【设计大赛】一种100 W LED路灯驱动电源设计

  参赛类型：LED电源类

一种 100 W  LED路灯驱动电源设计 

摘 要 ：设计了一种恒流型 100 W  LED 路灯驱动电源。该电源采用反激拓扑输入220 V/50 Hz的交流电，能够实现稳定的恒流输出，开路状态下具有限压保护功能。与传统的LED驱动电源相比，该电源兼顾了高效率和功率因数，同时简化了电路结构，降低了成本 。在此对该驱动电源的电路进行简要介绍，分析了恒流原理，同时阐述了变压器的设计方法，最后搭建的样机满载效率达到功率因数达到85% 以上，带灯后恒流输出电流3 A，纹波小于60 mA 。

1、引言：LED照明登以其独特的优点（寿命长、节能、亮度高）深受人们的亲睐，并迅速发展成为一个行业。传统的LED驱动电源实现电压变换、功率因数校正和LED亮度调节需要2变换电路，存在效率低、谐波大和造价高等缺点。

目前的LED驱动电源主要有线性稳压源、开关稳压源、开关恒流源。线性稳压源的优点是电路简单，成本很低，缺点是效率低、温升高、体积大：开关恒流源的优点是效率高、体积小、LED亮度稳定，缺点是对元器件要求高。开关恒流源又分为反激电源和谐振电源，谐振电源效率相对较高，但成本也较大。但是作为路灯照明电路，要求是：适应恶劣环境，稳定高，简单。无闪烁等。因为电路功率较大，整体亮度高，但对LED并联的亮度一致性要求不高，采用反激式结构的开关电源不失为最佳选择。

2、系统结构 

为了减少电网谐波，传统大功率 LED驱动电源一般由 APFC+DC/DC变换器构成通常这样的两级结构效率不超过 85% ，同时成本也会增加 。因此采用无源PFC反激变换拓扑，结构如图1。

EMI滤波采用的是标准的电感电容连接的方式，抑制了交流电网的的高频干扰和电源对交流电网的干扰。PFC电路输出的能量经高频变压器输出给次级电路。功率MOSFET的选取需要考虑功率管的耐压及变压器的初级电流。

该LED 的驱动采用电流模式PWM控制器UC3843A作为主控芯片，。主拓扑采用反激式结构变换拓扑，通过控制开关管的的开段，将变压器储存的能量传送到负载和输出滤波电容。

3    设计原理     

3.1   反激变换原理   

该设计采用图2的原理。其工作原理是：开关管导通时，变压器储存能量，负载有输出滤波电流提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容提供给负载电流是消耗的能量。

 3.2    变压器设计 

变压器的设计是驱动电源设计的关键 ，首先 取 整 流 桥 后 的 低 频 纹 波 为 20 V ，则 最 低 输 入 直 流电压 U dcmin = 2 ^(1/2) U -20 。 设  Uo  为设计要求的输出直 流 电 压 ，f为 功 率 管 开 关 频 率 ，Ae为 磁 芯 截面积 ，根据变压器磁芯的伏秒数守恒 可得 ： 

一般去Bmax=0.2T，得到Np，联合2式得到Ns。

定义 CCM 下的连续深度 K =0.6 ，即斜坡电流与 峰值电流的比值 ，一个周期电流的平均 值为 ：

由上述得到了初级、次级电流有效值，以此来确定线圈的线径。初级励磁电感Lp=UminTon/（KIp），根据安 培环路定理有 ：

至此实现了高频变压器的设计。

3.3、 恒流设计

由TSM101C来实现。 TSM101C包含1.2V的带隙电压基准源、两个集成运放以及一个电流源，分别将环路电压采样和电流采样信号与内部的参考值进行比 较。通过误差放大器输出一个反馈信号，经过光耦传递给初级的PWM控制器UC3843A,控制开关的导通时间，进而实现了精确的电压调节和电流限制。

参考文献

蒋孝平 PFC在LED照明电源中的应用研究

刘奥 路灯电路驱动电源设计

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