基于軟開關(guān)管LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)

江 偉，周俊生，謝再晉

（華南理工大學(xué) 廣東 廣州　510641）

基于軟開關(guān)管LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)

江 偉，周俊生，謝再晉

（華南理工大學(xué) 廣東 廣州510641）

針對目前大部分LED電源損耗大、可靠性差和使用壽命短的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款采用單片機(jī)為軟開關(guān)主控芯片的LED開關(guān)電源，通過諧振電路使主開關(guān)管處于軟開關(guān)工作狀態(tài)，可降低開關(guān)管的損耗，提升開關(guān)電源的整體效率，通過仿真及測試結(jié)果表明，該LED開關(guān)電源損耗小，效率高（轉(zhuǎn)換效率達(dá)91%以上），可靠性好，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

低損耗；開關(guān)電源；軟開關(guān)；單片機(jī)

LED作為本世紀(jì)最新發(fā)展的環(huán)保型光源，有著發(fā)光效率高、單色性好、壽命長、節(jié)能高效等儲多優(yōu)點(diǎn)，但是很大程度受到其驅(qū)動的開關(guān)電源影響，如何改進(jìn)開關(guān)電源技術(shù)，降低電源的損耗，確保開關(guān)電源的可靠性和使用壽命與LED燈的可靠性和使用壽命相匹配，是LED技術(shù)研究的重要方向［1-3］。所以，開關(guān)電源成LED產(chǎn)業(yè)生死成敗之關(guān)鍵。

開關(guān)電源的功耗由開關(guān)功率管損耗、開關(guān)變壓器損耗、整流管損耗及其它輔助電路損耗組成［4-5］。由于開關(guān)功率管損耗在整個電源的損耗中所占的比重最大［6］，文中設(shè)計(jì)一款采用單片機(jī)為軟開關(guān)主控芯片的開關(guān)電源電路，通過電容電感諧振電路令主開關(guān)管處于軟開關(guān)工作狀態(tài)。這種技術(shù)可降低主開關(guān)管的損耗，降低開關(guān)電源的損耗，從而提升開關(guān)電源的整體效率，將這種軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到LED驅(qū)動，提升LED能源的整體效率。

1　LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1.1總體框架

本LED開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由過流過壓保護(hù)電路、PFC功率因數(shù)校正電路、前級整流濾波電路、高頻變換電路、后級整流濾波電路、電流電壓反饋電路及控制電路組成。文中工作集中在高頻軟開關(guān)［7］電路模塊上，電路圖如圖2。

圖1　LED開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)框圖

1.2軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)

為了提高電源的效率，本設(shè)計(jì)希望開關(guān)電源工作在最大占空比附近，由于橋式電路上、下橋臂不能同時導(dǎo)通，故必須保證有足夠的死區(qū)時間，因此最大的占空比不能超過80%；按全橋整流濾波計(jì)算VDD。由此可以算出最大的匝數(shù)比為1：8，一次側(cè)變壓器平均電流為IPA=IO/（1-D）

開關(guān)變壓器一次側(cè)平均電流IPA=IO*n=1.4/8=0.175 A，橋式高頻變換主電路如圖2所示。主開關(guān)管Q1、Q2采用2SK2110場效應(yīng)管。2SK1120參數(shù)是1 000 V，2.5 A，N溝道的場效應(yīng)管，管腳順序是G，D，S。Q1、Q2的控制觸發(fā)信號是來自主控電路部分的驅(qū)動模塊NCP 5181的驅(qū)動輸出。場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通Q2截止時，變壓器T1正半周，變壓器T1轉(zhuǎn)換能量；Q1截止Q2導(dǎo)通時，變壓器T1負(fù)半周，變壓器T1也轉(zhuǎn)換能量，組成半橋式軟開關(guān)變換電路。

圖2　高頻軟開關(guān)電路

為了實(shí)現(xiàn)半橋臂的零壓開關(guān)，必須滿足以下幾點(diǎn)：

1）隔直電容C19的容量必須遠(yuǎn)大于電容C17、C18之和；

2）電容C17、C18加上場效應(yīng)管的輸出電容與變壓器T1漏感的回路的時間常數(shù)大于等于3倍的開關(guān)管開關(guān)時間；

3）變壓器T1漏感，加上次級濾波電感折算到初級的電感產(chǎn)生的電流足夠電容C17、C18的充放電。

場效應(yīng)管關(guān)斷的瞬間，高壓脈沖被超快恢復(fù)二極管回饋到電源。由于電容C17、C18也有很好的削尖峰的作用，因此保護(hù)了場效應(yīng)管Q1和Q2，使得場效應(yīng)管不易被擊穿，電路的可靠性得到提高。

另外，NCP5181模塊是高電壓功率MOSFET驅(qū)動器，適用在半電橋（或任何其他的高側(cè)+低側(cè)）場合，提供兩個輸出的2個直接驅(qū)動。它采用自舉技術(shù)，為Q1，Q2的N溝道功率MOSFET高側(cè)開關(guān)管提供直接驅(qū)動。

2　仿真與制作測試

2.1仿真

筆者為了避免大量的繁瑣計(jì)算過程，先對功率因數(shù)校正及EMI濾波電路、整流濾波電路、主電路、電流電壓反饋電路等進(jìn)行仿真，特別介紹軟開關(guān)主電路仿真過程如下。

圖3為軟開關(guān)主電路仿真圖，為了消除開關(guān)損耗，在兩個開關(guān)管 Q1、Q2分別并聯(lián)電容C9、C6組成軟開關(guān)電路，可以看出，在開關(guān)管Q1關(guān)斷時，開關(guān)管的電壓上升之前，開關(guān)管的電流提前由負(fù)回歸到零，并且可以看到在開關(guān)管Q1的電壓從0上升到下降整個矩形區(qū)域內(nèi)，開關(guān)管Q1的電流保持在零值，因此說明了開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)。圖4為軟開關(guān)電流電壓的仿真圖，下方波形為Q1的電流電壓的乘積（即開關(guān)管損耗）的波形圖，可以看出，功率尖峰完全消失。圖5為Q1的軟、硬兩種開關(guān)工作模式的平均功耗圖，可以看出上方軟開關(guān)模式為損耗功率 9.5 W，而下方硬開關(guān)模式時損耗功率17.6 W，是軟開關(guān)模式功耗的兩倍。

Q2仿真情況與Q1相似。

圖3　帶輔助電容主電路仿真電路圖

2.2制作與測試

2.2.1實(shí)際電路制作

使用電路制作軟件將電路原理圖按要求繪制出來，根據(jù)原理圖繪制布置PCB板圖如圖6，根據(jù)PCB板圖采用環(huán)保制板設(shè)備制作樣品實(shí)物如圖7。

為了方便測試，單獨(dú)焊接一個外接5 V電源供應(yīng)單片機(jī)。對單片機(jī)編程運(yùn)行后，用示波器觀測到的輸出控制脈沖是否符合要求。在輸出脈沖有較小占空比的穩(wěn)定輸出后，去掉外接電源，接上220 V交流電源的輸入電源，同時接上4 個15瓦的水泥電阻作為假負(fù)載代替4路LED，并在假負(fù)載的連接下運(yùn)行。在假負(fù)載運(yùn)行后檢測電壓電流均正常穩(wěn)定后再接上實(shí)際的LED運(yùn)行。由于單片機(jī)的工作電壓是從2.3至5.5 V，設(shè)置并啟動單片機(jī)內(nèi)的上電延時定時器（PWRT）。

圖4　帶輔助電容Q1開關(guān)管電流電壓的仿真波形圖

圖5　Q1開關(guān)管兩種工作模式的損耗功率對比

圖6　PCB板圖

圖7　樣品實(shí)物圖

圖8　效率測試方框圖

2.2.2測試確認(rèn)電源的效率

采測試電路方框如圖8，此時負(fù)載用4個15瓦水泥電阻接兩路輸出的總輸出端，測試數(shù)據(jù)如表1。結(jié)果表明，效率達(dá)到預(yù)期的91%以上。

表1　電源效率數(shù)據(jù)

圖9　恒流特性測試電路

2.2.3恒流特性測試

測試開關(guān)電源兩路輸出的其中一路，采用測試電路如圖9，此時負(fù)載用LED。通過改變電源的輸入電壓，檢測負(fù)載的電流。通常要求電流的變化小于10%。

測試方法：將數(shù)字萬用表串聯(lián)于輸出回路中。由多個3瓦的發(fā)光二極管串聯(lián)組成輸出負(fù)載，每兩個發(fā)光二極管有一個中間抽頭接與多路開關(guān)。通過改變多路開關(guān)的位置來改變所連接于開關(guān)電源的負(fù)載數(shù)量，觀察電流表的電流值看輸出電流是否恒定。

測試結(jié)果：輸出電流恒定于0.65 A，切換開關(guān)后電流能夠快速穩(wěn)定在0.68 A，而電壓則隨發(fā)光二極管的增加而升高，減少而降低。從表2測試數(shù)據(jù)可以看出電源輸出具有恒流特性。輸出特性曲線如圖10。

表2　恒流特性測試數(shù)據(jù)

圖10　輸出特性曲線圖

3　結(jié)　論

文中設(shè)計(jì)的軟開關(guān)驅(qū)動LED開關(guān)電源，經(jīng)過多次計(jì)算仿真，制作成品進(jìn)行實(shí)際測試，開關(guān)電源的效率達(dá)到91%以上，輸出電流恒定于0.65A，切換開關(guān)后電流能夠快速穩(wěn)定在0.68A，恒流效果顯著，值得推廣與應(yīng)用研究。

［1］王文杰.LED光源與光學(xué)特性檢測［J］.江蘇現(xiàn)代計(jì)量，2011 （3）：39-41.

［2］Microchip Technology Inc.PIC16（L）F1503［EB/OL］.（2012）http：//www.microchip.com.

［3］國內(nèi)外LED產(chǎn)業(yè)概況及其重要性［J］.杭州科技，2008（1）：35.

［4］任大為.DC24V_50WLED驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)與研究 ［D］.杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011：9.

［5］高一星.多路并聯(lián)LED驅(qū)動開關(guān)電源設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011（3）：5.

［6］趙同賀.開關(guān)電源與LED照明的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［7］周知敏，紀(jì)愛華.零起點(diǎn)學(xué)開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

LED switching power supply design based on soft-switching tube

JIANG Wei，ZHOU Jun-sheng，XIE Zai-jin
（South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

At present most LED power supplies have the disadvantages of large power loss，poor reliability and short service life，to improve these we design a LED switching power supply，the main control chip of its soft-switching is a microcontroller，through a resonant circuit let the main switch working at the soft-switching condition，which can reduce the loss of switch tube ，and increase the overall efficiency of the switching power supply.Through simulation and test results we can make the conclusion that this LED switching power supply has lower energy loss，high efficiency（conversion efficiency is more than 91%），good reliability，and good practical value.

low loss；switching power supply；soft-switching；microcontrollers

TN86

A

1674－6236（2016）06-0042-04

2015-04-19稿件編號：201504214

廣東省高等教育學(xué)會2012年研究基金項(xiàng)目（GDJ2012035）；廣東省科學(xué)技術(shù)廳技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（2012440002100948）

江偉（1970—），男，廣東茂名人，碩士，工程師。研究方向：成型焊接技術(shù)，PLC工業(yè)控制。