一款高效率低功耗恒流可調(diào)光LED臺燈.doc

一款高效率低功耗的恒流可調(diào)光LED臺燈（講義） 梅開鄉(xiāng)LED燈具有發(fā)光效率高、使用壽命長、安全性能好、可靠性高、綠色環(huán)保、響應(yīng)時間短、單色性好、平面發(fā)光、方向性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電（HID）燈之后的第四代光源，是一種作為國家綠色照明工程中明確推廣使用的新產(chǎn)品，在照明領(lǐng)域中特別是民用照明領(lǐng)域中日益得到商業(yè)化應(yīng)用。臺燈一般用在閱讀、書寫、設(shè)計、批閱等辦公或?qū)W習(xí)照明使用場所?；跐M足人們桌面照明要達(dá)到150lx的照度、顯色指數(shù)不低于80（即光對顏色還原的程度的參數(shù)）、光線穩(wěn)定無頻閃、無眩光的國家標(biāo)準(zhǔn)，并且基于節(jié)能、高效、環(huán)保的角度考慮，本設(shè)計運(yùn)用VIPer22A、PT4105芯片構(gòu)成的13W恒流可調(diào)光LED臺燈，具有效率高（節(jié)能效率可以達(dá)到90%以上）、成本低（整機(jī)元器件成本降低到不足30元的水平）、光線穩(wěn)定、無頻閃、無眩光、顯色指數(shù)高于80、保護(hù)視力等明顯優(yōu)勢，具有非常好的市場前景。一、題目: “12V開關(guān)電源及恒流可調(diào)光LED節(jié)能臺燈”的設(shè)計。二、設(shè)計要求 1、功能要求：節(jié)能LED臺燈可連續(xù)調(diào)節(jié)光線的亮度。 2、技術(shù)要求： (1)桌面照明要達(dá)到150lx的照度、顯色指數(shù)不低于80（即光對顏色還原的程度的參數(shù)）、光線穩(wěn)定無頻閃、無眩光。(2)額定輸出功率2W工作狀態(tài)下，開關(guān)電源的效率不低于90%，恒流調(diào)光電路的效率不低于90%，整機(jī)效率不低于80%； (3)調(diào)整負(fù)載至額定功率（2W）工作狀態(tài)時，開關(guān)電源的直流輸出電壓U0=12.0V0.5V，PT4105恒定輸出電流I0=350mA10mA。 (4) 具有負(fù)載過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)功能。 三. 原理電路設(shè)計1 高效率低功耗低成本的開關(guān)電源設(shè)計 基于VIPer22A芯片的12V開關(guān)電源、恒流可調(diào)光節(jié)能LED節(jié)能臺燈的電路原理框圖、參 （a） 基于VIPer22A芯片的220V恒流可調(diào)光節(jié)能LED臺燈的電路原理框圖 （b） 12V開關(guān)電源參考電路原理圖 (c) 12V開關(guān)電源參考PCB圖 圖1.75 220V恒流可調(diào)光節(jié)能LED臺燈、12V開關(guān)電源 （a）恒流可調(diào)光節(jié)能LED臺燈的參考電路原理圖 （b） 恒流可調(diào)光節(jié)能LED臺燈的參考PCB圖 圖1.76 恒流可調(diào)光節(jié)能LED臺燈考電路原理圖和對應(yīng)的PCB圖分別如圖1.75（a）、（b）、（c）所示。恒流可調(diào)光節(jié)能LED臺燈的參考電路原理圖及對應(yīng)的PCB圖分別如圖1.76（a）、（b）所示。 從圖1.75（a）知，該調(diào)光臺燈由交流電壓輸入、功率轉(zhuǎn)換、直流電壓輸出、一次脈寬調(diào)制、采樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較、誤差放大、可控頻率和占空比振蕩器、可控功率轉(zhuǎn)換器和亮度手動控制等九部分電路組成。其中圖1.75（a）中虛線左邊的電路是光電隔離、單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基于VIPer22A芯片的離線式開關(guān)電源，輸入交流電壓為187V265V，輸出電壓為自適應(yīng)電壓10V14V。虛線右邊的電路則是基于PT4105芯片的可調(diào)頻率、可調(diào)占空比的恒流350mA(13W)LED臺燈驅(qū)動電路。從圖1.75（b）知，熔斷器FU、限流電阻R1、濾波電容C1、濾波電感L1組成高頻干擾抑制電路，既可防止交流電網(wǎng)中的高頻干擾進(jìn)入開關(guān)電源，又可防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻干擾進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其他用電器。電源開關(guān)閉合后，220V的交流電源經(jīng)橋式整流電路DL整流、大電容C2濾波后輸出一個300V左右的直流電壓。由于VIPER22A處于工作狀態(tài),在其內(nèi)部場效應(yīng)管截止時,會在變壓器初級N1（即線圈1、2兩端）產(chǎn)生高于300V的電壓,利用R2、C3和VD1構(gòu)成防沖激電路,使其電壓有一個釋放回路,以免擊穿VIPER22A內(nèi)部場效應(yīng)管。從圖1.77（b）所示的VIPER22A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知,它與其它開關(guān)電源不同。開機(jī)后,300V的直流電壓從場效應(yīng)管的DRAIN(漏極)腳進(jìn)入集成電路,該電路工作時不需要外接啟動電阻。開機(jī)瞬間盡管供電電源Vdd不正常,其振蕩電路仍能起振,而且有電壓輸出。如圖1.75（b）所示，Vdd從VIPER22A的4腳輸入后,首先送入比較器,一旦輸入的Vdd高于42V,則觸發(fā)器(FF1)輸出一個置位信號使控制振蕩電路工作的觸發(fā)器(FF2)輸出為0,鎖住U2,振蕩信號無法輸出,即開關(guān)管不工作。當(dāng)輸入電壓小于14.5V時,U3也將輸出一個復(fù)位脈沖,使開關(guān)管不工作。當(dāng)電路過熱時,觸發(fā)器(FF2)的R1端為高電平,將FF2置0,開關(guān)管不工作。當(dāng)供電電壓Vdd在正常范圍（14.5V42V）時,FB所得的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓0.23V相比較,用其比較結(jié)果去控制FF2的轉(zhuǎn)換頻率,從而控制開關(guān)管的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)穩(wěn)定其輸出電壓的效果。該集成電路芯片內(nèi)部包含60kHz的振蕩電路,使其外圍電路相當(dāng)簡單。為了分析方便,我們將電源變壓器左邊的兩組線圈從上到下定義為N1、N2。右邊的線圈從上到下定義為N3、N4。線圈N2互感產(chǎn)生的交流脈沖電壓經(jīng)VD4整流、C11濾波后電壓既作為芯片VIPER22A的電源Vdd。又作為取樣回路中的光耦I(lǐng)C3（PC817）的接收部分的工作電源。線圈N4感應(yīng)到的脈沖電壓經(jīng)VD3整流,電感L6、電容C12、C13、C14濾波后,R10限流后，輸出+20V左右的電壓作為IC2（LM358）的工作電源。VIPer22A芯片內(nèi)帶有一個專用電流式PWM控制器和一個高壓功率場效應(yīng)管（MOSFET）。從圖1.75（b）知，當(dāng)PWM控制器輸出高電平時，功率場效應(yīng)管（MOSFET）導(dǎo)通變壓器T1的初級繞組N1開始儲存能量，輸出電壓由接在次級繞組N3的能量存貯電容C4來提供，由于工作頻率較高，所以輸出電容C4不需太大。當(dāng)PWM控制器輸出低電平時，場效應(yīng)管截止，變壓器次級繞組N3開始向負(fù)載釋放能量，同時向能量存貯電容C4進(jìn)行充電，整個過程通過光電耦合IC3（PC817）的反饋支路進(jìn)行控制?？紤]到輸出電壓過高失控會引起VIPer22A芯片本身損耗增大，可能導(dǎo)致發(fā)熱損壞，所以本設(shè)計運(yùn)用低成本的雙運(yùn)放IC2（LM358）中的一個（IC2-2）設(shè)計成電壓控制環(huán)路，使該電源輸出最高電壓控制在12V的設(shè)定值，能夠夠快速有效地保護(hù)電源工作在可控的范圍以內(nèi)。同時為了控制LED的功耗，本設(shè)計又運(yùn)用雙運(yùn)放IC2的另一個（IC2-1）設(shè)計成電流控制環(huán)路，使LED工作在恒流350mA左右，以滿足LED的工作要求，限制其自身功耗。雙環(huán)路的自動控制可以提高本電源工作的可靠性和穩(wěn)定性。為了防止產(chǎn)生自激，在兩個環(huán)路中各自增加了RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。啟動時由VIPer22A芯片的高壓源產(chǎn)生激磁電流，使次級繞組N3建立輸出電壓，同時變壓器的輔助繞組N2、N3隨著輸出也建立相應(yīng)的電壓，分別給芯片VIPer22A、LM358供電，開始正常用工作。電阻RS（0.47/3w）為電流取樣電阻，同時有過電流保護(hù)作用。 2 高效率低功耗低成本調(diào)光電路的設(shè)計 從圖1.76（a）知，變壓器T1的次級繞組N3輸出12V的恒定電壓、電流恒定為350mA，給IC4（MC17555）和IC5（PT4105）提供電源。IC4及其外圍元件構(gòu)成頻率和占空比可調(diào)的PWM電路，改變電位器RP2的電阻值使IC4的第3腳輸出方波頻率在1001000HZ之間變化，占空比則在10%95%之間變化。因IC4的工作電壓為12V的恒定值，所以IC4的第3腳輸出方波電壓幅度恒定在12V。該可變頻率和可調(diào)占空比且幅度恒定在12V的電壓送到IC5（PT4105）的第1腳（即CE腳）。從圖1.76（a）知，CE腳為調(diào)節(jié)器開關(guān)控制輸入端，高電平開啟調(diào)節(jié)器，低電平關(guān)斷調(diào)節(jié)器，從而控制著IC5（PT4105）的工作狀態(tài)。因此使其輸出端LX（第6腳）驅(qū)動LED負(fù)載的電壓跟隨著CE端工作狀態(tài)的改變而相應(yīng)改變，在實際使用時只要調(diào)節(jié)電位器RP2的電阻值就可以使LX端與GND端間的電壓產(chǎn)生相應(yīng)改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)LED燈亮度的目的。三.集成芯片的選擇 1. 智能功率開關(guān)芯片VIPER22A （a） 引腳圖 （b） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖1.77 VIPer22A芯片 VIPer22A芯片封裝形式為DIP-8，是ST公司生產(chǎn)的智能功率開關(guān)集成模塊，其引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖1.77（a）、（b）所示。從圖1.77知，VIPer22A芯片的第1、2腳SOURCE接內(nèi)部場效應(yīng)管的源極，在使用中通常接地；第3腳FB是取樣電壓輸入端，即為反饋信號控制端；第5、6、7、8腳DRAIN在芯片內(nèi)部接場效應(yīng)管的漏極。第4腳UDD為芯片的供電電源端。VIPer22A在同一片芯片上整合了一個專用電流式PWM控制器和一個高壓功率場效應(yīng)管?？刂破鞯墓ぷ黝l率為60KHZ，通過反饋端FR的控制，來進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。該芯片被廣泛地用于離線式開關(guān)電源。該芯片具有過熱保護(hù)自動關(guān)斷模式；防止輸出端短路導(dǎo)致?lián)舸┕收系拇蜞茫℉ICCUP）保護(hù)模式；保證低負(fù)載條件下的低功耗工作模式；高壓啟動電流源以及待機(jī)的低功耗（小于0.5W）模式等良好性能。 2. 高效率低功耗降壓模式開關(guān)控制器PT4105 （美）德州儀器電源管理專用芯片PT4105，是單片大功率LED照明驅(qū)動應(yīng)用的固定頻率電壓模式降壓集成電路。其輸入電壓最高可達(dá)18V，內(nèi)置功率MOS管，輸出電流最大可達(dá)1A，可在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)驅(qū)動單顆1W(電流350mA)或3W(電流700mA)LED，或者各種大功率LED串/并聯(lián)組合。它封裝形式為SOIC-8（即貼片式），其引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖1.78（a）、（b）所示。從圖1.78（b）知，PT4105內(nèi)部包含一個誤差放大器、PWM比較器、邏輯控制電路和功率MOS管。采用固定頻率500KHZ電壓模式來調(diào)節(jié)LED的電流，其200mV的低反饋電壓可降低功耗和提高效率。采用PWM控制，反饋電壓僅為200mV，具有高于90%的轉(zhuǎn)換效率，并且內(nèi)含欠壓鎖定、過熱保護(hù)、電流限制電路以避免在輸出過載時對器件造成損害等功能，應(yīng)用設(shè)計方便，外圍電路簡單。從圖1.78（b）知，PT4105的第1腳CE為調(diào)節(jié)器開關(guān)控制輸入端，高電平開啟調(diào)節(jié)器，低電平關(guān)斷調(diào)節(jié)器。不用此功能時，連接CE到輸入電源端自動啟動，CE腳不能懸空。第2、4、5腳NC為空腳。第3腳VIN為電壓輸入端，必須就近接旁路電容。第6腳LX為功率開關(guān)管輸出，它接內(nèi)部MOS管的漏極，可將功率電感和輸出整流器與該腳相連，以便縮小與此腳相連的印制板布線面積，減少線路之間的電磁干擾。第7腳GND為接地引腳。第8腳FB為反饋信號輸入端，調(diào)節(jié)FB與GND間電流取樣電阻RF上的電壓為200mV,取RF=20010-3/ILED。 （a） 引腳圖 （b） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖1.78 PT4105芯片 四. 高頻變壓器T1的設(shè)計與制作 表1.12 E型磁芯規(guī)格表 1. 磁芯的尺寸計算變壓器的繞組及其引腳標(biāo)識、引腳封裝圖和繞制工藝圖分別如圖1.79（a）、（b）、（c）所示。變壓器各繞組的計算與電源的工作方式、電源的輸入電壓范圍、工作頻率、脈沖占空比等諸多因素有關(guān)，計算過程比較復(fù)雜，而且結(jié)果不是唯一的。下面只把某組計算結(jié)果列出： 設(shè)磁芯截面積為S1，窗口截面積為S2。本設(shè)計?。汗ぷ餍蕿?0.9，磁芯的磁感強(qiáng)度為B=1500GS=0.1T，輸出功率為： P0=0.3512=4.2W，導(dǎo)線的電流密度為j=5A/mm2；耦合系數(shù)為K10.2，窗口利用系數(shù)為K00.8，開關(guān)頻率f=60KHZ，直流電壓Vmax=320V，Vmin=210V，則功率容量S1S2為：S1S2=1.05P0106/2fBjK1K0 =1.054.2106/(261040.1550.20.80.9)1.75(cm4) 考慮到繞線空間要有一定的裕量，宜選擇窗口面積大一點(diǎn)的鐵芯，查表1.12得： 選用E17型鐵氧體磁芯,，其有效橫截面積S1=289mm2；S2=185mm2 ；初始導(dǎo)磁率為2300?？捎嬎愕肊17型鐵氧體磁芯的功率容量為：A1A2=1.891.853.5(cm4)1.75(cm4)。功率容量A1A2約為S1S22倍的裕量，完全滿足計算要求（實際上選擇以后還需驗證調(diào)整）。 （a）繞組及其引腳標(biāo)識 （b）引腳封裝圖 （c）繞制工藝圖 圖1.79 高頻變壓器T1的制作 2. 初、次級繞組匝數(shù)的計算： 取整流二極管的導(dǎo)通壓降為0.7V，繞組內(nèi)阻上的壓降為1V,則： N1=Vimax108/8fBS1=320108/（861040.151032.89）=153（匝），取160匝。N2=N1(V2m+VF+Vr)K2K3/Vimin=160(38+0.7+1)1.11.2/21041(匝)N3=N1(V3m+VF+Vr)K2K3/Vimin=160(12+0.7+1)1.11.2/21014(匝)N4=N1(V4m+VF+Vr)K2K3/Vimin=160(20+0.7+1)1.11.2/21022(匝) 3. 導(dǎo)線的線徑的計算： 設(shè)I0為N3線圈中的負(fù)載電流，Iomin為死負(fù)載電流，則次級線圈電流有效值I2=(I0+Iomin)=0.35(1+5%)0.37(A)?？捎山?jīng)驗公式計算得N3線圈的線徑： ,實取線徑。由初級線圈N1中電流的有效值：； 可計算得初級線圈的線徑 ；實取線徑。同理可取N2、N4線圈的線徑為0.25mm。 4. 本調(diào)光臺燈的特色 （1）、本臺燈驅(qū)動電路的所有元器件均為微功耗元器件，電路自身的總功耗低于0.1W。采用恒流驅(qū)動高亮度LED燈，可使其壽命超過10萬小時。 （2）芯片PT4105可實現(xiàn)10%90%的光輸出連續(xù)調(diào)節(jié)。由于變壓器T1中的繞組N1、N3以及變壓器磁芯是功率輸入和輸出的通道，整