12V18W LED开关电源设计

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文章编号：1006-6268（2009）02-0050-06

摘要：根据高可靠性LED主要性能要求，分别从防浪涌设计、EMC设计、高频变压器设计、主IC选择等方面提出满足LED高可靠开关电源的解决方案，根据VIPER22A设计LED开关电源的运用线路图，绘制PCB版图，并对关键工艺提出解决办法，最后通过主要参数的测量验证该产品满足要求。

关键词：高可靠性；开关电源；节能

中图分类号：TN312+.8文献标识码：B

12v18w led Switch Power Design

CHEN Tian-rong

（Xiamen Hualian Eiectronics Co.ltd ，Xiamen361006,China）

Abstract: Based on the main driver LED power performance requirements and design from against surge, EMC design, high frequency transformers, IC design, selection of high reliable drive LED switch solutions, according to VIPER22A design the switch power for the LED by the circuit diagram and draw the PCB layout, and the key technology solutions, and finally the main parameters through measuring the products meet the requirements.

Keywords:high reliability；switch power；energy saving

前言

随着人们生活水平的不断提高，人们对生存环境质量要求也越来越高，对电器照明产品提出了更高的要求。LED半导体照明产品由于绿色节能，近几年得到迅速发展，尤其在能源电力紧缺的当前形势下，高效节能已成为目前各行业发展的追求目标。LED半导体照明已在交通信号、显示屏等领域广泛应用，也在背光源、夜景装饰照明、汽车警示等领域得到迅速发展，特别是近两年来LED在民用照明领域也开始大有作为。

本产品设计主要为LED夜景装饰产品设计，作为室外LED夜景产品的电源驱动，且能高可靠地运行，成本低。

1主要技术性能指标要求

额定输入电压频率：180VAC~240VAC 50Hz/60Hz

额定输出电流：1.5A

额定功率：18W

输出电压：12VDC

防水等级：IP65

转换效率：输出大于1A时不低于80％

2系统设计与实现

为实现上述技术指标，本项目采用了新型高智能化元器件，减小二次整流器件的损耗，并选用高效功率铁氧体（Mn-Zn）材料，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，从而实现高频化。同时采用先进电路技术、防水环氧灌封等技术，使得本项目产品能实现稳定、高可靠、高质量。

2.1防浪涌设计

浪涌对所有的电子设备和数据系统都有潜在的危害。它是隐伏的，不可见的，不可预测的，极端危险并且后果不可想象。实际浪涌的幅值一般较雷击电流小，但前者可能会造成和后者同样的损坏。考虑到本产品所处场合为中等暴露程度，选择瞬变抑制器件。

2.2EMC的设计

（1）滤波器

滤波是一种抑制传导干扰的方法，在电源输入端接上滤波器，可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，在系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。它不仅可抑制传输线上的传导干扰，同时对传输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果。在滤波电路中，选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环，能够改善电路的滤波特性。适当的设计或选择合适的滤波器，并正确地安装滤波器是抗干扰技术的重要组成部分，具体措施如下：

在交流电输入端加装电源滤波器，其电路如图1所示。图中Ld、Cd用于抑制差模噪声，一般取Ld为100～ 700μH, Cd取1～10μF。Lc、Cc用于抑制共模噪声，可根据实际情况加以调整。

所有电源滤波器都必须接地，因为滤波器的共模旁路电容必须在接地时才起作用。接地方法是除了将滤波器与金属外壳相接之外，还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越低滤波效果越好。

滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的输入及输出端要尽量远离，避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。

在电源输出端加输出滤波器。加装高频电容，加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，可以抑制差模噪声。

（2）变压器高频防护

在高频变压器的原边、副边、开关管的C、E极间以及在输出整流二极管上加装RC吸收网络。

3控制IC的选择

开关电源使用的IC中设计时选用DIP封装的VIPER22A，在单电源电压180~265VAC范围内，功率处理能力可以达到20W，能满足设计要求。图2为VIPER22A内部结构示意图，采用ST 的IPOWER M0-3 高压专利技术，利用一个P 型掩埋层的方法，在同一颗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MOS 晶体管。这种方法可以减少IC元器件的数量，简化电路板设计，降低系统成本。其一般特性有:（1）自动热关断；（2）高压启动电流源；（3）防止输出短路导致击穿故障的HICCUP模式；（4）保证低负载条件下低功耗的突发模式。

通过图2可以看出，功率级是由含有一个快速比较器的电流式结构驱动的，驱动电流来自 NMOS sense 和feed-back (FB) 两个引脚。比较器输出连接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一个外部振荡器，即可将开关频率固定在60kHz，从而不再需要其它的外部组件。其它的内部模块是内部电源稳压器和过热检测器，前者在VDD 引脚上能够支持45V，后者在170°C （典型值）时提供热关断功能。

该产品的系统控制是一个电流模式结构，在这个结构中，N-MOS 感应电流和FB 电流汇合在电阻器R2 上。电阻R2上的电压取决于这个电流值的大小，然后，这个电压值与一个内部固定的参考电压 (0.23V)比较。比较器的输出用于驱动场效应MOS 晶体管，因此，开关频率取决于反馈电流和Id 电流值的大小。在这个应用中，反馈回路的实现方法是通过一个光耦合器利用输出电压驱动这个FB 引脚，以保证输入与输出之间的绝缘。监视VDD 电压的是一个磁滞比较器，它能够管理启动电流生成器。事实上，只要VDD 电压值大于VDDON 的电压值，比较器就会导通，并给VDD 电容器充电。一旦达到这个条件，功率场效应MOS 晶体管就立即开始开关操作。突发模式工作原理是跳过相同的开关周期，以便在负载减弱时降低功耗。

4高频变压器的设计

根据线路要求设计反激型脉冲变压器：

5LED开关电源运用线路图

根据上述考虑要素以及VIPER22A结构性能，而设计的LED使用开关电源的线路图如图4所示。本电路根据需要一个12V电压1.5A电流输出,最大功率处理能力是18W。该解决方案的二次侧反馈是一个隔离式的逆向拓扑结构。输出经过TL431(可控分流基准)反馈并将误差放大，TL431驱动光耦PC817，并通过光耦感应得到反馈电压，调整电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到稳定的直流电压输出，并确保输入和输出完全隔离。

6设计PCB板图

PCB制作时采用单面阻燃纸板，丝印在元件面，如图5所示。焊点面采用镀金工艺。尺寸大小：130mm*37mm*1.6mm。

7关键工艺的解决

7.1爬电距离设计

为了有效解决由于PCB小型化而造成输入级间爬电距离不足问题，设计时当爬电距离小于2mm时应加大于1mm镂空刻槽。如图6 所示。

7.2散热

由于本机在考虑设计成本、产品结构以及户外使用特点。电路中整流二级管需外焊接10mm×20mm×0.6mm铜片加大散热面积，如图7所示。主芯片VIPER22A外加8mm×20mm铝散热片加大散热面积，如图8所示。

7.3灌 封

根据本开关电源的使用室外环境满足IP65防水等级及内部结构的要求，选用常温固化8002A/B双组份环氧树脂,使用时混合比例A:B=100:20(重量比)。常温25℃条件下，24hr固化或60℃条件下2hr固化。该环氧树脂满足以下要求：(1)能承受冷热环境交变产生的应力；(2)能承受线路运行时的温度；(3)能承受短路时的热应力；(4)树脂固化时放热小,适用于浇注。灌注工艺好，灌封后具有粘接性高，收缩率低于0.66%，耐热性好，价格低廉。体积电阻大在常温25℃下大于4.6×1014ohm-cm3，表面电阻在常温25℃下大于1.7×1013ohm，耐电压在常温25℃下16~18kV/mm。灌封后，起到防水、防腐蚀、防震等作用，提高整机使用性能和稳定参数。

8参数性能的测试结果

8.1本机产品在额定电压范围不同输入电压情况下，输出电流的变化效率的测量结果，如图9所示。

结论：产品要求本机在正常电流输出大于1.0A时电源的效率大于80％，本设计满足要求。

8.2本机产品温升测试结果如图10所示。

结论：在25℃下， 本开关电源的温升为55.5℃-25.0℃=30.5℃，符合要求。

8.3电源端子骚扰电压测试（检验依据：GB17743－1999）

结论：检验结果符合GB17743－1999要求。见图11。

9结束语

本产品经过样品到大批量生产，中间经过多次优化改进，生产效率高，生产合格率水平达到99％以上，质量稳定。在夜景工程上运用性能稳定，质量可靠性，失效率在千分之二以下，满足高可靠、节能、防水的设计目标。

参考文献

［1］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京:电子工业出版社,2006.

［2］[日]长谷川 彰 著, 何希才 译. 开关电源的设计与应用［M］.北京:科学出版社,2006.

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［5］徐士佐 主编.中小型电源变压器和电抗器(第二版)［M］.上海:全国电子变压器行业协会,2007.

[6] 何可人 周小竞 徐士佐编著.开关电源变压器设计工艺和实例［M］. 上海:全国电子变压器行业协会,2008.

作者简介：陈天荣 (1968-),男，福建莆田人,硕士，工程师,多年从事电源变压器、开关电源、电子控制板等电子产品生产制造，E-mail：。

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