一種分段調(diào)光LED電源設(shè)計(jì)

童飛 李曉春

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款基于原邊反饋單級(jí)反激拓?fù)涞姆侄握{(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電源。電源采用單級(jí)帶功率因數(shù)校正的Flyback拓?fù)?，通過(guò)墻壁開(kāi)關(guān)觸發(fā)分段調(diào)光控制電路，改變初級(jí)側(cè)采樣電阻阻值，實(shí)現(xiàn)次級(jí)LED電流的改變。這種調(diào)光方案降低了成本，保持了電源系統(tǒng)的高效率。最后，采用矽力杰的電源芯片SYPH83A，恩智浦的雙D觸發(fā)器74HC74制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明， 在額定電壓220V滿載情況下，測(cè)得電源效率為90.5%，功率因數(shù)0.977。該方案滿足單級(jí)原邊反饋反激拓?fù)?，調(diào)光模式滿足分段循環(huán)切換且調(diào)光無(wú)閃爍。

關(guān)鍵詞：LED電源 分段調(diào)光 原邊反饋 單級(jí)反激 觸發(fā)器

中圖分類號(hào)：TN383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）05-0000-00

LED光源具有光效高和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在家用，商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域[1]。為了更好地發(fā)揮LED照明節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，在LED驅(qū)動(dòng)器中加入調(diào)光功能是大勢(shì)所趨[2]。同時(shí)，調(diào)光技術(shù)也可改善燈光舒適度，延長(zhǎng)燈具壽命。目前市面上的LED調(diào)光的方式主要有三種：線性調(diào)光，可控硅調(diào)光和PWM 調(diào)光。在低成本家居照明應(yīng)用里，人們通常更傾向于可控硅調(diào)光技術(shù)，但可控硅調(diào)光需維持電流，且調(diào)光易出現(xiàn)閃爍。實(shí)際上，滿額輸出的一半作為調(diào)光等級(jí)也被認(rèn)為是一種節(jié)能技術(shù)而大量采用。因此，分段調(diào)光在照明應(yīng)用中也有相當(dāng)?shù)暮锰帯?/p>

本文提出了一種新的分段調(diào)光電路設(shè)計(jì)，基于原邊反饋單級(jí)反激拓?fù)?，分析了分段調(diào)光控制電路的工作原理，利用墻壁開(kāi)關(guān)觸發(fā)LED驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了LED亮度的分段調(diào)節(jié)。該方案成本低，不需要特殊調(diào)光器，操作簡(jiǎn)單。最后制作樣機(jī)并測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果證明了該電路具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 原邊反饋反激電路工作原理

圖1為原邊反饋單級(jí)反激的LED驅(qū)動(dòng)電源電路圖。次級(jí)省略的光偶和TL431電路，大大減少了元器件，縮小了電源空間，降低了成本。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，整流二極管D6反向截止，輸出電容C3給負(fù)載供電，此時(shí)變壓器T1相當(dāng)于一個(gè)純電感Lp，流過(guò)原邊繞組的電流線性增加，斜率為，直至達(dá)到峰值Lpp；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1截止時(shí)，變壓器所有繞組電壓反向，此反向電壓使輸出二極管D6導(dǎo)通，原邊繞組在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通存儲(chǔ)的能量 傳送到輔助繞組，給輸出電容C3供電，同時(shí)給負(fù)載供電[3-4]。

反激電路拓?fù)涔ぷ髟贒CM模式（不連續(xù)導(dǎo)通模式Discontinuous Conduction Mode）。Vo的采樣主要是通過(guò)輔助線圈耦合副邊線圈，在Tdis時(shí)間內(nèi)，副邊線圈上二極管正向?qū)?，副邊線圈電流下降，輔助線圈電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1截止時(shí)，次級(jí)續(xù)流二極管D1將導(dǎo)通期間存儲(chǔ)在變壓器中的磁場(chǎng)能量傳輸?shù)截?fù)載，根據(jù)電流比方程，有：

其中，Ipp為原邊電流峰值，Isp為次級(jí)電流峰值，Np，Ns分別為反激變壓器原邊繞組的匝數(shù)和次級(jí)繞組的匝數(shù)。

輸出電容在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)被充電，斷開(kāi)時(shí)給負(fù)載供電，其平均電流一直為零。因此平均二極管電流必須等于負(fù)載電流，有

其中為反激變壓器釋放能量的時(shí)間。

由式（1），（2）得輸出電流ILED為

在圖1的電路中，電源芯片的Vcs端口的參考電壓恒定，Vcs=Ipp* Rcs ，故原邊反饋反激電路的輸出負(fù)載電流ILED為：

由上式可見(jiàn)，保持續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)間和開(kāi)關(guān)管周期的比值不變，變壓器匝比Nps不變，輸出負(fù)載電流可以通過(guò)改變?cè)叢蓸与娮鑂cs來(lái)調(diào)整實(shí)際輸出。因此，低成本的分段調(diào)光功能可以通過(guò)改變采樣電阻Rcs的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié)，對(duì)這部分功能實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)描述見(jiàn)一部分。

3基于原邊反饋反激電路分段調(diào)光工作原理

原邊反饋反激電路拓?fù)涔ぷ髟贒CM模式，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電源的高功率因數(shù)、高效率。基于這種電路拓?fù)?，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了LED燈具墻壁開(kāi)關(guān)的分段調(diào)光功能。調(diào)光主要是通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)LED負(fù)載的電流大小來(lái)改變LED的亮度，由本文的第三部分可知，增大原邊采樣電阻Rcs可以降低LED驅(qū)動(dòng)電源的輸出電流。圖2中，并聯(lián)在 R5端的兩個(gè)采樣電阻R6，R7分別接N溝道MOS管M2，M3。開(kāi)關(guān)管M2，M3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)M1，M2可以改變?cè)叢蓸与娮鑼?shí)際阻值的大小。

第一次閉合墻壁開(kāi)關(guān)S1時(shí)刻前，Q1，Q2均為低電平，引腳DATA1，DATA2則均為高電平。閉合墻壁開(kāi)關(guān)S1，輔助繞組線圈給雙D觸發(fā)器Vcc引腳供電，引腳SET1，SET2，RESET1，RESET2變?yōu)楦唠娖剑_CLOCK1 有上升沿信號(hào)，根據(jù)圖3真值表，Q1輸出為高電平，此時(shí)，引腳CLOCK2 出現(xiàn)上升沿信號(hào)， Q2輸出為高電平。MOS管M2，M3導(dǎo)通，原邊采樣電阻R5，R6，R7并聯(lián)，由公式（5），可知流過(guò)負(fù)載LED電流最大，亮度最高。

斷開(kāi)墻壁開(kāi)關(guān)，引腳DATA1，DATA2保持為低電平，第二次閉合墻壁開(kāi)關(guān)S1，引腳SET1，RESET1變?yōu)楦唠娖剑_CLOCK1 有上升沿信號(hào)，根據(jù)圖3真值表，Q1輸出為低電平，此時(shí)，引腳CLOCK2 出現(xiàn)下降沿信號(hào)， Q2輸出保持為高電平。MOS管M2導(dǎo)通，M3關(guān)斷，原邊采樣電阻R5，R6并聯(lián)，由公式（6），可知流過(guò)負(fù)載LED電流變小，亮度變暗。

斷開(kāi)墻壁開(kāi)關(guān)S1，引腳DATA2為低電平，DATA1為高電平， 第三次閉合墻壁開(kāi)關(guān)S1，引腳SET1，RESET1變?yōu)楦唠娖剑_CLOCK1有上升沿信號(hào)，根據(jù)圖3真值表，Q1輸出為高電平，此時(shí)，引腳CLOCK2 出現(xiàn)上升沿信號(hào)， Q2輸出為低電平，三極管M4導(dǎo)通，Q1變?yōu)榈碗娖健OS管M2，M3關(guān)斷，原邊采樣電阻僅有R5，由公式（7），可知流過(guò)負(fù)載LED電流再次變小，亮度再次變暗。

此調(diào)光過(guò)程滿足三段分段式調(diào)光，合理設(shè)計(jì)原邊采樣電阻R5，R6，R7，可滿足100%，50%，25%循環(huán)調(diào)節(jié)模式。

4系統(tǒng)樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證新型分段調(diào)光方案的可行性，設(shè)計(jì)了一款功率為41W的LED驅(qū)動(dòng)電源，工作范圍為100Vac～240Vac，滿載輸出電流為1080mA。原邊反饋反激拓?fù)涞碾娫纯刂菩酒捎梦艿碾娫葱酒琒YPH83A，分段調(diào)光控制電路中的雙D觸發(fā)器采用恩智浦的74HC74。

LED驅(qū)動(dòng)器性能參數(shù)的詳細(xì)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，驅(qū)動(dòng)器滿載工作在五個(gè)不同的輸入電壓下，電源的輸出電流恒流率保持在1%以內(nèi)，且功率因數(shù)和系統(tǒng)效率分別達(dá)到0.97和91%。

LED驅(qū)動(dòng)器工作在滿載工作時(shí)的效率為90.5%，在調(diào)光輕載輸出電流時(shí)，效率會(huì)降低。但在50%額定LED電流輸出時(shí)效率仍為83.7%。圖4所示曲線為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器工作在全電壓100～240V下，不同輸出電流時(shí)的效率。

另外，LED驅(qū)動(dòng)電源還滿足輸出開(kāi)路，短路保護(hù)功能設(shè)計(jì)。當(dāng)使電源負(fù)載處于開(kāi)路或短路狀態(tài)時(shí)，電源系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，沒(méi)有輸出。

5結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了原邊恒流控制的原理，提出了一種新的分段調(diào)光電路設(shè)計(jì)思路，最后應(yīng)用芯片SYPH83A和雙D觸發(fā)器74HC74制作了一款41W的LED驅(qū)動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電源的各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且具有高效率和高功率因數(shù)。此外，可兼容原邊反饋反激拓?fù)涞碾娫葱酒氖褂?，可以縮短研發(fā)時(shí)間，節(jié)約成本，節(jié)約能源，在照明產(chǎn)品應(yīng)用中有很大的實(shí)用性。在燈具安裝時(shí)，無(wú)需特定的調(diào)光器，在固有的家居墻壁開(kāi)關(guān)的操作下，即可實(shí)現(xiàn)三段式調(diào)光。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖志凌，阮新波.半導(dǎo)體照明工程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21（9）：106-111.

[2]陳浩，席光，劉勝 等.一種精確調(diào)光的LED電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2011，35（2）：218-220.

[3]普利斯曼，比利斯，莫瑞.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].3版.王志強(qiáng)，肖文勛，虞龍，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010：1-99.

[4]郭慶明，何云峰，王昌明，等.單端反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010.5：165-171.