10W 非隔離 LED 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

 摘 要

本文介紹了一款使用 TI 控制芯片 TPS92210 設(shè)計(jì)的 10W LED 驅(qū)動(dòng)電源. TPS92210 特有的臨界模式固定峰值電流控制功能，設(shè)計(jì)無(wú)須反饋，從而整個(gè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，器件少，成本低。

引言

近來(lái)，LED 驅(qū)動(dòng)電源市場(chǎng)中，非隔離解決方案由于其磁性元件尺寸更小、能效更高、元件數(shù)量更少、總物料單成本更低，以及能以機(jī)械設(shè)計(jì)滿(mǎn)足安規(guī)等優(yōu)勢(shì)，成為應(yīng)用熱點(diǎn)。本文介紹了一款使用 TI 控制芯片 TPS92210 設(shè)計(jì)的 10W LED 驅(qū)動(dòng)電源. 使用 TPS92210 特有的臨界模式固定峰值電流控制功能，設(shè)計(jì)無(wú)須反饋，從而整個(gè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，器件少，成本低，效率高。

1、電源方案介紹

本方案采用TPS92210控制的臨界Buck電路，設(shè)置TPS92210工作于固定峰值電流的方法，使電感電流峰值固定，因?yàn)殡娐饭ぷ髟谂R界模式，所以電感電流的平均值等于峰值電流的一半，從而達(dá)到輸出恒流的目的。

同時(shí)，本方案不需要額外的電路，TPS92210本身可以實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)流、短路、開(kāi)路等保護(hù)。所以整個(gè)方案的元件少，成本低。

輸入采用了填谷電路，使得整機(jī)的PF值一直在0.7以上。

C8，L2，C5組成pi型濾波。整機(jī)通過(guò)了傳導(dǎo)測(cè)試。

圖 1:10W LED 電源解決方案

圖 2: 10W LED 電源實(shí)物圖

1.1 TPS92210 臨界模式設(shè)置

TPS92210 需要滿(mǎn)足三個(gè)條件來(lái)開(kāi)始一個(gè)新的周期：

1) 距離上一次開(kāi)通的時(shí)間需要大于由Ifb電流控制的時(shí)間。

2) 距離上一次開(kāi)通的時(shí)間需要大于芯片的最高頻率所限制的時(shí)間7.5us。

3) Tze腳必須有由高到低的零點(diǎn)穿越。

由于需要滿(mǎn)足以上三個(gè)條件，設(shè)計(jì)中將FB腳通過(guò)電阻接到Vdd設(shè)置一個(gè)固定的直流偏置，使TPS92210的開(kāi)通完全由Tze腳的電壓零點(diǎn)穿越來(lái)決定，這就保證了變換器一直工作在臨界電流模式。

1.2電感的設(shè)計(jì)

根據(jù)輸入輸出要求，計(jì)算電感量。 本方案中，輸入 176V~264Vac，輸出 40V，0.25A。由于輸入采用了填谷電路，所以輸入的電壓范圍可以計(jì)算如下：

根據(jù)上面計(jì)算的最小最大輸入電壓，可以計(jì)算最小、最大占空比：

輸出平均電流為 0.25A，電流工作在臨界電流模式，電感上的平均電流就是輸出電流?？梢杂?jì)算得電感峰值電流、有效值電流分別為：

因?yàn)榕R界模式的變換器，輸入電壓越高，工作頻率。綜合考慮，體積以及效率，設(shè)定最大工作頻率為100KHz。

那么電感量可以計(jì)算如下：

所以電感量大約為 700uH。

根據(jù)計(jì)算得出的電感量，可以驗(yàn)證最低開(kāi)關(guān)頻率為：

根據(jù)計(jì)算得出的最大占空比以及最低開(kāi)關(guān)頻率，可以得出最大導(dǎo)通時(shí)間為：

Tonmax小于TPS92210所允許設(shè)置的最大導(dǎo)通時(shí)間 5us。 所以電感設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題。

選擇磁芯： 假定 Bmax=2500G，填充系數(shù)：k=0.4 電流密度為：j=6A/mm^2可以計(jì)算得磁芯所需的 AP 值為：

根據(jù) AP 值，選擇 RM5 作為電感磁芯：

RM5 的 Ae 面積如下，可以計(jì)算電感所需要的匝數(shù)：

電感需要大約 67 匝。

根據(jù)之前計(jì)算的電流 RMS 值，和設(shè)定的電流密度 j，選擇 AWG30 來(lái)繞制電感。

選用 1 股 AWG30 作為繞組。

2、測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上分析和設(shè)計(jì)，制作了樣機(jī)并驗(yàn)證其性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1效率測(cè)試

2.2 PF 值

2.3 電流精度

2.4 啟動(dòng)

2.5 輸出紋波

2.6 短路保護(hù)

2.7 開(kāi)路保護(hù)

2.8 EMC 測(cè)試

3、結(jié)論

本文分析設(shè)計(jì)了使用TPS92210 控制的臨界模式buck 變換器。 分析了TPS92210臨界模式的可行性以及設(shè)置方式。詳細(xì)介紹了電感的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法。最后制作了樣機(jī)驗(yàn)證了分析和計(jì)算的正確。保證了TPS92210 用于非隔離恒流LED 驅(qū)動(dòng)電源的可行性。