一种分段调光LED电源设计

童飞 李晓春

摘要：本文设计了一款基于原边反馈单级反激拓扑的分段调光LED驱动电源。电源采用单级带功率因数校正的Flyback拓扑，通过墙壁开关触发分段调光控制电路，改变初级侧采样电阻阻值，实现次级LED电流的改变。这种调光方案降低了成本，保持了电源系统的高效率。最后，采用矽力杰的电源芯片SYPH83A，恩智浦的双D触发器74HC74制作实验样机。实验证明， 在额定电压220V满载情况下，测得电源效率为90.5%，功率因数0.977。该方案满足单级原边反馈反激拓扑，调光模式满足分段循环切换且调光无闪烁。

关键词：LED电源 分段调光 原边反馈 单级反激 触发器

中图分类号：TN383 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

LED光源具有光效高和寿命长的特点，因此被广泛应用在家用，商业和工业领域[1]。为了更好地发挥LED照明节能的优点，在LED驱动器中加入调光功能是大势所趋[2]。同时，调光技术也可改善灯光舒适度，延长灯具寿命。目前市面上的LED调光的方式主要有三种：线性调光，可控硅调光和PWM 调光。在低成本家居照明应用里，人们通常更倾向于可控硅调光技术，但可控硅调光需维持电流，且调光易出现闪烁。实际上，满额输出的一半作为调光等级也被认为是一种节能技术而大量采用。因此，分段调光在照明应用中也有相当的好处。

本文提出了一种新的分段调光电路设计，基于原边反馈单级反激拓扑，分析了分段调光控制电路的工作原理，利用墙壁开关触发LED驱动器，实现了LED亮度的分段调节。该方案成本低，不需要特殊调光器，操作简单。最后制作样机并测试，试验结果证明了该电路具有很高的实用价值。

1 原边反馈反激电路工作原理

图1为原边反馈单级反激的LED驱动电源电路图。次级省略的光偶和TL431电路，大大减少了元器件，缩小了电源空间，降低了成本。当开关管Q1导通时，整流二极管D6反向截止，输出电容C3给负载供电，此时变压器T1相当于一个纯电感Lp，流过原边绕组的电流线性增加，斜率为，直至达到峰值Lpp；当开关管Q1截止时，变压器所有绕组电压反向，此反向电压使输出二极管D6导通，原边绕组在开关管导通存储的能量 传送到辅助绕组，给输出电容C3供电，同时给负载供电[3-4]。

反激电路拓扑工作在DCM模式（不连续导通模式Discontinuous Conduction Mode）。Vo的采样主要是通过辅助线圈耦合副边线圈，在Tdis时间内，副边线圈上二极管正向导通，副边线圈电流下降，辅助线圈电压。当开关管Q1截止时，次级续流二极管D1将导通期间存储在变压器中的磁场能量传输到负载，根据电流比方程，有：

其中，Ipp为原边电流峰值，Isp为次级电流峰值，Np，Ns分别为反激变压器原边绕组的匝数和次级绕组的匝数。

输出电容在开关管导通时被充电，断开时给负载供电，其平均电流一直为零。因此平均二极管电流必须等于负载电流，有

其中为反激变压器释放能量的时间。

由式（1），（2）得输出电流ILED为

在图1的电路中，电源芯片的Vcs端口的参考电压恒定，Vcs=Ipp* Rcs ，故原边反馈反激电路的输出负载电流ILED为：

由上式可见，保持续流二极管导通时间和开关管周期的比值不变，变压器匝比Nps不变，输出负载电流可以通过改变原边采样电阻Rcs来调整实际输出。因此，低成本的分段调光功能可以通过改变采样电阻Rcs的大小来实现LED亮度的调节，对这部分功能实现的详细描述见一部分。

3基于原边反馈反激电路分段调光工作原理

原边反馈反激电路拓扑工作在DCM模式，实现了驱动电源的高功率因数、高效率。基于这种电路拓扑，设计并实现了LED灯具墙壁开关的分段调光功能。调光主要是通过调节流过LED负载的电流大小来改变LED的亮度，由本文的第三部分可知，增大原边采样电阻Rcs可以降低LED驱动电源的输出电流。图2中，并联在 R5端的两个采样电阻R6，R7分别接N沟道MOS管M2，M3。开关管M2，M3的驱动信号M1，M2可以改变原边采样电阻实际阻值的大小。

第一次闭合墙壁开关S1时刻前，Q1，Q2均为低电平，引脚DATA1，DATA2则均为高电平。闭合墙壁开关S1，辅助绕组线圈给双D触发器Vcc引脚供电，引脚SET1，SET2，RESET1，RESET2变为高电平，引脚CLOCK1 有上升沿信号，根据图3真值表，Q1输出为高电平，此时，引脚CLOCK2 出现上升沿信号， Q2输出为高电平。MOS管M2，M3导通，原边采样电阻R5，R6，R7并联，由公式（5），可知流过负载LED电流最大，亮度最高。

断开墙壁开关，引脚DATA1，DATA2保持为低电平，第二次闭合墙壁开关S1，引脚SET1，RESET1变为高电平，引脚CLOCK1 有上升沿信号，根据图3真值表，Q1输出为低电平，此时，引脚CLOCK2 出现下降沿信号， Q2输出保持为高电平。MOS管M2导通，M3关断，原边采样电阻R5，R6并联，由公式（6），可知流过负载LED电流变小，亮度变暗。

断开墙壁开关S1，引脚DATA2为低电平，DATA1为高电平， 第三次闭合墙壁开关S1，引脚SET1，RESET1变为高电平，引脚CLOCK1有上升沿信号，根据图3真值表，Q1输出为高电平，此时，引脚CLOCK2 出现上升沿信号， Q2输出为低电平，三极管M4导通，Q1变为低电平。MOS管M2，M3关断，原边采样电阻仅有R5，由公式（7），可知流过负载LED电流再次变小，亮度再次变暗。

此调光过程满足三段分段式调光，合理设计原边采样电阻R5，R6，R7，可满足100%，50%，25%循环调节模式。

4系统样机的设计与实验结果

为了验证新型分段调光方案的可行性，设计了一款功率为41W的LED驱动电源，工作范围为100Vac～240Vac，满载输出电流为1080mA。原边反馈反激拓扑的电源控制芯片采用矽力杰的电源芯片SYPH83A，分段调光控制电路中的双D触发器采用恩智浦的74HC74。

LED驱动器性能参数的详细测试结果见表1，驱动器满载工作在五个不同的输入电压下，电源的输出电流恒流率保持在1%以内，且功率因数和系统效率分别达到0.97和91%。

LED驱动器工作在满载工作时的效率为90.5%，在调光轻载输出电流时，效率会降低。但在50%额定LED电流输出时效率仍为83.7%。图4所示曲线为LED驱动器工作在全电压100～240V下，不同输出电流时的效率。

另外，LED驱动电源还满足输出开路，短路保护功能设计。当使电源负载处于开路或短路状态时，电源系统进入保护模式，没有输出。

5结语

本文详细分析了原边恒流控制的原理，提出了一种新的分段调光电路设计思路，最后应用芯片SYPH83A和双D触发器74HC74制作了一款41W的LED驱动器。实验结果表明电源的各项参数都达到了设计要求，并且具有高效率和高功率因数。此外，可兼容原边反馈反激拓扑的电源芯片的使用，可以缩短研发时间，节约成本，节约能源，在照明产品应用中有很大的实用性。在灯具安装时，无需特定的调光器，在固有的家居墙壁开关的操作下，即可实现三段式调光。

参考文献

[1] 廖志凌，阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报，2006，21（9）：106-111.

[2]陈浩，席光，刘胜 等.一种精确调光的LED电源设计[J].电源技术，2011，35（2）：218-220.

[3]普利斯曼，比利斯，莫瑞.开关电源设计[M].3版.王志强，肖文勋，虞龙，等译.北京：电子工业出版社，2010：1-99.

[4]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，2010.5：165-171.