高家宝① GAO Jia-bao；刘堃② LIU Kun
（①海南大学应用科技学院，儋州 571730；②赛迪顾问股份有限公司，北京 100048）
摘要： 提出了一种基于PWM（脉冲宽度调制）控制芯片的小功率LED驱动电源的原理框架。采用FAN7554芯片作为主控制器，设计了一款输出功率达30W的反激式LED驱动电源，其输出电压为33V，输出电流为0.9A，可为30只功率为1W的LED管采用10串3并混联方式组成的LED阵列提供驱动电源，并分析所设计LED驱动电源的基本原理。该LED驱动电源经过一系列的电气测试，并在实际运行中得到比较满意的结果，具有进入小功率LED照明市场的能力，且对设计高性能、低成本的小功率LED驱动电源具有一定的指导意义。
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关键词 ： 脉冲宽度调制；FAN7554；反激式；LED驱动电源
中图分类号：TN6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0104-03
基金项目：海南大学应用科技学院（儋州校区）校基金资助项目（Hyk-1515）。
作者简介：高家宝（1987-），男，海南乐东人，硕士，助教，研究方向为开关电源电路模型研究及其应用。
0 引言
LED作为新型绿色环保光源，具有亮度高，发光效率高，寿命长以及工作电压低等特点，具有广阔的应用前景，但是LED照明中的驱动电路部分却是目前制约其发展的一个重要瓶颈之一[1-3]。为了LED管稳定的发光，需要设计出LED恒流恒压驱动电源。本设计利用FAIRCHILD公司的FAN7554作为PWM控制器，设计了一款输出电压范围为33V~37V，输出电流0.9A的30W LED驱动电源。通过对其EMI（电磁干扰）滤波电路、PWM控制电路、反馈控制电路、反激式变换电路、各种保护功能电路等进行设计和制作，成功地实现了反激式LED驱动电路，该驱动电源具有结构简单、成本低廉、节能高效和稳定可靠等特点。
1 LED驱动电源的组成
本文设计的LED恒流驱动电路的工作原理框图如图1所示。它主要由输如EMI滤波电路、PWM控制电路、反激变换电路、光耦反馈电路、电流环恒流控制电路、保护电路等组成。交流电输入经EMI滤波电路及整流滤波电路后，由光耦的反馈信号调整PWM控制电路输出的脉冲信号宽度，从而对滤波之后的输入信号大小进行控制调节，再通过反激式变换电路进行电压变换。以电流型PWM控制芯片FAN7554为控制器件组成的恒流恒压控制电路，将电流取样信息和电压采样信息分别经电流比较器处理后由光耦反馈至变换级驱动端，实现电流电压控制调节，最终提供稳定电流和稳定电压，驱动LED负载。在保护电路方面主要有浪涌保护、欠压保护、过压保护和高频MOS管保护等。
2 LED驱动电源电路设计及原理分析
2.1 核心元件概述
FAIRCHILD公司提供的FAN7554芯片集成了一个固定频率的电流模式控制器。图2为FAN7554芯片的内部结构，该芯片具备软启动、通断控制、过载保护、过压保护、过流保护和欠压锁定等功能，这为外围电路简单、成本低廉的LED驱动电源电路设计方案提供了所需要的一切。芯片没有集成高频MOS管，在设计时需要与独立高频MOS管组成实现PWM控制电路，这极大方便了设计者进行调试与维修，这主要是因为设计者一般会对LED驱动电源中的高频MOS管的PWM信号进行观察和测试，且LED驱动电源工作时高频MOS管损坏的概率较大。
图3为LM358双运算放大器的引脚功能图，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。LM358的主要特性有：直流电压增益高达100dB；单位增益频带宽约1MHz；单电源电压范围宽为3~30V。这些特性决定了LM358适合于LED驱动电源的误差放大电路的设计。
2.2 基于FAN7554芯片的30W LED驱动电源电路设计
根据LED驱动电路的原理框图，设计了如图4所示的基于FAN7554芯片的30W LED恒流恒压驱动电源的电路原理图，该驱动电源LED负载采用30只功率为1W的LED管进行10串3并混联方式组成的LED阵列，组内所有的LED管电压额定值为33V、电流额定值为0.9A，光功率约为30W，设计要求LED驱动电源效率大于80%，则电源输入功率约为37.5W。考虑到小功率LED驱动电源对功率因数不做要求，在低成本设计的前提下本设计没有采用无源功率因数校正电路。
2.3 基于FAN7554芯片的30W LED驱动电源电路原理分析
①LED驱动电路的电源。
LED驱动电源的供电电源是220V/50Hz交流电。
②浪涌保护电路。
采用保险丝F1、负温度系数的热敏电阻RY1、RY2、电阻R21、R22和电容C16设计浪涌保护电路。当满载开机时，C6电压不能突变，相当于短路，导致输入电压很大。而热敏电阻在冷态时电阻很大，可起到限制输入浪涌电流的作用。在电源接入端加入防止浪涌保护电路，主要是用来防止由于雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压，造成LED驱动电路核心器件的损坏。
③EMI滤噪电路。
采用电感L3、电容C13、C7和C8设计EMI滤噪电路，主要是为了滤除共模和差模噪声，并提供放电回路。
④整流电路。
采用DB107设计桥式整流电路，将双相输入交流电转换成单相交流电。
⑤前端电感电容复式滤波电路。
采用电容C6、C3和电感L1设计电感电容复式滤波电路，不仅起到过滤噪声的作用，同时还起到将单相交流电转换成纹波较小的直流信号的作用。
⑥过压保护和欠压保护电路。
FAN7554芯片的电源主要来源于由变压器T1的6号管脚和1号管脚组成的次级线圈，在芯片电源管脚与模拟地之间反向接入稳压二极管D9，起到过压保护作用，从而保证芯片的电源电压不高于18V。当次级线圈供电不足时，由R2电阻和R5电阻组成的欠压保护电路，芯片电源直接由整流后的直流电源提供电源，实现了欠压保护功能，从而保证芯片的电源电压不低于18V。
⑦高频MOS管保护电路。
采用电阻R3、电容C2和二极管D6设计高频MOS管保护电路。当高频MOS管截止时，如果不是高频MOS管保护电路为电感所存储的电磁场能量提供泄放回路，那么电感所存储的电磁场能量将直接注入高频MOS管，从而在MOS管上产生过大的电压应力，甚至损坏MOS管[4，5]。
⑧LED负载电源电路。
在变压器T1和MOS管完美配合工作下，实现了将输入电能量耦合至LED负载端和恒压恒流电路两部分电路中。LED负载的电能量由变压器T1的12号管脚和9号管脚组成的次级线圈提供，为了防止负载的电流回流至次级线圈，在次级线圈的12号管脚和LED负载之间正向并联接入二极管D2和二极管D4。可是为了防止加在D2和D4并联电路两端的电压过大而损坏它们，因此在D2和D4的并联电路两端并联上由R1和C1组成的串联电路；LED负载端的电感电容复式滤波电路由电容C4、C5、电阻R4和电感L2组成，不仅起到滤除噪声的作用，而且还起到了将单相交流电转换为纹波较小的直流电的作用。
⑨反馈控制电路。
为了实现稳定的LED驱动电源，加入了电压采样和电流采样电路，通过LM358双运放将所采样的电压值、电流值与相应的基准电压值、基准电流值相比较后转换为误差量，该误差量通过光耦器件PC817反馈至FAN7554芯片的反馈管脚达到调整高频MOS管脉冲宽度的目的，从而实现对LED负载的输出电压、电流调节[6，7]。
3 总结
本文提出了一种基于PWM控制芯片的小功率LED恒流恒压驱动电源的电路架构，并利用FAIRCHILD公司的PWM芯片FAN7554作为主控制器，设计了一款功率达30W的反激式LED驱动电源，其输出电压为33V，输出电流为0.9A，可为30只功率为1W的LED管采用10串3并混联方式组成的LED阵列提供驱动电源。通过对其EMI（电磁干扰）滤波电路、PWM控制电路、反馈控制电路、反激式变换电路、各种保护功能电路等进行设计和测试，通过对其EMI（电磁干扰）滤波电路、PWM控制电路、反馈控制电路、反激式变换电路、各种保护功能电路等进行设计和测试，结果表明其恒流效果好，输出电压纹波低，成功实现了该反激式LED驱动电源，这对设计高性能、低成本的小功率LED驱动电源具有一定的指导意义。
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参考文献：
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