基于iW1706反激式开关电源的设计

2015-06-19付贤松刘雅楠桑若愚张金健牛萍娟

电源技术 2015年3期

付贤松，刘雅楠，桑若愚，张金健，牛萍娟

(1.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387；2.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387；3.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津300387；4.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津300387)

基于iW1706反激式开关电源的设计

付贤松1,3,4，刘雅楠2,3，桑若愚1,3，张金健2,3，牛萍娟1,3,4

基于芯片iW1706设计了一款反激式开关电源，用于驱动LED。iW1706是一种高性能AC/DC离线电源控制器，利用初级侧感测技术和准谐振操作，提供了过压、过流保护。阐述了该芯片的工作原理及特点，基于iW1706设计出一款具有宽电压范围输入(AC 85～265 V)、输出电流恒定在330 mA、输出功率为5 W的开关稳压电源。给出了变压器的设计过程及主要元件参数的计算方法。实验结果验证了该设计的正确性，电路中使用了较少的元件，达到了稳定的电流输出。关键词：开关电源；iW1706；准谐振；反激式

近几年来，反激式开关电源在中小功率用电器中得到了广泛应用，这标志着开关电源技术逐渐成熟，越来越多的领域都开始采用开关电源，LED照明领域也不例外[1]。然而，LED驱动电源的要求也在不断提高，高效率、安全隔离、输出稳定、控制精度、体积小、成本低等成为LED驱动电源的关键评价指标[2]。本文基于iW1706芯片特性，设计了一款离线型反激式LED驱动电源，并且提供过压、过流保护，外围元器件较少，开关管使用价格相对便宜的双极型晶体管，降低了设计成本。

1 芯片简介

iW1706采用5引脚的SOT-23封装，引脚配置如图1所示。图中：VSENSE引脚是变压器辅助绕组感测信号输入端，用于初级调节；ISENSE引脚是初级电流检测端，用于控制峰值电流；OUTPUT引脚为驱动信号输出端，用于驱动芯片外部的双极型晶体管基极。

图1 iW1706的引脚排列

iW1706是一款高性能的AC/DC电源控制器，其内部集成了启动和输入电压检测电路、反馈信号调节电路、D/A转换电路、过流保护比较器、峰值电流限制比较器、双极型晶体管基极驱动器等。

iW1706利用数控技术构造了峰值电流模式的PWM反激式电源，它只用辅助供电绕组就可以实现次级电压反馈，从而省去了大多数开关电源必需的次级取样和光电耦合电路，同时也省去了复杂的反馈补偿网络，从而简化了EMI设计[3]，降低了电路制作成本。

2 基于iW1706的LED驱动电源

采用iW1706设计的LED驱动电路如图2所示。

图2 基于iW1706的LED驱动电源电路

本文所设计的电路是一种基于反激式拓扑结构，在DCM模式下工作的LED驱动电源。设计要求为：AC输入范围为85～265 V宽电压输入范围，在330 mA的稳定电流输出下，用于驱动5个1 W的串联LED，输出电压为15 V。其主要的电路组成和工作原理如下：

(1)输入保护：保险丝FR1的作用是防止开通瞬间冲击电流过大烧毁其他元器件，起到保护作用。

(2)EMI滤波：电感L1与电容C1、电容C2构成差模滤波器，衰减差模干扰，同时增强了抗浪涌的能力。与次级端二极管D3并联的C5和R8组成吸收电路，可以整流并且限制尖峰电压，减小干扰噪声对外界的辐射。

(3)RCD钳位电路[4]：当反激变换器功率开关管关断时，由于漏感的影响，将引起电压尖峰，对功率管造成损害。钳位电路由C3、R4、D1组成，功率开关管Q1截止，漏感释放能量，D1的作用是单向导电，给C3充电，然后D1截止，R4的作用是在Q1导通时，将C3上的电荷释放掉一部分，使得C3上的电压保持相对恒定[5]。

(4)供电电路：输入的交流电压经过滤波整流后转换成直流电压，经过R2、R3对电容C4充电，当达到芯片内部启动阈值电压后，芯片开始工作。此后转为由辅助绕组经过R10限流，D2整流，C4滤波后给芯片供电。

(5)初级侧反馈与恒定LED电流操作电路：iW1706采用初级侧反馈，无需次级侧感测和光耦合器。T1辅助绕组(匝数为AUX)上的电压AUX是输出电压发射的结果。T1辅助绕组上的电压经R6和R7馈送到U1引脚VSENSE，经内部恒流控制电路将输出电流调节到一个恒定电平上[6]，而不管输出电压与否。初级侧电流通过电阻R5检测，以执行峰值电流限制(PCL)和过电流保护(OCP)。

3 电路设计参数及元器件选择

3.1 磁芯的选择

开关电源变压器磁芯大多数是铁氧化磁芯，它有较高的磁导率、低的矫顽力和高的电阻率。本设计在考虑磁芯时选用Ap法进行计算。Ap法称为磁芯面积乘积法，设计时先求出磁芯窗口面积和磁芯的有效面积的乘积值[7]，然后加一定的裕度(10%)后选取值相近的磁芯。

根据反激式的拓扑结构，推导出的计算公式为：式中：out为变压器的输出功率max为最大导通占空比；为变压器的预期效率；为分配给初级绕组的面积，通常为0.5 mm2；为初级等效串联电阻电流和平均电流之比，在非连续反激模式中一般取0.55～0.65；为窗口填充系数，一般取0.4；为电流密度，一般取3～10 A/mm2；max为最大工作磁通密度，反激式一般取0.12～0.15 T[8]；为开关工作频率，根据iW1706芯片手册，得知其工作频率为72 kHz。

最大占空比可表示为：

计算出值后，通过查阅厂商提供的磁芯参数表就可以选出适合的芯片，实验中选用EE型磁芯，经查阅发现EE13的值为570 mm4，最接近设计值，所以最终采用EE13型磁芯。

3.2 变压器参数计算

初级峰值电流为：

初级电感量为：

由于已经计算出磁芯选用EE13型号，所以根据参数资料可以知道EE13的值，经过计算最后得出初级绕组的匝数为193匝，实验室调整为188匝；初级峰值电流为0.207 A；初级电感量为3.4 mH。设变压器初级匝数与次级匝数的比值为，根据变压器磁复位基本原理，则有：

3.3 开关管的选择

芯片iW1706的OUTPUT端被连接到外部双极型晶体管的基极。双极型晶体管上面所承受的电压主要由三部分组成：初级侧主线电压，次级侧的反射电压和漏感引起的尖峰电压。可通过以下公式计算：

式中：in_max是输入总线最大电压，为373 V；是初级与次级匝数比，经前文计算得出为6.7；0是输出电压，为15 V；最大尖峰电压估算为100 V[9]。由此可得，ce_max=573 V。因此选用耐压值为650 V的双极型晶体管TSC13003。

3.4 VSENSE引脚分压电阻R6和R7的参数计算

设iW1706电源电路中输出整流二极管D3的压降为0.6 V，次级绕组上的电压为=15 V+0.6 V=15.6 V。辅助绕组上的电压为AUX=(AUX/)·。又因为AUX=ref·(6+7)/7，所以最后可得到：

3.5 ISENSE检测电阻R5的参数计算

输出电流可以表示为：

式中：dis为去磁时间，为开关周期，在恒流模式下它们的比例保持一个常数；ISENSE为SENSE引脚限压极限值，根据iW1706手册，其值为1 V。经计算最后得出，5=0.185(/)/0，电路所设计的恒流输出为330 mA，由此算得5=3.76Ω。

4 测试结果

为了核实所设计的基于iW1706的反激式开关电源的性能，绘制了它的印刷电路板(PCB)。所设计的开关电源的实物如图3所示(左图为底部，右图为顶部)。

图3 设计开关电源的实物图

所设计的电路的成败在于输出电流是否可稳定在330 mA，驱动5个1 W的LED。当输入电压为220 V(AC)时，开关管Vce波形如图4(a)所示；330 mA的恒流输出波形如图4(b)所示；图4(c)显示了当输入电压为90 V(AC)，驱动5个LED时，整个系统的输出电压情况，从图中可以看出用万用表测出的输出电压为15.304 V。

5 总结

本文设计了一款基于iW1706的反激式LED开关电源，用于驱动5个1 W串联LED。介绍了整个电路的工作原理以及变压器和重要元器件参数的设计计算。所设计的电路输入电压范围为85～265 V(AC)，输出电流稳定在330 mA，通过驱动5个1 W串联LED的实际电路验证了设计的可行性。

图4 测试结果

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[2]毛兴武.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2008：10-15.

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[7]PRESSMAN A I.开关电源设计[M].王志强，译.2版.北京：电子工业出版社，2010：215-217.

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Design of flyback switch power supply based on iW1706

FU Xian-song1,3,4,LIU Ya-nan2,3,SANG Ruo-yu1,3,ZHANG Jin-jian2,3,NIU Ping-juan1,3,4

Flyback switch power supply was designed based on iW1706 and used to drive LED.iW1706 was a high performance AC/DC off-line power supply controller.The primary side sensing and quasi resonant operation were used,and the over voltage,over current protection were provided.The main feature and principle of iW1706 were introduced.A switch power supply of the wide voltage range input(AC 85～265 V),the output current of constant 330 mA,the rated power of 5 W was designed basing on iW1706.The transformer design and calculation of main parameters were given.The experimental results demonstrate the feasibility of the design,fewer components in the circuit is used and a stable current output is achieved.

switch power supply;iW1706;quasi resonant;flyback

TM 571

1002-087 X(2015)03-0594-03