LED照明用恒流电源的实现方案

一、方案比较与选择

　　1 电路拓扑结构方案

　　方案一：采用反激式拓扑结构的功率因数校正电路，优点是将功率因数校正与电源变换器合二为一，可以大大减少电路的损耗，提高电路的整体效率，缺点是应用在反激式电路的有源功率因数校正控制芯片种类较少，且电路比较复杂，很难设计与单片机合适的接口电路，不容易使用单片机进行控制。

　　方案二：将功率因数校正电路与主控电路分开，采用Boost 型的功率因数校正电路后接电源变换器的方案，优点是电路结构简单，并不涉及单片机对功率因数校正电路的控制，只需使功率因数校正部分输出一个稳定的电压即可，缺点是会一定程度上降低设计的整体效率。

　　鉴于本题要求步进调压的功能，需要单片机对PWM控制芯片有一个良好而稳定的控制，故选择方案二。

　　2 电源变换器方案

　　方案一：采用半桥变换电路，优点是高频变压器利用率高，传输功率大，电路效率很高，缺点是电路较复杂，且有直通危险。

　　方案二：采用单端反激变换电路，优点是电路结构简单，缺点是高频变压器利用率低，需要留有气隙，电路效率不高。

　　鉴于本题要求最大负载只有10 个1W 的led，传输功率较小，故采用方案二，即反激式电路拓扑结构。

　　3 闭环反馈控制方案

　　方案一：采用软件闭环反馈控制，即使用单片机进行各参数的采样，然后直接由单片机对PWM控制芯片进行控制，调节占空比。优点是电路结构简单，缺点是反馈回路会受到采样精度、采样速度、单片机运算速度等因素的影响，使反馈系统变得不稳定。

　　方案二：采用硬件闭环反馈控制，即使用硬件电路构建反馈电路，由PWM控制芯片自身根据反馈信号调节占空比，而单片机对PWM控制芯片只是进行辅助调整。优点是反馈速度快，调节精度高，缺点是易受外部干扰。

　　4 有源功率因数校正方案

　　方案一：采用UC3854作为有源功率因数校正电路的主控芯片。优点是功率因数校正系数可达99.5%，缺点是外围电路非常复杂且调试困难，方案二：采用MC33260作为有源功率有源功率因数校正电路的主控芯片。优点是外围电路简单，缺点是功率因数校正率与UC3854相比略低。

　　220VAC经工频变压器降压为36VAC，经开机冲击电流抑制电路输入到功率因数校正电路中，再经高频隔离变压器给串联在一起的LED灯供电，在LED灯处分别进行电压、电流采样，返回给PWM控制芯片和单片机，由单片机给定基准电压来控制PWM控制芯片，进而达到控制LED灯恒流可调的目的。

　　系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体框图

　　二、电路与程序设计

　　1 电源变换器主回路与器件选择

　　PWM 控制芯片采用SG3525。SG3525 的主要特点是：输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比0 - 50%可调。每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。

　　SG3525 的1、2 引脚分别为内部误差放大器的反相输入端和同相输入端，反相输入端接收反馈的电压信号，同相输入端为给定的电压基准，一般接在16 引脚电压基准的分压上，由于题目要求恒流输出时电流步进可调，故同相输入端接单片机DAC 模块产生的参考电压。

　　负载的电流采样由串联在LED 负载与地之间的采样电阻完成，经一级跟随、一级同相放大之后分别给单片机和PWM控制芯片；电压采样由负载和电流采样电阻上的电压分压完成，经一级跟随分别给单片机和PWM 控制芯片。为完成恒压与恒流模式的切换，分别在电压采样回路与电流采样回路与PWM 控制芯片间各加入一个N 沟道MOSFET 作为电子开关，完成切换。为保证反馈的稳定性在MOSFET 后再加一级跟随后将反馈信号传递给PWM 控制芯片。

图2 PWM 控制模块

2 控制电路与控制程序设计

　　由于本设计的控制部分并不需要很大的计算量，对计算速度的要求也不是很高，但需要ADC 与DAC 模块进行电压与电流的采样和对PWM 控制芯片的控制，因此选用C8051F020单片机作为核心处理芯片，它拥有高速8051 微控制器内核，8 个12 位ADC和2 个12 位DAC，完全可以满足设计的需求。

　　由于本LED 恒流电源工作时绝大部分时间处于稳定状态，且对反应速度没有过快要求，因此并不需要对电压、电流信号进行同时的采样，而可以分别采样，模式切换和基准电压的调整也不需在中断服务中完成，只有步进调整电流的按键程序需要在中断服务中完成。

　　3 保护电路设计

　　过压保护电路并不是单独设计的，而是整合在电流控制电路中，由恒流控制回路与恒压控制回路的切换完成，当单片机检测到负载上的电压高于36V 时，单片机控制将恒流控制回路切换为恒压控制回路，将负载的电压控制在略高于36V，当再次检测到负载电流降低到设定的电流以下时，重新将恒压模式切换为恒流模式，达到过压保护的目的。

图3 控制程序流程图

4 功率因数校正电路设计

　　选用小功率功率因数校正芯片MC33260，它工作在电流临界模式。MC33260应用简单可靠。通过电流检测和电压反馈，通过PI调节来保持电压恒定。通过对开关管的PWM控制来得到所需要电压。可实现0.998的功率因数校正和输出稳定直流电压的功能。

图4 功率因数校正模块

　　5 自动调光电路设计，开机冲击电路与EMI抑制电路设计

　　自动调压电路采用光敏电阻作为感光元件，利用比较强将光的强弱转换为高低电平信号，使用单片机内置的ADC将这个电压信号采回单片机，当光照强度较高时，单片机控制切换为恒流模式，设置的负载电流值为100mA，使LED的亮度随光照强度的增大而减少。

　　开机冲击电路采用热敏电阻串联在电源输入端，温度较低时电阻很大，随着电阻发热温度升高，电阻逐渐变小，达到抑制开关冲击电流过大的目的。

　　EMI抑制电路是利用电感和电容的特性，使平率为50Hz左右的交流电可以顺利通过滤波器，但高于50Hz以上的高频干扰杂波被滤波器滤除，这就使开关电源产生的高频谐波被滤掉而不会污染电网。

图5 开机冲击电流和EMI抑制模块

　　三、理论分析与计算

　　1 恒流控制方法和参数计算

　　将一个电阻值较小的采样电阻串联在LED负载与低之间，设流过LED的电流为I，则采样电阻两端的电压：