消费类电子产品的设计与制作2011 ( 1 ).2.3.

消费类电子产品的

设计与制作

（讲义初稿）

梅 开 乡 撰写

2011年2月3日

项目2. 一种高效率家用LED灯电源的设计与制作

LED灯因其具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等优点，被日益广泛得到应用。LED灯具价格较高，因为它包括了驱动电源、外壳、电路板和散热板等部件。其中作为LED灯的核心部件的驱动电源，若选用意法半导体公司（ST）的viper12A芯片来设计，可使成本降低到不足10元的水平。

2.1 LED光源的基本特性

家用LED 照明光源选用白光LED,可从世界著名的LED制造商美国科锐公司(CREE)的有关资料了解到,该公司生产的XR—E系列的白光LED，驱动电流在350mA~1A之间，在350mA工作电时的发光效率可达100lm/W，是白炽灯泡发光效率的5倍，完全可以用作家庭照明。通常白光LED在在350mA时电压为2.8V~3.9V之间,典型值为3.3V，反向击穿电压为5V，可视角为900，温度系数为–4mV/0C。用4个这样的LED就可以做成一个家庭LED照明灯，其照明效率达400lm/W，可达到8W荧光灯的照明效果。

2.2 家庭照明LED电源的设计与制作

性能指标要求：工作电压为AC187V~265V，输出电压为自适应电压6V~13.5V，可以随意2~4个白光LED串联使用，输出电流为350mA，带短路保护。

2.2.1 VIPer12A芯片简介

由意法半导体公司（ST）生产的VIPer12A芯片为双列8引脚，引脚图和内部结构图分别如图4（a）、（b）所示。从图4知，VIPer12A芯片是一个单封装的芯片，在同一片芯片上整合了一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应管。第4脚UDD为芯片的供电电源端，第3脚FR为反馈信号控制端，第1、2脚为场效应管的源极，第5~8脚为场效应管的漏极。控制器的工作频率为60KHZ，通过反馈端FR的控制，来进行脉宽调制，从而达到稳压的目的。器件的这种设计方式可以减少组件的数量，降低系统的成本，简化电路板的设计。因此，这个产品家族被广泛地用来设计离线式开关电源。VIPer12A芯片具有下述良好的性能：过热保护自动关断模式；防止输出端短路导致击穿故障的打嗝（HICCUP）保护模式；保证低负载条件下的低功耗工作模式；高压启动电流源以及待机的低功耗（小于1W）模式等。

2.2.2 原理电路设计

采用光电隔离、单端反激式拓扑结构的基于VIPer12A芯片的离线式开关电源如图5所示。

VIPer12A芯片内带有一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应管（MOSFET），当PWM控制器输出高电平时，功率场效应管（MOSFET）导通变压器TF的初级绕组开始储存能量输出电压由变压器次级的输出电容C5来提供，由于工作频率较高，所以输出电容C5不需太大。当PWM控制器输出低电平时，场效应管截止，变压器次级开始向负载释放能量，同时向输出电容C5进行充电，整个过程通过光电耦合U2的反馈支路进行控制。考虑到输出电压太高会引起VIPer12A芯片本身损耗增大，可能导致发热损坏，所以本设计运用低成本的双运放U4（LM358）中的一个（U4-2）设计成电压控制环路，使该电源输出最高电压控制在13.5V左右，能够够快速有效地保护电源工作在可控的范围以内。同时为了控制LED的功耗，本设计又运用双运放U4的另一个（U4-1）设计成电流控制

环路，使LED工作在恒流350mA左右，以满足LED的工作要求，限制其自身功耗。双环路的自动控制可以提高本电源工作的可靠性和稳定性。为了防止产生自激，在两个环路中各自增加了RC补偿网络，如图5所示。启动时由芯片的高压源产生激磁电流，使输出端建立电压，同时变压器的辅助绕组随着输出也建立相应的电压，给VIPer12A芯片供电，开始正常用工作，RS为电流取样电阻，同时有过载保护作用。

（a）引脚图； （b）内部结构图

图4 VIPer12A芯片

图5 LED灯电源原理图

2.2.3 变压器的设计与制作

高频变压器设计是LED灯电源的关键部件，可以通过相关的设计工具来进行设计。由于工作在60KHZ，使用的磁芯都为铁氧体材料，选择材料可按下述公式计算得功率容量AP为：

AP=AwxAe = Pt x106/[2XkoxkcxFoscxBmxJxη]

上式中：

Aw为磁芯的窗口面积； Ae为磁芯的有效横截面积； Pt 为变压器的标称输出功率； Ko为窗口的填充系数； kc为磁芯的填充系数； Fosc为电源的工作频率； Bm为变压器的磁通密度； J为电流密度； η为变压器的工作效率。

本设计取：Pt = 0.35x13.5 =5(W)； Ko≈0.2；kc≈ 1； Fosc=60KHZ；Bm= 1500Gs； J= 5A/mm2。将选取数据代入上式计算得：

AwxAe =0.031cm4

考虑到绕线空间，宜选择窗口面积大一些的铁芯，查有关手册：

选用日本NiceraEI19铁氧体磁芯,，其有效截面积Ae=23mm2；AW=55mm2 ；初始导磁率为2300。可计算得EI19铁氧体磁芯的率容量AP为：

AP=AwxAe =0.23x0.55=0.12cm4> 0.031cm4 满足计算要求（实际上选择以后还需验证调整），变压器的引脚图及外形图如图6所示。变压器各绕组的计算与电源的工作方式、电源的输入电压范围、工作频率、脉冲占空比等诸多因素有关，计算过程比较复杂，而且结果不是唯一的。下面只把某组计算结果列出。

图6 变压器的引脚图及外形图

初级绕组（即输入绕组）P1、P2选用ф0.16mm的高强度漆包线，绕11 …… 此处隐藏：3816字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……