工程师技术分享：无电解电容LED驱动电路设计

针 对第 二个 推 广瓶 颈 ， 可 以尝 试 在驱 动 电源 中 应用 新技 术 ， 避 免使 用 电解 电容 。许 多研 究表 明 ， 通 过对 电路 拓扑 进行 改 进 或者 使 用 新 的控 制 方 法 ， 均
可 实现 Ｌ Ｅ Ｄ驱 动 电源 的无 电解 电容化 ， 延 长驱 动 电
Ｆｅ ｂ． ２ ０１ ４
无 电解 电容 Ｌ Ｅ Ｄ 驱 动 电路 现 有 研 究 技 术 剖 析
张 能 ，张 波 ，丘 东 元
（ 华 南理 工 大学 电力 学院 ，广 东 广 州 ５ １ ０ ６ ４ ０ ） 摘要 ： Ｌ Ｅ Ｄ具有 的 高效节 能 、 长 寿命 、 无 污 染等 特性 使 其 成 为 国 家“ 绿 色照 明 工程 ” 的 首选 照 明工 具 。Ｌ Ｅ Ｄ驱 动 电源要 求具有 可靠性 高、 寿命 长等特 性 。寿命 短 且体 积 大 的 电解 电容 的 应 用 不仅 降 低 了驱 动 电源 的功率 密度 ， 而且 严重 限制 了驱动 电源 的 寿命 ， 因此 无 电解 电容 Ｌ Ｅ Ｄ驱 动 电路 的研
平 均值 成正 比， 然 而 电流越 大其发 热量 也越 大 ， 温 升
越高 ， 会 导致 其 寿命 缩 短 ， 因此 实 际使 用 中 ， 在 保 证
光通量 足够 大 的同 时 ， 适 当 降低 电流 可 以有 效 地 提
高照 明系统 寿命 。 在进 行 系 统 设计 的时 候 ， 综 合 分 析Ｌ Ｅ Ｄ的光一 电－ 热特 性 ， 可 以 在一 定 程 度 上 解 决 上 述 的第 一个 推广 瓶颈 。
参考表 １ 可 以发 现 ， 在 相 同条 件 下 电 解 电容 可
以达 到 的电容值 最 大 ， 因此 它们 在 电力 电 子 系统 中

基于SG3525的无电解电容照明LED驱动电源设计黄杰;聂蓉;罗伟【摘要】基于SG3525控制芯片,设计了一种无电解电容的LED驱动电源.采用改进型反激式电路结构,利用能量解耦技术,去除了电解电容,对主电路和控制电路进行了详细设计并给出了主要电路参数.最后进行了测试,实验表明,该电路去掉电解电容后,能够稳定地工作.%A kind of LED driving power which is based on the SG3525 control chip without electrolytic capacitor is designed in this paper,and an improved flyback circuit structure is adopted. Using the energy decoupling technology, the electrolytic capacitor is removed,and the main circuit and control circuit are designed in detail and the main circuit parameters are given. Finally,the experiments show that the circuit can stably work without the electrolytic capacitor.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2017(035)005【总页数】5页(P717-721)【关键词】LED驱动电源;电解电容;SG3525【作者】黄杰;聂蓉;罗伟【作者单位】湖南铁道职业技术学院,湖南株洲 412005;湖南铁道职业技术学院,湖南株洲 412005;湖南铁道职业技术学院,湖南株洲 412005【正文语种】中文【中图分类】TM53目前LED驱动电源中一般采用电解电容作为储能元件，高温对电解电容的使用寿命有很大的影响，电解电容的使用寿命又将严重影响整个系统的寿命，从而使LED本身的高寿命优势荡然无存，如何减小甚至去除电解电容，已经成为LED驱动电源研究的热点之一［1-6］.本文介绍了以SG3525为控制芯片，采用改进型反激式电路结构，基于能量解耦技术的无电解电容的照明LED驱动电源方案，不但去除了电解电容，提高了LED 驱动电源的使用寿命，还可实现高输入功率因数和恒流驱动LED负载.1.1 主电路基本工作原理无电解电容照明LED驱动电路主电路如图1所示.LED驱动电源主电路中输入整流桥、变压器一次绕组NP、二次绕组NS、开关管Q1、变压器二次整流电路以及输出滤波电容Co可以组成一个反激式变换器.经控制使Q1在一个工频周期内的占空比基本保持恒定，让反激式变换器工作于电流断续模式（DCM），从而使变换器获得较高的输入功率因数，实现了不带PFC电路的功率因数校正功能.Q3用于控制输出功率，为LED提供恒定工作电流，Q2用于控制补偿电容的补偿功率控制，根据输出情况改变开关状态，而当Pin＜Po时，Q2导通，储能电容Ca上电压VCa下降，储能电容Ca释放能量以补充输入功率的不足；而当Pin＞Po时，Q2持续关断，由Q3完成为LED提供恒定工作电流的控制，Q3根据输出情况改变开关状态.此时，当Q1、Q3同时关断时，多余的能量将存储到上升［7］.1.2 主电路主要参数的选择设输入交流电压为标准正弦波，则其表达式为：式中：Vin(t)为输入电压瞬时值；Vm为电压幅值；ω为角频率.无电解电容电路的输入功率因数较高，且输出接近恒流，忽略电压电流波动，设输入功率因数为1，则其所需储能电容容量及电压表达式为［3］：式中：Ca为储能电容容量；Po为输出功率；ω′为储能电容充放电的频率；VCamax为能量解耦电容Ca上的电压VCa的峰值；VCamin为能量解耦电容Ca 电压VCa的最小值；VCa为能量解耦电容Ca电压的平均值；式中：VCa(t)为能量解耦电容Ca电压的瞬时值.输入电压为220 V交流，电路主开关频率取50 KHz，输出功率100 W，VCamin 最低为电容初始值0伏，则其电压峰值即为电容电压差最大值.电路中电容采用20 nF，630 V的陶瓷电容，则电容电压最高值为随着后期电容的电压积累，VCamin升高，VCamax会有同时升高提高，留取一定裕量，这里选用IRFP450作为主功率管.2.1 SG3525控制芯片介绍SG3525是美国硅通用半导体公司的产品.它属于电压控制模式集成芯片，是一款功能齐全、通用性强的单片集成PWM芯片，其工作电压8～24 V，采用恒频脉宽调制PWM方案，适用于多种开关电源的控制［7-11］.SG3525的内部结构如图2所示，其有电压环和电流环双环系统，因此其开关电源无论是电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器.通过调节SG3525的5脚上的电容CT和6脚上的电阻RT可以调节输出控制信号PWM的频率；调节9脚COMP的补偿电压可以改变输出脉宽，这些功能可以改善开关电源的动态性能和简化控制电路的设计［12］.2.2 基于SG3525的控制电路设计根据主电路的控制要求，Q1采用固定占空比控制，Q2、Q3根据输出实时控制.如图3基于SG3525芯片的控制电路所示，本设计将引脚13与15相接，14脚接地，11脚作为驱动Q3的PWM信号输出端，用来控制Q3的通断.芯片内部集成了一个误差放大器，这里将其反相输入端、同相输入及补偿端短接，调制波接入到同相输入端VIN+，构成一个电压跟随器，有利于提高信号的可靠性.引脚16为参考电压输出端，可输出精度为1%的5.1 V基准电压，通过电阻分压产生调制波的直流偏置，将其与流过Q1的电流进行比较，当Q1电流过小时，打开Q2，由于只有在Q1打开时，储能电容Ca的能量才能输送出去，所以只有当Q1打开的时候，Q2的触发信号才能有效.引脚5、6、7内有一个双门限比较器，内部电容充放电电路和外接的电阻电容共同构成了SG3525的振荡器，开关管Q1采用固定频率控制方式，将4脚脉冲信号直接输出用来控制Q1的通断［13-19］.2.3 驱动电路设计本文主电路开关管采用的是MOSFET管，MOSFET管是一种三端电压控制型开关器件，当栅极有驱动电压时MOSFET管完全导通，驱动电压需要满足尽可能减少导通压降的要求.栅极无驱动电压时MOSFET管关断，此时MOSFET管源极和漏极之间承受输入电压或者其值的几倍，在使用时，一般采用隔离驱动电路.常用的隔离驱动电路有脉冲变压器和光电隔离两种形式，由于脉冲变压器隔离方式会增大驱动电源的体积，这与本设计的初衷相违背，所以本文选用光电隔离驱动器进行隔离驱动.光电隔离驱动芯片有很多型号，本文选用的光耦驱动芯片为A3120.该光耦驱动芯片主要应用于IGBT和MOSFET两种开关器件的驱动.如图4所示，将芯片1、3、4、5脚接地，2脚接SG3525控制电路的控制信号Vin，6、7脚短接后接开关管的门极输出触发信号，8脚接电源［20］.参照上面设计的主电路与控制电路，按照上面分析所得到的主要参数，试制了一台基于SG3525控制芯片的无电解电容照明LED驱动电源，经过测试，当Q3的占空比为50%时，电源效率接近85%，效果不是很理想，但基本功能可以实现，参数还需进一步优化，图5和图6给出了电源正常工作时各开关管控制信号的波形. 本文设计了一种适用于交流输入的高功率因数、长寿命的LED驱动电源，能够有效去除电路中的电解电容，提高变换器的使用寿命，使得LED驱动电源的寿命与LED本体寿命相匹配，满足LED在额定功率下安全稳定工作的要求.【相关文献】［1］ALESSIO C，STEFANO G，VINCENZO M.Materials to improve performance of discharge lamps［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，48（5）：1668-1672. ［2］SAMMARCO J J，REYES M A，BARTELS J R，et al.Evaluation of peripheral visual performance when using incandescent and LED miner cap lamps［J］.IEEE Transactionson Industry Applications，2009，45（6）：1923-1929.［3］MENEGHINI M，TREVISANELLO L R，MENEGHESSO G，et al.A review on the reliability of GaN-based LEDs［J］.IEEE Transactions on Devices and Materials Reliability，2008，8（2）：323-331.［4］陈为，王小博.一种具多路LED自动均流功能的反激式磁集成变换器［J］.中国电机工程学报，2012，32（30）：30-36.［5］张能，张波，丘东元.无电解电容LED驱动电路现有研究技术剖析［J］.电工电能新技术，2014，33（2）：44-51.［6］陈武，王广江.一种高功率因数无电解电容LED恒流驱动电源［J］.电工技术学报，2013，28（11）：216-222.［7］黄杰，聂蓉，曹卫权.一种无电解电容照明LED驱动电源设计［J］.电源技术，2017，41（1）：138-141.［8］牟翔永，张晓春，林刚，等.基于SG3525的大电流低电压开关电源设计［J］.电测与仪表，2013（4）：120-124.［9］冯德仁，龙佼佼，孙建坤，等.基于SG3525的串联谐振式脉冲高压电源的研制［J］.电源技术，2010，34（6）：578-581.［10］杨凤彪，闫英敏，张晨光.基于MATLAB的大功率直流电源仿真研究［J］.电气开关，2008（4）：37-38，48.［11］王川川，赵锦成，邢娅浪，等.基于SG3525的直流升压电源的设计与仿真［J］.电气开关，2010（3）：48-51.［12］刘中锋，刘春，倪文斌.基于SG3525芯片的大功率恒压/恒流LED电源研制［J］.电源技术，2016，40（2）：404-407.［13］冯清贤，陈根余，卓沛.基于SG3525的小型化钛泵高压电源的研制［J］.通信电源技术，2015，32（1）：27-29.［14］刘福佳.让LED照亮未来［J］.电子元器件资讯，2009，11（4）：41-43.［15］廖志凌，阮新波.半导体照明工程的现状和发展趋势［J］.电工技术学报，2006，21（9）：106-111.［16］张兰，马会中，张兵临.FED荧光管——一种新型绿色节能照明光源［J］.中国照明电器，2007，1（4）：7-21.［17］毛兴武，张艳雯，周建军.新一代绿色光源LED及其应用技术［M］.北京：人民邮电出版社，2008.［18］刘梅.半导体照明：引发照明领域的第三次技术革命［J］.天津科技，2007，2（2）：18-19.［19］丁茂生.DC-DC变换器数字控制方法［J］.电气自动化，2003，25（4）：10-13.［20］徐德进，刘纪周，胡成绰.小型等离子弧切割电源研究［J］.电焊机，2010（10）：49-51，69.。

拟 自然光等优 点 ， 在最 近几年得到 快速 发展 ， 逐渐成 为照 明市
场的主导产品 。
Ｌ Ｅ Ｄ本身 的长 寿命 （ ８ －１ ０ 万ｈ １ 对其相应驱 动 电源 的寿命 提出了很高要求 。 目前 Ｌ Ｅ Ｄ驱动 电源 中一般采 电解 电容 作 为储 能元 件 。高温对 电解 电容 的使 用寿命 有很 大 的影 响 ， 在
ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｖｉ ｒ ｃ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｌ ＥＤ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅｒ ， ｍａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ Ｌ ＥＤ ｌ ｏｎ ｇ ｌ ｉ ｆ ｅ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍｅ ｍｅ ａ ｎ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ ． Ａ Ｌ ＥＤ ｄｒ ｉ ｖ ｅ
目前 ， 照 明占据 了全世 界用电总量的 ２ ０ ％左 右【 Ｊ － ２ ］ 。 绿色 节
入谐波 的方法 ， 虽然提高 了电路的功率 因数 ， 但 是其输 出电流 为Ｐ ＷＭ 波形 ， 而用 Ｐ Ｗ Ｍ 波形 电流驱动 Ｌ Ｅ Ｄ会 降低 Ｌ Ｅ Ｄ 的 发 光效率 ； 用 电感 代替 电容做能力 存储原 件 ， 虽然 可靠 性高 ， 但是体 积增 大 ， 成本增加 。
（ Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｙ Ｐ ｒ ｏ ｆ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｚ ｈ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｈｕ ｎ ａ ｎ ４ １ ２ ０ ０ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｓ ｔ ｏ ｆ ｌ ｏ ｎ ｇ ｌ ｉ ｆ ｅ ｏ ｆ Ｌ ＥＤ ｆ ｏｒ ｉ ｔ ｓ ｃ ｏｒ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ’ Ｓ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ， ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ

模态 ２[ ｔ１ － ｔ２ ] 内ꎬ原边电感 Ｌ１ 将能量存入储能电
容 Ｃ ａ 中ꎬ此时辅助二极管 Ｄ ａ 导通ꎬ辅助开关管 Ｓ３
漏源电压与储能电容电压 ｖ ｃａ 相等ꎮ 当储能电容电
压 ｖ ｃａ 取最大值 Ｖ ｃａ＿ｍａｘ 时ꎬ根据式(７) 得ꎬ辅助开关管
Ｓ３ 的最大漏源电压 Ｖ ｓ３＿ｍａｘ 为:
[ ｔ２ － ｔ３ ] 内ꎬ二极管 Ｄ ｏ 导通ꎬ此时辅助开关管 Ｓ２ 的
漏源电压 ｖ ｓ２ ( ｔ) 为:
ｖ ｓ２ ( ｔ) ＝ ｎＶ ｏ － Ｖ ｃａ＿ｍｉｎ
(６)
当储能电容电压 ｖ ｃａ 取得最小值 Ｖ ｃａ＿ｍｉｎ ꎬ根据式
(６) 可得ꎬ辅助开关管 Ｓ２ 的最大漏源电压 Ｖ ｓ２＿ｍａｘ 为:
助二极管 Ｄ ａ 导通ꎬ输入源给原边电感 Ｌ１ 充电ꎮ
( ｂ) 模态 ２[ ｔ１ ~ ｔ２ ] :ｔ１ 时刻ꎬ主开关管 Ｓ１ 关断ꎬ辅助开关管 Ｓ２ 导通ꎬ来自时原边电感 Ｌ１ 通过辅助二极管
Ｄａ 、Ｄｂ 以及辅助开关管 Ｓ２ 向储能电容 Ｃａ 释放能量ꎮ
( ｃ) 模态 ３ [ ｔ２ ~ ｔ３ ] :ｔ２ 时刻ꎬ辅助开关管 Ｓ２ 关
滤波电容 Ｃ ｏ 组成反激变换器ꎬ用于实现输入输出隔
离、高功率因数与恒流输出ꎻ辅助电路由储能电容
Ｃ ａ 、辅助开关管 Ｓ２ 、Ｓ３ 以及辅助二极管 Ｄ ａ 和 Ｄ ｂ 组
成ꎬ用来平衡输入输出功率的差值ꎮ ｖ ｉｎ 为交流输入
电压ꎬＶ ｏ 为输出电压ꎬｖ ｃａ 为储能电容两端电压ꎬｉ ｉｎ 为
交流输入电流ꎬｉ ｐ 和 ｉ ｓ 分别为变压器原副边电感电
绘制平均值 Ｖ ｃａ 、最小值 Ｖ ｃａ＿ｍｉｎ 及最大值 Ｖ ｃａ＿ｍａｘ 与
其容值的关系曲线如图 ４ 所示ꎬ当电路输出额定功