基于TPS92314的LED灯设计

刘 辉

（吉林建筑大学城建学院 电气信息工程系，吉林 长春 130111）

1 TPS92314简介及引脚功能描述

1.1 TPS92314简介

LED灯具有寿命长、效率高、不含铅和汞等有害物质等优点而被广泛使用，文中介绍的LED灯控制采用TI公司的控制芯片TPS92314［1］，此芯片是专为LED驱动设计［2－3］的，有电流过零检测和自适应导通时间的PFC（功率因数校正）功能，以及过流检测、过压保护、过热保护等功能。

1.2 TPS92314的引脚功能描述［4］

TPS92314引脚功能如图1所示。

1脚：VCC，电源供电引脚，为内部控制电路提供电源，连接10μF到20μF电容到地用来滤波。正常工作时的电压范围为13～35V。VCC的turn on阈值电压典型值为25.4V，低电压turn off阈值电压典型值为12.9V。滞回电压为12.5V。过压保护阈值的典型值为35.5V，这个值在32.7～38V之间，不同的芯片会有差别。正常工作时，在65kHz开关频率工作，最大工作电流为3mA。

2脚：AGND，小信号地，控制信号地。

3脚：ZCD，过零检测输入端。这个引脚感应辅助绕组的电压，用来检测零电流。

4脚：COMP，补偿网络。误差放大输出，连接一个电容到地，用来确定平均电流控制环路的频率响应。

5脚：DLY，延迟控制输入。连接一个电阻到地，用来设置开关导通和关断期间的延时。

6脚：PGND，功率地。栅极驱动信号返回地。

7脚：ISNS，电流感应电压反馈。开关场效应管电流感应引脚。

8脚：GATE，栅极驱动输出。提供功率场效应管的栅极驱动［3］。

图1 TPS92314引脚功能示意图

2 TPS92314的工作模式与电路设计

2.1 工作模式［5］

TPS92314工作在离线隔离电路结构，电路中的反激式变压器由初级绕组Lp、次级绕组Ls和辅助绕组Laux这3个绕组组成。TPS92314控制外接的MOS场效应管导通和截止。MOS场效应管导通时，变压器初级储存能量，场效应管截止时，向次级和辅助绕组释放能量。变压器辅助绕组有两个功能：向TPS92314供电（启动以后）和电流过零点检测（一个完整的开关周期结束时）。在导通期间，场效应管Q1导通，电流流过Lp，Q1和电流检测电阻R14到地。输入的能量被存储在初级绕组Lp内。同时，ISNS脚（7脚）监视电流检测电阻R14的电压，并且执行逐个周期电流限制功能。Q1截止时，流入Lp的电流停止，导通期间存储的能量释放到输出电路和辅助绕组电路。当Q1截止期间，次级绕组电流通过D3给C6，C7充电，并且给LED灯供电。在Q1导通期间，由C6，C7继续向LED负载供电。在Q1截止期间，电流也向辅助绕组向TPS92314供电。Laux的电压Vaux通过电阻R6，R8分压后反馈到过零检测引脚，执行过零检测功能，决定了开关周期的结束时间。插入两个延迟Tdly，下一个新的周期开始。Tdly可以通过DLY引脚连接的电阻来设置。驱动信号tON的时间宽度由内部产生的锯齿波和COMP引脚的电压比较产生。由于Vcomp是缓慢变化的，tON在AC line周期内几乎不变。关断期间的持续时间是由变压器次级电流的放电速率决定的。

2.2 电路参数设计［6－8］

变压器初级电流峰值ILP－PEAK和次级电流峰值ILS－PEAK的关系如下：

式中：n——变压器初次级匝数比。

LED电路由交流220V供电，供电电压由AC 180V到AC 240V变化都能适应。启动时，TPS92314的供电由交流电经过整流桥整流后，由电阻R1，R3提供。在启动状态，为了最小化内部静态电流，TPS92314大多数的内部电路关断。当VCC上升到达开通阈值（典型值为26V），TPS92314工作在低开关频率模式，tON和tOFF被固定为1.5μs和72μs，当VZCD－PEAK高于VZCD－ARM，TPS92314进入正常操作模式。

此LED灯的个数为每6个LED串联为一组，两组并联，共12个LED，总功率约为15W。每个LED的电流为350mA，单个LED的前向电压约为3V，6个LED串联，总电压约为18V。

转换器最小开关频率：75kHz；

输出整流器最大反相电压：100V；

功率MOSFET额定耐压值：800V；

功率MOSFET漏极源极电容：Cds约为100pF。

2.2.1 确定启动电阻R1，R3

启动期间，TPS92314的供电电压VCC由交流电经过桥式整流，通过外接的启动电阻R1与R3提供。VCC的启动电流Ist必须设置在一个范围，IVCC＞Ist＞Istmax以确保在高输入电压时能正常启动。典型值为0.88mA。R1＋R3可以通过下式计算：

其中，Vacmax是最大交流有效值240V，R1＋R3＝272kΩ，所以R1取120kΩ，R3取150kΩ。

2.2.2 变压器匝数比

n＝nLP／nLS。变压器绕组的匝数比受限于场效应管的额定电压值，最高输入电压和输出二极管的最高反相耐压。当场效应管Q1导通时二极管反向电压VD＞VLED＋1.414＊Vacmax／n，VD取反向耐压为100V的肖特基二极管。当场效应管Q1关闭时，VQ1＝1.414＊Vacmax＋n＊VLED＋VOS＜0.9＊VQ1BR，VQ1BR取800V，VLED为18V，这里VQ1＜0.9＊VQ1BR是留有0.1的安全余量。VOS假定为50V的开关节点过冲。根据上面两个不等式，可以确定匝数比n的范围为18.36＞n＞4.12。低的匝数比可以获得好的电压调整率和较低的次级峰值电流，因此，n取5.8。

2.2.3 开关频率选择

TPS92314可以工作在60kHz到150kHz的开关频率范围内。考虑到效率和电磁兼容的需求，选择75kHz开关频率。

2.2.4 功率场效应管导通时间

功率场效应管最大导通时间tON发生在输入电压最低的时候，即180VAC输入的时候。

这里，VLED＝18V，Vmin＝180V＊1.414＝255V，Fsw＝75 000Hz。

2.2.5 变压器初级电感

变压器的初级电感量Lp关系到最小开关频率Fsw，转换器的输出功率，系统效率和最小输入电压。在临界导通模式（CRM）下，输出功率最大值设计为约15W。由于Vmin＝Lp＊ILp－peak／tON，可以得到Lp的值。效率η假定为85%，Vmin＝255V，Fsw＝75 000Hz，tON＝3.88μs，经计算得：Lp＝1.988mH。即变压器的初级电感值为1.988mH。

2.2.6 计算电流检测电阻

R14∶R14＝n＊Vref／ILED，Vref＝0.14V，ILED＝2＊0.35A＝0.7A，n＝5.8，计算R14＝1.16Ω。滤波电阻R11，这个电阻是防止噪声进入ISNS脚，R11的典型值为300＊R14＝348Ω。实际取值，R14取1.2Ω，R11取360Ω。如果要能控制LED的亮度，就要在电流取样电路中加入额外的电路，用来影响流过R14的电流，从而影响流过LED的电流，进而控制LED灯的亮度。

LED亮度控制原理如图3所示。

图3 LED亮度控制原理图

流过R14的电流为I＝Vref／R14＝0.14V／1.2Ω＝0.116 7A，如果采用上面的电路，A点电压设置为0V时，流过R14的电流0.116 7A时，产生0.28V的电压，经过R11和R13分压可产生0.14V的电压。A点电压增加，流过R14的峰值电流将减小，因此，改变A点电压可以控制变压器初级电流的峰值，从而改变LED的电流，进而改变LED的亮度。R11和R13并联的电阻值等于300＊R14＝1.44kΩ，R11和R13取阻值最接近的1.43kΩ。A点电压由ARM经过D／A输出电压，经过运放缓冲输出接到A点，控制LED的亮度。A点的电压不能超过0.14V。当A点电压为0.08V时，变压器的初级电流为最大值的0.707倍，输出功率为原来的一半。

2.2.7 辅助绕组接口至ZCD脚

通过R6和R8组成的电阻分压器来设置VLED的过压保护值和VZCD的峰值，设置VLED的过压保护阈值为1.3倍的VLED，考虑到变压器的漏感比较大，实际中设置为1.5倍。VLED假定为18V，AUX绕组开路保护电压设置为27V，流经R6，R8的电流为0.4mA，所以R6和R8分别为62kΩ，12kΩ。过压保护与TPS92314供电电路如图4所示。

图4 过压保护与TPS92314供电电路

图中，C5为VCC的滤波电容，D11为箝位二极管，在场效应管Q1导通时，D11导通，使ZCD的电压在0.7V附近，不至于太低。

2.2.8 补偿电容和延时定时电阻的选择

根据数据手册，补偿电容选择4.7μF。延时定时电阻可按下面的算式计算：

所以R12＝19kΩ，实际取值：19.1kΩ。

2.2.9 初级侧缓冲网络设计

缓冲网络电压波形如图5所示。

图5 缓冲网络电压波形

所 以VSN＞206.6V。VSN＜VMOS－BV－1.414VACMAX＝800V－340V＝460V，即VSN＜460V。因此，缓冲箝位电压选择250V可以满足要求。

2.2.10 输出滤波电容COUT的选择

输出滤波电容的容量由6个LED的等效串联电阻RLED和允许的纹波电流ΔILED决定，由下面的式子计算：

式中，fAC为50Hz，RLED＝6＊2.6Ω＝15.6Ω，ILED＝0.7A，纹波电流ΔILED为输出电流的30%，即ΔILED＝0.7A＊0.3，计算得COUT＝672μF，COUT＝C6＋C7，C6取270μF，C7取470μF，电容耐压值取35V。

图6 LED部分整体电路图

LED是否点亮，靠控制继电器来控制。由ARM输出高电平至LED control，控制LED点亮。

3 结 语

以TPS92314为主控芯片设计的LED控制电路，实现了亮度可控制，并具自适应PFC控制，有过流、过压保护功能，能很好地完成LED照明控制，并且具有电路简单、无需电流采样电阻、成本较低等优点。

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