LED驱动电源的单极PFC反激式开关电源.docx

LED驱动电源的单极PFC反激式开关电源方案LED驱动电源要求在5W以上的产品都要求高功率因素，低谐波，高效率，但是因为又有体 积和成本的考量，传统的PFC+PW的方式电路复杂，成本高昂，因此在小功率（65W左右）的 应用场合一般会选用单极PFC的方式应用，特别是在T5,T8等LED驱动电源得到广泛的应用，并成 为目前的主流应用方案。目前市面上的PFC有很多，下面以市面上得到广泛应用的LD7591及其升级版本LD7830,主要用LD7830来做说明介绍。一、介绍：LD7830是一款具有功率因素校正功能的 LED驱动芯片，它通过电压模式控制来稳定输 出且实现高功率因素（PF）与低总谐波失真（THD）特性。LD7830能在宽输入电压范围内应用，且 保持极低的总谐波失真。LD7830具备丰富的保护功能，如输出过压保护（OVP），输出短路保护（SCP），芯片内置过温保护（OTP），Vcc过压保护，开环保护等保护功能令LED驱动电源 系统工作起来更加安全可靠。LD7830在LD7591的基础上增加了高压启动，OLP保护功能和软启动功能，使系统的待机功耗更低至0.3W以下，同时短路保护更加可靠。、LD7830 特点：内置500V高压启动电路高PFC功能控制器高效过渡模式控制宽范围UVLO （16V开，7.5V关）最大250KHZ工作频率内置VCC过压保护内置过载保护（OLP）功能过电流保护（OCP）功能500/-800mA驱动能力内置8ms软启动内置过温保护（OTP）保护三应用范围:AC/DC LED照明驱动应用65W以下适配器fVA-4四、典型应用 图一五、系统设计LD7830的典型应用为反激拓扑结构，如图一所示。5.1我们首先介绍LD7830的反激工作原理，假设交流输入电压波形是理想正弦波，整流桥也是理想的，则整流后输入电压瞬时值Vin可表示为：V|N（ t）= F MLelecta ns- «aHC14其中VPK为交流输入电压峰值，VPK=/2XVRMS , Vrms为交流输入电压有效值，FL为交流输入电压频率。再假定在半个交流输入电压周期内LD7830误差放大器的输出VCOM为PKP(t) =冬泓一恒定值，则初级电感电流峰值瞬时值I PKP(t)为：其中IPKP为相对于输入电压初级电感电流峰值的最大值。0 =2X n X FLX t :在反激电路中，当MOSFE导通时，输入电压Vin(t)对电感充电，同时输出电容对负载放电，初 级电感电流从零开始上升，令Lp xlpK® _ Lp xIpKpTon为MOSFE导通时间，Lp为初级电感量，由上式可见，TON与相位无关。假设变压器的效率为1且绕组间完全耦合，当MOSFE关断时，次级电感对输出电容充电和对 负载放电，则：Lsx iPKS (e)倘网即知峥)其中，TOFF为MOSFE关断时间，I PKS( 0 )为次级峰值电流瞬时值，Ls为次级电感量，Vout 为输出电压，VF为输出整流管正向压降，n为初次级匝比，TOFF随输入电压瞬时值变 化而变化。工作电流波形如图二所示，可见，在半个输入电压周期内，只要控制TON固定，则电感电流峰值跟随输入电压峰值，且相位相同，实现高功率因素PF.图二5.2下面将针对反激拓扑结构介绍相关参数设计流程5.2.1首先根据实际应用确定规格目标参数，如最小交流输入电压Vin mi n,最大交流输入电压Vinmax,交流输入电压频率FL,输出电压Vout，输出电流lout，最大两倍频输出电压纹波Vo等。 然后针对目标参数进行系统参数预设计，先估计转换效率n来计算系统最大输入功率；最大输入功率Pin可表示为：Pin =Pout = VoutaIoutel fans com也甲反炖金1G舸曲融)吐帧£ q1=.上 1 W K_= X 丁 Ton+ tqfflpx%p 口+最小开关频率Fsw-min出现在最小输入电压的正弦峰值处。系统设计中，最小开关频率Fsw-min 般设定在35kHz或更高。确定变压器反射电压VOR反射电压定义为：VOR=n(Vout+Vf)，VOR的取值影响MOSFET与次级 整流管的选取以及吸收回路的设计。5.2.2变压器设计首先确定初级电感量，电感的大小与最小开关频率的确定有关，最小开关频率发生在输入电压最小且满载的时候，由公式推导有：VPKMN 胎X呼甩断怕刑 ilelxg其中Ko定义为输入电压峰值与反射电压的比值，即般说来Ko越大PF值会越低，总的THD会越高。4P0确定初级电感量LP后，就该选择变压器磁芯了，可以参考公式AP=Ak AW选取，然后根据选定的磁芯，确定初级最小绕线圈数Npmin来避免变压器饱和，参考公式：Np二心如M屁卅伽翅£w4.然后确定次级绕组匝数，初次级的匝比由VRO决定：-vQR_ 则 *旦电才奴挠艮comj同理推导并根据规格书定义的 Vcc电压可以得出Vcc绕组的匝数，LD7830的Vcc典型 值设定在16V。定义：LP:初级电感量NP:初级匝数IPKP:初级峰值电流BM:最大磁通饱和密度AE:磁芯截面积Po:输出功率 5.2.3初级吸收回路设计当MOSFE关断时，由于变压器漏感的存在，在MOSFET勺漏端会出现一个电压尖峰，过大的电压加到MOS管的D极会引起MOS击穿，而且会对EMI造成影响，所以要增加吸收回路 来限制漏感尖峰电压。典型的RCD吸收回路如图三所示:V+f R1f 81KC1 2200pFD1FR107T1LD7830 GateE&N 电 g图三RCD回路的工作原理是:当MOSFET勺漏端电压大于吸收回路二极管极 D1阴 极由压 管D1导通，吸收漏感的电流从而限制漏感尖峰电压。设计中，缓冲电容Vsn极电二 要设定得比反射电压VRC高50-100V，如图四所示，称为漏感电压,低，设计太低将增加RCD吸收回路功耗。缓冲电容C1的设计根据能量平衡，C ._ L yIpkpiw'XBVdss开关管电压余量町0勇|J,杂散电感的孩日勺电压VsnYin maxeledantcom老皆板扯超图四IPKPMAX为全电压范围内IPKP的最大值，缓冲电容C1SN要承受大电流尖峰，要求其等效串 联电阻ESR很小，R1根据功耗选择合适的W数，阻值一般在47K-120K之间，PR1>S，吸收回路二极管D1通常选择快恢复二极管，且导通时间也要求快，反向击穿电压要求大于 选择的MOSFET的击穿电压BVDSS 一般在65W以下应用场合选用额定电流1A的快恢复 二极管作 为吸收回路二极管。5.2.4 MOS管的选取开关管MOSFE最大漏极电流IDMAX应大于开关管所流过的峰值电流IPKP至少1.5倍，MOSFET勺漏源击穿电压（参考图四）BVDSS应大于最大输入电压，VOF以及漏感引起的尖峰之和， -般应留至少90%勺余量。BV dss x°9: e纺 fjMtgdrn"。耘泌ru-5.2.5次级整流管的选取考虑一定的裕量，次级整流管 D最大反向电压VRM需满足:因为反激式开关电源次级整流二极管只有在电源Toff的时候才会导通，输出在导通时必须能够承受整个输出电流的容许值。输出二极管需要的最小正向导通峰值电流为：lfps= (2 lout)/( 1 -Dmax)Dmax为工作周期，如果设定Dmax为0.5贝U lfps>4lout5.2.6输出电容的选取输出电容电压通常呈现两种纹波，一种是由高频输出电流引起，主要与输出电容的等效窜连电阻（ESR）大小有关，另外一种是低频纹波，为了获得较高的PF值，环路带宽通常较窄，因 此输出不可避免地出现较大的两倍输入电压频率纹波，其值与电容大小有关，一般说来低频纹波满足要求时，高频纹波因为电容等效ESR够小，可以忽视。电容的容量可以参考各个厂家的规格书（一般选用高频低阻型）选用，根据产品的实际工作温度，电压和考虑产品的MTBF 选取合适的电容系列型号。5.2.7 IC主要外围参数选取cccqRolnrfnHtrnm也孑反拢亘elpcfOHtcom 7 z* * -图五Fine tuning R 抚 口今 Vcomp is 3.9*4.1V at fulload minirnum input voltagtpnditionRZCD=RzcdMax Ton佝pJSuggestion32K<R 28K<RZCO<32K佝36K30K24K<RZCO<28K107pS26K20K<Rzcd<24K9"S22K16K<Rzcd<20K8.0gS18K:12K<RzCD<16K7"S14K8K<RzcD<12K6如S10KRzcd'aSK5.8pS eie电一f<AKcom 电 a0.5bKP50-5 E2 btiRS<527.2 Cs Pin参数选取R1与C1为用来滤除突波的滤波器R1:100?300?C1: 100PF470PFOU T图六5.2.7.3 RZCDIksnStart Turn*on SignalTinner图七 0.25<VZCd=vledaxvcsaoffIZCD<1lOpA0.5VIZCD>440pA0.35V aljBcfans com $R9R8 + R9<5.6六、用LD7830和LD8105做的24V 0.7A的实际应用实例6.1.电路：3Cele<fartSCOm 屯*图八6.2.实际测试相关参数：6.2.1空载功耗在输入AC264V 为 0.29W,低于 0.3W图九VIN. AC VS. PFvin. AC jv)eij&cfdns com 电寻五忧成622效率和PF值曲线ju卑w(J88,087.5S7. 086.586.086.5B5. 084.584.083.583.0VIN, AC vs. Efficiency图十 krH口* 占囊“札623 CV-CC曲线以及说明Led照明驱动电源必须以恒流CC模式和恒压CV模式来控制，由于LED的正向导通压降会随着 焊接面的温度升高而降低，导致LED的电流会增大，使温度升高，从而导致LED的寿命减少，甚至可能会造成产品的损害。所以参考图八电路，次级部分采用了 LD8105来做CV/CC模式 控制，LD8105是一款高精度的CV/CC模式控制IC，与其它同类IC比较具有电流检测电压低，Vcc输 入电压比较宽，工作电流小等特点，从而可以提高整个系统的效率和应用范围。lout mA图11本文的目的是为了进行类似电路设计的开发人员或者准备用类似线路做设计的人员提供一个基本 设计的参考资料，希望本文中一些经验能够帮到大家。