转换率83%以上的“长寿”大功率LED设计

作为新兴的光源，我们可以明显的看到在同样亮度下LED光源耗电量仅为普通白炽灯的十分之一，而寿命却可以延长100倍。但其寿命很大程度上决定于驱动电源，因此一种可靠的、转换效率高的、寿命长的LED驱动电源对于LED光源至关重要。本文设计了一种LED光源驱动电路，介绍了设计原理和方法，采用电压和电流双环反馈，能够输出恒定的电压和电流，并且具有开环保护负载的功能，能有效提高LED光源的使用寿命。 　　1 芯片介绍 　　本设计采用TNY279 电源芯片作为开关电源的控制芯片，TNY279电源芯片在一个器件上集成了一个700V高压MOSFET开关和一个电源控制器，与普通的PWM控制器不同，它使用简单的开/关控制方式来稳定输出电压。控制器包括一个振荡器、使能电路、限流状态调节器、5.8V 稳压器、欠电压即过电压电路、限流选择电路、过热保护、电流限流保护、前沿消隐电路。该芯片具有自动重启、自动调整开关周期导通时间及频率抖动等功能。 　　2 电路的工作原理分析 　　电源的核心部分采用反激式变换器，结构简单，易于实现。整体设计电路图如图1。 图1 电源整体设计电路 　　2.1 输入整流滤波电路 　　考虑到成本、体积等因素，改善谐波采用无源功率因数校正电路，主要是通过改善输入整流滤波电容的导通角方式来实现。具体方法是在交流进线端和整流桥之间串联电感，如图1 所示C1、C2、L1、L2组成一个π型电磁干扰滤波器，并使用填谷电路填平电路，减小总谐波失真。填谷电路由D1、D2、、D3、C3、C4、R3组成，限制50Hz交流电流的3次谐波和5次谐波。 　　经整流及滤波的直流输入电压被加到T1的初级绕组上。U1(TNY279)中集成的MOSFET驱动变压器初级的另一侧。二极管D4、C5、R6 组成钳位电路，将漏极的漏感关断电压尖峰控制在安全值范围以内。齐纳二极管箝位及并联RC 的结合使用不但优化了EMI，而且更有效率。 　　2.2 高频变压器设计 　　TNY279完全可以自供电的，但是使用偏置绕组，可以实现输出过压保护，在反馈出现开环故障时能够保护负载，有效地减少对LED光源的产生的损害，在本设计中采用偏置绕组，如图1，同时可由更低的偏置电压向芯片供电，抑制了内部高压电流源供电，在空载时功耗可降低到40MW以下。Y电容可降低电磁干扰。 　　2.3 反馈电路设计 　　次级采用恒流恒压双环控制。NCS1002是一款恒流恒压次级端控制器。如图2所示，它的内部集成了一个2.5V的基准和两个高精度的运放。 图2 NCS1002 芯片内部结构 　　电压基准和运放1是电压控制环路的核心。运放2则是一个独立运放，用于电流控制。在本设计中，电压控制环路用于保证输出电压的稳定，电流反馈控制环路检测LED 平均电流，即电路中R17 上的电流，将其转换成电压和2.5V基准比较，并将误差反馈到TNY279 中来调整导通。 　　具体的工作原理是：NCS1002 调节输出的电压值，当输出电压超过设定电压值时，电流流向光耦LED，从而下拉光耦中晶体管的电流。当电流超过TNY279 的使能引脚的阈值电流时，将抑制下一个周期，当下降的电压小于反馈阈值时，会使能一个开关周期，通过调节使能周期的数量，对输出电压进行调节，同样，当通过检测到R16上的电流即输出电流大于设定的值时，电流通过另一个二极管下拉光耦LED 中晶体管的电流，达到抑制TNY279 的下一个周期的目的，当输出电流小于设定电流时会使能一个开关周期，通过这样的反馈调节机制，能使得输出的电压和电流都处于稳定的状态。 　　当反馈电路出现故障时，即在开环故障时，偏置电压超过D9 与旁路/多功能引脚电压时，电流流向BP/M 引脚。当此电流超过ISD(关断电流)时TNY279 的内部锁存关断电路将被激活，从而保护负载。由于使用了偏置绕组将电流送入BP/M引脚，抑制了内部高电压电流源，这样的连接方式将265VAC 输入时的空载功耗降低到40MW有效的降低功耗。 　　3 电路的参数 　　3.1 输入输出参数 　　输入电压(AC)： 85～265V 　　频率：50Hz 　　输出电压： 12V 　　输出电流：1.67A 　　输出功率：20W 　　3.2 变压器参数计算 　　初级绕组以引脚2作为起始引脚，绕85圈(x1线)，在2层中从左向右。在第1层结束时，继续从右向左绕下一层。在最后一层上，使绕组均匀分布在整个骨架上。 以引脚1作为结束引脚，添加1层胶带以进行绝缘。 　　偏置绕组以引脚4作为起始引脚，绕9圈(x2线)。沿与初级绕组相同的旋转方向进行绕制。使绕组均匀分布在整个骨架上。 以引脚3作为结束引脚，添加3层胶带以进行绝缘。 　　次级绕组以引脚7作为起始引脚，绕8圈(x2线)。 使绕组均匀分布在整个骨架上。沿与初级绕组相同的旋转方向进行绕制。以引脚6作为结束引脚，添加2层胶带以进行绝缘。 　　4 结论 　　本文为大家设计了一种基于TNY279的大功率LED驱动电源电路，并且分析了其工作原理和设计方法，反馈环节采用恒压恒流双环的设计，保证输出电压和输出电流的恒定，同时在开环故障下能够自动关闭，保护负载，有效的减少了对LED光源的损害，提高LED的使用寿命。同时转换效率也在83%以上，并满足国际标准中对谐波含量的要求。经验证电路能够输出预期的效果。