基于UC3845的单端反激LED电源设计

基于UC3845的单端反激LED电源设计

李锴

（大唐彬长发电有限责任公司陕西长武县713602）

摘要：针对用市电驱动大功率LED需要解决降压，恒流，转换效率，工作时间，成本，电磁干扰和功率因素等问题。设计了一种采用单端反激变换器为主要拓扑结构的LED驱动电源，主控制器采用UC3845，内部具有完备的输入过电压保护和欠电压锁定保护功能。采用TL431稳压二极管设计稳压限流电路实现稳压限流的目标，该驱动电源可实现输入与输出电气隔离，输出稳定、转换效率高、损失小。测试结果表明，采用该驱动电源可驱动大功率LED具有良好的工作性能。

关键词：单端反激变换；UC3845；光耦；反馈

TheDesignofSingle-EndedFlybackLEDPowerSupplyBasedonUC3845

Abstract:Forhigh-powerLEDdriverwithmainsneedtobesolvedstep-down,constantcurrent,conversionefficiency,time,cost,andpowerfactorelectromagneticinterferenceandotherissues.Designedasingle-endedflybackconvertertopologyforthemainLEDdriverpowersupply,maincontrollerUC3845,theinteriorhasacompleteinputover-voltageprotectionandunder-voltagelockoutprotection.TL431regulatorusingzenerdiodecurrentlimitingcircuitdesigngoalsregulatorlimitingthedrivepowercanachieveelectricalisolationofinputandoutput,outputstability,highefficiency,smalllosses.Thetestresultsshowthatthehigh-powerLEDdriverpowersupplycandrivewithgoodperformance.

Keywords:single-endedflybacktransform;UC3845;optocoupler;feedback

0引言

随着科技的发展，电源在电子设备中扮演着越来越重要的角色，它是实现电能变换和功率传递的主要设备，现代电子设备离不开可靠的直流电源，并且对其要求也越来越高[1，2]。近年来，大功率发光二极管（LED）以其高光效高可靠性、长寿命、照明节能、环保、尺寸小等优点，使其越来越多的应用在各种各样的彩色和白色照明域[3-6]。为了使其优势得到充分发挥，必须开发与之相匹配的驱动电路，以满足广大客户的需求。

白色LED自开发成功以来其发光效率不断提高，从早期的51m/W，到1999年达到相当于白炽灯的光效151m/W，后又提高到相当于卤钨灯的光效251m/W。而大功率LED发光技术的研究可以提高能源的运用，将为人类增添一种全新的节电、环保、长寿、安全的常用光源。

本文所设计的电路参数如下：驱动电源的设计参数如下：输入电压范围为85~265V，输出电压是76V，输出电流是250mA，开关管工作频率为40KHz，满载效率：80%（220V输入），总体设计保证LED驱动电源：恒压，恒流，高效率，电磁干扰小，高可靠性。

1UC3845内部结构及原理

1.1UC3845内部结构

UC3845是高性能恒定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器功能。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。其特点是输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、自动前馈补偿、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存、内部微调的参考电压，低启动和工作电流。UC3845的内部原理图如图1所示。

图1UC3845内部结构图

Fig.1UC3845internalstructure

UC3845各个引脚的功能：①管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。②管脚电压反馈，该管脚是误差放大器的反相输入端，通常通过一个电阻分压器与开关电源输出端相连。③电流取样，一个正比于电感器电流的电压接至此输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通。④，通过将电阻连接至以及电容连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调，工作频率可达1MHZ。⑤管脚是电源和控制电路的公共地（仅对8管脚封装如此）。⑥管脚为输出端，直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1A的峰值电流经此管脚拉和灌，输出开关频率为振荡器频率的一半。⑦管脚是控制集成电路的正电源。⑧，该管脚为参考输出，它通过电阻向电容提供充电电流。

1.2UC3845工作原理

UC3845内部具有完备的输入过电压保护和欠电压锁定保护功能。当工作电压大于36V时，稳压管稳压，将芯片的工作电压控制在36V以下；当工作电压低于10V时，芯片将依靠滞环比较器UVLO实现锁定，芯片停止发出触发脉冲。由于启动和关闭电压阈值之间有6V的差值，可以有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡。当小于开启电压阈值（16V）时，整个电路耗电仅为1mA。通常设置自馈电的感应绕组作为辅助电源为芯片供电。在上电瞬间，由高压电源通过一限流降压电阻接到端（需在该端到接地端并接电容器）为芯片供电；正常工作后，转由自馈电供给UC3845，电流将升至约15mA。若将1脚电压降到低于1.4V或将3脚电压升高到高于1V，电流检测比较器输出高电平，PWM锁存器复位，输出关闭。利用这一点，还可以方便的设置UC3845的输出过电压保护。UC3845内部具有完备的输入过电压保护和欠电压锁定保护功能、过电流及短路保护十分简单。

2LED驱动电源设计

大功率LED驱动电源系统结构如图2所示。该电源主要由EMI滤波整流电路、UC3845控制电路、反激变换电路、光耦隔离电路和稳压限流电路组成。EMI滤波整流电路和反激变换电路部分用来将220V的交流市电转化为76V的直流电。稳压保护电路是由限流和限压两部分组成，当电路在恒压模式下正常工作电流环处于闲置状态，当负载过重时电流超过250mA时电压急剧下降，此时电流环起作用让电路工作于恒流模式两者电路共同承担了恒流或恒压模式。根据图2所示的LED驱动电源系统结构框图，所设计的LED驱动电源的电路原理图如图3所示。

图2LED驱动电源系统结构框图

Fig.2LEDdrivepowersystemblockdiagram

图3LED驱动电源电路原理图

Fig.3LEDdriverpowersupplycircuitdiagrammap

2.1反激变换器变压器的设计

反激开关电源中的变压器实质上是一对互耦的储能电感，具有储能、隔离、传递能量和变压的作用。它在开关管导通时储能，关断时向负载释放能量[7-9]。其工作原理是当PWM信号处于高电平时，开关管导通，一次绕组线圈电流线性上升，磁通增加，此时次边线圈感应电动势极性下正上负，二极管反偏截止没有电流，磁芯储能；当初级电流上升到设定的峰值时，开关管关断，磁芯的磁通将要下降，能量要释放，此时原边线圈电流回路被开关管切断而没有电流，次边线圈感应电动势极性反转使二极管正偏而构成了电流回路，磁芯能量通过次边向电容和负载释放。

根据公式计算得出单端反激变换器变压器的参数分别为

（1）一次绕组匝数

2.2反馈电路设计

反馈控制电路由PC817、TL431、控制芯片UC3845以及电容和若干电阻构成。图4为TL431与PC817配合使用电路。其中U3、U4是安美森半导体公司生产的可编程并联稳压器TL431，C12、C20是TL431的频率补偿电容，可以用来提高TL431的瞬态频率响应。U3是光耦合器PC817，能够较好的满足反馈回路的设计要求。反馈线圈上的电压经D2、C9整流滤波为UC3845供电。详细参数如3所示。

保护电路由限流和限压两部分电路组成，当电路在恒压模式下正常工作，电流环处于闲置状态，当负载过重时电流超过250mA时电压急剧下降，此时电流环起作用让电路工作于恒流模式两者电路共同承担了恒流或恒压模式。

图4TL431与PC817配合使用电路图

Fig.4TL431circuitusedinconjunctionwiththePC817

2.3RCD箝位电路的工作原理

该图5中RCD箝位电路的工作原理是：当开关管导通时，能量存储在和中，当开关管关闭时，中的能量将转移到二次绕组输出，但漏感中的能量将不会传递到副边。若是没有RCD箝位电路，中的能量将会在开关管关断刹时转移到开关管的漏极与源极间电容和电路中的别的杂散电容中，此时开关管的漏极将会承受较高的开关应力。若加上RCD箝位电路，中的大部分能量将在开关管关断瞬间转移到箝位电路的箝位电容上，然后这部分能量被箝位电阻损耗。必将大大减少了开关管的电压应力。图5中箝位电路器件的具体参数如图3LED驱动电源电路原理图中所示。

图5箝位电路在反激式变换器中的应用

Fig.5Theflybackconverterclampcircuitinapplication

图中：:箝位电容两端间的电压,:输入电压,:开关管漏极电压,:一次绕组的电感量,:一次绕组的漏感量。

3实验结果

设计如下大功率LED驱动电源，输入电压范围是交流85~265V，输出电压是76V，输出电流是250mA,该电源负载是100个LED灯,控制芯片选择UC3845，此设计中变压器的磁芯选择为EI25，一次绕组匝数为166匝，二次绕组匝数为125匝，辅助绕组匝数为18匝。当输入220V交流电时，用示波器显示开关管MOSFET管d,s之间波形如图6所示，此时的电压幅值为540V,与反激变换器的理论值535.67V有偏差，原因可能在于变压器在绕制方面存在工艺不精。

图6开关管的DS波形图

Fig.6waveformswitchingtube

图7开关管的驱动电压波形

Fig.7Drivevoltagewaveformswitchingtube

图7为开关管的驱动电压波形（在主电路不工作时测得的波形），芯片供电电压是10V所以芯片输出的电压波形幅值也为10V，最大占空比为0.5。

图8是LED驱动电源硬件实物图。

4结论

本文设计了基于UC3845单端反激变换器大功率LED驱动电源，该电源的输入电压范围是交流85~265V，输出电压是76V，用该电源驱动一个100只LED小灯，此时输出电流是250mA，该电源可实现输入与输出电气隔离，输出稳定、转换效率高、损失小。测试结果表明，采取该驱动电源驱动大功率LED具有良好的工作性能。大功率LED的广泛应用，在节省能源、绿色光源及保护环境等具有必然的工程应用价值。

图8LED驱动电源硬件实物图

Fig.8LEDdriverpowersupplyhardwarephysical

参考文献

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