LED 相對于傳統(tǒng)光源而言具有發(fā)光效率高、控制方便、壽命長、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，逐步在照明、信號指示、醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表等方面替代傳統(tǒng)照明方

式，并隨著 LED 制造技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍和應(yīng)用水平將進(jìn)一步擴(kuò)大和提高。

LED 的穩(wěn)定和高效率工作依賴于其驅(qū)動電源的驅(qū)動方式及效率。LED 的驅(qū)動方式主要有恒壓式和恒流式 2 種，其中恒流式能夠較為精確的控制LED 亮度，對 LED 的串接個數(shù)要求較低，并且能夠讓 LED 更加安全的工作，因而恒流驅(qū)動是當(dāng)前流行的驅(qū)動方式。另外在 100 W 以下的開關(guān)電源中，反激式開關(guān)電源所需元件數(shù)量最少，電路簡單，成本較低，因而在這一級別的電源中，常常采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

因而，本文設(shè)計(jì)了一種反激式恒流 LED 驅(qū)動電源，其核心元件為美國 Power Integration 公司生產(chǎn)的TOPSwitch－ Ⅱ系列芯片中的 TOP222，集成了 PWM輸出，MOSFET 及其驅(qū)動，提供了一種單芯片的解決方案，大大簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本。

1 反激式開關(guān)電源工作原理

反激式開關(guān)在 100 W 以下的開關(guān)電源領(lǐng)域占有較大的市場份額，其電路原理示意圖如圖 1 所示。反激式開關(guān)的主要由整流電路，濾波電路，變壓器及原邊吸收電路，主開關(guān)及其驅(qū)動電路，輸出整流濾波電路，電壓或電流反饋回路等組成。反激式開關(guān)電源的工作模式迥異于其他開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電流增加，此時(shí)副邊并不輸出能量，變壓器存儲能量;而當(dāng)主開關(guān)截止時(shí)，原邊截止，變壓器存儲的能量通過副邊釋放到負(fù)載上。輸出電壓或電流的調(diào)整通過反饋回路調(diào)整主開關(guān)的占空比實(shí)現(xiàn)。

反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，變壓器和反饋回路的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵所在，關(guān)系到開關(guān)電源的效率和輸出穩(wěn)定性。

2 基于 TOPSwitch－ Ⅱ的反激式恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)

2.1TOPSwitch－ Ⅱ離線單片式開關(guān)電源芯片

TOPSwitch－ Ⅱ系列離線單片式開關(guān)電源芯片是美國 Power Integration 公司生產(chǎn)的開關(guān)電源專用芯片，其集成了振蕩器、PWM 比較器、邏輯電路、高壓

MOSFET 功率管及保護(hù)電路。TOPSwitch－ Ⅱ芯片內(nèi)部功能模塊見圖 2。

TOPSwitch－ Ⅱ芯片有 3 個管腳，其中，漏極連接內(nèi)部 MOSFET 的漏極，在啟動時(shí)，通過內(nèi)部高壓開關(guān)電 流 源 提 供 內(nèi) 部 偏 置 電 流; 源 極 連 接 內(nèi) 部MOSFET 的源極，是初級電路的公共點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn);控制極是誤差放大電路和反饋電流的輸入端，在正常工作時(shí)，由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流，系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，可激發(fā)輸入電流，同時(shí)也是提供旁路、自動重啟和補(bǔ)償功能的電容連接點(diǎn)。

2.2TOPSwitch－ Ⅱ的反激式恒流開關(guān)電源原理

鑒于 TOPSwitch－ Ⅱ系列芯片具有集成度高、功能完備、電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，本文根據(jù)輸出功率和輸入電源情況選用 TOP222 作為主控芯片，并采用恒流式反饋電路，設(shè)計(jì)了一種輸出電流為 1 A，額定功率為 10W 的反激式恒流電源。該電源的原理圖見圖3。

該反激式恒流式開關(guān)電源由整流濾波電路，變壓器及原邊吸收電路，主控芯片及輔助電路，恒流輸出電路，恒流反饋電路等組成。

整流濾波電路由共模電感 L1 ，整流橋 BＲ1 和電容 C1 、C2 組成，其中 C1和 L1 主要過濾來自電網(wǎng)的共模干擾，市電經(jīng) BＲ 1 整流后形成 310 V 左右的直流，C2 為后級電路存儲能量。

變壓器是反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一，其設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到開關(guān)電源的工作效率和穩(wěn)定性。關(guān)于本文所涉及的反擊恒流式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)將在下一節(jié)詳細(xì)敘述。瞬態(tài)抑制二極管 VＲ1和快恢復(fù)二極管 D1 組成變壓器 T1 原邊的吸收電路，在主開關(guān) U1 截止時(shí)能夠把變壓器原邊線圈兩端的電壓箝位到 200 V 左右的一個固定值，這個固定值加上 C2 兩端的電壓即為施加在 U1 漏極與源極間的電壓，防止 U 1 漏極與源極電壓過高而擊穿。

主控芯片為 TOP222，采用 TO220 封裝，共3 根引腳，分別為控制極、漏極和源極。其所需外圍芯片極為簡單，在控制極需要連接一個電容 C4 為控制極提供偏置電壓，并為芯片內(nèi)部的控制和驅(qū)動電路供電。恒流輸出電路較為簡單，快恢復(fù)二極管 D3 保證在 U1 導(dǎo)通時(shí)變壓器 T1副邊繞組電流為零，變壓器

存儲能量，U1 截止時(shí) D3 導(dǎo)通，變壓器能量通過 C6、L2、C8 濾波后輸出。

恒流反饋電路把輸出電路的電流以電壓的形式負(fù)反饋到 U1 的控制極，U1 通過調(diào)整開關(guān)工作的占空比改變輸出回路的輸出電壓從而保證輸出電流恒定。且反饋回路與前級電路通過光耦隔離。恒流反饋電路將在2.4節(jié)詳細(xì)敘述。

2.3基于 TOPSwitch－ Ⅱ的反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的初始工作條件和預(yù)設(shè)輸出參數(shù)見表 1。

表 1 反激式開關(guān)電源的初始工作條件和預(yù)設(shè)輸出參數(shù)

在設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源變壓器時(shí)，可先由式（1）確定變壓器原邊與副邊繞組匝數(shù)之比。

其中，Np 為原邊繞組匝數(shù)，Ns 為副邊繞組匝數(shù)，VMIN為輸入交流最小電壓，VDS 為主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極源極壓降，TOPSwitch－Ⅱ系列為10V，VO為輸出電壓，VD為輸出繞組整流二極管正向壓降，為 0.4 V，DMAX為主開關(guān)占空比最大值，一般小于 0.64。變壓器反饋繞組匝數(shù)由式（2）確定。

其中，NB為反饋繞組匝數(shù)，VB為反饋繞組輸出電壓，采用光耦反饋電路的 VB 一般取 12 V，VBD 為反饋繞組整流二極管正向壓降，為 0.7 V。

由能量守恒原理可知變壓器原邊峰值電流：

其中，KＲP為電流紋波系數(shù)，其值為紋波電流與峰值電流之比，大小在 0.4 ～1.0 之間，可取 0.6。

變壓器原邊繞組電感量為：

原邊電感 L P 的單位為 μH。其中，Z 為損耗分配因數(shù)，一般取 0.5。其他量見表 1。接下來可根據(jù)電源輸出功率 PO的大小選擇合適的磁芯，芯片廠商在設(shè)計(jì)文檔里已經(jīng)給出了輸出功率與可選磁芯的關(guān)系表格。一旦選定了磁芯，就可確定磁芯有效磁通面積 A E ，磁芯有效磁路長度L E ，磁芯在不留間隙時(shí)與匝數(shù)相關(guān)的等效電感 AL ，繞線骨架的寬度 WB 。副邊繞組匝數(shù) Ns可根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定，比如輸入電壓為 230 V AC 時(shí)，

一旦確定了 N S ，可根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得到 N P 和 N B 的大小。為了防止磁芯飽和，應(yīng)該在磁芯間增加氣隙，氣隙長度為：

根據(jù)表 1 給出的初始工作參數(shù)和上述公式，最終計(jì)算得到的變壓器各項(xiàng)參數(shù)見表 2。

根據(jù)上述參數(shù)繞制變壓器，采用“三明治”繞法，原邊繞組分為兩組，第 1 組繞完后再繞副邊繞組和輔助繞組，最后繞原邊繞組的第 2 組。這樣能夠有效地降低變壓器漏感。

2.4 恒流反饋回路工作原理

恒流反饋回路的電路原理圖見圖 4。根據(jù)輸出連接的負(fù)載情況，當(dāng)輸出電流小于額定電流時(shí)（例如當(dāng)輸出僅連接 1 串 1 W 的 LED 時(shí)，其輸出電流大約在350 mA），電路工作恒壓模式;當(dāng)電流逐漸增大到額定電流后，該電路工作在恒流模式。

當(dāng)該電路工作在恒壓模式下時(shí)，輸出電流小于額定電流 1 A，此時(shí)在 Ｒ6 兩端產(chǎn)生的電壓降小于 0.68 V（Ｒ6 =0.68 Ω），Q2截止，Ｒ5兩端的壓降為0，Q1也截止，此時(shí)輸出電壓由穩(wěn)壓二極管 D4 ，Ｒ2 兩端的電壓和 U2 內(nèi)部發(fā)光二極管正向壓降決定：

其中，I C 為 TOP222 控制極輸出電流，通過其數(shù)據(jù)手冊可知，IC 的平均值為 4.5 mA，CTＲ 為光耦的電流傳輸率，根據(jù)選用的光耦手冊，其典型 CTＲ 為120%。由此可計(jì)算出 VＲ2 =0.15 V（Ｒ2 =39 Ω）。

另外光耦內(nèi)部發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)正向壓降的典型值為 1.2 V，選用穩(wěn)壓值為 8．2 V 的穩(wěn)壓二極管，此時(shí)輸出電壓為 9． 55 V。

當(dāng)該電路工作在恒流模式時(shí)，Ｒ6 兩端的電壓降使 Q2 導(dǎo)通，Ｒ5 兩端的電壓降使 Q1 導(dǎo)通，U2 內(nèi)部發(fā)光二極管正向電流經(jīng)由 Ｒ3 、Q1、Ｒ2 到地。此時(shí)輸出電流 IO有下式確定：

由上式可知輸出電流 IO 約為 1 A。

3 反激式恒流電源的實(shí)現(xiàn)與測試

根據(jù)上述內(nèi)容，本文設(shè)計(jì)了基于 TOP222 的反激式恒流開關(guān)電源，其 PCB 見圖 5。同時(shí)，根據(jù)恒流式開關(guān)電源的工作原理，繞制變壓器，并合理選擇相關(guān)元件的參數(shù)，制作出了該開關(guān)電源，其實(shí)物圖見圖 6。