較高的開關頻率可以減小變壓器尺寸,但同時會增加開關損耗。本參考設計選擇了100kHz版本的NCP1014作為平衡點。這個單片轉換器的能效預計約為75%,因此,要提供8W輸出功率,預計需要10.6W的輸入功率。輸入工作電壓范圍是90到265Vac。NCP1014包含安森美半導體的動態自供電(DSS)電路,藉減少元件數量簡化了啟動。這集成控制器的散熱考慮因素決定了最大輸出功率。電路板上的銅區域會散熱并降溫。當轉換器工作時,反激變壓器上的偏置繞組會關閉DSS,降低轉換器的功耗。較低的工作溫度使更多的電能可以提供給負載。
1)電磁干擾(EMI)濾波器
開關穩壓器從輸入源消耗脈沖電流。有關諧波含量的要求限制了電源輸入電流的高頻分量。通常濾波器由電容和電感組成,可以削弱不良信號。輸入線路上連接的電容以與輸入電壓呈90??的異相電流導通,這種轉移電流通過位移輸入電壓與電流之間的相位降低了功率因數,故需要在濾波需求與維持高功率因數之間取得平衡。
根據電磁干擾的屬性及濾波器元件的復雜特性,電容C1和C2起始選擇了100 nF電容。選擇的差分電感L1用于提供L-C濾波器頻率,約為開關頻率的1/10。所使用的電感值是:
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實際設計中選擇的是2.7 mH電感,這是一個標準電感值。基于這個起點,根據經驗來調節濾波器以符合傳導干擾限制。電容C2增加到了220 nF,從而提供干擾限制余量。電阻R1限制浪涌電流,并在出現故障時提供易熔元件。根據應用環境的不同,可能需要熔絲來滿足安全要求。注意在初級總電容較小的情況下浪涌電流較小。
2)初級鉗位
二極管D5、電容C3和電阻R2組成鉗位網絡,控制由反激變壓器泄漏電感造成的電壓尖峰。D5應當是一個快速恢復器件,額定用于應對峰值輸入電壓及反射到變壓器初級上的輸出電壓。600 V額定電流為1 A的MURA160快速恢復二極管是D5的適宜選擇。電容C3必須吸收泄漏的能量,同時電壓只有極小的增加,1.5 nF的電容足以用于這類低功率應用。電阻R3必須耗散泄漏的能量,但并不必須會降低能效。該電阻根據經驗選擇47 kΩ。需要注意的是,該電阻和電容C3的額定電壓是125.5 V.
3)偏置電源
二極管D6對偏置繞組提供的電源整流。200 mA電流時額定電壓為100 V的MMBD914二極管是D6的適宜選擇。初級偏置由電容C4、電阻R3和電容C5來濾波。選擇的C5為2.2 μF,C4為0.1 μF,R3為1.5 kΩ。
4)輸出整流器
輸出整流器必須承受遠高于630 mA平均輸出電流的峰值電流。最大輸出電壓為22 V,整流器峰值電壓為93.2 V.所選擇的輸出整流器是3 A、200 V、35 nS的MURS320,提供低正向壓降及快開關時間。2,000 μF的電容將輸出紋波電流限制在25%,或是峰-峰值144 mA.
5)電流控制
通過監測與輸出串聯的感測電阻RSENSE的壓降,維持恒定的電流輸出。電阻R11連接感測電阻至通用PNP晶體管Q1的基極-射極結。當感測電阻上的壓降約為0.6 V時,流過R11的電流偏置Q1,使其導通。Q1決定了流過光耦合器U2的LED的電流,并受電阻R4限制。光耦合器U2的晶體管為NCP1014提供反饋電流,控制著輸出電流。
設定輸出電流Iout=630mA則要求感測電阻RSENSE=0.85Ω。感測電阻由4顆并聯的元件R6、R7、R8和R9組成,選擇R6和R7的阻值為1.8Ω,選擇R8的阻值為10Ω,而讓R9開路,從而產生約0.83Ω的總感測電阻。
6)功率因數控制
在本電路中維持高功率因數有賴于緩慢的反饋響應時間,僅支持給定輸入電源半周期內反饋電平略有改變。對于這種電流模式的控制器件而言,最大峰值電流在半周期內幾乎保持恒定。與傳統反饋系統相比,這就改善了功率因數。電容C6提供慢速的環路響應,抑制NCP1014的內部18 kΩ上拉電阻及來自反饋光耦合器晶體管的電流。從經驗來看,電容C6確定在22 μF至47 μF的范圍之間。
7)變壓器
本LED驅動器要求的最低輸入電壓為90 Vac,相應的峰值為126 Vac,在輸出功率Po=8 W、效率(η)=0.75及Vin=126 V的條件下,計算出的峰值電流Ipk=0.339 A。再使用100 kHz的開關頻率(fSW)值,計算出初級電感(Ip)=1858 μH。
這個功率等級適合選擇窗口面積(Ac)為0.2 cm2的E16磁芯。最大磁通密度設定為3 kG,可以計算出的初級匝數為105匝(T)。輸出電壓限制為22V,用于開路負載事件下的保護。為了提供一些輸出電壓余量及降低占空比,輸出電壓值增加50%,達到33V。次級最小匝數(Ns)將是約20匝。
NCP1014需要最低8.1V的電壓,使轉換器工作時DSS功能免于激活。最低LED電壓設計為12.5V,初級偏置繞組匝數(Nb)約為13匝。
8)開路保護
齊納二極管提供開路負載保護。開路電壓由二極管D8電壓、電阻R4壓降及光耦合器LED電壓之和確定。所選擇的齊納二極管D8的額定電壓為18 V。
9)泄漏電阻器及濾波器
電阻R10及電容C10提供小型的放電通道,并過濾輸出噪聲。
10)模擬調光
本參考設計包含一個可選的控制部分,以實現模擬電流調節的調光。出于這個目的,可以增加電阻R12、R14、R15、二極管D9、晶體管Q2等元器件從及至電位計R13的連接。本設計所選擇的電阻R12的阻值為1 kΩ,調光電位計R13為10 kΩ,R14為820 Ω,R15為1 kΩ。
11)電容壽命
LED照明的其中一項考慮因素是驅動器與LED應當具有相當的工作壽命。雖然影響電源可靠性的因素眾多,但電解電容對任何電子電路的整體可靠性至關重要。有必要分析本應用中的電容,并選擇恰當電解電容,從而提供較長的工作壽命。電解電容的可用壽命在很大程度上受環境溫度及內部溫升影響。本參考設計選擇的電容是松下的ECA-1EM102,額定值為1000μF、25V、850mA、2,000小時及85℃。在假定50℃環境溫度條件下,這電容的可用壽命超過12萬小時。