基于原邊反饋方式的小功率LED驅動電路設計

文中應用高性能離線式PWM控制器OB2532，設計了一款小功率LED驅動電路，電路采用原邊反饋方式。與傳統的副邊反饋相比，原邊反饋驅動電路省去了光耦和TL431芯片，降低了成本，提高了系統的可靠性。所設計的LED驅動電路具有恒壓恒流控制特性。實測的結果來表明：4個1 W的白光LED正常工作，亮度非常高，測試參數達到設計要求。

LED照明因其節能、環保和壽命長等特點，成為未來照明的發展趨勢。LED燈不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電，它需要低壓直流驅動，因此必須設計復雜的電源變換電路。LED的壽命和驅動電源有很大的關系，驅動電源供電不穩定，導致LED發光效率降低，壽命縮短，顏色發生變化，甚至燒毀。此外，轉換效率、恒流/恒壓精度、電源壽命、電磁兼容等要求也是設計LED驅動電源必須考慮的因數。文中設計出一款AC/DC的LED恒流源驅動電源，采用原邊反饋方式，與傳統的副邊反饋的光耦加TL431的結構相比，其最大的優勢在于降低了成本，提高了系統的可靠性。

1 LED驅動電源工作原理

PWM(Pulse Width Modulation)調制方式是開關功率變換器中最常采用的方式，通過反饋端的反饋信號和基準信號的差值與內部產生的鋸齒波進行比較，然后輸出恒頻變寬的方波信號對功率開關管進行控制，可以依據負載快速調節開關管的導通時間，從而穩定輸出電壓。

開關電源變換器從控制模式上可分為兩類：電壓控制模式(Voltage control Mode)和電流控制模式(Current Control Mode)。電壓控制模式的基本原理就是通過將誤差放大器的輸出電壓與一個鋸齒波進行比較，產生控制用的PWM信號。PWM電壓模式的控制原理圖如圖1所示，其原理為：采樣電阻R1和R2檢測輸出電壓Vo，并將其輸入誤差放大器EA與參考電壓Vref進行比較，放大的誤差電壓Vea輸入到PWM電壓比較器(脈寬調整器)。PWM電壓比較器的另一個輸入是周期為T的鋸齒波。Vea與鋸齒波進行比較，當鋸齒波電壓高于Vea的時，PWM電壓比較器的輸出由高電平轉化為低電平，Q1關斷，以此來調節Q1的導通時間，保證輸出電壓恒定。

電流控制模式是在電壓控制模式的基礎上，增加一個電流負反饋的環節。圖2為PWM峰值電流控制模式的原理框圖。PWM電壓比較器的輸入由電壓控制模式中的鋸齒波信號換成了對電流采樣值轉換成的電壓Vs(=IQ1xRS)，比較器的另一端仍然是輸出電壓采樣值與參考基準的誤差放大值Vea。每個周期開始時，脈沖信號控制將開關開啟，流過開關和電感的電流增大，當電流增大到Vs超過Vea時，觸發器R端置高電位，開關被關斷。如果輸入電壓VDC增大，則開關導通時Vs上升速度加快，Vs超過Vea所需要的時間縮短，于是開關管導通時間Ton被縮短;反之輸入電壓VDC減小，則Vs超過Vea讓PWM控制信號翻轉所需時間更長，開關管導通時間Ton增加，維持對負載提供的能量大小。

2 方案的選擇

LED的伏安特性和一般的二極管伏安特性非常相似，電流呈很陡的指數上升，所以電源電壓微小的變化會引起正向電流較大的變化。目前，LED發光效率還是比較低，大部分的輸入電功率都是轉化為熱能，所以它的發熱很高。因為LED的伏安特性的溫度系數是負的，結溫升高引起伏安特性曲線左移，其結果是正向電流增加。正向電流增加以后，在電源電壓相同的情況下，LED的輸入功率增加。但結溫升高以后，光輸出會降低，這意味著更多的輸入功率轉換為熱能，即增加正向電流，它的光輸出量并不增加，反而降低，這導致結溫升高的惡性循環。因此，采用恒壓電源供電會使結溫升高，光衰加大，壽命縮短。綜上所述，本設計采用恒流源驅動方案。

原邊反饋方式的AC/DC控制技術是最近10年間發展起來的新型開關電源控制技術，與傳統的副邊反饋光耦加TL431的結構相比，其最大的優勢在于省去了這兩個芯片以及與之配合工作的一組元器件，這樣就節省了系統板上的空間，降低了成本并且提高了系統的可靠性。OB2532是一個原邊反饋方式的高性能離線式PWM控制器，采用原邊反饋技術替代以前由芯片PC817和TL431組成的反饋環路，減小電路體積。同時，芯片集成了專有的恒壓恒流控制，其引腳說明如圖3和表1所示。

3 電路設計

基于OB2532的LED驅動電路如圖4所示。輸入的220 V交流電壓經VD1-VD4整流和電感L1，電容C1、C2濾波后，變為直流電壓加到變壓器的原邊線圈，再接到MOS管VT的漏極。變壓器的輔助繞組N2經過整流二極管VD5、濾波電容C3后為OB2532提供電源(開始是由變壓器原邊⑥處的較高直流電壓經電阻R1、R2降壓提供)，同時輔助繞組N2和電阻R3、R4還為OB2532的反相端INV提供取樣反饋電壓。連接VT管源極的電阻RS將檢測得到的電流信號加于電流檢測輸入腳CS。在INV端反饋電壓信號和CS電流信號的控制下，對VT管的柵極驅動信號的脈沖寬度進行調整，即通過PWM使電源和電流保持恒定。由VD6、R5、C5組成的緩沖網絡，可以使反峰電壓通過二極管VD6及電阻R5來消耗其能量，降低反峰電壓，以免在開關的過程中繞組N1上出現過高電壓，損壞VT管。在變壓器的副邊，交流電壓經二極管VD7整流、電容C6濾波，得到恒定電壓和電流來驅動發光二極管LED。這個電路的優點是原邊反饋控制，不用加光耦和穩壓源TL431，降低了成本。本次設計驅動4個1 W的LED二極管。

4 電路測試

4.1 原邊反饋特性測試

在圖4中，N2經VD5整流、C3濾波為IC提供電源，同時N2還為反相端INV提供取樣反饋電壓。所以要進行原邊反饋特性測試，就要測試OB 2532的INV端，即測試點③。變壓器原邊次級線圈③點的波形如圖5所示。波形雖然有些毛刺，但很好地反映了開關管的導通和關斷。

由電路圖4可知，測試點⑥即是整流、濾波后的直流電壓，用萬用表的1 000 V直流電壓檔測量。測試點⑦與OB2532的VDD引腳相連，即為芯片的供電電壓，用萬用表的20 V直流電壓檔測量。在實際操作時，還要注意接地點的選取。在圖4中共有9個接地點，其中變壓器原邊有7個，副邊有2個。副邊作為輸出直接驅動LED，所以原邊副邊的接地點是不同的，因此在圖4中以不同的符號表示。但是各邊的接地點則是相同的，這里選取電容C3的接地點。具體測量結果如表2所示。

4.2 副邊輸出信號波形

圖4中的測試點②，即變壓器副邊輸出在經過二極管濾波之前的信號是關鍵的測試點。用Tektronix TDS21060 MHz 1GS/s的數字示波器進行波形測試，接4x1 W LED作為負載。得到波形如圖6，可知波形規整，達到設計要求。

4.3 輸出參數測量

首先運用定電阻(CR)模式的電子負載來測試電流電壓參數。具體操作如下：可以先用萬用表直流電壓檔測出輸出端Vo電壓.即負載為無窮大(開路)的電壓，這里為11.70 V，查閱相關資料，得LED的標稱電流為370 mA，由此可計算出負載約為32，故電子負載在此基礎上進行調試。測試結果如表3所示。

從實測的結果來看，4個1 W的白光LED正常工作后亮度并不是非常高，其發光效率也沒有達到最高。電路工作于輕負載狀態，所以要進一步調試，提高發光亮度。這里仍然使電子負載處于定電阻模式，并逐步改變電阻，記錄數據如表4所示。

5 結論

文中設計的LED恒流驅動電源，采用原邊反饋方式的電流模式PWM控制，具有體積小，成本低的特點，適合于小功率LED驅動電源，諸如臺燈，地燈，小射燈等。通過測試可知，設計的白光LED驅動電路達到設計要求。
來源；21ic