基于p4105的13w恒流可调光led灯光灯设计

基于p4105的13w恒流可调光led灯光灯设计

高光灯具有高贵、使用寿命长、安全性能好、可靠性高、绿色环保、响应时间短、单光束、色彩鲜艳等优点。被公认为继电灯、闪光灯和高强度放电灯（hid）之后的第四代光源。这是国家绿色照明项目中明确规定的一个新产品。它在照明领域，尤其是民用照明领域得到了广泛应用。台灯一般用在阅读、书写、设计、批阅等办公或学习照明使用场所。基于满足人们桌面照明要达到150lx的照度、显色指数不低于80(即光对颜色还原的程度的参数)、光线稳定无频闪、无眩光的国家标准,并考虑节能、高效、环保,本设计运用VIPer22A、PT4105芯片构成的1~3W恒流可调光LED台灯,具有效率高(节能效率可以达到90%以上)、成本低(整机元器件成本降低到不足11元的水平)、光线稳定、无频闪、无眩光、显色指数高于80、保护视力等明显优势,具有非常好的市场前景。一、22单端反激式拓扑结构电路设计基于VIPer22A芯片的220V恒流可调光LED台灯的电路原理框图如图1所示。从图1知,该调光台灯由交流电压输入、功率转换、直流电压输出、一次脉宽调制、采样电压与基准电压比较、误差放大、可控频率和占空比振荡器、可控功率转换器和亮度手动控制等九部分电路组成。其中图1中虚线左边的电路是光电隔离、单端反激式拓扑结构的基于VIPer22A芯片的离线式开关电源,输入交流电压为187V~265V,输出电压为自适应电压6V~15V。虚线右边的电路则是基于PT4105芯片的可调频率、可调占空比的恒流350mA(1~3W)LED台灯驱动电路。(一)内部芯片选择1.自我控制板e接内部场效应管VIPer22A芯片封装形式为SOIC-8,是ST公司生产的智能功率开关集成模块,其引脚图和内部结构图分别如图2(a)、(b)所示。从图2(a)知,VIPer22A芯片的第1、2脚SOURCE接内部场效应管的源极,在使用中通常接地;第3脚FB是取样电压输入端,即为反馈信号控制端;第5、6、7、8脚DRAIN在芯片内部接场效应管的漏极。第4脚UDD为芯片的供电电源端。VIPer22A在同一片芯片上整合了一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应管。控制器的工作频率为60KHZ,通过反馈端FR的控制,来进行脉宽调制,从而达到稳压的目的。该芯片被广泛地用于离线式开关电源。该芯片具有过热保护自动关断模式;防止输出端短路导致击穿故障的打嗝(HICCUP)保护模式;保证低负载条件下的低功耗工作模式;高压启动电流源以及待机的低功耗(小于0.5W)模式等良好性能。2.pt2150及其他c-8脚结构德州仪器(美)电源管理专用芯片PT4105,是单片大功率LED照明驱动应用的固定频率电压模式降压集成电路。其输入电压最高可达18V,内置功率MOS管,输出电流最大可达1A,可在很宽的输入电压范围内驱动单颗1W(电流350mA)或3W(电流700mA)LED,或者各种大功率LED串/并联组合。它封装形式为SOIC-8,其引脚图和内部结构图分别如图3(a)、(b)所示。从图3(b)知,PT4105内部包含一个误差放大器、PWM比较器、逻辑控制电路和功率MOS管;采用固定频率500KHZ电压模式来调节LED的电流,其200mV的低反馈电压可降低功耗和提高效率;采用PWM控制,反馈电压仅为200mV,具有很高的转换效率,并且内含欠压锁定、过热保护、电流限制电路以避免在输出过载时对器件造成损害等功能,应用设计方便,外围电路简单。从图3(a)知,PT4105的第1脚CE为调节器开关控制输入端,高电平开启调节器,低电平关断调节器,不用此功能时,连接CE到输入电源端自动启动,CE脚不能悬空;第2、4、5脚NC为空脚;第3脚VIN为电压输入端,必须就近接旁路电容;第6脚LX为功率开关管输出,它接内部MOS管的漏极,可将功率电感和输出整流器与该脚相连,以便缩小与此脚相连的印制板布线面积,减少线路之间的电磁干扰;第7脚GND为接地引脚;第8脚FB为反馈信号输入端,调节FB与GND间电流取样电阻RF上的电压为200mV,取RF=20010-3/ILED。(二)1号高频设备设计1.初始导磁率的确定变压器的绕组及其引脚标识、引脚封装图和绕制工艺图分别如图4(a)、(b)、(c)所示。变压器各绕组的计算与电源的工作方式、电源的输入电压范围、工作频率、脉冲占空比等诸多因素有关,计算过程比较复杂,而且结果不是唯一的。下面只把某组计算结果列出:设磁芯截面积为S1,窗口截面积为S2。本设计取:工作效率为=0.9,磁芯的磁感强度为B=1500GS=0.1T,输出功率为P0=0.3512=4.2W,导线的电流密度为j=5A/mm2;耦合系数为K1≈0.2,窗口利用系数为K0≈0.8,开关频率f=60KHZ,直流电压Vmax=320V,Vmin=210V,则功率容量S1S2为:S1S2=1.05P0×106/2fBjK1K0η=1.05×4.2×106/(2×6×104×0.15×5×0.2×0.8×0.9)≈1.75(cm4)考虑到绕线空间要有一定的裕量,宜选择窗口面积大一点的铁芯,查表1得:选用E-17型铁氧体磁芯,其有效横截面积S1=289mm2;S2=185mm2;初始导磁率为2300。可计算得E-17型铁氧体磁芯的功率容量为:A1A2=1.89×1.85≈3.5(cm4)>1.75(cm4)功率容量A1A2约为S1S22倍的裕量,完全满足计算要求(实际上选择以后还需验证调整)。2.计算2.23.97取整流二极管的导通压降为0.7V,绕组内阻上的压降为1V,则:N1=Vimax×108/8fBS1=320×108/(8×6×104×0.15×103×2.89)=153(匝),取160匝。N2=N1(V2m+VF+Vr)K2K3/Vimin=160×(38+0.7+1)×1.1×1.2/210≈41(匝)N3=N1(V3m+VF+Vr)K2K3/Vimin=160×(12+0.7+1)×1.1×1.2/210≈14(匝)N4=N1(V4m+VF+Vr)K2K3/Vimin=160×(20+0.7+1)×1.1×1.2/210≈22(匝)3.次级线圈电流有效值计算设I0为N3线圈中的负载电流,Iomin为死负载电流,则次级线圈电流有效值I2=(I0+Iomin)=0.35(1+5%)≈0.37(A)。可由经验公式计算得N3线圈的线径二、22防冲激电路—0V恒流可调光LED台灯的实现基于VIPer22A芯片的220V恒流可调光LED台灯电路原理图和印制电路板图(PCB)分别如图5(a)、(b)所示。从图(a)知,熔断器FU、限流电阻R1、滤波电容C1、滤波电感L1组成高频干扰抑制电路,既可防止交流电网中的高频干扰进入开关电源,又可防止开关电源产生的高频干扰进入交流电网干扰其他用电器。电源开关闭合后,220V的交流电源经桥式整流滤波后输出一个300V左右的直流电压加在变压器初级N1(即线圈1、2两端),再利用R2、C3和VD1构成防冲激电路,使其电压有一个释放回路,以免击穿VIPer22A内部场效应管。线圈N2互感产生的交流脉冲电压既作为芯片VIPER22A的电源Vdd;又作为取样回路的接收部分的工作电源。线圈N4输出+20V左右的电压作为IC2(LM358)的工作电源。当PWM控制器输出高电平时,功率场效应管(MOSFET)导通变压器T1的初级绕组N1开始储存能量,输出电压由接在次级绕组N3的能量存贮电容C4来提供。当PWM控制器输出低电平时,场效应管截止,变压器次级绕组N3开始向负载释放能量,同时向能量存贮电容C4进行充电,整个过程通过光电耦合IC3(PC817)的反馈支路进行控制。运用低成本的双运放IC2(LM358)中的一个(IC2-2)构成的电压控制环路,使该电源输出最高电压控制在12V的设定值,能够够快速有效地保护电源工作在可控的范围以内,避免输出电压过高失控引起VIPer22A芯片本身损耗增大而导致的发热损坏。运用双运放IC2的另一个(IC2-1)设计成电流控制环路,使LED工作在恒流350mA左右,以满足LED的工作要求,限制其自身功耗。为了防止产生自激,在两个环路中各自增加了RC补偿网络。启动时由VIPer22A芯片的高压源产生激磁电流,使次级绕组N3建立输出电压,同时变压器的辅助绕组N2、N4随着输出也建立相应的电压,分别给芯片VIPer22A、LM358供电,开始正常用工作。(二)提供电源2从图5(a)知,变压器T1的次级绕组N3输出12V的恒定电压、电流恒定为350mA,给IC4(MC17555)和IC5(PT4105)提供电源。IC4及其外围元件构成频率和占空比可调的PWM电路,改变电位器RP2的电阻值使IC4输出方波频率在100~1000HZ之间变化,占空比则在10%~95%之间变化,该可变频率和可调占空比且幅度恒定在12V的电压控制着IC5(PT4105)的工作状态,使其输出驱动LED负载跟随着CE端工作状态的改变而相应改变,在实际使用时只要调节电位器RP2的电阻值就可以达到调节LED灯亮度的目的。三、i