离线反激式LED恒流源的设计

张正言，张 群，贾思强，陆起涌，2

(1复旦大学电子工程系，上海200433;2复旦大学无锡研究院，江苏无锡214131)

人类历史上第一个实用的红色发光二极管LED是在1962年制造出来的。它的发明者Nick Holonyak Jr被称为LED之父。由于半导体技术、光学技术以及材料科学的进步，LED的制造成本每10年降低为原来的1/10，而光效提高20倍，这个规律被人们称为Haitz定律。［1]

目前LED主要面临着提高发光效率、延长使用寿命、解决自身散热和提高恒流源转换效率这几方面的挑战。本文主要针对恒流源的设计，提出一种离线反激式恒流源的设计方法，并给出其相关的测试结果。

1 LED的特性

电光源的发光效率一般按每瓦电能产生的光通量来进行计量(单位:流明/瓦)。考虑到人眼最敏感的是黄绿光(波长为555nm)，假如全部的电能都转换为黄绿光，那么这个极限效率为683流明/瓦［2]。通常电光源的发光效率远低于这个数值，现在常见电光源的发光效率如表1所示［3]。

表1 常见电光源的大致发光效率

LED的驱动方式与普通电光源不同。LED的发光亮度直接与正向导通电流有关，所以一般采用恒流控制。单只LED产生的光通量无法与白炽灯和日光灯相提并论，所以需要使用多只LED串联才能满足实际的需求。

目前主流1瓦大功率LED的典型工作条件是3.3V@350mA。但是，即使是同一批次生产出来的LED，其电气特性都有一定的差异。当正向导通电流为350mA时，正向电压在3-4V之间。

2 离线反激式电源的设计

2.1 开关电源简介

在LED光源输出功率超过1瓦的场合，普遍使用高效的开关电源来替代传统的线性电源。

根据开关电源按输入输出是否隔离，可将其分为在线型和离线型两类。离线型开关电源通过变压器将初级110-220V交流电压和次级输出电压隔离。假如次级的输出电压小于36V的安全标准，那么人体即使触碰到次级的电源线也不会遭到电击。

按不同的离线开关电源拓扑结构，又可以分为反激式、正激式和推挽式等类型。其中反激式开关电源因为结构简单，成本低等优点，在50瓦以下的功率输出场合尤其受到青睐。其电路如图1所示。DC/DC反激式开关电源主要由PWM控制，隔离和反馈等三个部分组成。

图1 离线反激式开关电源

2.2 设计指标

假如使用LED来替代一个40W的白炽灯，那么根据表1和表2，很容易推算出大概需要8颗1瓦的大功率LED［4]。

表2 LED性能参数(IF=350mA，TA=25℃)

将8只LED和一个1欧姆的采样电阻串联在一起，工作在正向导通电流为350mA的状态下，实际的输出电压应该是24.35V-32.35V之间，在这个范围内电源应该工作在恒流控制的状态。

为了安全起见，假如负载因为损坏等原因发生断路，电路应该还有一个恒压控制电路，以免次级在断路的情况下出现高压。本文将这个最高电压限制为32.5V。

实验中使用的外部电源是MOTECH公司的LPS-305线性可编程电源，输出电压为60V，最大电流限制为500mA。另外，为PWM芯片提供的辅助电源电压范围为20V-30V。离线反馈或电源的设计指标如表3所示。

表3 电源输入输出特性

本文中选用的PWM控制芯片LM5021是一款离线PWM电流模式控制器，在电源的启动阶段，它仅消耗最大25μA的启动电流。在轻载情况下，它有一个跳跃周期模式，可以用来节省开关功率损耗，以符合能源之星(Energy Star)及中国节能产品认证中心(CECP)的要求。

2.3 电原理图

本文设计的离线反馈式电源的电原理图如图2所示，P1和P2分别为电源的输入端和输出端。

图2 电原理图

电路的核心主要有四大部分组成:启动电路，PWM芯片参数设定电路，反馈控制电路和LED输出电路。

1)启动电路

从电路接通电源开始，电阻R1向电容C4充电，直至C4充电到20V，PWM芯片V1开始工作。为了减少工作时在R1上的损耗，其阻值一般很大。因此启动阶段仅由C4为PWM芯片供电，C4必须有足够的电量将电容C5充电到8.5V，此时C4上的电压不得低于7.5V，否则无法正常启动。PWM芯片启动以后，将驱动Q1开关，电能通过变压器T1上1、2管脚组成的初级线圈传递到4、5管脚组成的次级线圈，为PWM芯片提供辅助电源。辅助电源由T1次级线圈、D4、R2和C4组成。电源的启动时间大致为t=R1C4ln［1/(1－20V/Vi)] =4秒。

2)PWM芯片参数设器电路

PWM芯片的工作参数由外部元件决定。电阻R3控制内部振荡器的工作频率，电容C6设定PWM芯片的软启动时间，以及负载过载时的休眠时间。电阻R4可以限制变压器的初级的最大电流为5A。一旦CS管脚得到500mV的电压，PWM芯片将立即关闭MOSFET，从而有效地保护变压器和MOSFET不至于因为电流过大而损坏。

3)反馈控制电路

反馈控制电路分为恒流控制和恒压控制两个部分。正常情况下，电路工作在恒流控制状态。流过LED的电流由电阻R7采样，由放大器LM358将电压信号放大，其输出用电阻R11和R12分压后，与U4的2.5V参考电平比较，控制光耦U2的导通电流。相似的，恒压控制是将输出电压通过R14和R15分压，再与U5的2.5V参考电平作比较，控制光耦U2的导通电流。根据LM431本身的特性，U4和U5不可能同时导通。线性电源VR1为运算放大器U3提供6V的工作电压。

4)LED输出电路

LED输出电路主要由T1上9、10管脚组成的次级线圈，整流二极管D5，以及电感L1和电容C9～C12组成的∏型滤波网络构成，用以减少输出的纹波。注意图2中变压器T1的1、4、9的三个管脚是变压器的同名端。

2.4 变压器的设计

已知输入电压Vi=60V，输出电流Io=350mA，最小输出电压Vo(min)=24V，最大输出电压Vo(max)=32.5V，假设转换效率η=80%，那么最大输出功率Po(max)=11.4W，最大输入功率Pin=Po(max)/η=14.2W。

PWM芯片的开关频率Fs=200kHz(周期T=5μs)。假设电源工作在不连续导通模式，导通时间ton=3μs，那么初级电感的大小为(2PinT)=228.17μH［5]。

本文选用的变压器T1的磁芯是锰锌功率铁氧体，磁芯材料为DMR40，工作频率≤300kHz，磁芯尺寸为EE25。在使用铁氧体磁芯时，填入了0.5毫米厚度的纸片，这样整个磁路中空气隙的长度为1毫米。经过测试，此时铁氧体磁芯的电感系数约为AL=100nH/T2，所以初级漆包线的匝数和线径分别为

实际绕制变压器时漆包线的匝数为47T，线径为0.25mm。次级漆包线的匝数和线径分别为

实际绕制变压器的漆包线线径为0.35mm。因为PWM芯片所需辅助电源的最小电压Vaux(min)=20V，所以辅助电源端的匝数为

由于辅助电源仅消耗少量的功率，可直接使用0.25mm线径的漆包线。确定匝数后，检查辅助电源电压最小值和最大值分别是Vaux(min)=20.16V，Vaux(max)=27.3V。满足PWM芯片Vin管脚对输入电压在20V-30V之间的要求。

2.5 器件极限参数检查

设计完成后，需要检查各个器件的极限参数是否满足，这里列举几个需要重点检查的极限参数。

MOSFET的型号是FQP6N80C，漏极最大电流是6A，而PWM芯片提供的5A的最大电流限制可以保护MOSFET不会因为过流而损坏。漏极最大耐压是800V，而电路实际工作中漏极出现的最大电压是Vd(max)=Vi(max)+VD2(br)=260V，已经留有充足的余量。肖特基二极管在选型时反向耐压是一个重要参数，需要留有一定的余量。图2中D4和D5都是肖特基二极管，可以承受的最大反向电压都是100V，工作时D4和D5的反向电压分别为Vaux(RRM)=54.11V，Vs(RRM)=64.41V。

3 实际测试结果

测试使用的仪器是Fluke45多功能万用表，实际测试结果如表4所示。

表4 恒流源实侧结果

对表4的数值，有如下问题说明。

(1)图2的二极管D1起保护作用，却对整个电源系统没有贡献。在计算表4的工作效率时，已经减去了这个二极管功耗，所以输入电压为52.29V。

(2)在实际的测试结果中，输出电流是346mA，而不是350mA。这是因为在采样、放大和比较电路中使用的电阻有1%-5%的误差，最终造成总了共1.14%的系统误差。

(3)在负载断路测试中，输出电压为32.51V，待机功耗为0.32W。在负载短路测试中，PWM芯片软启动之后通过comp管脚侦测到过载，随后关闭MOSFET进入hiccup模式，大约1.72秒之后重新尝试软启动。几次重复这个过程以后，因为辅助电源迟迟不能提供能量，电容C4上的电能耗尽，PWM芯片掉电后重启。

4 结语

本文设计的离线反激式LED恒流源结构简单，效率较高且具备一定的安全特性，成本小于RMB20元，有利于LED的推广和使用。此外，文中使用的MOSFET是FQP6N80C，它的导通电阻为2.5Ω。假如不考虑成本因素，换为FCP9N60N，它的导通电阻仅为0.385Ω，可以减少MOSFET上的损耗，进一步提高电源的转换效率。

［1] 刘虹，陈良惠，我国半导体照明发展战略研究，北京:中国工程科学，2011年第13卷第6期

［2] Wyszecki，Günter and Stiles，W.S.(2000).Color Science-Concepts and Methods，Quantitative Data and Formulae(2nd ed.).Wiley-Interscience.ISBN 0-471-39918-3

［3] 百度百科，http://baike.baidu.com/view/78630.htm

［4] 首尔半导体，Z-Power LED P4系列产品数据手册

［5] Keith Billings，开关电源手册(第2版)，张占松，汪仁皇，谢丽萍译，北京:人民邮电出版社，2006