一种反激式LED驱动电源变压器设计方法

2015-03-23徐珍宝苏玲爱金尚忠周占春

中国计量大学学报 2015年1期

关键词：磁芯匝数绕组

徐珍宝,沈洋,苏玲爱,陈亮,金尚忠,周占春

(中国计量学院光学与电子科技学院,浙江杭州 310018)

一种反激式LED驱动电源变压器设计方法

徐珍宝,沈洋,苏玲爱,陈亮,金尚忠,周占春

(中国计量学院光学与电子科技学院,浙江杭州 310018)

变压器作为LED驱动电源的核心部分,其设计方法较多,但是大部分设计方法都有公式多、计算困难等缺陷.研究提出一种反激式LED驱动电源变压器设计方法，从电感的电学特性引入变压器相关参数的计算,并结合工程实践给出了相关参数计算步骤.最终通过相关实例对该方法进行了验证,并且与电源设计软件PI Expert相比较.结果表明，该方法有效可行,且对参数的选择更具有灵活性.

开关电源;反激式LED驱动电源;变压器设计方法

伴随LED发光效率的提高,特别是在20世纪90年代末白光LED的发明,为LED在照明领域的应用打开了空间,使之成为继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后的新一代光源[1].但对于一个LED灯具来说,要在灯具市场上取得优先地位,不仅仅是拥有一个质量优等的LED芯片的问题,而且拥有一个良好的LED驱动也是非常有必要的.对于一个LED驱动器,由于其结构比传统的线性恒流源复杂得多,且其变压器受很多因素的影响,同时,变压器也影响着LED驱动电源的效率、输出电流、最大输出功率等诸多性能参数[2].可见,驱动电源设计得是否合理跟变压器参数的选择有很大关系,因此,拥有一个简便可靠的变压器的设计方法是至关重要的.本文以反激式LED驱动电源变压器的设计为例,从电感的电学特性引入变压器相关参数的计算方法,并结合工程实践给出了相关参数计算步骤,进而给出了一个设计实例.

1 反激式LED驱动的工作原理

(1)

在(1)式中:Lp—初级绕组的感量,Vdc—初级绕组两端的电压(忽略了MOS管导通压降),ton—MOS管导通时间.在MOS导通的过程中,初级绕组上的电势表现为上高下低,而次级绕组上的电势表现为上低下高,因此,此时二极管D2反向截止,初级绕组上的能量不能传递到次级回路中,只能存储在变压器磁芯当中.

图1 反激式LED驱动原理图Figure 1 Flyback LED diagram

(2)

在(2)式中:isk—次级绕组上的峰值电流,其计算公式为isk=N·ipk(N为次级绕组匝数与初级绕组匝数的比值),uout为输出电压(忽略了二极管D2的压降),toff为MOS管Q1的有效关断时间(次级绕组上的电流从开始下降到降为0所经历的时间),Ls为次级绕组的感量.

对于辅助线圈Nf,其主要用于给电源IC供电,当MOS关断时给电源IC提供供电能量,且其两端的电压表达式为

(3)

2 反激式LED驱动电源变压器的设计步骤

2.1 选择变压器的磁芯

对于LED驱动器的设计,在选择磁芯时,我们通常选用EE型磁芯.对于EE型磁芯尺寸的选择,为了设计的方便,我们利用查表法选择,具体表格可参考相关资料[6].

由于不同的频率,不同的功率对应的磁芯型号都不同.在选择磁芯型号时,只要确定LED驱动器的输出功率及其工作的频率即可确定所选用的磁芯型号.

2.2 确定变压器的各绕组的匝数比

为了能使得输入电压最低时,输出电压最大时也能达到最大输出功率,初级绕组与次级绕组的匝数比应满足如下关系[7]:

(4)

通常在实际的设计中,考虑到效率的问题,我们取

(5)

对于辅助绕组匝数与次级绕组匝数的比值应满足(3)式所表述的关系,在平时的变压器设计中为保证给电源IC的工作电压能在工作范围内，通常辅助绕组匝数与次级绕组匝数的比值应满足如下关系:

(6)

在(4)、(5)、(6)三式中,Ns、Nf及Np分别表示次级、辅助及初级绕组的匝数,uoutmax表示输出功率最大时的输出电压,uinmin表示初级绕组上的最小输入电压,ufmin表示电源IC最小工作电源电压,ton及toff分别表示输入电压最小且输出功率最大时MOS管的导通时间及有效关断时间.对于ton及toff取值,所应用的电源IC不同取值有所不同,可根据电源IC的最佳工作频率及最佳占空比得出.根据经验,一般f=40 kHz,D=0.4.(f为电源IC的工作频率,D为MOS驱动信号的占空比.)

2.3 确定变压器各绕组的匝数

根据法拉第电磁感应定律,且保证磁芯不出现饱和现象,MOS管导通时,Np可由如下公式计算[8-9]:

(7)

在(7)式中：Np—初级绕组匝数,uin—初级绕组上的输入电压,ton—MOS管的导通时间,ΔB—磁芯工作时的磁感应强度变化范围,Ae—磁芯的横截面积.对于如上参数,在设计时uin通常取初级绕组上的最小输入电压,ton取输入电压最小且输出功率最大时MOS管的导通时间,ΔB随着磁芯材料的不同取值不同(PC40材料通常取0.4T),Ae由所选用的磁芯型号决定.Np求出之后,根据(5)式和(6)式便可求出Ns及Nf的值.

2.4 确定次级电流峰值isk及初级电流峰值ipk

对于不同的电源IC,其电流调控的方式不同,计算次级电流峰值isk及初级电流峰值ipk的公式就有所不同,一般通过查阅相关电源IC的资料即可找出相关信息,但不管如何，次级电流峰值isk及初级电流峰值ipk始终满足如下关系式:

(8)

2.5 确定初级电感感量

当初级绕组两端的最小输入电压uinmin、输入电压最小时MOS管的导通时间ton及初级电流峰值ipk确定后,初级绕组的电感感量也就随之确定,其表达式如下:

(9)

2.6 确定各绕组的线径

对于所选用线圈的线径,其取值与流过相应绕组的有效电流值有密切关系,计算公式如下[10]:

(10)

在(10)式中:d—线径,I—电流的有效值,J—电流密度(通常取7 A/mm2).值得声明的是,当线圈电流大于10 A时应选择多股线或多根导线并联[11].对于辅助绕组,由于其流过的电流较小,所以其线径没有严格要求.

3 设计实例

本例利用华晶的CS6552设计了一款驱动,设计规格为:输入电压85～265AC,输出12 W/300 mA.

倘若由PIExpert软件进行设计,则需要找到与CS6552工作原理相似的芯片,然后再输入相关参数进行设计,其中所需输入的参数除了输入电压最大值、输入电压最小值、输出电流、输出电压最大值、变压器工作频率、工作比例(KP)之外,还包括反射输出电压、损耗分配因子、漏极到源极电压、容差及估计效率等参数.

相比于本文提出的设计方法,用PIExpert无疑涉及到更多的参数,这不仅会降低变压器设计的灵活性,还会降低其开发效率.用PIExpert软件计算的变压器主要参数与用本文提出的设计方法计算的变压器主要参数对照如表1.

表1 变压器参数对照

对于PI Expert设计的结果,由变压器的伏秒原则可知,由于其计算的变压器的次级匝数Ns与原边匝数Np的比值为0.37,当输入电压为85 VAC时,其输出电压的最大值为37.7 V,即此时输出功率会小于12 W,并且MOS的导通时间达到电源芯片的最大值0.5 T,使其负载调整率也有所降低.由此可见,用PI Expert软件设计出的参数很难满足设计要求,后续的优化也较困难.

用本文所提出的设计方法设计的变压器经过测试后,相关波形图和相关数据如2～3:

图2 初级绕组两端的电压波形Figure 2 Voltage waveform of the primary winding

由图2可知本例设计的变压器基本能使工作频率达到预定值,但还是存在一定的误差,经分析,主要原因是变压器的制作存在偏差且数据计算也有一定的误差.由图3可知变压器上的电流变化平稳,没有出现饱和等不良现象.

图3 电流采样电阻两端的波形Figure 3 Waveform of the current sampling resistor at both ends

交流输入电压/V输出电流/mA效率/%8529675.811030081.515029984.222029285.226528585.3

由表3可知用本文所述方法设计的电源效率基本可达80%左右,且在输入电压宽度内基本能保正输出电流在300 mA,其恒流精度≤±5%.

表3 负载调整率测试表

由表3可知,用本文所述方法设计的变压器,使用在LED驱动电源上时,其负载调整率≤±5%.

4 结语

在实际的LED驱动设计中,变压器设计好后还要结合所用芯片的实际情况进行不断的调试,以达到设计出最优变压器的目的.本文主要为变压器的初步设计提供一种简便易行的方法,加快变压器设计的速度.

[1] 窦林平.国内LED照明应用探讨[J].照明工程学报,2011,22(6):51-58. DOU Linping. Discussion on LED lighting application in China[J]. Journal of Illuminating Engineering,2011,22(6):51-58.

[2] 王耕福.高频电源变压器磁芯的设计原理[J].磁性材料及器件,2000,31(4):26-31. WANG Gengfu. Design principles of high-frequency power transformer core[J]. Magnetic Materials and Devices,2000,31(4):26-31.

[3] BROWN M.开关电源设计指南[M].徐德鸿,沈旭,杨成林,等译.北京:机械工业出版社,2004:36-37.

[4] 徐强,董威,田俊杰,等.反激式开关电源变压器的设计[J].中国测试,2009,33(6):74-77. XU Qiang, DONG Wei, TIAN Junjie, et al. Design of single-ended flyback transformers of switching power supply[J]. China Measurement & Test,2009,33(6):74-77.

[5] 王明炎.单端反激式开关电源高频变压器设计[J].中国科技信息,2010(4):124-128. WANG Mingyan.Single-ended flyback switching power supply high-frequency transformer design[J]. China Science and Technology Information,2010(4):124-128.

[6] 赵同贺.开关电源与LED照明的设计计算精选[M].北京:机械工业出版社,2013:20-21.

[7] 长谷川彰.开关稳压电源的设计与应用[M].何希才,译.北京:科学出版社,2006:78-106.

[8] 周党培,陈业仙.一种实用的反激开关电源变压器设计方法[J].四川兵工学报,2011,32(8):96-98. ZHOU Dangpei, CHEN Yexian. A practical method of flyback switching power supply transformer des-ign[J]. Journal of Sichuan Ordnance,2011,32(8):96-98.

[9] 吴隆安,涂从欢,邓想珍,等.高频开关电源变压器设计原理[J].华中理工大学学报,1996,24(增刊2):40-41. WU Longan, TU Conghuan, DENG Xiangzhen, et al. Design principles of high-frequency switching power supply transformer[J]. Technology of Huazhong University,1996,24(Suppl2):40-41.

[10] 郭庆明,何云峰,王昌明,等.单端反激式开关电源变压器[J].电子设计工程,2010,18(5):165-167. GUO Qingming, HE Yunfeng, WANG Changming, et al. Single-ended flyback switching power supply tran-sformer[J]. Electronic Design Engineering,2010,18(5):165-167.

[11] 彭云华,黄土荣,廖晓文,等.反激式开关电源变压器的设计[J].电子设计工程,2014,22(9):107-109. PENG Yunhua, HUANG Turong, LIAO Xiaowen, et al. Design of single-ended flyback transformers of switching power supply[J]. Electronic Design Engineering,2014,22(9):107-109.

Design of a power supply transformer for flyback LED drivers

XU Zhenbao, SHEN Yang, SU Lingai, CHEN Liang, JIN Shangzhong, ZHOU Zhanchun

(College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Transformer serves as the core part of an LED driver. There are many design methods of transformers. But most designs involve too much formula and calculation. Now, we put forward a novel design of a power transformer for flyback LED drivers. The parameters of the transformer were calculated from the electrical characteristics of inductance. We put forward the calculation procedure combined with engineering practices. Finally, the method was verified by relevant examples and was compared with PI Expert. The results show that the method is effective and feasible and has much flexibility on the choice of parameters.

switching power; flyback LED driver; transformer design