降压／升压式LED恒流驱动

降压／升压式LED恒流驱动

信息科技学院电子信息工程 林利强

摘要：某些电子设备和家用电器并不需要使用输入与输出完全隔离的开关电源。例如，直流电机的驱动电源，空调、无霜冰箱和微波炉中的稳压电源 等，照明用LED的驱动电源本身就属于隔离系统，因此可使用非隔离式开关电源供电，但要求这种开关电源的电路简单、成本低、电源转换效率高和可靠性高，使用与维护方便。Link-Switch-TN系列产晶提供了7种非隔离的电路连接方式，考虑到对负载器件的安全性及LED需要恒流的供电 模式的特性，本设计选择了第6种接线方式，即正端降压/升压式（Buck－Boost）恒流驱动电路，使用LNK 306p对LED提供恒流驱动。 关键词： 降压/升压；LED；恒流驱动

目 录

1元器件介绍

1.1 Link-Switch-TN系列-------------------------------------------1 1.1.1 Link-Switch-TN系列概述-------------------------------------2 1.1.2 Link-Switch-TN系列产品特色---------------------------------2 1.2 LNK306-----------------------------------------------------3 1.2.1 LNK306的概述---------------------------------------------3 1.2.2 LNK306的应用---------------------------------------------3

1.2.3 LNK306的参数---------------------------------------------3 1.3 LED--------------------------------------------------------4 1.3.1 LED概述--------------------------------------------------4 1.3.2 LED的参数------------------------------------------------4 2设计的基本内容----------------------------------------------------4 2.1 详细设计步骤------------------------------------------------4 2.2 恒定输出电流的电路------------------------------------------7 2.3 散热环境----------------------------------------------------8 3设计计算----------------------------------------------------------8 3.1 降压型及降压-升压型拓扑中电感量的计算---------------------------8 3.2 平均开关频率-----------------------------------------------11 3.3RMS电流的计算----------------------------------------------11

参考文献-------------------------------------------------------------------------------------------------------13

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1 元器件介绍

1.1 Link-Switch-TN系列

1.1.1 Link-Switch-TN系列概述：

Link-Switch-TN系列其特点如下:(l)Link-Switch-TN江洲系列产品能以最少数量的外围元件构成非隔离式、节能型开关电源。由于Link-Switch-TN采用了Eco smart(r)节能技术，不仅能变换器达到较高的转换效率，而且能提高功率因素。(2)使用灵活，既可设计成正压输出的降压式(Buck)电路，也可设计成负压输出的降压或升压式(Buck-Boost)电路、降压式LED恒流驱动电路，能满足不同场合不同用户的需要。(3)输人电压范围宽度，在交流85一265V范围内具有良好的电压调整率和负载调整率。有两种工作模式可供选择，分别连续模式(CCM)和不连续模式(DCM)。(4)具有较强的抗干扰能力，且具备低功耗的特点。Link-Switch-TN的工作频率为66kHz，频率抖动范围是4kHz，使用频率抖动技术能将电磁干扰降低约10dB，并能减小EMI滤波器的功耗。内置功率MOSFET导通迅速且无过冲现象产生。当负载端无载且输人交流电压为230V时，采用自供电降压电路的功耗仅为80mw，采用外部偏置电路时的功耗更低至12mw。(5)保护功能完善。芯片内部有短路后自动重启动的保护电路、开环故障检测及保护电路、限流保护电路和具有滞后特性的过热保护电路。

1.1.2 Link-Switch-TN系列产品特色：

替代线性及电容降压式电源的低成本解决方案

成本最低、元件数目最少的降压型(BUCK)转换器方案

完全集成的自动重启动功能，用于短路及开环故障保护-节省了外围元件的成本 LNK302简化了控制器，不具备自动重启功能，从而降低系统成本

具有精确的限流点且工作在66 kHz-可使用普通的1 mH 电感达到120 mA的输出电流 严格的参数公差与微小的可以忽略不计的温度漂移

高达700 V的击穿电压提供了良好的抵抗输入浪涌的能力

频率调制技术极大地降低了EMI(～10 dB)-降低了EMI滤波器的成本 很高的过温关断保护点(最小+135℃)

与分立元件的降压型或无源元件电源方案相比具备更好的特性

支持降压(Buck)、降压－升压(Buck－Boost)及反激拓扑结构 提供系统级的过热、输出短路及控制环开路保护

既使采用典型的电路结构也可达到优秀的输入及负载调整率 高带宽提供了无过冲的快速启动 限流工作方式抑制了线电压的纹波

全球输入电压范围(85 VAC至265 VAC) 内置的限流点及具备迟滞特性的过热保护 与无源元件电源方案相比效率更高 相对于电容降压式方案其功率因数更高 可以完全实现电源的SMD生产

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1.2 LNK306

1.2.1 LNK306的概述：

LNK306特别用来替代输出电流小于360mA的所有线性及电容降压式非隔离电源。其系统成本与所替代的电源相等，但性能更好、效率更高。

LNK306在一片IC上面集成了一个700 V的功率MOSFET、振荡器、简单的开/关控制电路、高压开关电流源、频率调制、逐周期的电流限制及过温保护电路。器件在启动及工作期间的功率消耗直接由漏极引脚的电压来提供，因此在BUCK及反激式转换器中可节省偏置供电的相关电路。在LNK304-306器件中完全集成的自动重启动电路在短路、开环的故障情况下，安全地限制了输出功率，减少了元器件的数目，降低了在系统级用于负载保护电路的成本。如有必要，IC的自供电操作允许使用没有安规要求的光耦器作为电平转换，以改善输入电压调整率及负载调整率。

1.2.2 LNK306的应用：

用于非隔离降压或升降压转换器,对线性/无源解决方案进行替换 LED驱动及工业控制 大型和小型家用设备 电表﹑定时器

恒流发光二极管照明设备

1.2.3 LNK306的参数：

LNK306的参数 LNK306的基本参数 输出电压 频率范围 工作温度 隔离输出 LNK306电流输出 230 VAC ±15% 85-265 VAC MDCM CCM MDCM CCM LNK306 封装类型 P(DIP-8B) G(SMD-8B) D(SO-8C)

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12V 62～70kHz -40℃～150℃ ------ 225mA 360mA 225mA 360mA

1.3 LED

1.3.1 LED概述：

LED作为固态光源，具有寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化等特点。目前有新型的大功率LED用作汽车尾灯与日常照明及户外应用等以代替白炽灯。亮度上的进一步增加在Vishay的新一代产品TELUXTM系列和LuxeonTM Star系列高亮度LED中得到了体现，该产品结合了宽的视角和高的光通量。大功率LED用作照明时，其供电电流的大小与发光亮度有密切的关系，因此要求使用恒流供电模式。

1.3.2 LED的参数

参数 正向直流电流（mA） 正向峰值脉冲电流（mA） 平均直流电流（mA） 反向耐电压（V） LED结温（℃） 铝芯PCB温度（℃） 储存与工作温度（℃）

白/绿/青/蓝 350 500 350 >5 120 105 -40~+105 红/黄/橙 385 550 350 >5 120 105 -40~+105 2 设计的基本内容

2.1 详细设计步骤

步骤1-确定系统要求的VACmin、VACmax、Po、Vo、fL、η

根据下表确定输入电压范围 输入（VAC） 100/115 230 宽电压范围 VACmin 85 195 85 VACmax 132 265 265 标准的全球输入线电压范围

线电压（输入电压）频率，fL：50或60Hz，使用半波整流时使用fL/2的数值。 输出电压Vo：12V 输出电流Io：200mA 输出功率Po：2.4W

电源效率η：对于12V输出使用0.7的数值 AC输入电压（VAC） 100/115

总的电容容量Cin（总）uF/Pout（Cin1+Cin2） 半波整流 6-8 全波整流 3-4 4

230 宽电压输入 1-2 6-8 1 3-4 对应不同的输入电压范围建议的总的输入电容容量

步骤2-确定AC输入级

输入级由可熔电阻、输入整流二极管及线滤波器网络组成。可熔电阻应选用阻燃类型的电阻，根据不同的输入端雷击测试要求，需要使用线绕类型的电阻。可熔电阻的作用为保险丝、浪涌电流限制及差模噪声衰减。对于输出功率小于等于1 W的设计，使用半波整流时成本最低；输出功率大于1 W时，则采用全波整流 (此时输入电容较小)。通过在低压返回端增加第二个二极管的方法，可以改善半波整流设计的EMI性能。这样相当于提供了一个EMI选通门（EMI电流只有在二极管导通时才能流过），同时在做差模雷击测试时，由于电压被两个二极管所分担，因而也使雷击测试的耐压值提高了一倍。

步骤3-根据AC输入电压确定最小和最大的DC输入电压Vmin和Vmax

Vmax可计算如下：

（1）

假定输入可熔电阻的数值很小，其两端的电压降可以忽略。

如果没有更好的参考数据，假定桥式二极管的导通时间为tc= 3 ms。 最小输入电压Vmin

（2）

如果VMIN小于等于70 V，则增加输入电容CIN(TOTAL)的容量。

步骤4–根据输出电流和限流点选择Link-Switch-TN器件

对于MDCM工作方式，输出电流(Io)应小于等于所选器件的数据手册中列明的最小限流点的一半。

（3）

对于CCM工作方式，电源输出电流Io可以比所选器件最小限流点Ilimit_min高50%，但不能超过80%。

（4）

步骤5 – 选择输出电感

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