VIPER12制作LED燈電源,VIPER12 LED POWER SUPPLY

作者：徐偉剛

一、LED光源的基本特性

家用LED光源一般均為白光LED，驅(qū)動(dòng)電流在350mA～1A之間。在350mA時(shí)發(fā)光效率可達(dá)到100流明/瓦，完全可以用作家用照明。通常白光LED在350rnA工作電流時(shí)的電壓為28～3.9V之間，典型值為3.3V，反向擊穿電壓為5V，可視角為90'，溫度系數(shù)為一4mV/℃。用4個(gè)這樣的LED就可以做成一個(gè)家用LED燈。其照明效率達(dá)400流明/瓦，可達(dá)到8W熒光燈的發(fā)光效率。

二、家用LED電源的設(shè)計(jì)與制作

性能指標(biāo)要求：工作電壓為AC187～265V，輸出電壓為自適應(yīng)6～13.5V，可以隨意2～4個(gè)白光LED串聯(lián)使用，輸出電流為350mA，帶短路保護(hù)。
1．VIPer12A芯片簡(jiǎn)介
由意法半導(dǎo)體公司(ST)生產(chǎn)的VIPer12A是一個(gè)8引腳的芯片，外型如上圖所示。VIPer12A是一個(gè)單封裝的產(chǎn)品，在同一顆芯片上整合了一個(gè)專用電流式PWM控制器和一個(gè)高壓功率場(chǎng)效應(yīng)MOS晶體管，其內(nèi)部原理如下圖所示，VDD為芯片供電電源，F(xiàn)B為反饋控制端，其余為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極和源極，控制器工作頻率為60kHz。通過(guò)反饋端FB的控制，來(lái)進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。
這種器件的設(shè)計(jì)方式可以減少組件數(shù)量。降低系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)。因此，這個(gè)產(chǎn)品家族廣泛用來(lái)設(shè)計(jì)離線開(kāi)關(guān)式電源，VIPer12A產(chǎn)品具有：
自動(dòng)熱關(guān)斷、防止輸出短路導(dǎo)致?lián)舸┕收系拇蜞?HICCUP)保護(hù)模式、保證低負(fù)載條件下低功耗的突發(fā)模式、高壓?jiǎn)?dòng)電流源以及低待機(jī)功耗(小于1W)等良好的特性。

2．原理設(shè)計(jì)
首先我們用VIPer12A設(shè)計(jì)成一個(gè)離線式開(kāi)關(guān)電源，采用光電隔離、單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如下圖所示，VIPer12A內(nèi)帶一個(gè)PWM控制器和一個(gè)高壓MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)管)，當(dāng)PWM控制輸出為高電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，變壓器TF初級(jí)開(kāi)始儲(chǔ)能，輸出電壓由變壓器次級(jí)的輸出電容C5來(lái)維持，由于工作頻率較高，所以輸出電容不需要太大；當(dāng)PWM控制輸出為低電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，變壓器次級(jí)開(kāi)始向負(fù)載釋放能量，同時(shí)對(duì)輸出電容進(jìn)行充電，整個(gè)過(guò)程通過(guò)光電耦合U2的反饋支路進(jìn)行控制?？紤]到輸出電壓太高會(huì)引起VIPer12A本身?yè)p耗增大、發(fā)熱損壞，所以本電路應(yīng)用低成本的雙運(yùn)放U4(LM358)中的一個(gè)(U4：2)設(shè)計(jì)成電壓控制環(huán)路。使該電源輸出最高電壓控制在13.5V左右，能夠快速有效地保護(hù)電源工作在可控范圍內(nèi)。同時(shí)為了控制LED的功耗，我們又用雙運(yùn)放U4的另一個(gè)設(shè)計(jì)成電流控制環(huán)路，使LED工作在，恒流350rnA左右，以滿足LED的工作要求，限制其自身功耗，雙環(huán)路的控制可以提高本電源的可靠性和穩(wěn)定性，為防止產(chǎn)生自激。兩個(gè)環(huán)路各自增加了RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)電路如下圖。啟動(dòng)時(shí)由芯片的高壓源產(chǎn)生激磁電流，使輸出建立電壓，同時(shí)變壓器輔助繞組隨輸出也建立電壓，給VIPer12A供電，開(kāi)始正常工作，RS為電流取樣電阻，同時(shí)有過(guò)載保護(hù)作用。

3.變壓器設(shè)計(jì)與制作
本電源的核心是設(shè)計(jì)變壓器，可以通過(guò)相關(guān)的設(shè)計(jì)工具或估算來(lái)進(jìn)行，由于工作在60kl-1z，使用的磁芯都為鐵氧體材料，選擇磁芯可參考以下公式：Aw×Ae=Ptxl06/[2×KoxKc×Fosc×Bm×J×n]
其中：P1(變壓器的標(biāo)稱輸出功率)=Pout=0.35×13.5≈5WKo(窗口的銅填充系數(shù))≈0.2Kc(磁芯填充系數(shù))=1(對(duì)于鐵氧體)FOSC該LED燈電源工作頻率，為60kHzBm(變壓器磁通密度)=1500GsJ(電流密度)=5A/mm2，為變壓器工作效率按90％估算Aw為窗口面積，Ae為磁芯的有效截面積Aw×Ae=5×106/[2x02×1×60×103×1500Gs×5×090]=0.031cm4考慮到繞線空間，選擇窗口面積大一些的磁芯，查有關(guān)手冊(cè)：

選用日本NICeraE119鐵氧體磁芯，初始導(dǎo)磁率為2300，E119鐵氧體磁芯.有效截面積Ae=23mm²，它的窗口面積Aw=55mm²
E119的功率容量乘積為：
Ap=Ae×Aw=0.23×0.55=0.12cm⁴>0.031cm⁴.滿足計(jì)算要求(實(shí)際選擇后還需驗(yàn)證調(diào)整)，下圖為變壓器引腳及外形圖。

變壓器各繞組的計(jì)算與電源工作方式、電源輸入電壓范圍、工作頻率、脈沖占空比等諸多因素有關(guān)，過(guò)程較為復(fù)雜，而且結(jié)果不是唯一的，這里只把某一計(jì)算結(jié)果列出。
初級(jí)線圈P1，P2為直徑0.16mm的高強(qiáng)度漆包線，112匝，初級(jí)電感量為2.0mH：
輔助線圈B1，B2為直徑0.12mm的高強(qiáng)度漆包線，50匝；次級(jí)線圈(輸出繞組)S1，S2為直徑0.32mm的高強(qiáng)度漆包線，30匝。
由于本變壓器體積較小，主要考慮安全絕緣工藝，先繞輔助繞組，加一絕緣層，再繞初級(jí)繞組，加三層絕緣，最后繞次級(jí)繞組，外包絕緣層，注意同名端不能弄錯(cuò)。
需要注意的是，輔助繞組是提供在電源啟動(dòng)后提供芯片電源的，由于VDD的正常范圍為9～38V，根據(jù)單端反激式電源的工作方式，該繞組與輸出繞組同名端極性相同，它的計(jì)算依據(jù)次級(jí)線圈匝數(shù)和電壓來(lái)確定，也就是說(shuō)，輔助線圈與次級(jí)線圈的匝數(shù)比就是輔助電壓與輸出電壓之比，當(dāng)輸出電壓在6～13.5V變化時(shí)，輔助電壓VDD必須在9～38V的范圍內(nèi)，否則該電源的性能指標(biāo)就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。如下圖所示。

4 PCB板設(shè)計(jì)

本電源設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形，可以與光源的散熱結(jié)構(gòu)組裝在一起，做成類似于小日光燈的家用照明燈， 下圖為PCB板及元件布置圖：

當(dāng)然根據(jù)LED燈具要求，也可以設(shè)計(jì)成園型，做成燈頭型的。

三、測(cè)試與分析

測(cè)試具體分二步進(jìn)行，先使用模擬負(fù)載，再接實(shí)際LED光源，電源輸入端接功率表，具體結(jié)果見(jiàn)下表。
當(dāng)輸出短路時(shí)，電源打嗝保護(hù)正常，當(dāng)輸出為13.6V，電源輸入功率為6.3W，其電源效率為13.6×0.338/6.3=73％，效率較高；當(dāng)電源調(diào)為ACl87V和AC265V時(shí)，負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)同下表。