基于iW1706反激式開關電源的設計

付賢松，劉雅楠，桑若愚，張金健，牛萍娟

(1.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津300387；2.天津工業大學電子與信息工程學院，天津300387；3.天津工業大學大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心，天津300387；4.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室，天津300387)

基于iW1706反激式開關電源的設計

付賢松1,3,4，劉雅楠2,3，桑若愚1,3，張金健2,3，牛萍娟1,3,4

(1.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津300387；2.天津工業大學電子與信息工程學院，天津300387；3.天津工業大學大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心，天津300387；4.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室，天津300387)

基于芯片iW1706設計了一款反激式開關電源，用于驅動LED。iW1706是一種高性能AC/DC離線電源控制器，利用初級側感測技術和準諧振操作，提供了過壓、過流保護。闡述了該芯片的工作原理及特點，基于iW1706設計出一款具有寬電壓范圍輸入(AC 85～265 V)、輸出電流恒定在330 mA、輸出功率為5 W的開關穩壓電源。給出了變壓器的設計過程及主要元件參數的計算方法。實驗結果驗證了該設計的正確性，電路中使用了較少的元件，達到了穩定的電流輸出。關鍵詞：開關電源；iW1706；準諧振；反激式

近幾年來，反激式開關電源在中小功率用電器中得到了廣泛應用，這標志著開關電源技術逐漸成熟，越來越多的領域都開始采用開關電源，LED照明領域也不例外[1]。然而，LED驅動電源的要求也在不斷提高，高效率、安全隔離、輸出穩定、控制精度、體積小、成本低等成為LED驅動電源的關鍵評價指標[2]。本文基于iW1706芯片特性，設計了一款離線型反激式LED驅動電源，并且提供過壓、過流保護，外圍元器件較少，開關管使用價格相對便宜的雙極型晶體管，降低了設計成本。

1 芯片簡介

iW1706采用5引腳的SOT-23封裝，引腳配置如圖1所示。圖中：VSENSE引腳是變壓器輔助繞組感測信號輸入端，用于初級調節；ISENSE引腳是初級電流檢測端，用于控制峰值電流；OUTPUT引腳為驅動信號輸出端，用于驅動芯片外部的雙極型晶體管基極。

圖1 iW1706的引腳排列

iW1706是一款高性能的AC/DC電源控制器，其內部集成了啟動和輸入電壓檢測電路、反饋信號調節電路、D/A轉換電路、過流保護比較器、峰值電流限制比較器、雙極型晶體管基極驅動器等。

iW1706利用數控技術構造了峰值電流模式的PWM反激式電源，它只用輔助供電繞組就可以實現次級電壓反饋，從而省去了大多數開關電源必需的次級取樣和光電耦合電路，同時也省去了復雜的反饋補償網絡，從而簡化了EMI設計[3]，降低了電路制作成本。

2 基于iW1706的LED驅動電源

采用iW1706設計的LED驅動電路如圖2所示。

圖2 基于iW1706的LED驅動電源電路

本文所設計的電路是一種基于反激式拓撲結構，在DCM模式下工作的LED驅動電源。設計要求為：AC輸入范圍為85～265 V寬電壓輸入范圍，在330 mA的穩定電流輸出下，用于驅動5個1 W的串聯LED，輸出電壓為15 V。其主要的電路組成和工作原理如下：

(1)輸入保護：保險絲FR1的作用是防止開通瞬間沖擊電流過大燒毀其他元器件，起到保護作用。

(2)EMI濾波：電感L1與電容C1、電容C2構成差模濾波器，衰減差模干擾，同時增強了抗浪涌的能力。與次級端二極管D3并聯的C5和R8組成吸收電路，可以整流并且限制尖峰電壓，減小干擾噪聲對外界的輻射。

(3)RCD鉗位電路[4]：當反激變換器功率開關管關斷時，由于漏感的影響，將引起電壓尖峰，對功率管造成損害。鉗位電路由C3、R4、D1組成，功率開關管Q1截止，漏感釋放能量，D1的作用是單向導電，給C3充電，然后D1截止，R4的作用是在Q1導通時，將C3上的電荷釋放掉一部分，使得C3上的電壓保持相對恒定[5]。

(4)供電電路：輸入的交流電壓經過濾波整流后轉換成直流電壓，經過R2、R3對電容C4充電，當達到芯片內部啟動閾值電壓后，芯片開始工作。此后轉為由輔助繞組經過R10限流，D2整流，C4濾波后給芯片供電。

(5)初級側反饋與恒定LED電流操作電路：iW1706采用初級側反饋，無需次級側感測和光耦合器。T1輔助繞組(匝數為AUX)上的電壓AUX是輸出電壓發射的結果。T1輔助繞組上的電壓經R6和R7饋送到U1引腳VSENSE，經內部恒流控制電路將輸出電流調節到一個恒定電平上[6]，而不管輸出電壓與否。初級側電流通過電阻R5檢測，以執行峰值電流限制(PCL)和過電流保護(OCP)。

3 電路設計參數及元器件選擇

3.1 磁芯的選擇

開關電源變壓器磁芯大多數是鐵氧化磁芯，它有較高的磁導率、低的矯頑力和高的電阻率。本設計在考慮磁芯時選用Ap法進行計算。Ap法稱為磁芯面積乘積法，設計時先求出磁芯窗口面積和磁芯的有效面積的乘積值[7]，然后加一定的裕度(10%)后選取值相近的磁芯。

根據反激式的拓撲結構，推導出的計算公式為：式中：out為變壓器的輸出功率max為最大導通占空比；為變壓器的預期效率；為分配給初級繞組的面積，通常為0.5 mm2；為初級等效串聯電阻電流和平均電流之比，在非連續反激模式中一般取0.55～0.65；為窗口填充系數，一般取0.4；為電流密度，一般取3～10 A/mm2；max為最大工作磁通密度，反激式一般取0.12～0.15 T[8]；為開關工作頻率，根據iW1706芯片手冊，得知其工作頻率為72 kHz。

最大占空比可表示為：

計算出值后，通過查閱廠商提供的磁芯參數表就可以選出適合的芯片，實驗中選用EE型磁芯，經查閱發現EE13的值為570 mm4，最接近設計值，所以最終采用EE13型磁芯。

3.2 變壓器參數計算

初級峰值電流為：

初級電感量為：

由于已經計算出磁芯選用EE13型號，所以根據參數資料可以知道EE13的值，經過計算最后得出初級繞組的匝數為193匝，實驗室調整為188匝；初級峰值電流為0.207 A；初級電感量為3.4 mH。設變壓器初級匝數與次級匝數的比值為，根據變壓器磁復位基本原理，則有：

3.3 開關管的選擇

芯片iW1706的OUTPUT端被連接到外部雙極型晶體管的基極。雙極型晶體管上面所承受的電壓主要由三部分組成：初級側主線電壓，次級側的反射電壓和漏感引起的尖峰電壓。可通過以下公式計算：

式中：in_max是輸入總線最大電壓，為373 V；是初級與次級匝數比，經前文計算得出為6.7；0是輸出電壓，為15 V；最大尖峰電壓估算為100 V[9]。由此可得，ce_max=573 V。因此選用耐壓值為650 V的雙極型晶體管TSC13003。

3.4 VSENSE引腳分壓電阻R6和R7的參數計算

設iW1706電源電路中輸出整流二極管D3的壓降為0.6 V，次級繞組上的電壓為=15 V+0.6 V=15.6 V。輔助繞組上的電壓為AUX=(AUX/)·。又因為AUX=ref·(6+7)/7，所以最后可得到：

3.5 ISENSE檢測電阻R5的參數計算

輸出電流可以表示為：

式中：dis為去磁時間，為開關周期，在恒流模式下它們的比例保持一個常數；ISENSE為SENSE引腳限壓極限值，根據iW1706手冊，其值為1 V。經計算最后得出，5=0.185(/)/0，電路所設計的恒流輸出為330 mA，由此算得5=3.76Ω。

4 測試結果

為了核實所設計的基于iW1706的反激式開關電源的性能，繪制了它的印刷電路板(PCB)。所設計的開關電源的實物如圖3所示(左圖為底部，右圖為頂部)。

圖3 設計開關電源的實物圖

所設計的電路的成敗在于輸出電流是否可穩定在330 mA，驅動5個1 W的LED。當輸入電壓為220 V(AC)時，開關管Vce波形如圖4(a)所示；330 mA的恒流輸出波形如圖4(b)所示；圖4(c)顯示了當輸入電壓為90 V(AC)，驅動5個LED時，整個系統的輸出電壓情況，從圖中可以看出用萬用表測出的輸出電壓為15.304 V。

5 總結

本文設計了一款基于iW1706的反激式LED開關電源，用于驅動5個1 W串聯LED。介紹了整個電路的工作原理以及變壓器和重要元器件參數的設計計算。所設計的電路輸入電壓范圍為85～265 V(AC)，輸出電流穩定在330 mA，通過驅動5個1 W串聯LED的實際電路驗證了設計的可行性。

圖4 測試結果

[1]陳元燈.LED制造技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2007：5-7.

[2]毛興武.新一代綠色光源LED及其應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2008：10-15.

[3]周志敏，周紀海.開關電源實用技術——設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007：214-225.

[4]樊永隆.反激式變換器中RCD鉗位電路的設計[J].電源技術應用，2006，12：47-49.

[5]陳家洸，徐龍祥.RCD鉗位反激變換器的設計與實現[J].電源技術應用，2002，10：521-523.

[6]張占松.開關電源的原理與設計[M].2版.北京：電子工業出版社，2004：109-150.

[7]PRESSMAN A I.開關電源設計[M].王志強，譯.2版.北京：電子工業出版社，2010：215-217.

[8]姬海寧.高頻開關電源變壓器的優化設計及其應用[D].成都：電子科技大學，2003.

[9]靳文匯，范蟠果.一種反激式開關電源變換器改進設計方法研究[J].電力電子技術，2009，43(1)：62-63.

Design of flyback switch power supply based on iW1706

FU Xian-song1,3,4,LIU Ya-nan2,3,SANG Ruo-yu1,3,ZHANG Jin-jian2,3,NIU Ping-juan1,3,4

Flyback switch power supply was designed based on iW1706 and used to drive LED.iW1706 was a high performance AC/DC off-line power supply controller.The primary side sensing and quasi resonant operation were used,and the over voltage,over current protection were provided.The main feature and principle of iW1706 were introduced.A switch power supply of the wide voltage range input(AC 85～265 V),the output current of constant 330 mA,the rated power of 5 W was designed basing on iW1706.The transformer design and calculation of main parameters were given.The experimental results demonstrate the feasibility of the design,fewer components in the circuit is used and a stable current output is achieved.

switch power supply;iW1706;quasi resonant;flyback

TM 571

A

1002-087 X(2015)03-0594-03

2014-08-15

付賢松(1976—)，男，浙江省人，博士，副教授，主要研究方向為大功率白光LED驅動芯片及驅動電源設計。