大功率恒流LED驅動電源方案分享之電路設計
在上周周五的文章中,我們針對一種大功率LED驅動電源方案的設計原理進行了詳細介紹,并對這一LED電源的PFC電路設計方案進行了簡析。今天我們將會繼續(xù)就這一大功率恒流LED驅動電源方案展開分享,并針對該方案中的電路設計部分進行重點闡述和介紹。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/386968.htm調(diào)光電路設計
相信通過上周周五的恒流LED電源設計原理介紹,大家應該都非常清楚,這一方案主要采用PWM調(diào)光的方式來對驅動電源調(diào)光電路進行設計。因此,在這一設計的基礎上,我們對驅動電路進行了簡要的改動設計。下圖中,圖1是LED驅動電路的結構簡圖,我們所設計的這一驅動電源在輸出端做出了如下圖圖2所示的改動,即是在輸出端LED的燈串中串聯(lián)一個開關管,通過控制開關管的導通和關斷來改變平均輸出電流。
從圖2所展示的這種大功率恒流LED電源的調(diào)光電路圖中可以看到,在這一電路系統(tǒng)的設計中,我們選擇將NCS1002的Vcc端與V3相連,并將CON2端為輸入PWM信號端口。采用該種設計的特點和缺陷非常明顯,當輸入PWM信號為低電平時,三極管V5的集電極與發(fā)射極截止,V3的柵源兩端電壓為Vcc,約為14V,V3處于導通狀態(tài),LED正常發(fā)光。而當輸入信號為高電平時,V5的集電極與發(fā)射極導通,V3的柵源兩端電壓被拉低,V3截止,LED不發(fā)光??紤]到輸出端被斷開時,采樣電阻上不產(chǎn)生電壓,為瞬間的開路狀態(tài)。
圖1 LED驅動電路結構簡圖
圖2 調(diào)光電路的電路圖
因此,在了解了這一調(diào)光電路設計過程中的主要問題之后,為了解決這一缺陷,在本次所設計的大功率恒流LED電源的電路系統(tǒng)中,我們特別添加V4和C12。由上圖圖2可見,V3和V4同時導通和關斷,在V3、V4關斷時,恒流控制環(huán)檢測到C12兩端的電壓,即正常工作時R12兩端的電壓,稱為虛擬電壓。而在添加了V4與C12之后,當PWM信號頻率足夠高時,輸出端開路時間很短,C12尚未完全放電,恒流控制環(huán)將C12兩端電壓作為檢測到的電壓,從而使電路保持正常工作。所以由于虛擬電壓,此時的PWM調(diào)光電路就不會影響電路的恒流效果了。
變壓器匝數(shù)計算及設計
在完成了調(diào)光電路以及硬件設計之后,接下來我們需要做的是整個LED電源設計中最關鍵的一部分,那就是完成電源變壓器的匝數(shù)計算和相關的設計工作。由于在本方案中,我們所設計電路的輸出額定功率是75W,因此,我們選擇型號為PQ3230的變壓器磁芯。查表得其磁芯面積為1.6cm2,驅動電源的效率為85%,這里取輸入最小電壓120V和最大占空比0.45,則變壓器初級的平均電流為Iav=Po/(ηUinmin),經(jīng)計算得出結果為0.74A。
在已經(jīng)得出了電源變壓器的初級平均電流值之后,接下來我們需要計算的是這一LED驅動電源變壓器的初級峰值電流Ipk,為了得到精確的計算結果,此時我們需引入初級的電流變化量△I,與Ipk的比值Krp。由于LED電源的主電路工作在CCM模式,因此取Krp=0.7,則可得出公式為IgvT=(Ipk-IpkKrp+Ipk)ton/2,式中T為工作周期,T=1/∫,ton=TDmax。計算得到Ipk為2.53A,進一步可得到初級的電感量和匝數(shù)分別為:
在上述公式中,磁通密度△B的值一般取0.1~0.2T之間。通過對該公式的推導和演算,解得Lp=436μH,Np=33匝。又因輸出電壓Uo=50V,續(xù)流二極管壓降Uvo=1V。根據(jù)公式Ns=(Uo+UVD)Np/Uinmin,得到次級匝數(shù)為14匝,進一步可得輔助繞組匝數(shù)為5匝。
實驗測試結果
在完成了對該種大功率恒流LED驅動電源的硬件及電路設計好,接下來需要做的就是制作樣機并進行實驗。首先我們要對未加調(diào)光電路的驅動電源進行實驗測試。實驗條件為輸入為90~260V交流電壓、負載為75W的LED燈串(即60個3.5V/0.35A的LED燈)。下圖中,圖3(a)示出全電壓下驅動電路輸出電流、功率因數(shù)及轉換效率。
從圖3(a)中可以看出,在沒有添加調(diào)光電路的前提下,當輸入交流電壓在90~260V之間變化時,這一恒流大功率LED驅動電源的輸出電流變化范圍為1.472~1.593A,波動率為8.16%。驅動電路的功率因數(shù)一直非常高,保持在0.95以上。而當輸入電壓低于220V時.隨輸入電壓的升高,驅動電路的轉換效率逐漸提高,最高可達86%。當輸入電壓高于220V時,轉換效率隨電壓升高略有下降。
接下來我們在樣機在原有的驅動電路上增加本文中所設計的調(diào)光電路,在添加調(diào)光電路的同時,利用n555定時器電路產(chǎn)生PWM信號輸入CON2端口,在220V的輸入電壓條件下,改變輸入PWM信號的占空比。負載仍是75w的LED燈串。下圖中,圖3(b)示出不同占空比的PWM信號下驅動電路輸出電流、功率因數(shù)及轉換效率。
(a)
(b)
圖3 輸出電流、功率因數(shù)及轉換效率
從上圖中圖3(b)的LED電源輸出電流、功率因數(shù)及轉換效率曲線圖可知,在輸入220V交流電壓條件下,在這一大功率恒流LED驅動電源的主電路系統(tǒng)中隨著PWM 占空比的減小,輸出電流也減小,占空比在0.2~1之間變化時.輸出電流的變化范圍為0.6~1.5A。當占空比大于0I3時,驅動電路的功率因數(shù)基本不變,保持在0.9以上。當占空比低于0-3時,功率因數(shù)有明顯下降,但仍維持在0.88以上。轉換效率隨著占空比的減小而減小,最低降至約50%。
評論