基于SA7527的LED照明驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

摘要：本文利用SA7527芯片，設(shè)計(jì)了一款LED日光燈驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)電路各部分進(jìn)行了分析。該電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是反激變換器，并采用可式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431配合雙運(yùn)算放大器LM358和光耦EL817構(gòu)成閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)了恒流恒壓輸出。該電路具有簡單、輸入電壓范圍寬、成本低、性能良好、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓教岢G色照明，LED日光燈作為其中一種正在被廣泛使用，LED日光燈相對(duì)于普通的日光燈具備節(jié)能、壽命長、適用性好等特點(diǎn)，因單顆LED的體積小，可以做成任何形狀，擁有回應(yīng)時(shí)間短、環(huán)保、無有害金屬、廢氣物容易回收、色彩絢麗、發(fā)光色彩純正等優(yōu)勢(shì)。本文通過SA7527設(shè)計(jì)的一款LED日光燈驅(qū)動(dòng)電路，穩(wěn)定可靠性比較好，不僅能夠降低日光燈的成本，提高它的轉(zhuǎn)化效率，還可以實(shí)現(xiàn)恒流恒壓輸出，同時(shí)能驅(qū)動(dòng)不同功率的LED。

一、電路的設(shè)計(jì)

1.電路組成

全電路由抗浪涌保護(hù)、EMI濾波、全橋整流、反激式變換器、PWMLED驅(qū)動(dòng)控制器、閉環(huán)反饋電路組成，如圖1。

2.主電路分析

主電路如圖2所示。從AC220V看去，交流市電入口接有熔絲F1和抗浪涌的壓敏電阻RV1，熔絲起到線路輸入電路過流保護(hù)的作用，壓敏電阻RV1用來抑制來自電網(wǎng)的瞬時(shí)高電壓保護(hù)輸入線路的安全，之后是EMI濾波器，L1，L2，C1是共模濾波器，L3，L4，C2是差模濾波器，DB107是全橋整流電路，C13是一個(gè)電容濾波器，經(jīng)過整流后的電壓（電流）仍然是有脈沖的直流電。為了減少波動(dòng)，通常要加濾波器，由R19，C8，D5組成的RCD緩沖電路是為了防止功率管Q1在關(guān)斷過程中承受大反壓，緩沖電路的二極管一般選擇快速恢復(fù)二極管。

輸出濾波器C10，C11，C12并聯(lián)是為了減少電壓紋波。

本電路的特點(diǎn)：（1）寬電壓輸入范圍；（2）恒流/恒壓特性；（3）由LM358組成的輸出反饋取樣與恒流/恒壓控制電路，成本低，控制精度高，調(diào)試簡單；（4）本電路可以驅(qū)動(dòng)不同功率的LED。

3.啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

啟動(dòng)電路如圖2所示。為了使電路正常啟動(dòng)，應(yīng)該在整流橋整流后的變壓器初級(jí)線圈與SA7527的供電電壓端8腳之間連接一個(gè)啟動(dòng)電阻R20，并在8腳與地之間連接一個(gè)啟動(dòng)電容C9。接通電源時(shí)，流過啟動(dòng)電阻R20的電流對(duì)啟動(dòng)電容C9充電。當(dāng)C9的充電電壓達(dá)到啟動(dòng)門限電壓（典型值為11.5V）后，SA7527導(dǎo)通，并驅(qū)動(dòng)功率管Q1開始工作。整流后電壓的最大值和最小值分別用Uimax和Uimin來表示，ISTmax為最大啟動(dòng)電流，Vth（st）max為啟動(dòng)門限電壓最大值，啟動(dòng)電阻R20由下列公式（1）和公式（2）來確定，該電阻應(yīng)選擇功率電阻，最大消耗功率不能超過1W。

啟動(dòng)電容C9應(yīng)由下式來確定：

式中，Idcc為動(dòng)態(tài)工作電流；fac為交流電網(wǎng)頻率；HY（ST）為欠電壓鎖定滯后電壓。

4.控制電路的設(shè)計(jì)

4.1芯片介紹

SA7527是一個(gè)簡單而且高效的功率因子校正芯片。此電路適用于電子鎮(zhèn)流器和所需體積小、功耗低、外圍器件少的高密度電源。

4.2控制方法的分析

控制電路如圖3所示。該控制電路是峰值電流控制模式，當(dāng)功率管Q1導(dǎo)通時(shí)，二極管D6，D7截止，變壓器T1的原邊電感電流線性上升，當(dāng)電流上升到乘法器輸出電流基準(zhǔn)時(shí)關(guān)斷功率管Q1；當(dāng)功率管Q1關(guān)斷時(shí)，二極管D6，D7導(dǎo)通，電感電流從峰值開始線性下降，一旦電感電流降到零時(shí)，被零電流檢測(cè)電阻檢測(cè)到，功率管Q1再次導(dǎo)通，開始一個(gè)新的開關(guān)周期，如此反復(fù)。

4.3零電流檢測(cè)電阻的設(shè)計(jì)

零電流檢測(cè)端外圍電路如圖4所示。MOSFET功率管利用零電流檢測(cè)器導(dǎo)通，并且在峰值電感電流達(dá)到由乘法器輸出設(shè)定的門限電平時(shí)關(guān)斷。

一旦電感電流沿向下的斜坡降至零電平，SA7527的零電流檢測(cè)器通過連接于5腳的變壓器副繞組電壓極性的反轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測(cè)，SA7527的7腳產(chǎn)生輸出，驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管又開始導(dǎo)通。當(dāng)電感電流沿向上的斜坡從零增加到峰值之后，MOSFET功率管則開始關(guān)斷。直到電感電流降至零之前，MOSFET功率管一直截止。由芯片介紹資料可知，零電流檢測(cè)端電流最大不能超過3mA，因此零電流檢測(cè)電阻R25由下式來確定。

式中，Vcc為芯片供電電壓。

4.4輸入電壓檢測(cè)電阻的設(shè)計(jì)

乘法器外圍電路如圖5所示。交流輸入經(jīng)整流后得到一個(gè)半波正弦形狀的電壓波形，為了使輸入電流較好地跟蹤輸入電壓波形，我們要在交流輸入整流后進(jìn)行電壓采樣，經(jīng)電阻R21和R22分壓后，電壓約縮小100倍輸入到SA7527的3腳，在電阻R2并聯(lián)一個(gè)電容C15除整流后的電壓紋波。由芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，乘法器輸入端3腳電壓在3.8V以下可以保證較好的功率因數(shù)校正效果。

因此應(yīng)滿足3腳的最大輸入電壓不超過3.8V，即：

4.5電流感應(yīng)電阻的設(shè)計(jì)

電流檢測(cè)外圍電路如圖6所示。

電路采用峰值電流檢測(cè)法，因此在MOSFET功率管的源極與地之間接上一個(gè)電流感應(yīng)電阻R24，MOSFET功率管的源極端接在SA7527的電流感應(yīng)端4腳CS端，一般的應(yīng)用電路中會(huì)在電流感應(yīng)電阻后接上一個(gè)RC濾波電路以濾去開關(guān)電流的尖峰，因?yàn)镾A7527芯片內(nèi)部已經(jīng)有RC濾波電路，所以這里不必加外圍RC濾波電路，從而減少了SA7527的外部元件數(shù)量。電流感測(cè)比較器采用RS鎖存結(jié)構(gòu)，可以保證在給定的周期之內(nèi)在驅(qū)動(dòng)輸出端僅有一個(gè)信號(hào)脈沖出現(xiàn)。當(dāng)電流感應(yīng)電阻兩端的感應(yīng)電壓超過了乘法器的輸出端門限電壓時(shí)，電流感應(yīng)比較器就會(huì)關(guān)斷MOSFET功率管并且復(fù)位PWM鎖存器。電感電流的峰值在正常情況下由乘法器的輸出Vmo來控制，但壓是當(dāng)在輸入電壓太高或者輸出電壓誤差放大器檢測(cè)出現(xiàn)問題時(shí)，電流感應(yīng)端的門限電值就會(huì)在內(nèi)部被鉗位在1.8V。這是由于芯片內(nèi)部的電流感應(yīng)比較器的反相輸入端接有一個(gè)1.8V的穩(wěn)壓二極管，因此電流感應(yīng)電阻的取值要滿足公式（6）和公式（7）兩個(gè)條件。

其中

K為乘法器增益，ΔVm2=Vm2-Vref，為電壓誤差放大器的輸出與芯片內(nèi)部參考電壓的差值。

4.6閉環(huán)反饋電路的設(shè)計(jì)

閉環(huán)反饋電路如圖7所示。該電路是一個(gè)恒流恒壓輸出電路，它是由雙運(yùn)放LM358和TL431構(gòu)成的電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)，先恒流后恒壓，先是電流采樣，D2導(dǎo)通，D1截止，實(shí)現(xiàn)恒流，然后是電壓采樣，D1導(dǎo)通，D2截止，實(shí)現(xiàn)恒壓。

電流控制環(huán)：TL431是精密電壓調(diào)整器，陰極K與控制極R直接短路構(gòu)成精密的2.5V基準(zhǔn)電壓。該電壓由R11送到LM358的5腳（同相輸入端），R5直接從輸出端采樣電流，將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再將電壓值送到LM358的6腳（反相輸入端），將同相輸入端的電壓和反相輸入端的電壓進(jìn)行比較，并在7腳輸出高低電平來控制流過光耦EL817的導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)而通過SA7527控制變壓器一次側(cè)輸出占空比的大小，達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的結(jié)果，C1，R3為反相輸入端與輸出端的反饋元件，可通過調(diào)整其數(shù)值來調(diào)整放大器的反饋增益。當(dāng)電路接P5端口時(shí)，輸出電流的大小為：

，

，其他端口同例。

電壓控制環(huán)：TL431是精密電壓調(diào)整器，陰極K與控制極R直接短路構(gòu)成精密的2.5V基準(zhǔn)電壓。該電壓由R10送到LM358的3腳（同相輸入端），R7直接從輸出端采樣電壓，R7，R9組成分壓電路，將分壓值送到LM358的2腳（反相輸入端），將同相輸入端的電壓和反相輸入端的電壓進(jìn)行比較，并在1腳輸出高低電平來控制流過光耦EL817的導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)而通過SA7527控制變壓器一次側(cè)輸出占空比的大小，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的結(jié)果，C3，R8為反相輸入端與輸出端的反饋元件，可通過調(diào)整其數(shù)值來調(diào)整放大器的反饋增益。當(dāng)電路接P1端口時(shí)，P1端口的輸出電壓為：

，其他端口同例。

二、電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)的建模與仿真

1.電壓控制環(huán)的建模與仿真

首先一個(gè)重要的中間量是TL431陰極電壓變化量kΔv與輸出波動(dòng)oΔv的關(guān)系式為：

其中

陰極的電壓變化引起光耦二極管電流變化：

高壓感應(yīng)側(cè)光電流變化：

其中

反饋網(wǎng)絡(luò)：

組成控制框圖如圖8所示。

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

將R2=4.7KΩ，R7=150kΩ，R8=2.2kΩ，R9=4.7kΩ，R19=1kΩ，C3=1mF，CTR=100%，101pwmk=L?f=代入式16中，用MATLAB仿真得到電壓控制環(huán)的波特圖如圖9所示。交越頻率4.8KHZ，相位裕量100o。

2.電流環(huán)控制環(huán)的建模和仿真

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

將R2=4.7kΩ，R3=2.2kΩ，R4=2.2kΩ，R5=0.36Ω，R19=1kΩ，C1=1mF，CTR=100%，101pwmk=L?f=代入式19中，用MATLAB仿真得到電壓控制環(huán)的波特圖如圖10所示。交越頻率220kHz，相位裕量46°。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

搭建一個(gè)18W的實(shí)驗(yàn)電路接入電源，用各種儀器測(cè)試的波形圖如圖11、圖12、圖13和圖14所示。從上面波形圖可以看出，輸出電流電壓能夠恒流恒壓輸出，電路效率達(dá)到85%以上，功率因素（PF）達(dá)到90%左右。

結(jié)論

LED日光燈是一種綠色光源，有著非常廣泛的應(yīng)用前景。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本電路能寬電壓輸入，恒流恒壓輸出，電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)不僅響應(yīng)速度快而且穩(wěn)定，輸出電流電壓都很穩(wěn)定，電路的效率達(dá)到85%以上，達(dá)到了滿意的效果，該電路還有多個(gè)端口，能夠驅(qū)動(dòng)不同功率的LED，能夠在實(shí)際生活中應(yīng)用。