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符合“ES5.0”标准的离线型LED驱动器

作者:时间:2011-11-22来源:网络收藏
图2:NCP1014GTGEVB电路图。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/168788.htm

设计过程
较高的开关频率可以减小变压器尺寸,但同时会增加开关损耗。本参考设计选择了100 kHz版本的NCP1014作为平衡点。这个单片转换器的能效预计约为75%,因此,要提供8 W输出功率,预计需要10.6 W的输入功率。输入工作电压范围是90到265 Vac。NCP1014包含安森美半导体的动态自供电(DSS)电路,藉减少元件数量简化了启动。这集成控制器的散热考虑因素决定了最大输出功率。电路板上的铜区域会散热并降温。当转换器工作时,反激变压器上的偏置绕组会关闭DSS,降低转换器的功耗。较低的工作温度使更多的电能可以提供给负载。

1)电磁干扰(EMI)滤波器
开关稳压器从输入源消耗脉冲电流。有关谐波含量的要求限制了电源输入电流的高频分量。通常滤波器由电容和电感组成,可以削弱不良信号。输入线路上连接的电容以与输入电压呈90的异相电流导通,这种转移电流通过位移输入电压与电流之间的相位降低了功率因数,故需要在滤波需求与维持高功率因数之间取得平衡。

根据电磁干扰的属性及滤波器元件的复杂特性,电容C1和C2起始选择了100 nF电容。选择的差分电感L1用于提供L-C滤波器频率,约为开关频率的1/10。所使用的电感值是:



实际设计中选择的是2.7 mH电感,这是一个电感值。基于这个起点,根据经验来调节滤波器以传导干扰限制。电容C2增加到了220 nF,从而提供干扰限制余量。电阻R1限制浪涌电流,并在出现故障时提供易熔元件。根据应用环境的不同,可能需要熔丝来满足安全要求。注意在初级总电容较小的情况下浪涌电流较小。

2)初级钳位
二极管D5、电容C3和电阻R2组成钳位网络,控制由反激变压器泄漏电感造成的电压尖峰。D5应当是一个快速恢复器件,额定用于应对峰值输入电压及反射到变压器初级上的输出电压。600 V额定电流为1 A的MURA160快速恢复二极管是D5的适宜选择。电容C3必须吸收泄漏的能量,同时电压只有极小的增加,1.5 nF的电容足以用于这类低功率应用。电阻R3必须耗散泄漏的能量,但并不必须会降低能效。该电阻根据经验选择47 kΩ。需要注意的是,该电阻和电容C3的额定电压是125.5 V。

3)偏置电源
二极管D6对偏置绕组提供的电源整流。200 mA电流时额定电压为100 V的MMBD914二极管是D6的适宜选择。初级偏置由电容C4、电阻R3和电容C5来滤波。选择的C5为2.2 µF,C4为0.1 µF,R3为1.5 kΩ。

4)输出整流器
输出整流器必须承受远高于630 mA平均输出电流的峰值电流。最大输出电压为22 V,整流器峰值电压为93.2 V。所选择的输出整流器是3 A、200 V、35 nS的MURS320,提供低正向压降及快开关时间。2,000 µF的电容将输出纹波电流限制在25%,或是峰-峰值144 mA。

5)电流控制
通过监测与输出串联的感测电阻RSENSE的压降,维持恒定的电流输出。电阻R11连接感测电阻至通用PNP晶体管Q1的基极-射极结。当感测电阻上的压降约为0.6 V时,流过R11的电流偏置Q1,使其导通。Q1决定了流过光耦合器U2的的电流,并受电阻R4限制。光耦合器U2的晶体管为NCP1014提供反馈电流,控制着输出电流。

设定输出电流Iout=630 mA则要求感测电阻RSENSE=0.85 Ω。感测电阻由4颗并联的元件R6、R7、R8和R9组成,选择R6和R7的阻值为1.8 Ω,选择R8的阻值为10 Ω,而让R9开路,从而产生约0.83 Ω的总感测电阻。

6)功率因数控制
在本电路中维持高功率因数有赖于缓慢的反馈响应时间,仅支持给定输入电源半周期内反馈电平略有改变。对于这种电流模式的控制器件而言,最大峰值电流在半周期内几乎保持恒定。与传统反馈系统相比,这就改善了功率因数。电容C6提供慢速的环路响应,抑制NCP1014的内部18 kΩ上拉电阻及来自反馈光耦合器晶体管的电流。从经验来看,电容C6确定在22 µF至47 µF的范围之间。

7)变压器
要求的最低输入电压为90 Vac,相应的峰值为126 Vac,在输出功率Po=8 W、效率(η)=0.75及Vin=126 V的条件下,计算出的峰值电流Ipk=0.339 A。再使用100 kHz的开关频率(fSW)值,计算出初级电感(Ip)=1858 µH。

这个功率等级适合选择窗口面积(Ac)为0.2 cm2的E16磁芯。最大磁通密度设定为3 kG,可以计算出的初级匝数为105匝(T)。输出电压限制为22 V,用于开路负载事件下的保护。为了提供一些输出电压余量及降低占空比,输出电压值增加50%,达到33 V。次级最小匝数(Ns)将是约20匝。

NCP1014需要最低8.1 V的电压,使转换器工作时DSS功能免于激活。最低LED电压设计为12.5 V,初级偏置绕组匝数(Nb)约为13匝。

8)开路保护
齐纳二极管提供开路负载保护。开路电压由二极管D8电压、电阻R4压降及光耦合器LED电压之和确定。所选择的齐纳二极管D8的额定电压为18 V。

9)泄漏电阻器及滤波器
电阻R10及电容C10提供小型的放电通道,并过滤输出噪声。

10)模拟调光
本参考设计包含一个可选的控制部分,以实现模拟电流调节的调光。出于这个目的,可以增加电阻R12、R14、R15、二极管D9、晶体管Q2等元器件从及至电位计R13的连接。本设计所选择的电阻R12的阻值为1 kΩ,调光电位计R13为10 kΩ,R14为820 Ω,R15为1 kΩ。

11)电容寿命
LED照明的其中一项考虑因素是与LED应当具有相当的工作寿命。虽然影响电源可靠性的因素众多,但电解电容对任何电子电路的整体可靠性至关重要。有必要分析本应用中的电容,并选择恰当电解电容,从而提供较长的工作寿命。电解电容的可用寿命在很大程度上受环境温度及内部温升影响。本参考设计选择的电容是松下的ECA-1EM102,额定值为1000 µF、25 V、850 mA、2,000小时及85℃。在假定50℃环境温度条件下,这电容的可用寿命超过12万小时。

测试结果
相关测试数据是NCP1014LEDGTGEVB评估板在负载为4颗LED、工作电流约为630 mA条件下测得的,除非另行有说明。图3及图4是不同条件下的能效测量数据。图5显示的是不同线路电压条件下的功率因数。需要指出的是,输入电压在90 Vac至135 Vac范围内时,功率因数高于0.8,远高于“能源之星”的LED住宅照明应用功率因数要求。

总结:
“能源之星”为固态照明提供了量化要求,使LED面临一些新的要求,如功率因数校正。这就要求新颖的解决方案来满足这些要求,同时还不会增加电路复杂性及成本。本文结合优化的NCP1014LEDGTGEVB评估板,介绍了安森美半导体的离8 W LED驱动器参考设计的设计背景、解决方案及设计过程,并分享了相关能效及功率因数测试结果,显示这参考设计提供较高的能效,“能源之星”固态照明的功率因数要求,非常适合这类低功率LED照明应用。


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