芯截面積；ΔB為磁通最大擺幅?。?.3 T～0.5 T）。

防止磁飽和的最小初級匝數(shù)：

變壓器初級與次級匝數(shù)之比為：

根據(jù)初級匝數(shù)與次級匝數(shù)關(guān)系可知：

輔助繞組與次級繞組的匝比關(guān)系為：

（5）變壓器繞組導(dǎo)線直徑的確定

初級繞組導(dǎo)線直徑公式為：

式中，IP表示初級電流；J表示電流密度，一般取3～4 A／mm2，這里取3 A／mm2。

根據(jù)所求直徑求得截面積，初級采用直徑為0.3 mm漆包線銅線，次級采用直徑為0.3 mm漆包線銅線雙線并饒（可以有效防止集膚效應(yīng)），輔助繞組采用與次級繞組相同的線徑銅線雙線并繞。

2.3 反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

輸出反饋采用電流控制模式，反饋回路的傳遞函數(shù)［3－7］為：

設(shè)計反饋回路的主要依據(jù)是極值條件下能滿足穩(wěn)定性需求，在其他條件下也能滿足穩(wěn)定性需求。因此在連續(xù)模式下設(shè)計反饋回路，穿越頻率應(yīng)設(shè)置在1／3右半平面零點上，降低右半平面零點的影響。補償網(wǎng)絡(luò)的零點設(shè)置在穿越頻率的1／3處。反饋網(wǎng)絡(luò)增益應(yīng)該滿足需求，根據(jù)調(diào)試情況選定。反饋網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 反饋網(wǎng)絡(luò)

3 實驗與分析

通過單相調(diào)壓器在不同電壓值下測試了恒流電源的基本性能，參數(shù)測試值記錄于表1中。根據(jù)實驗記錄數(shù)據(jù)繪制了伏安曲線、效率曲線、功率因數(shù)曲線圖形，直觀地反映出不同電壓狀況對其性能的影響和變化趨勢，具體如圖6所示。

由圖6（a）可以看出電源輸出電流值與市電輸入電壓成正關(guān)聯(lián)（設(shè)計輸入電壓范圍內(nèi)），其線性調(diào)整率為3%；圖6（b）可以看出效率正關(guān)聯(lián)輸入電壓，在設(shè)定電壓范圍內(nèi)，達(dá)到90%以上，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)化效率，達(dá)到節(jié)能的目的，其線性調(diào)整率為1%；由圖6（c）可知功率因數(shù)與輸入電壓負(fù)關(guān)聯(lián)，其線性調(diào)整率為2.8%，額定值附件接近0.94，系統(tǒng)具有穩(wěn)定的高功率因數(shù)。從實驗數(shù)據(jù)和繪制圖形趨勢，可以看出設(shè)計的恒流電源具有穩(wěn)定的、高性能的電氣特性。

表1 基本性能參數(shù)

圖6 電氣特性圖

圖7為恒流電源額定輸入時的測量波形，其中U為輸出電壓，I為輸出電流，F(xiàn)eedback為反饋信號測量波形。測量電流有效值為1 V，折算為實際電流峰值約為338 mA，谷值約為297 mA，有效值為316.4 mA，輸出電流紋波率為13%，由此可知恒流電源具有高質(zhì)量的穩(wěn)定輸出電流。

圖7 輸出電流實驗波形

樣機實驗結(jié)果滿足了恒流電源設(shè)計目標(biāo)的低紋波、高功率因數(shù)、高效率、高安全性能的要求。

4 結(jié) 論

本文分析了基于SD4843P控制芯片的12 W恒流電源的反激電路，AC－DC模塊、反饋網(wǎng)絡(luò)等模塊的工作原理，給出了相關(guān)電路參數(shù)的詳細(xì)設(shè)計過程。

樣機實驗結(jié)果表明流過LED的平均電流穩(wěn)定在316 mA，進而保障LED亮度的穩(wěn)定。恒流電源在交流190～230 V輸入電壓狀態(tài)下，功率因數(shù)都在0.938以上，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)91%，實現(xiàn)了恒流電源驅(qū)動的高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電氣性能。

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