一種分段調光LED電源設計

童飛 李曉春

摘要：本文設計了一款基于原邊反饋單級反激拓撲的分段調光LED驅動電源。電源采用單級帶功率因數校正的Flyback拓撲，通過墻壁開關觸發分段調光控制電路，改變初級側采樣電阻阻值，實現次級LED電流的改變。這種調光方案降低了成本，保持了電源系統的高效率。最后，采用矽力杰的電源芯片SYPH83A，恩智浦的雙D觸發器74HC74制作實驗樣機。實驗證明， 在額定電壓220V滿載情況下，測得電源效率為90.5%，功率因數0.977。該方案滿足單級原邊反饋反激拓撲，調光模式滿足分段循環切換且調光無閃爍。

關鍵詞：LED電源 分段調光 原邊反饋 單級反激 觸發器

中圖分類號：TN383 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

LED光源具有光效高和壽命長的特點，因此被廣泛應用在家用，商業和工業領域[1]。為了更好地發揮LED照明節能的優點，在LED驅動器中加入調光功能是大勢所趨[2]。同時，調光技術也可改善燈光舒適度，延長燈具壽命。目前市面上的LED調光的方式主要有三種：線性調光，可控硅調光和PWM 調光。在低成本家居照明應用里，人們通常更傾向于可控硅調光技術，但可控硅調光需維持電流，且調光易出現閃爍。實際上，滿額輸出的一半作為調光等級也被認為是一種節能技術而大量采用。因此，分段調光在照明應用中也有相當的好處。

本文提出了一種新的分段調光電路設計，基于原邊反饋單級反激拓撲，分析了分段調光控制電路的工作原理，利用墻壁開關觸發LED驅動器，實現了LED亮度的分段調節。該方案成本低，不需要特殊調光器，操作簡單。最后制作樣機并測試，試驗結果證明了該電路具有很高的實用價值。

1 原邊反饋反激電路工作原理

圖1為原邊反饋單級反激的LED驅動電源電路圖。次級省略的光偶和TL431電路，大大減少了元器件，縮小了電源空間，降低了成本。當開關管Q1導通時，整流二極管D6反向截止，輸出電容C3給負載供電，此時變壓器T1相當于一個純電感Lp，流過原邊繞組的電流線性增加，斜率為，直至達到峰值Lpp；當開關管Q1截止時，變壓器所有繞組電壓反向，此反向電壓使輸出二極管D6導通，原邊繞組在開關管導通存儲的能量 傳送到輔助繞組，給輸出電容C3供電，同時給負載供電[3-4]。

反激電路拓撲工作在DCM模式（不連續導通模式Discontinuous Conduction Mode）。Vo的采樣主要是通過輔助線圈耦合副邊線圈，在Tdis時間內，副邊線圈上二極管正向導通，副邊線圈電流下降，輔助線圈電壓。當開關管Q1截止時，次級續流二極管D1將導通期間存儲在變壓器中的磁場能量傳輸到負載，根據電流比方程，有：

其中，Ipp為原邊電流峰值，Isp為次級電流峰值，Np，Ns分別為反激變壓器原邊繞組的匝數和次級繞組的匝數。

輸出電容在開關管導通時被充電，斷開時給負載供電，其平均電流一直為零。因此平均二極管電流必須等于負載電流，有

其中為反激變壓器釋放能量的時間。

由式（1），（2）得輸出電流ILED為

在圖1的電路中，電源芯片的Vcs端口的參考電壓恒定，Vcs=Ipp* Rcs ，故原邊反饋反激電路的輸出負載電流ILED為：

由上式可見，保持續流二極管導通時間和開關管周期的比值不變，變壓器匝比Nps不變，輸出負載電流可以通過改變原邊采樣電阻Rcs來調整實際輸出。因此，低成本的分段調光功能可以通過改變采樣電阻Rcs的大小來實現LED亮度的調節，對這部分功能實現的詳細描述見一部分。

3基于原邊反饋反激電路分段調光工作原理

原邊反饋反激電路拓撲工作在DCM模式，實現了驅動電源的高功率因數、高效率。基于這種電路拓撲，設計并實現了LED燈具墻壁開關的分段調光功能。調光主要是通過調節流過LED負載的電流大小來改變LED的亮度，由本文的第三部分可知，增大原邊采樣電阻Rcs可以降低LED驅動電源的輸出電流。圖2中，并聯在 R5端的兩個采樣電阻R6，R7分別接N溝道MOS管M2，M3。開關管M2，M3的驅動信號M1，M2可以改變原邊采樣電阻實際阻值的大小。

第一次閉合墻壁開關S1時刻前，Q1，Q2均為低電平，引腳DATA1，DATA2則均為高電平。閉合墻壁開關S1，輔助繞組線圈給雙D觸發器Vcc引腳供電，引腳SET1，SET2，RESET1，RESET2變為高電平，引腳CLOCK1 有上升沿信號，根據圖3真值表，Q1輸出為高電平，此時，引腳CLOCK2 出現上升沿信號， Q2輸出為高電平。MOS管M2，M3導通，原邊采樣電阻R5，R6，R7并聯，由公式（5），可知流過負載LED電流最大，亮度最高。

斷開墻壁開關，引腳DATA1，DATA2保持為低電平，第二次閉合墻壁開關S1，引腳SET1，RESET1變為高電平，引腳CLOCK1 有上升沿信號，根據圖3真值表，Q1輸出為低電平，此時，引腳CLOCK2 出現下降沿信號， Q2輸出保持為高電平。MOS管M2導通，M3關斷，原邊采樣電阻R5，R6并聯，由公式（6），可知流過負載LED電流變小，亮度變暗。

斷開墻壁開關S1，引腳DATA2為低電平，DATA1為高電平， 第三次閉合墻壁開關S1，引腳SET1，RESET1變為高電平，引腳CLOCK1有上升沿信號，根據圖3真值表，Q1輸出為高電平，此時，引腳CLOCK2 出現上升沿信號， Q2輸出為低電平，三極管M4導通，Q1變為低電平。MOS管M2，M3關斷，原邊采樣電阻僅有R5，由公式（7），可知流過負載LED電流再次變小，亮度再次變暗。

此調光過程滿足三段分段式調光，合理設計原邊采樣電阻R5，R6，R7，可滿足100%，50%，25%循環調節模式。

4系統樣機的設計與實驗結果

為了驗證新型分段調光方案的可行性，設計了一款功率為41W的LED驅動電源，工作范圍為100Vac～240Vac，滿載輸出電流為1080mA。原邊反饋反激拓撲的電源控制芯片采用矽力杰的電源芯片SYPH83A，分段調光控制電路中的雙D觸發器采用恩智浦的74HC74。

LED驅動器性能參數的詳細測試結果見表1，驅動器滿載工作在五個不同的輸入電壓下，電源的輸出電流恒流率保持在1%以內，且功率因數和系統效率分別達到0.97和91%。

LED驅動器工作在滿載工作時的效率為90.5%，在調光輕載輸出電流時，效率會降低。但在50%額定LED電流輸出時效率仍為83.7%。圖4所示曲線為LED驅動器工作在全電壓100～240V下，不同輸出電流時的效率。

另外，LED驅動電源還滿足輸出開路，短路保護功能設計。當使電源負載處于開路或短路狀態時，電源系統進入保護模式，沒有輸出。

5結語

本文詳細分析了原邊恒流控制的原理，提出了一種新的分段調光電路設計思路，最后應用芯片SYPH83A和雙D觸發器74HC74制作了一款41W的LED驅動器。實驗結果表明電源的各項參數都達到了設計要求，并且具有高效率和高功率因數。此外，可兼容原邊反饋反激拓撲的電源芯片的使用，可以縮短研發時間，節約成本，節約能源，在照明產品應用中有很大的實用性。在燈具安裝時，無需特定的調光器，在固有的家居墻壁開關的操作下，即可實現三段式調光。

參考文獻

[1] 廖志凌，阮新波.半導體照明工程的現狀與發展趨勢[J].電工技術學報，2006，21（9）：106-111.

[2]陳浩，席光，劉勝 等.一種精確調光的LED電源設計[J].電源技術，2011，35（2）：218-220.

[3]普利斯曼，比利斯，莫瑞.開關電源設計[M].3版.王志強，肖文勛，虞龍，等譯.北京：電子工業出版社，2010：1-99.

[4]郭慶明，何云峰，王昌明，等.單端反激式開關電源變壓器[J].電子設計工程，2010.5：165-171.