【设计大赛】5W-LED电源驱动电路

2系统的工作原理和设计
2.1电路拓扑的选择
研究开发和生产的开关电源从20世纪70年代和崛起中的AC / DC DC / DC两大类开关电源在过去几十年的发展，几十种拓扑结构，用于各种开关电源供电系统。每种拓扑都有各自的优点和缺点，并且拓扑结构的选择范围将直接影响到开关电源的设计是好还是坏[7]。
设计的LED电源驱动程序之前，首先要选择合适的拓扑结构，为了选择合适的拓扑结构，我们应该熟悉的各种拓扑结构的优点和缺点。依赖于它的电路设计选择---选择组件，环路补偿，其核心部件的设计等。如果你改变电路拓扑结构，这些将改变它。因此，正式的设计之前，花一些时间来仔细检查开关电源的设计要求和技术规范，以确保选择适当的电路拓扑结构，会有事半功倍的效果。
许多开关电源的书籍大多只介绍了几十电路拓扑，只有一个大致的介绍每种拓扑结构的作品。但一些优势和劣势各类型电路拓扑书。当然，没有介绍如何从电路选择合适的电路拿出指导。但事实上，最新的评论文章已经指出，只有谐振变换器电路拓扑数量多达上百种。因为事实上，几乎任何一种电路为一个给定的应用是可行的[8]。
这个项目是一个小功率LED的结构简单，功率drivers.Because，体积小，低功耗的LED电源驱动的设计，是使用最广泛的反激式拓扑结构。 iWatt公司的1706系列，我们选择，所以我们选择的反激式拓扑结构，在这里我们就不做太多的选择的原因。本主题重点介绍变压器的设计，反激式拓扑结构工程，我们将在下文提到，我们不会做其他电路拓扑的介绍。
2.2反激变换器的基本工作原理

  

图2.1一个典型的反激式转换器电路
基本工作原理如下：在图2.1中，当的MOS1传导，次级整流二极管D2反向切断负载电源的输出电容C1所示。变压器T1相当于一个纯电感，电流流通过初级线圈线性增加在繁忙的IP。当的MOS1关闭，所有绕组的电压反向。反激电压的次级整流二极管D2的导通状态，初始存储能量的数量在同一时间被转移到次级负载电流，而输出电容充电（Q1的能量传导损失）。目前在下一个周期开始之前下降到零，电路工作在断续模式。
2.3返驰式转换器的操作模式
反激式转换器，隔离变压器，能起到储能电感和变压器磁芯的作用，在直流偏磁状态，以防止饱和，我们经常要加入一个较大的空气间隙，通常是比较低的值在变压器的初级电感。反激式转换器通常是根据输出电流的连续性，可以划分成断续模式（DCM），连续模式（CCM），当前的关键模式（BCM）。
2.3.1连续导通模式
DCM的连续电流模式，如图2.2所示，当二次电流线性下降之前，下一个周期的开关导通，目前已经下降到0，然后在间歇模式运作的电路。
间歇运行模式电路的工作，关闭次级整流二极管的电流应力非常小，传导开关，二极管已经完全关闭，以避免二极管的反向恢复问题。如果二极管的反向恢复电流尖峰的存在，它会带来电磁干扰。
 
图2.2 DCM模式
2.3.2连续模式
CCM的连续电流模式，如图2.3所示，二次电流线性减小，当电流并没有减少到0，下一个开关周期已经传导。这种现象被称为连续操作模式。
连续模式电感的要求比在非连续模式变压器的变压器体积笨重。
如果他们是间歇运行模式的工作，引起的负荷变化，占空比调节范围，调整困难，使非连续模式一般为小负荷变化的场合使用。如果负载的变化，选择连续操作模式。

图2.3 CCM模式
3反激式变压器的设计
反激式变压器开关的能量储存在closed.When在开关处于关闭状态，变压器释放能量，所以之间的电感器和变压器​​的反激式变压器，不是真正的变压器[8]。在这种情况下，设计参数：IN：90V-265V AC，输出：11.5 V320毫安;开关频率：72KHZ; IC的工作电压：10V。

3.1回扫变压器磁原则
变压器的功能，对变压器绕组匝数比决定其通过的电流流电压。
切换到管导通，VIN的增加，在变压器初级绕组施加VINR = VIN / N，这个电压，使输出二极管的反向传导的二次电压。初级绕组的匝数，通过二次绕组没有电流流过。
变压器绕组电压的两端，可以从以下电压推导公式：
（3-1）
由于两个线圈缠绕在相同的核心，因此绕组的磁通及磁通变化率相同。因此得到：
（3-2）
上面的公式表示，电压互感器的原则，应该指出的是，变压器电压比和蜿蜒流过的电流无关。
我们知道，打开开关上的回扫变压器商店在能源。当开关关闭时，储存的能量需要释放。在这点在任何情况下电压会自动调整，使能量的释放，它可以假设二极管导通开关关闭时。假设在一个恒定的值，输出电容电压V0，在二次绕组的一端接地，整个V0的电压（忽略二极管压降）;根据变压器的原理，电压转换到主转换后的电压为：
（3-3）
在此期间，开关被关闭，通常情况下，初级电压VIN。在图3.1所示，主电压互感器二次转换主他们叠加电压VOR，最后的玫瑰VIN +的VOR（忽略关断电压峰值）。

图3.1变压器的漏极电压波形
因此，在传导过程中开关，初级线圈，以确定所有的绕组电压。开关在关闭期间，次级线圈绕组电压决定。
由伏秒规则公式（为了确保核心是不饱和）：
（3-4）
                          （3-5）
                         （3-6）
占空比是：
（3-7）
注意：
在回扫变压器设计的时候，当IC的要求操作在DCM模式下，占空比一般是先采取0.4-0.45之间的经验值。
这里的电压和截止电压又是在绕组两端，而不是一端的电压之间的电压。要确定基准点，测量电压时，测量点电压的电压。
参考点，测量变压器用示波器相同的名称，可以判断主变压器次级绕组和辅助绕组侧引脚的电压波形。
下面讨论，目前小学和中学，回扫变压器目前最终的变压器电流计算公式之间的关系，它不是严格意义上的基本变压器功能，因为不通过流动的回扫变压器初级绕组和二次windingis目前，似乎他们不是。
事实上，回扫变压器初级绕组和次级绕组电流的关系是建立能源，我们知道，能表达的核心是：
（3-8）
但不回扫变压器的初级和次级线圈的电流流经在同一时间通过初级绕组电流的能量流必须是平等的核心能量，都是平等的（忽略纹波电流）。
                         （3-9）
LP和LS是初级电感和次级电感。
                       （3-10）
                       （3-11）
代入的能量公式，初级电流和次级电流关系：
（3-12）
确保变压器的总安匝的价值是不能突变，目前的初级线圈和次级线圈的电流不会流入通过在同一时间，它不会影响上述电流方程，电感上的电流不能突变有些类似。
3.2核心材料的类型的选择
大多数开关电源与电源变压器铁氧体磁芯。铁氧体一般是三氧化二铁和锰，氧化锌，高磁导率锰锌铁氧体磁感应强度中等，高电阻率，低损耗，低价格应该是高频率使用的混合。开关频率是比较高的，我们可以选择的铁氧体材料或MPP，完美的设计都必须考虑。在这里，我们只考虑铁氧体材料，以便引进，因为，如果效率是一样的，比MPP的铁氧体磁芯体积更小，所以我们选择了铁氧体材料的核心。
3.3核心的选择
3.3.1铁氧体磁芯的几何
核心市场上的类似形状的范围很广，但核心的性能是有很大区别。为了完成变压器的设计，我们需要选择不同类型的核心。从几种不同结构的变压器磁芯的几何尺寸如下：（1）EE核心（2）（3）欧共体和ETD核心RM磁芯PQ磁芯（4）（5）LP核心（6）锅核心）（提供）由TDK公司
EE型磁芯是使用最广泛的，在图3.2所示，线圈的核心是不完全由铁素体活缠，所以才会有更大的磁场EMI-RFI的。从中间的空气流动，使变压器冷却。中央支柱，圆形，方形，圆形的核心比多平方米的核心优势，同一地区的中心柱的情况下，每个线圈的长度之交前者比后者，轮流相同数量的情况下，短循环核心的线性阻抗也小，相应的铜损耗和温升应小。
  
图3.2 EE型磁芯
图3.3显示了欧盟的核心部分，在圆形的中间部分，蜿蜒十分便利。伤口面积增加，大功率开关变压器的设计。其核心的罐形磁芯和E型及其对开幕式的每一侧的圆柱之间的核心部分之间的交叉，从而使绕组电阻降低到最低限度。长柱设计的漏感。欧共体的核心，通常用于差模和电源变压器

图3.3 EC型磁芯
扣除非经常性的核心是一个变压器或电感器的经济实惠的选择。在图3.4所示，圆柱可降低绕组电阻。 ，并专门优化，以提高效率的电力变压器的尺寸。扣除非经常性核心的典型应用包括差模电感器和电源变压器。

图3.4开航类型的核心
在图3.5所示，RM磁芯EE和灌木状的核心是，核心结构是一个更有效的罐状的核心，其铁素体更广泛的开槽，所以这种适用于高输出功率或输出功率的核心。

图3.5 RM型磁芯
在图3.6所示的PQ型磁芯的体积和辐射面积，绕线面积之间的比率是最好的。为核心的损失是成正比的热辐射能力为核心，体积和辐射表面积，因此，一个给定的输出功率的条件下，PQ磁芯的最低温度上升成正比。和PQ磁芯体积和绕线面积的比例是最佳的，所以相同的输出功率变压器的尺寸是最小的。

图3.6 PQ型核心
LP型的核心是专为小尺寸的变压器。中心列在图3.7所示，是很长，这样可以降低漏感。

  

图3.7 LP型的核心
灌木状的核心通常是用于低功耗水平（不超过125W）DC / DC转换器，主要优点是几乎完全是在铁氧体材料，从而有效地降低了辐射磁场内线圈骨架的中心柱，主要用于EMI或RFI要求的场合。
在这种情况下，我们选择EE16型磁芯。
3.3.2核心的选择
磁性元件的设计一般需要增加气隙以提高能源的核心存储容量。否则，其核心是容易达到饱和。铁氧体磁芯（所有拓扑结构的应用），我们一般采用下列公式为核心的选择：
                      （3-13）
在F的单位是千赫。
R - 纹波率，通常为0.5。
实际的核心数量，我们可以查询规范AE，LE的价值，用公式：
                                 （3-14）
计算实际的核心数量，只要核心的实际体积大于核心的计算量。
3.4核心材料的选择
选择“为核心材料的磁芯损耗与频率和峰值磁通密度的变化曲线的参考因素。因为不同的核心材料，核心频率和峰值磁通密度变化的损失，正确的磁芯材料会降低磁芯损耗。
在图3.8，PE22和PC40磁芯损耗的材料和铁氧体磁芯的磁通密度（由TDK公司提供）所示：
 
图3.8磁芯损耗和磁通密度的关系
在图3.9所示，PE22和PC40（由TDK公司提供）两种材料的铁氧体磁芯，磁芯损耗和温度之间的关系：

图3.9磁芯损耗和温度
在图3.10所示，铁氧体磁芯的电感系数比较两种材料PE22和PC40（TDK公司提供）：

图3.10电感系数比较两种材料
我们发现，在相同的温度比PE22小，PC40电感系数，PC40磁芯损耗是比PE22电感系数更大。相同的电感，所需的线圈匝数少，降低了铜损。因此，在这种情况下，我们选择了铁氧体磁芯材料PC40。
3.5空气间隙的选择
在图3.11所示，通常的做法是为了防止回扫变压器磁芯饱和，核心加气隙。有两种方法的核心，加上空气间隙。其一是使用了坚实的铁氧体磁芯。磨EE型或锅核心的中央支柱的一部分，可形成气隙。在sertion在两个U形或UU的核心交界处的塑料板材，从而获得所需气隙。更常用的方法是使用的MPP（坡莫合金粉）的核心，这里是没有做太多这种方法介绍。

在图3.11中的核心加上滞后环的空气间隙的影响
气隙大小：
                        （3-15）
磁感应强度：
                                                （3-16）
空气间隙的选择是不小于0.25-0.5mm的（10-20Mil的），因为核心的生产过程将是0.025-0.05mm的误差（即1-2mil）。如果空气间隙小于10-20Mil的，为自己的最佳选择与气隙核心的，以确保AL大小，而不是空气隙的大小。
3.6回扫变压器初级/次级匝数比
选定的核心模式，我们应该确定小学和中学的匝数比，我们可以切换压力值，初步确定了初级/次级匝数比，如果我们假设整流压降0.7V.leakage电感的电压值的心室晚电位，开关能够承受最大电压应力：
                （3-17）
3.7选择初级匝数
根据法拉第定律的无量纲形式来计算圈主号码[8]：
                    （3-18）
其中，Np是初级绕组匝数;ΔB为磁通量密度，T台，AE是有效的核心区，单位毫米，是最小直流输入电压，V为单位，是时间上的最大，单位毫秒。
3.8初级峰值电流和初级电感
在传导过程中切换，初级线圈的恒定，电流线性上升的电压，斜坡的di / dt = VDC / LP。传导年底前，初级电流上升到IP = V直流吨/ LP，变压器储存能量：
                          （3-19）
              （3-20）
开关电源的效率;
而且由于
                     （3-21）
所以
                                       （3-22）
初级峰值电流：
                                                 （3-23）
因此，根据初级峰值电流，初级电感值：
                                               （3-24）
3.9初级RMS电流和导线尺寸
当初级电流是三角波，传导时间是最大的直流输入电压最小时的初级峰值电流有效值[9]：
                                            （3-25）
根据初级RMS电流和电流密度，初级线圈的裸区：
                                                （3-26）
J是导体的电流密度，A/cm2的;
注：根据附录中的电线规格表，我们可以查询到所使用的电线规格。
3.9.1次级RMS电流和导线尺寸
由于初级电流和次级电流和匝数比的大小是成反比的，二次电流是三角波，所以
                                  （3-27）
次级RMS电流和电流密度，的次级线圈裸露面积：
                                               （3-28）
J是导体的电流密度，A/cm2的;
注：根据附录中的电线规格表，我们可以查询到所使用的电线规格。
3.9.2初级绕组，二次绕组和辅助绕组铜损
电流在线圈的热效应，会产生铜损，铜损计算，我们一般首先找到每个绕组的等效电阻：
                                          （3-29）
然后计算出铜丧失：
                                            （3-30）
3.9.3磁芯损耗
磁芯损耗一般由磁滞损耗，涡流损耗和剩余损耗。剩余的损失将低于1MHz以上，一般的开关频率可以忽略不计。我们通常可以分为三场失利的经验公式如下：
                                      （3-31）
相关资料显示，PC40铁氧体磁芯材料;
4选择IC
LED电源驱动IC的供应厂家，如iWatt公司，NXP的观点的力量，考虑到市场的成本和IC时间，我们选择了IW1706 iWatt公司公司-00，iWatt公司2011年5月推出的芯片公司已更新IC市场，但IC还不是很成熟和稳定，在研究和发展的过程中会遇到更多的麻烦，所以我们选择的IW1706-00，其中约1万元，批量采购成本将降低成本。

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