_基于无光耦反激变换器的LED驱动电源设计

定，从式（4）可得知，只要控制 vcs_p·Tdis 为一个恒定的 Ts
值，就可以恒定流过LED的电流io。控制器可以通过峰
值电压采样电路采样到R6上的峰值电压vcs_p，放电时
间Tdis通过放电时间采样电路采样驱动信号vdrv下降沿
时刻和vvs下降沿的时间差计算得到，计算与控制电路
根据采样到的vcs_p，Tdis和周期Ts的信息，控制Q2的占空
open protection of LED.
Key words：power supply of LED，flyback converter，discontinuous conduction mode
0引言
［1-3］
世界范围内，约有1/4的电能用于照明领域 。 由于LED照明的节能、环保、寿命长、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
Vol.49 No.559 Jul. 2012
会对电源产生较大影响。在一些应用场合，特别是在
ÁÂÃ 家用照明中，整个灯具的尺寸通常很小，对LED驱动
ÄÈÅÆÇÃÉÁÂÅÇÈÅÆÃÄÈÉÁÄÆÂÇÃÃÅÈÁ 电源的尺寸有严格的限制；同时减少器件，降低整个
驱动电源的成本对LED照明的推广也非常重要。本文
power supply using Flyback converter as main circuit，photocoupler is needed to transfer the feedback signal from
primary side to secondary side. Consider of the large size of photocoupler and the influence of current transfer ratio
零，辅助绕组的电压也从高电压谐振为低电压，LED
的电流由输出电容C5提供，直至t3新的开关周期开始。
2. 1 恒流原理
在t1时刻，按照功率恒定原则，副边绕组安匝值与
原边安匝值应相等，可以得到：
Fra Baidu bibliotek
np·ipk_p=n·s ipk_s
（1）
式中 nP是变压器原边的匝数；ipk_p为流过原边MOS管
Q2的电流ip的峰值电流；ns是变压器副边的匝数；ipk_s为
ÇÉ 研究了无光耦合的反激变换器LED驱动电路，控制效
果好。
1 传统的反激式LED驱动电源介绍
传 统 的 反 激 式 LED 驱 动 电 源 如 图 1 所 示 ， 流 过
LED的电流经电流采样电阻R4，产生反馈电压vfb，反
馈电压vfb与基准电源Vref的差值经过误差放大器得到
误差信号ve，ve的变化会使流过光耦的电流ie的变化，
比以恒定 vcs_p·Tdis 的值，从而恒定LED的电流。 Ts
设 vcs_p·Tdis =K Ts
（5）
则LED电流为io=
np·K 2·n·s Rcs
（6）
以上分析可以得出：通过设计合适的
np ns
和Rcs值，
基于原边反馈的反激变换器能够恒定流过LED的电
流，从而稳定LED的亮度。
2. 2 恒压原理
due to temperature variation，the Flyback converter with primary side control is used as main circuit to decrease the
number of components and the influence of the temperature. Without photocoupler the main circuit has less cost，
关键词：LED驱动电源；反激变换器；断续模式
中图分类号：TM910. 2
文献标识码：B
文章编号：1001-1390（2012）07-0097-04
Design of LED Driver Power Supply Based on Flyback Converter without Photocoupler
流过副边输出二极管D11电流is的峰值。由于LED的亮
度与其流过的电流成正比，为了恒定LED的亮度，需
要进行恒流控制。在断续模式下，流过LED的电流，也
就是反激变换器的输出电流io为：
io=
ipk_·s Tdis 2·Ts
（2）
式中Tdis为副边输出二极管D11导通的时间；Ts为MOS
管Q2的开关周期：
路保护。当LED开路后，输出电压将恒定在设定值vo，
保证输出电压不超出输出电容的额定耐压值。
3 电路参数和实验结果
现设计如下LED驱动电源，输入电压范围是交流
85~264V，电源负载是4颗串联的LED，流过LED的电
流为300mA，每颗LED正向压降为3. 3V。控制芯片选
择Fairchild半导体公司的FAN100，磁芯选择EE13、骨
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Vol.49 No.559 Jul. 2012
由于辅助绕组的极性与副边绕组的极性相同，t1时刻
vvs也从低电压上升为高电压；到t2时刻，is减小到零，而
MOS管Q2仍然关断，此时原边电流ip和副边电流is都为
电流传输比随着温度的升高会降低很多，这限制了典 边，变压器开始释放能量，副边电流is将会线性减小，
型的反激式LED驱动电源的使用温度。消除反激LED 驱动电源的光耦，可以减少成本，提高功率密度，减少
vdrv
Ton
Toff
对温度的敏感度，因此本文研究了基于原边控制的无 光耦LED驱动电源。
ip ipk_ p
流过光耦三极管的电流按照一定的传输比跟随ie变
化，使得vcomp改变，控制器根据vcomp的电压幅值改变驱
动脉冲的占空比，从而稳定流过LED的电流。
D1
D4
vac D2 D3
C1
R1

D6 C3
D5 R3 C2
LED
v
R4

Q1
D
D
v
DD
T

v
i
C R
D CR
v
C
R
ip
Ts=Ton+Toff
（3）
将式（1）带入式（2），可得：
io=
np·ipk_p·Tdis 2·n·s Ts
=
np·vcs_p·Tdis 2·n·s T·s Rcs
（4）
式中Rcs是原边电流检测电阻R6的阻值；vcs_p是电流检
测电阻R6上的峰值电压。
对于已经设计好的电源，np，ns，和Rcs都已经确
［7-9］
广泛地应用在中低功率的开关电源中 。但在传统 的带隔离的反激变换器中，由于光电耦合器的存在， 使电源尺寸变大，功率密度不高，并且温度的变化也
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总第 49 卷 第 559 期 2012 年 第 7 期
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
总第 49 卷 第 559 期 2012 年 第 7 期
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Vol.49 No.559 Jul. 2012
*
基于无光耦反激变换器的LED驱动电源设计
沈霞，李红伟，许瑾
（西南石油大学，成都 610500）
摘要：传统的采用反激变换器作为主电路的LED电源中，为了实现恒流控制及输入和输出的隔离，需要通过光电
vvs=
R8 R7+R8
×va
（9）
控制器采样t2时刻vvs的电压，通过环路控制去调
节占空比，从而将t2时刻vvs的电压稳定到内部参考值
VRef，则根据式（7）、（8）、（9）可得：
vo=VRef×
R7+R8 R8
×
ns na
－vf
（10）
如果忽略二极管D11的正向导通压降，可以通过
设定R7，R8，ns和na来设定输出电压vo的值，实现LED开
i
v v
v
电路中主要信号的原理波形图如图3所示。其中


R2
vdrv是MOS管的驱动信号，ip是变压器原边电流，is是变
v
压器副边的电流，vvs是采样电阻R8上的电压波形。
图1 有光耦反激式LED驱动电源原理图 Fig. 1 Schematic diagram of power supply of
t0
t1
t2
t3
t
副边输出电压和副边输出电流。图2是电路原理框图。
图3 反馈控制主要信号波形图
根据MOS管Q2关断时间内D11是否持续导通的情况，
Fig. 3 Main waveform of the primary side control
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总第 49 卷 第 559 期 2012 年 第 7 期
SHEN Xia，LI Hong-wei，XU Jin （Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）
Abstract：In order to realize constant current control and isolation between input and output，in traditional LED
t
2 原边控制的工作原理 根据LED的特性，为了保证LED亮度恒定，需要
is io
ipk_s
t
恒定流过LED的电流；当LED开路后，如果没有输出 电压限制电路，则输出电压会不断上升，损坏输出电
vvs
Tdis
t
容，所以还需要将LED的输出电压限定到某一幅值。
原边控制的方法可以在无需副边反馈的情况下恒定
耦合器把副边信号反馈回原边进行电路控制。但是光耦的体积大，且工作时电流传输比容易受到温度的影响，
为了减少电路器件，降低温度对电路的影响，本文采用基于原边控制的无光耦反激变换器作为电源主电路。由
于没有光电耦合器，降低了成本，减小了电源的体积，提高了功率密度，降低了温度对电源的影响。此电源能实
现LED的亮度控制，并且能通过恒压控制实现LED的开路保护。
smaller size，higher power density and less influence of temperature. With this power supply，the LED current can
be regulated to realize the control of the lightness and the voltage of the LED can also be controlled to realize the
架，磁芯材料为PC40，变压器的原边感量为2mH，原边
匝数Tdis为125匝，副边匝数为25匝，辅助绕组匝数为
［4-6］
领域 。目前，LED照明的应用主要集中在两个方向 上，一个是低亮度应用场合，比如便携式电子产品液 晶显示屏的背光照明，另一个是高亮度照明的应用场
* 四川省教育厅重点项目资助项目（11ZA022）； 四川省教育厅理科项目资助项目（12ZB161）
合，比如大平面液晶背光照明、家用及户外照明等，对 于这种大功率的照明应用场合，LED在功耗和寿命上 面的优势很明显，但LED的电源不能由交流电直接供 电，因此对LED照明及其驱动电源的研究很有意义。 常用的LED驱动电源的主电路有BUCK，反激变换器， SEPIC等。在需要隔离的场合，反激变换器是很好的 选择，传统反激式变换器因电路结构简单、成本低廉，
当MOS管Q2关断时，副边二极管D11导通，则副边
绕组的电压vse为：
vse=vo+vf
（7）
式中vo是输出电压，vf是二极管D11的正向导通压降。根
据变压器副边绕组与辅助绕组的关系可以得到：
vse = ns va na
（8）
式中va是辅助绕组的电压；na是变压器辅助绕组的匝
数。分析控制电路图可以得到：
LED driver with photocoupler 由于LED驱动电源通常在一个很小的封闭的空 间使用，电源工作的环境温度很高，而低成本光耦的
t0时刻，当vdrv信号为高电平时，MOS管Q2导通，变 压器开始储能，原边绕组的电流ip将会线性增加，R6 采样到的原边电流的信号也会随之线性增加；在t1时 刻，vdrv信号变为低电平，MOS管Q2关断，原边电流必定 降到零，副边二极管D11将导通，感生电流将出现在副
v
Q
v
D LED
C i
R
图2 基于原边控制的LED驱动电源原理框图 Fig．2 Schematic diagram of power supply of LED without photocoupler
可将工作模式分为电流连续（CCM）和电流断续（DCM） 以及临界连续模式（BCM）三种。本文设计的原边控制的 LED驱动电源是基于断续模式的反激变换器。