作者：胡治偉，郭震寧，楊菲菲

隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，小型輕量、高效率和低成本的開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，以往開關(guān)電源的設(shè)計通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題。美國功率集成公司（Power Integration Inc）開發(fā)的TinySwitch-Ⅲ系列新型智能高頻開關(guān)電源集成芯片很好地解決了這些問題。

LED作為一種新型綠色光源，由于其具有耗電量低、壽命長、反應(yīng)速度快、高效節(jié)能等優(yōu)點，已被越來越廣泛的應(yīng)用。LED照明將成為繼白熾燈、熒光燈、金屬鹵化物燈后的第四代新型照明技術(shù)。LED是一種新型的半導(dǎo)體器件，需要穩(wěn)定的直流電源。但傳統(tǒng)的驅(qū)動電源問題，造成LED照明光源壽命短的缺點，因此設(shè)計一種穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長的LED驅(qū)動電源對于LED照明至關(guān)重要。本文設(shè)計了基于TinySwitch-Ⅲ系列芯片的一種反激式低成本高效率驅(qū)動電源電路，介紹了設(shè)計原理和方法。該驅(qū)動電源能夠輸出恒定的電壓和恒定的電流，有效地延長LED照明光源的壽命。

1 設(shè)計原理及芯片選擇

1．1 基本原理

反激式隔離變換器最主要的特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，因而在中小功率開關(guān)電源中是最為常用的變換器之一。其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，+Uin為整流后的輸入電壓；T為脈沖變壓器，設(shè)計中還應(yīng)有回路控制的偏置繞組；D1為輸出回路的快恢復(fù)肖特基整流二極管；R1和C1為其阻容吸收電路；輸出電路還包括由電感L0和兩個電容C0組成的一個π型低通濾波電路；變壓器初級有Rr、Cr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路；Q為控制脈沖變壓器一次繞組導(dǎo)通和截止的反激式變換器所需的開關(guān)功率MOS管；Np為初級繞組匝數(shù)，Ns為次級繞組匝數(shù)；設(shè)計中變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的地信號采用安規(guī)電容隔離；“·”表示同名端。

圖1 反激式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在反激式變換器中，Q導(dǎo)通時以隔離變換器的磁芯儲存能量，Q斷開后將儲存在T中能量釋放至后級，經(jīng)過整流二極管、濾波電路處理后，給負(fù)載RL提供所需要的優(yōu)質(zhì)電壓和功率。

1．2 TNY275PN芯片介紹

TinySwitch-ⅢI器件以限流模：式工作。開啟時，振蕩器在每個周期開始時開通功率MOSFET。電流上升到限流值或達(dá)到DC MAX的極限時關(guān)斷MOS-FET。由于TinySwitch-Ⅲ設(shè)計的最高限流值與頻率是定值，它提供給負(fù)載的功率與變壓器初級電感及峰值初級電流的平方成正比。因此，電源的設(shè)計包括計算實現(xiàn)最大輸出功率所需的變壓器初級電感。如果根據(jù)功率選擇了正確的TinySwitch-Ⅲ，那么流過電感內(nèi)的電流會在達(dá)到DC MAX極限前上升到限流值。

本設(shè)計采用TNY275PN電源芯片作為LED驅(qū)動電源的控制芯片。TNY275PN電源芯片在一個器件上集成了一個700 V高壓MOSFET開關(guān)和一個電源控制器，與傳統(tǒng)的PWM控制器不同，它使用簡單的開/關(guān)控制方式來穩(wěn)定輸出電壓?？刂破靼ㄒ粋€振蕩器、使能電路、限流狀態(tài)調(diào)節(jié)器、5．8 V穩(wěn)壓器、旁路/多功能引腳（BP/M）欠壓及過壓電路、限流選擇電路、過熱保護、電流限流保護、前沿消隱電路。該芯片具有自動重啟、自動調(diào)整開關(guān)周期導(dǎo)通時間及頻率抖動等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2．1 設(shè)計要求

AC輸入電壓范圍U=195 V～265 V（通常在亞洲、歐洲和世界上大多數(shù)地區(qū)使用）；

輸出電壓U。=20 V；輸出電流I。=0．7 A；

輸出功率P。=14 W；電路效率η≥80%。

2．2 電路實現(xiàn)

由于反激變換器電路簡單且能高效提供直流輸出，在中小功率、小體積的電源電路中特別常用，因此主電路采用RCD箝位電路的反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定工作頻率f=132 kHz?；赥inySwitch-Ⅲ的LED驅(qū)動電源電路圖如圖2。

圖2基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅(qū)動電源電路

3 TinySwitch-Ⅲ外圍電路設(shè)計

為了更加透徹地分析此設(shè)計的結(jié)構(gòu)與原理，把電路工作原理圖分為以下五個部分加以分析：輸入整流濾波電路、箝位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路和反饋電路。

3．1 輸入整流濾波電路設(shè)計

輸入整流濾波電路包括整流部分、交流濾波和直流濾波電路。為了抑制電網(wǎng)中的浪涌電流，輸入端口串聯(lián)了1 A保險管F保護電路和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT1（NTC）。交流濾波采用π型濾波電路，電容C1、C2和共模扼流圈L1。共同作用濾除雜波去除電網(wǎng)中的干擾，共模扼流圈（電感）是由兩股等同并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成。當(dāng)負(fù)載電流流過共模扼流圈時，串聯(lián)在火線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在零線上線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消。因此即使在大負(fù)載電流的情況下，磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流，兩個線圈產(chǎn)生的磁場是同方向的，會呈現(xiàn)較大電感，從而起到衰減共模干擾信號的作用。

3．2 RCD箝位保護電路設(shè)計

反激式變換器由于變壓器漏感的存在及其它分布參數(shù)的影響，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生很大的尖峰電壓，這個尖峰電壓嚴(yán)重威脅著開關(guān)管的正常工作，必須采取措施對其進行抑制。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的RCD箝位電路。根據(jù)

選取箝位電容。

3．3 高頻變壓器設(shè)計

由于變壓器在電路中兼有儲能、限流和隔離作用，還要流過直流成分，因而是整個設(shè)計中的難點和關(guān)鍵。為了合理選擇變壓器的磁芯，確定初級、次級線圈的線徑、匝數(shù)及氣隙等參數(shù)，必須對磁場強度、傳輸功率、傳輸效率、初級和次級峰值電流等多項參數(shù)進行分析計算。計算方法多種多樣，但計算結(jié)果相差不大。本設(shè)計采用了PIXls Designer 8軟件，計算相當(dāng)簡單，僅需輸入相關(guān)設(shè)計參數(shù)，軟件就會輸出所需的變壓器設(shè)計參數(shù)：初級線圈電感量Lp=2917 μH；初級匝數(shù)：Np=90.7（實際設(shè)計中取91）；初級繞組電流密度：4A/mm2；次級主繞組圈數(shù)NSM=14；磁芯選擇：EE22，相關(guān)參數(shù)：骨架繞組寬度Bw=8.45 mm，磁芯截面積AE=42 mm2，帶氣隙磁芯等效電感量ALG=312 nH/T2，最大磁通密度BM=274 mT，磁芯損耗中的交流磁通密度BAC=80 mT；氣隙長度LG=0．147 mm；初級漏感L_LKG=87.5 μH；次級走線電感LSEC=20 nH。

軟件給出的參數(shù)都是經(jīng)過一定優(yōu)化得到的，故實際設(shè)計中優(yōu)先選用這些推薦參數(shù)，實踐證明這樣做是合理且高效的。

3．4 輸出整流濾波電路設(shè)計

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。整流二極管D7選用肖特基二極管可降低損耗并消除輸出電壓的紋波，根據(jù)公式UD7=U。+［UinMAX·（Ns/Np）］設(shè)計D7并選用額定電壓為100 V的SBll00，與D7并聯(lián)的RC緩沖吸收電路可以減少尖峰電壓的幅度和減少電壓波形的變化率，還降低了射頻輻射的頻譜成分，有益于降低射頻輻射的能量；電容器C8一般應(yīng)選擇低ESR（等效串聯(lián)阻抗）的電容。為提高輸出電壓的濾波效果，濾除開關(guān)器件所產(chǎn)生的噪聲，在整流濾波環(huán)節(jié)的后面再加一級LC濾波環(huán)節(jié)。

3．5 反饋電路設(shè)計

反饋電路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用“光耦+穩(wěn)壓管”形式反饋電路，光耦選LTV817A，VR2是額定電壓為18 V容差為2%的穩(wěn)壓管。電源輸出端電壓由VR2、LTV817A和R4兩端的電壓決定。當(dāng)輸出電壓變化時，電流流向光耦LED，從而下拉光耦中晶體管的電流。當(dāng)電流超過TNY275PN使能引腳的閾值電流時，將抑制下一個周期，當(dāng)下降的電壓小于反饋閾值時，會使能一個開關(guān)周期，通過調(diào)節(jié)使能周期的數(shù)量，對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。

當(dāng)反饋電路出現(xiàn)故障時，即在開環(huán)故障時，偏置電壓超過R7與旁路/多功能（BP/M）引腳電壓之和時，電流流向BP/M引腳。當(dāng)此電流超過ISD（關(guān)斷電流）時TNY275PN的內(nèi)部鎖存關(guān)斷電路將被激活，從而保護負(fù)載LED照明燈具。由于本設(shè)計使用了偏置繞組（可實現(xiàn)輸出過壓保護）將電流送人BP/M引腳，抑制了內(nèi)部高電壓電流源，這樣的連接方式將265 VAC輸入時的空載功耗降低到40 mw，有效地降低了功耗。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于TinySwitch-Ⅲ的LED驅(qū)動電源電路，分析了其工作原理和設(shè)計方法。綜合考慮了幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)并闡述了各外圍電路的功能特性，給出了合理設(shè)計相關(guān)電路參數(shù)的依據(jù)，特別是利用PIXls Designer8軟件設(shè)計變壓器參數(shù)，大大縮短了LED驅(qū)動電源的開發(fā)周期。經(jīng)驗證，該電源具有變換效率高（82%）、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點，可以為同類LED驅(qū)動電源設(shè)計提供一定的參考和借鑒。

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