一种小功率高效恒流电源设计

王 林，夏 婷，张立生，王荃禹

（1.盐城工学院电气工程学院，江苏 盐城 224002；2.丽水学院 学生处，浙江 丽水 323000；3.国网黄山市供电公司，安徽 黄山 230061）

0 引 言

近些年来，由于低碳和节能需求，具有体积较小、功耗较低、使用寿命较长、高亮度，低热量、可控性强等优点的LED照明技术引起广泛关注。LED照明的核心是LED驱动电路的设计，即需要一个适配的LED驱动电路才可以实现LED照明的正常工作［1，2］。因此设计一个具有高转换效率、电气性能优良的驱动电源是非常有必要的，这也正是设计恒流电源的意义所在［3－5］。

本文设计了一种高性能的12 W恒流电源。在研究驱动电路拓扑结构适配条件的基础上，采用带有自抖动功能的电流模式PWM控制器SD4843P，以反激电路为主电路与反馈网络设计相结合实现12 W恒流电源的高转换效率运行；分析了系统的工作原理，给出了详细的反激拓扑结构和反馈网络的参数设计过程，最后通过实验评估恒流电源的性能。

1 控制原理分析

主控芯片选择电流模式PWM控制器SD4843P。它具有抖动的振荡频率、欠压锁定、过压保护、脉冲前沿消隐、过流保护和温度保护等功能。内部集成了高压650 V功率 MOSFET［1］，其反激拓扑控制结构如图1所示。

图1中，Uin为输入电压，UOR为反射电压，IPRI为变压器初级电流，UDS为开关管导通压降，ISEC次级电流；图2中tON为Q1导通时间，在此期间，初级工作，次级储能，C1向载荷提供能量；tOFF为Q1截止时间，在此期间次级工作，电容C1储能。在连续工作模式下，电路工作方式如图2所示。

图2 连续模式下工作波形

2 驱动电源模块设计

2.1 AC－DC模块设计

RTH为热敏电阻，可以抑制输入电路浪涌电流；F1为熔断器，起过流保护作用；为提高EMI性能，由于SD4843内部自带频率抖动，因此AC输入方式选用共模输入方式，完全可以满足抗干扰需求，共模电感选为20 mH，X电容C1选为0.1μF400 V。电源的输入标准电压为220 VAC，频率为50 Hz，设计输出电压范围为195 VAC－265 VAC，设计输出功率为12 W，效率η＝90%，则交流输入功率P＝P0／η＝13.3 W，因此整流二极管选用IN4007可以满足需求（也可选用整流模块）。综合考虑交流电压输入范围，整流输出滤波电容为1.6μF／W，选为22μF／400 V。AC－DC模块的原理图如图3所示。

图3 AC－DC模块

交流输入电压经热敏电阻RTH，进入干扰抑制共模电感L1，整流桥整流后，经滤波电容C2滤波，并在C2两端形成300 V左右的直流电，作为后级电路的输入电压和SD4843启动电源。

2.2 反激电路设计

2.2.1 SD4843P周围电路

基于SD4843P的恒流电源反激功能模块，如图4所示。整流后电压经R3、R4加至3脚进行启动供电，启动后变压器辅助绕组获得的电压经R8限流和VD6整流后对C4充电，当C4电压达到12 V后，开始对芯片进行供电。整流滤波后电压经变压器初级线圈加至6、7、8脚与SD4843P内部的 MOS管的漏极相连。R5、R6、R7、C3、VD5组成 RCD吸收电路，主要作用是嵌位漏感所产生的电压，从而保证了MOSFET管的漏端电压小于其耐压值。

图4 反激功能模块

2.2.2 变压器的设计

（1）输入整流滤波电容CDC和整流之后的电压范围

当输入AC为110／115 V（输入最小值为85 V且输入最大值为132 V）和通用输入（输入最小为85 V且输入最大为265 V）时，输入整流滤波电容约为3 mF／W；当输入AC为220 V（输入最小为195 V且输入最大为265 V）时，输入整流滤波电容约为1 mF／W。由此可见：输入整流滤波电容CDC＝1 mF／W。

在已知输入整流滤波电容为1 mF／W的基础上可知整流之后的最小输入直流电压

整流之后的最大输入直流电压为：

式（1）、（2）中，fL为输入交流电的频率，为工频50 Hz；输入整流滤波电容CDC为取技术给定值输入电容；P0为输出功率；η为效率；tc表示整流导通时间（取3 ms）；Uacmin和Uacmax分别表示输入交流电压的最小有效值和最大有效值。

（2）确定最大占空比Dmax和MOSFET耐压值

当电路工作在连续模式下（理想情况），为了防止次振荡谐波的存在，一般D取0.45，在占空比的基础上可以求得反射电压值：

MOSFET漏端电压值：

（3）确定变压器初级电感值Lm

在满载以及输入电压最低情况下计算变压器初级电感值是最大的，其他任何情况电感值都比其要低。因此，可以求得Lm，

式中，fs表示开关频率（本设计fs＝67 kHz）；KRF表示纹波系数，对于连续模式CCM中KRF＜1取0.45。根据公式：

可知，开关管MOSFET上的峰值电流为：

开关管MOSFET电流有效值为：

（4）确定变压器的合适磁芯以及初级匝数的最小线圈防止变压器磁芯饱和

在计算变压器铁芯时采用最常见的AP法，其窗口大小为：

式中，Aw为窗口面积；Ae为磁芯截面积；ΔB为磁通最大摆幅取（0.3 T～0.5 T）。

防止磁饱和的最小初级匝数：

变压器初级与次级匝数之比为：

根据初级匝数与次级匝数关系可知：

辅助绕组与次级绕组的匝比关系为：

（5）变压器绕组导线直径的确定

初级绕组导线直径公式为：

式中，IP表示初级电流；J表示电流密度，一般取3～4 A／mm2，这里取3 A／mm2。

根据所求直径求得截面积，初级采用直径为0.3 mm漆包线铜线，次级采用直径为0.3 mm漆包线铜线双线并饶（可以有效防止集肤效应），辅助绕组采用与次级绕组相同的线径铜线双线并绕。

2.3 反馈网络设计

输出反馈采用电流控制模式，反馈回路的传递函数［3－7］为：

设计反馈回路的主要依据是极值条件下能满足稳定性需求，在其他条件下也能满足稳定性需求。因此在连续模式下设计反馈回路，穿越频率应设置在1／3右半平面零点上，降低右半平面零点的影响。补偿网络的零点设置在穿越频率的1／3处。反馈网络增益应该满足需求，根据调试情况选定。反馈网络的调试结果如图5所示。

图5 反馈网络

3 实验与分析

通过单相调压器在不同电压值下测试了恒流电源的基本性能，参数测试值记录于表1中。根据实验记录数据绘制了伏安曲线、效率曲线、功率因数曲线图形，直观地反映出不同电压状况对其性能的影响和变化趋势，具体如图6所示。

由图6（a）可以看出电源输出电流值与市电输入电压成正关联（设计输入电压范围内），其线性调整率为3%；图6（b）可以看出效率正关联输入电压，在设定电压范围内，达到90%以上，实现了高转化效率，达到节能的目的，其线性调整率为1%；由图6（c）可知功率因数与输入电压负关联，其线性调整率为2.8%，额定值附件接近0.94，系统具有稳定的高功率因数。从实验数据和绘制图形趋势，可以看出设计的恒流电源具有稳定的、高性能的电气特性。

表1 基本性能参数

图6 电气特性图

图7为恒流电源额定输入时的测量波形，其中U为输出电压，I为输出电流，Feedback为反馈信号测量波形。测量电流有效值为1 V，折算为实际电流峰值约为338 mA，谷值约为297 mA，有效值为316.4 mA，输出电流纹波率为13%，由此可知恒流电源具有高质量的稳定输出电流。

图7 输出电流实验波形

样机实验结果满足了恒流电源设计目标的低纹波、高功率因数、高效率、高安全性能的要求。

4 结 论

本文分析了基于SD4843P控制芯片的12 W恒流电源的反激电路，AC－DC模块、反馈网络等模块的工作原理，给出了相关电路参数的详细设计过程。

样机实验结果表明流过LED的平均电流稳定在316 mA，进而保障LED亮度的稳定。恒流电源在交流190～230 V输入电压状态下，功率因数都在0.938以上，转换效率高达91%，实现了恒流电源驱动的高转换效率和稳定优质的电气性能。

［1］ 陈 为，王小博.一种具有多路LED自动均流功能的反激式集成变换器［J］.中国电机工程学报，2012，32（30）：30－36.

［2］ 罗全明，支树播.一种高可靠无源恒流LED驱动电源［J］.电力自动化设备，2012，32（4）：58－62.

［3］ 骆康城.大功率LED驱动研究［D］.杭州：浙江大学硕士论文，2013：26－38.

［4］ Jaber Hasan.Topics on Light－Emitting－Diode driver research［D］.Arkansas：University of Arkansas，2012.

［5］ 沈 霞，王洪诚.基于反激变换器的高功率因数LED驱动电源设计［J］.电力自动化设备，2011，31（6）：140－143.

［6］ 徐根达，赵和昌.一种高效大功率LED驱动电源设计［J］.电源技术，2011，7：811－813.

［7］ 赵之辰.可调光大功率LED驱动器的设计［D］.南京：南京理工大学硕士论文，2014：22－38.