一款高效率低功耗的恒流可调光LED台灯（讲义）
梅开乡
LED灯具有发光效率高、使用寿命长、安全性能好、可靠性高、绿色环保、响应时间短、单色性好、平面发光、方向性强等诸多优点，被公认为是继白炽灯、荧光灯和高强度放电（HID）灯之后的第四代光源，是一种作为国家绿色照明工程中明确推广使用的新产品，在照明领域中特别是民用照明领域中日益得到商业化应用。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，并且基于节能、高效、环保的角度考虑，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30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、题目: “12V开关电源及恒流可调光LED节能台灯”的设计。
二、设计要求
1、功能要求：节能LED台灯可连续调节光线的亮度。
2、技术要求：
(1)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。
(2)额定输出功率2W工作状态下，开关电源的效率不低于90%，恒流调光电路的效率不低于90%，整机效率不低于80%；
(3)调整负载至额定功率（2W）工作状态时，开关电源的直流输出电压U0=12.0V±0.5V，
PT4105恒定输出电流I0=350mA±10mA。
(4) 具有负载过电流保护、过电压保护功能。
三.原理电路设计
1 高效率低功耗低成本的开关电源设计
基于VIPer22A芯片的12V开关电源、恒流可调光节能LED节能台灯的电路原理框图、参
1
（a） 基于VIPer22A芯片的220V恒流可调光节能LED台灯的电路原理框图
（b） 12V开关电源参考电路原理图
(c) 12V开关电源参考PCB图
图1.75 220V恒流可调光节能LED台灯、12V开关电源
2
（a）恒流可调光节能LED台灯的参考电路原理图
（b） 恒流可调光节能LED台灯的参考PCB图 图1.76 恒流可调光节能LED台灯
考电路原理图和对应的PCB图分别如图1.75（a）、（b）、（c）所示。恒流可调光节能LED台灯的参考电路原理图及对应的PCB图分别如图1.76（a）、（b）所示。
从图1.75（a）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1.75（a）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10V〜14V。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。从图1.75（b）知，熔断器FU、限流电阻R
1、滤波电容C
1、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
3
后，220V的交流电源经桥式整流电路DL整流、大电容C2滤波后输出一个300V左右的直流电压。由于VIPER22A处于工作状态,在其内部场效应管截止时,会在变压器初级N1（即线圈
1、2两端）产生高于300V的电压,利用R
2、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。从图1.77（b）所示的VIPER22A的内部结构可知,它与其它开关电源不同。开机后,300V的直流电压从场效应管的DRAIN(漏极)脚进入集成电路,该电路工作时不需要外接启动电阻。开机瞬间尽管供电电源Vdd不正常,其振荡电路仍能起振,而且有电压输出。如图1.75（b）所示，Vdd从VIPER22A的4脚输入后,首先送入比较器,一旦输入的Vdd高于42V,则触发器(FF1)输出一个置位信号使控制振荡电路工作的触发器(FF2)输出为0,锁住U2,振荡信号无法输出,即开关管不工作。当输入电压小于14.5V时,U3也将输出一个复位脉冲,使开关管不工作。当电路过热时,触发器(FF2)的R1端为高电平,将FF2置0,开关管不工作。当供电电压Vdd在正常范围（14.5V〜42V）时,FB所得的取样电压与基准电压0.23V相比较,用其比较结果去控制FF2的转换频率,从而控制开关管的状态转换,实现稳定其输出电压的效果。该集成电路芯片内部包含60kHz的振荡电路,使其外围电路相当简单。为了分析方便,我们将电源变压器左边的两组线圈从上到下定义为N
1、N2。右边的线圈从上到下定义为N
3、N4。线圈N2互感产生的交流脉冲电压经VD4整流、C11滤波后电压既作为芯片VIPER22A的电源Vdd。又作为取样回路中的光耦IC3（PC817）的接收部分的工作电源。线圈N4感应到的脉冲电压经VD3整流,电感L
6、电容C
12、C
13、C14滤波后,R10限流后，输出+20V左右的电压作为IC2（LM358）的工作电源。VIPer22A芯片内带有一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应管（MOSFET）。从图1.75（b）知，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，由于工作频率较高，所以输出电容C4不需太大。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。考虑到输出电压过高失控会引起VIPer22A芯片本身损耗增大，可能导致发热损坏，所以本设计运用低成本的双运放IC（中的一个（IC2-2）2LM358）设计成电压控制环路，使该电源输出最高电压控制在12V的设定值，能够够快速 4
有效地保护电源工作在可控的范围以内。同时为了控制LED的功耗，本设计又运用双运放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。双环路的自动控制可以提高本电源工作的可靠性和稳定性。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N
2、N3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。电阻RS（0.47Ω/3w）为电流取样电阻，同时有过电流保护作用。
2 高效率低功耗低成本调光电路的设计
从图1.76（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的第3脚输出方波频率在100〜1000HZ之间变化，占空比则在10%〜95%之间变化。因IC4的工作电压为12V的恒定值，所以IC4的第3脚输出方波电压幅度恒定在12V。该可变频率和可调占空比且幅度恒定在12V的电压送到IC5（PT4105）的第1脚（即CE脚）。从图1.76（a）知，CE脚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，从而控制着IC5（PT4105）的工作状态。因此使其输出端LX（第6脚）驱动LED负载的电压跟随着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的电阻值就可以使LX端与GND端间的电压产生相应改变，从而达到调节LED灯亮度的目的。 三.集成芯片的选择
1.智能功率开关芯片VIPER22A
（a） 引脚图 （b） 内部结构图
图1.77 VIPer22A芯片
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VIPer22A芯片封装形式为DIP-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1.77（a）、（b）所示。从图1.77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.高效率低功耗降压模式开关控制器PT4105 （美）德州仪器电源管理专用芯片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（即贴片式），其引脚图和内部结构图分别如图1.78（a）、（b）所示。从图1.78（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，具有高于90%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1.78（b）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=200×10-3/ILED。
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（a） 引脚图 （b） 内部结构图
图1.78 PT4105芯片
四.高频变压器T1的设计与制作 表1.12 E型磁芯规格表
1.磁芯的尺寸计算
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1.79（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η=0.9，磁芯的磁感强度为B=1500GS=0.1T，输出功率为：
P0=0.35×12=4.2W，导线的电流密度为j=5A/mm；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1.1
22 7
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）。
（a）绕组及其引脚标识 （b）引脚封装图 （c）绕制工艺图 图1.79 高频变压器T1的制作 2.初、次级绕组匝数的计算：
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.导线的线径的计算：
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：
由初级线圈N1中电流的有效值： 可计算得初级线圈的线径理可取N
2、N4线圈的线径为0.25mm。
；实取线径
,实取线径
。
；
。同 8
4.本调光台灯的特色
（1）、本台灯驱动电路的所有元器件均为微功耗元器件，电路自身的总功耗低于0.1W。采用恒流驱动高亮度LED灯，可使其寿命超过10万小时。
（2）芯片PT4105可实现10%~90%的光输出连续调节。由于变压器T1中的绕组N
1、N3以及变压器磁芯是功率输入和输出的通道，整个电路的效率高低主要取决于这三个因素。其它方面几乎无潜力可挖。若采用磁芯截面足够的磁芯以及保持N1 和N3 较低的电流密度，则该电路的转换效率高达80％～95％。
（3）、电源电压在很宽的范围内工作时，（约180V～265V）能保证LED 的恒功率输出，并且LED 可实现无频闪输出。
（4）、电路中的芯片VIPEr22A内含PWM 控制电路，是由光电耦合器IC2的反馈信号来控制其占空比（或称脉宽）发生变化，从而达到使线圈N3 输出的电压和电流实现恒定输出的目的。芯片的外围元器件极少，既使其制作成本低，又使其印制板面积小，装配成功后占用空间小。
（5）、电路中反馈信号是通过高耐压的光电耦合器IC2反馈到IC1的，完全实现安全隔离的安全电压输出，甚至是安全的超低电压输出。
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