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LED照明驱动开关电源设计
摘要
LED照明驱动设计了恒流输出、空载保护、隔离输出及EMC等功能。系应用于LED照明驱动的开关电源电路.采用PWM自动调节实现恒流输出,稳压管过压锁定实现空载保护，电磁隔离和光隔离实现隔离输出.经过多次的运行与检测,实践证明该电路恒流输出稳定，发热量低.本设计体积小，微调反馈电路可设置作为为LED驱动常用的350mA或700mA恒流输出。可广泛适用于生活照明，商用照明。

关键词:LED驱动电源;发热低；恒流;隔离；低成本

目 录
1概述 1
1.1选题的目的与意义 1
1.2研究现状 1
1.3系统性能指标 1
1.4系统组成及设计思路 2
1。5总体功能描述 3
2硬件电路的设计 4
2.1电路设计 4
2.2磁路设计 8
参考文献 10
致谢 10
附录 10

1概述
1.1选题的目的与意义:
全球能源紧张，提高电器的效率是行之有效的方法.照明用电占据全球21％的总用电量，如果能提高照明用的的效率，可以有效缓解能源紧张。如何提高照明系统的能源利用率，延长照明系统的寿命，并且是绿色无污染的？取代白炽灯，荧光灯，节能灯的第四代照明灯具是什么？业界给出的答案就是LED灯照明。LED照明每W流明数可达到120lm.远高于白炽灯和日光灯,此外LED灯珠寿命可长达十万小时，并且绿色无污染.LED照明具备的这些优点决定了其应用前景是非常广阔的。LED照明应用上的限制在于LED有固定的正向压降，电流也有上限（工作电流是影响LED寿命的主要因素）。大功率白光LED上的正向压降一般为3—4V，不能直接使用市电驱动。因此一个和LED灯珠匹配的高效,环保,长寿命的电源是必须的，这正是这次选题的意义与目的所在。
1。2研究现状
开关电源的技术已经非常成熟，由于LED驱动的降压技术大部分采用开关电源。因此即使是LED驱动电源真正进入研究的时间不算长,却无碍其技术的成熟.LED驱动要求的技术特点是：寿命长，体积小(特别商用照明和家用照明，最好可以内嵌到灯头）。
众所周知，绝大部分开关电源都需要一个输出滤波的电解电容，即使高品质的电解电容，工作在100摄氏度左右，寿命也只有1Wh左右。毫无疑问，电解电容正是LED灯整体寿命的瓶颈.而内嵌式驱动板上的电解电容，由于LED的发热以及驱动板本身的发热,长期在高温工作,更使电解电容寿命减短。目前已经有集成电路,无需输出电解电容，仅需几个外围就能直接驱动LED发光。这使得LED照明的长寿命的特点确实得到保障。
另外一点，限制LED灯 寿命是工作时的温度,目前台湾某技术机构解决方法为，使LED灯珠像一个灯一样可拔插，使LED灯成为可维护产品。
除了技术上的创新外，还有组合上的创新，例如加入调光技术（模拟调光，数字调光，Triac调光）；用三色LED组成色光可调制系统；采用频率抖动技术减少EMI；加入功率因数校正电路等
1。 3系统性能指标：
1、主输出最大输出功率为14W,辅助输出为0。5W,总输出小于15W；
2、输出电流为恒定350mA；
3、最大输出电压为40V；
4、满负荷下转换效率大于85％；
5、负载为350mA时最大纹波为5mV；
6、因为没有添加功率因数模块，因此PF值最低仅为0。45左右；
7、最少可以接一个1W的高亮度LED，最多可以驱动12个1W的高亮度LED（全
功率输出时TNY280应添加散热片）.
1。4系统组成及设计思路：
1设计思路：
考虑到家庭常用的是5×1W，或6×1W，商用照明常用的是1×1W到12×1W，本设计采用恒流输出，输出电压随负载大小自动调节的适用广泛的设计。
考虑到国内采用50HZ、220V的供电系统，而美国、欧洲、日本居民用电从110V-240V不等，再考虑到网压10％的波动，系统把输入放宽到从85V—265V.
本着设计一款符合社会要求的真正节能、节钱、长寿的LED驱动电源的思想。在能效转换和产品成本上作出折中的选择，转换效率要求在75％以上;元件选择尽可能采用了常见型号，满足要求的情况下，尽可能采用国产的元器件（例如采用常用的1N4007,1N4148，PI公司的TinySwitch-Ⅲ系列，电容采用国产的BHA，Jwco)。对于批量生产,能有效降低成本,使LED照明更容易走进人民生活.
2系统组成：
系统框图如图示

此图为PI软件设计出的参考框图

本系统采用了LED驱动电路中常用的单端反激式拓扑，该拓扑设计较为简单。输入采用了四个1N4007作为全波整流，而后经过π型滤波器整流,采用了PI公司的TinySwich-Ⅲ系列中功率容量最大的TNY280作为开关控制IC，采用EE19磁芯实现初次级隔离,采用双路输出实现运放的独立供电，采用运放和电压比较器作为反馈控制以实现高精度恒流控制。采用低导通压降的肖特基整流管ER303减少二极管发热，滤波电容采用ESR可接受的普通电解电容降低电容温升。

1。 5总体功能描述：
1、实现隔离输出
（1)变压器T1提供隔离，储能，变压的功能.使用高频变压器，初次级能量传输通道为磁通道，实现隔离。
（2）光耦817B提供隔离、反馈功能。使用光耦合器，次级反馈信号传输通道为光通道，实现隔离。
（3）初次级用安规电容CT7实现静电释放，防止静电堆积引起的高压打火。同时该电容值较小，次级不会造成触摸电击。
2、实现LED恒流，实现过压保护
（1）次级采用LM358双运放实现恒流和过压保护。LED升高伏安特性随温度左移（如图1.1）。假设驱动为恒定电压V2（如图1。 2），工作中灯珠温度从T1到达T2,流经灯珠的电流明显增大,电流增大又导致温度升高，如此恶性循环，最后势必烧毁灯珠。解决办法有两个，一是恒压驱动的同时串接一个电阻在输出回路（如图1。 3),当LED灯珠由于温度升高而导致电流增大时，串接的电阻压降增大，LED端电压得以降低,起到对LED的保护作用。但是这种方法将在串联电阻处耗散一定功率，降低整个电路转换效率，有悖设计初衷。因此，不采用这种方式。
最理想的方法是采用整体的思想，通过控制开关IC的占空比调节输出电压,控制次级始终输出恒定电流。本设计正是采用此方案。

图1.1 图1。 2 图1。 3

2硬件电路的设计
2。1电路设计
电路原理图如图2.1所示.

图2.1
用PI公司的软件PI Expert 7设计出电路框图如图2.2。该软件设计出的原理图基本都采用比较极限的参数。因此修改了高频变压器从EE19改为EE20/20/5(磁芯气隙改小）。开关IC也从TNY275改为TNY280。目的是使得整个电路发热量减少,更加稳定，以适应各种恶劣的工作环境。

图2.2

改为仅采用一个0。1μ的X电容作为差模抑制，把单电容滤波改为π型滤波。此外改动较大的是反馈回路，如果只采用TL431作为恒压控制，控制精度较低，且不好实现恒流控制;假设采用三极管S8550加TL431作为恒流稳压控制,精度不够高，并且电流采样电阻一定要取较大阻值，导致效率下降。因此本设计采用SOP封装的双运放LM358，可实现高精度(变化小于2%)的恒流控制,稳妥的过压保护。电流取样电阻可改为小至0.5Ω（为减小体积,用两个1Ω电阻并联)的高精度(误差值为1%）金属膜电阻。
先看运放LM358的B部分组成的电压比较器，连接比较器B反相端的外围电路，是可控稳压管TL431组成的恒压源。TL431的阳极和ref端连接在一起，此时阳极的电压约为2.5V。因此电压比较器B反相端的电压接近于2.5V。

图2.3
1、运放358的A部分:
通过0.5Ω(两个1Ω的并联，阻值应尽量减少，以提高效率）的金属膜高精度电阻串接接到输出回路作为电流取样电阻，经4702电阻连接到运放A同相端进行加大.应该令运放A的输出电压（也就是电压比较器B同相端输入电压）在额定输出恒流（1W LED灯珠的工作点，350mA）时刚好等于电压比较器B的反相端电压,也就是2。5V。
通过电压比较器B（运放358的B部分）与稳压管的过压回馈进行电压比较。正常工作时,电压比较器同相端的电压围绕2.5V波动。
假设某种原因导致输出电流过大,则比较器B同相端电压高于反相端，电压比较器输出高电平，光耦内部发光二极管导通，于是光耦的C脚将从TNY280的EN/UV脚引出较大电流，导致TNY280内部MOS管的PWM方波占空比降低，使得输出电压回落,输出电流也就降低了，就这样达到恒流的目的.
同样的，当某种原因导致输出电流降低，比较器反相端电平高于同相端电平，光耦C脚引出较小电流,导致TNY280内部MOS管的PWM方波占空比升高,使得输出电压回升，输出电流也就增大了,达到恒流的目的。可见环路为负反馈控制，实现恒流。
2、过压保护主要由电压比较器B实现：
空载时，输出端电压VCC1不断上冲，达到两个稳压管的稳压值之和以后。稳压管导通,微电流约为0。04mA。该电流在同相端产生约5V的高电平，电压比较器B同相端比反相端电压要高，电压比较器输出高电平。通过光耦令TNY280的使能引脚EN/UV导出较大电流，控制TNY280的脉冲信号减少，所以输出将稳定在40V上下。不会一直上冲而导致炸机。

图2。4
2.2磁路设计
变压器也采用PI公司提供的PI Expert 7作为参考,如图2.5。PI公司提供的建议是采用EE19磁芯，磁芯面积Ae为23.00mm²，132KHZ的工作频率下，磁芯功率裕量应该留大点，降低占空比，以减少磁芯发热，因此改用了EE20/20/5磁芯,磁芯面积Ae值为31.00mm²。
由于PI公司提供的库文件当中没有EE20/20/5磁芯，因此设计时参考Ae值与EE20/20/5相近的EF20（Ae值为32mm²），匝数比也完全参照PI Expert 7 提供的EF20的设计。增大磁芯的面积，根据dB=（Edt×10)/（NAe），为保持dB不变，则N应当减少,这就是为什么初次级匝数有所改变。
此外，匝数减少了，为保证利用更广的磁滞回线,气隙长度也相应减少了，本设计采用软件给出的气隙为0。153mm的建议。

图2.5

参考文献
1、 TNY280PN pdf资料 PI公司网站 提供
2、 《开关电源设计》第二版 ………………………………Abraham I.Pressman著 王志强 等译
3、 《电子技术基础》第四版 ………………………………康华光 著
4、 《电路》第四版 ………………………………邱关源 著
5、 《信号与系统考研教案》 ………………………………范世贵 王崇斌编著
6、 《EMC设计工程实务》 ………………………………马永健 编著
7、 《Altium designer完全电路设计》……………………… 张义和
8、 《开关电源中的磁性元器件》………………………………赵修科 主编
9、 《大学物理之安培环路定理》…………………………………百度文库
10、 《反激式变压器设计》 …………………………………侯本彪
11、 《电源反馈设计速成编》 …………………………………来自 电源网
12、 《德州仪器系统电源解决方案》………………………………TI 公司论坛
13、 《SMT工艺质量控制》 …………………………………贾忠和

致谢
在此我想特别感谢教授我专业知识的各科老师,这些基础知识对我这次毕业设计和我将来就业都有莫大的帮助。感谢教授我们高等数学、电路分析、模拟电子技术、信号与系统、自动控制理论、EDA技术的各科老师。还有指导我校内实习作品的李豪彦老师。正是有你们的悉心教导，我才能掌握电子技术的基础知识；完成这个毕业设计，绝大部分知识都在你们教授的课程里边。你们言无不尽的传授，令我温习一下那些知识就可以拿出来用。特别感谢指导我毕业设计的王立功老师，正是他给了我们选题最大的自由度，能让我们选取最能突出自己长处的选题;毕业设计完全是在我们乐在其中的过程完成的