VIPER12制作LED灯电源

作者：徐伟刚 一、LED光源的基本特性 　　家用LED光源一般均为白光LED，驱动电流在350mA～1A之间。在350mA时发光效率可达到100流明/瓦，完全可以用作家用照明。通常白光LED在350rnA工作电流时的电压为28～3.9V之间，典型值为3.3V，反向击穿电压为5V，可视角为90'，温度系数为一4mV/℃。用4个这样的LED就可以做成一个家用LED灯。其照明效率达400流明/瓦，可达到8W荧光灯的发光效率。 　　二、家用LED电源的设计与制作 　　性能指标要求：工作电压为AC187～265V，输出电压为自适应6～13.5V，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。
　　1．VIPer12A芯片简介
　　由意法半导体公司(ST)生产的VIPer12A是一个8引脚的芯片，外型如上图所示。VIPer12A是一个单封装的产品，在同一颗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MOS晶体管，其内部原理如下图所示，VDD为芯片供电电源，FB为反馈控制端，其余为场效应晶体管的漏极和源极，控制器工作频率为60kHz。通过反馈端FB的控制，来进行脉宽调制，从而达到稳压的目的。
　　这种器件的设计方式可以减少组件数量。降低系统成本，简化电路板设计。因此，这个产品家族广泛用来设计离线开关式电源，VIPer12A产品具有：
　　自动热关断、防止输出短路导致击穿故障的打嗝(HICCUP)保护模式、保证低负载条件下低功耗的突发模式、高压启动电流源以及低待机功耗(小于1W)等良好的特性。 　　2．原理设计
　　首先我们用VIPer12A设计成一个离线式开关电源，采用光电隔离、单端反激式拓扑结构。如下图所示，VIPer12A内带一个PWM控制器和一个高压MOSFET(场效应管)，当PWM控制输出为高电平时，场效应管导通，变压器TF初级开始储能，输出电压由变压器次级的输出电容C5来维持，由于工作频率较高，所以输出电容不需要太大；当PWM控制输出为低电平时，场效应管截止，变压器次级开始向负载释放能量，同时对输出电容进行充电，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本身损耗增大、发热损坏，所以本电路应用低成本的双运放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，能够快速有效地保护电源工作在可控范围内。同时为了控制LED的功耗，我们又用双运放U4的另一个设计成电流控制环路，使LED工作在，恒流350rnA左右，以满足LED的工作要求，限制其自身功耗，双环路的控制可以提高本电源的可靠性和稳定性，为防止产生自激。两个环路各自增加了RC补偿网络。本设计电路如下图。启动时由芯片的高压源产生激磁电流，使输出建立电压，同时变压器辅助绕组随输出也建立电压，给VIPer12A供电，开始正常工作，RS为电流取样电阻，同时有过载保护作用。 3.变压器设计与制作
　　本电源的核心是设计变压器，可以通过相关的设计工具或估算来进行，由于工作在60kl-1z，使用的磁芯都为铁氧体材料，选择磁芯可参考以下公式：Aw×Ae=Ptxl06/[2×KoxKc×Fosc×Bm×J×n]
　　其中：P1(变压器的标称输出功率)=Pout=0.35×13.5≈5WKo(窗口的铜填充系数)≈0.2Kc(磁芯填充系数)=1(对于铁氧体)FOSC该LED灯电源工作频率，为60kHzBm(变压器磁通密度)=1500GsJ(电流密度)=5A/mm2，为变压器工作效率按90％估算Aw为窗口面积，Ae为磁芯的有效截面积Aw×Ae=5×106/[2x02×1×60×103×1500Gs×5×090]=0.031cm4考虑到绕线空间，选择窗口面积大一些的磁芯，查有关手册： 　　选用日本NICeraE119铁氧体磁芯，初始导磁率为2300，E119铁氧体磁芯.有效截面积Ae=23mm²，它的窗口面积Aw=55mm²
　　E119的功率容量乘积为：
　　Ap=Ae×Aw=0.23×0.55=0.12cm⁴>0.031cm⁴.满足计算要求(实际选择后还需验证调整)，下图为变压器引脚及外形图。 　　
　　变压器各绕组的计算与电源工作方式、电源输入电压范围、工作频率、脉冲占空比等诸多因素有关，过程较为复杂，而且结果不是唯一的，这里只把某一计算结果列出。
　　初级线圈P1，P2为直径0.16mm的高强度漆包线，112匝，初级电感量为2.0mH：
　　辅助线圈B1，B2为直径0.12mm的高强度漆包线，50匝；次级线圈(输出绕组)S1，S2为直径0.32mm的高强度漆包线，30匝。
　　由于本变压器体积较小，主要考虑安全绝缘工艺，先绕辅助绕组，加一绝缘层，再绕初级绕组，加三层绝缘，最后绕次级绕组，外包绝缘层，注意同名端不能弄错。
　　需要注意的是，辅助绕组是提供在电源启动后提供芯片电源的，由于VDD的正常范围为9～38V，根据单端反激式电源的工作方式，该绕组与输出绕组同名端极性相同，它的计算依据次级线圈匝数和电压来确定，也就是说，辅助线圈与次级线圈的匝数比就是辅助电压与输出电压之比，当输出电压在6～13.5V变化时，辅助电压VDD必须在9～38V的范围内，否则该电源的性能指标就达不到设计要求。如下图所示。 　　4 PCB板设计 　　本电源设计成长方形，可以与光源的散热结构组装在一起，做成类似于小日光灯的家用照明灯， 下图为PCB板及元件布置图： 　　当然根据LED灯具要求，也可以设计成园型，做成灯头型的。 三、测试与分析 　　测试具体分二步进行，先使用模拟负载，再接实际LED光源，电源输入端接功率表，具体结果见下表。
　　当输出短路时，电源打嗝保护正常，当输出为13.6V，电源输入功率为6.3W，其电源效率为13.6×0.338/6.3=73％，效率较高；当电源调为ACl87V和AC265V时，负载测试数据同下表。 电压/V 7 8 9 10 11 12 13 13.3 13.6 13.7 电流/mA 340 339 339 339 339 339 339 339 338 311     LED负载数 1个LED 2个LED 3个LED 4个LED  5个LED 电压/V 3.384 6.503 9.84 13.1 13.5 电流／mA 471(超出恒流范围) 341 342 341 150(限流)   　　从测试结果看，电源的工作完全满足设计要求，实际接2～4个LED工作在恒流状态，而超过4个LED时电源开始进入恒压限流状态，起到保护作用，实际中如果设计制作不当，电源可能提前保护，不能正常工作，可直接用功率高一档输出的VIPer22A芯片代替原来的VIPer12A芯片.