恒功率调光LED驱动电源TOP204Y设计优化

LED驱动恒功率电源由两个控制电路构成：一个是电流控制电路；另一个是电压控制电路。要求两个控制电路具有相同的稳定性，当某一个电路输出电压（电流）较小时，另一个电路应具有恒流（或恒压）的作用，达到输出电压或输出电流都具有恒压或恒流的目的，不能因为输入电压或输出电流和外界因温度、湿度、线路负载的影响使输出功率不稳定。

1.TOP204Y恒流、恒压的工作原理

TOP204Y恒功率LED驱动电源采用一片三端电源模块（见图2-35），配上PC817A光耦合器，外加两只晶体管组成恒功率电路。交流输入电压（85～265V）经C₁、L₁低通滤波，UR桥式整流，电解电容C₂脉动滤波后，得到120～375V直流电压V_D，经由变压器TR的一次绕组与IC₁的漏极D变换输出。电路中的VS₁、VD₅是变压器一次绕组N_p的钳位保护电路，它将变压器一次绕组的漏感所形成的尖峰电压反馈、吸收，使IC₁电路在安全范围内运行。VS₁、VD₅为网络缓冲吸收电路。反馈绕组N_F的输出电压经VD₆、C₃整流滤波得到反馈电压V_FB、与光敏晶体管提供控制偏压。二次电压经VD₇、C₅、L₂整流滤波后，输出7.5V的直流电压。C₄是旁路电容，与R₈一同起频率补偿、自动启动、滤除尖峰电压三大作用。R₁是电源的假负载，空载的情况下，因反馈电压升高而出现“超越”控制，起到稳定作用。

图2-35 LED驱动TOP204Y调光电源

电路的两个控制电路，第一个是电流控制电路，由晶体管VT₁、VT₂、R₆、IC₂、R₃、R₂、R₄、R₅、C₆等元器件构成。当输出电流发生异常时，电阻R₆对输出电流进行检测。VT₁、VT₂由两只不同型号的晶体管进行恒流控制。R₄、R₂是VT₁、VT₂集电极偏置电阻，R₁还起着控制电流增益的作用，R₅对VT₁的发射极电流进行限制，不使VT₁过早导通。R₃限制VT₂的基极电流，使它只能工作在放大区。电路是怎样进行恒流控制呢？当输出电流I_o增大时，电流在R₆上的压降上升，VT₁导通，接着VT₂导通，发射极电流Ie₂上升，光耦合器中的发光二极管电流增大，致使控制脉冲占空比D变小，迫使输出电流I_o下降，控制电路电流呈现开路态势，VS₂在此期间无电流，电路自动转入恒流工作模式。

第二个是电压控制电路。VS的稳定电压为6.2V，工作电流为10mA。输出电流较低时，电路工作在恒压模式。在恒压模式时，VT₁、VT₂截止，电流工作电路因晶体管截止不起作用，这时VS₂由输出电压经它有电流通过，而输出电压高低便由VS₂的稳压值和发光二极管的压降决定。

TOP204Y电子开关既可以工作在2.2A受控恒压方式，也可工作在7.5V恒压状态下。这种状态下电阻R₆所产生的损耗为0.64W。为了减小损耗，只有减少输出电流或R₆的阻值，但是提高恒流的准确度比较困难。TOP204Y是恒功率输出的I_o-V_o的特性曲线如图2-36所示。由图可知，当输入电压为85～265V时，特性曲线变化很小，受输入电压的影响很小；当输出电流I_o＜1.85A时，电路处于恒压区；当输出电流I_o=1.90A±0.08A时，电路处于恒流区，区里的V_o随着I_o的微增而迅速降低。当V_o≤2V时，VT₁、VT₂无工作电流，此时电流控制电路不起作用，但一次电流受IC₁的电流限制，电流在R₄上的压降V_R4上升，VT₂集电极电流下降，使光耦合器的工作电流迅速减小，迫使IC₁进入重新启动状态。就是说，一旦电流控制电路失去控制，电路立即从恒流模式转入恒压状态，将I_o拉下来，对IC₁起动保护作用。该电路是一种低成本LED驱动电源，可用于室内外照明、交通指示、道路照明等，也用于电池充电器和特种电动机驱动。

2.电流控制电路设计

电流控制电路由VT₁、VT₂、R₇、R₆、R₃、R₄、R₅、C₆和IC₂等组成。下面计算输出电流I_o的期望值。因VT₁的基极电流很小，而R₆上的电流很大，所以VT₁的V_BE1压降全部落在R₆上。

设V_BE1=0.7V则，R₆取0.33Ω标称值恒流准确度r为计算结果与设计指标相吻合，为设计正常，否则I_o′的变量重新设定。

图2-36 I_o-V_o特性曲线

3.电压控制电路设计

恒压电路输出电压由下式计算：

V_o=V_Z2+V_F+V_R7=V_Z2+V_F+I_R7·R₇

式中，V_Z2为稳压值，V_Z2=6.2V，V_F=1.2V。I_R7=I_C2=I_F这3个参量是随着输入电压V_i，输出电流I_o以及光耦合器的电流传输比（CTR）的变化而变化。TOP202Y芯片的控制端电流I_C从2.5mA（对应最大占空比D_max）到6.5mA（对应最小占空比D_min），我们取I_C=4.5mA则。

要求CTR为80%～160%，取120%，得。(www.xing528.com)

令R₇=3.75×10^-3×39V=0.146V，所以

V_o=6.2V+1.2V+0.146V=7.546V≈7.5V

4.反馈电压的计算

反馈电压设计包括两项内容：首先计算在恒流模式下变压器反馈绕组的匝数N_F，这是因为在恒流区输出电压和反馈电压都在迅速降低，只有在V_FB足够高时，电能才能进入恒流区工作。其次在恒压模式下计算出反馈电压V_FB：

式中，V_F6、V_F7分别为VD₆、VD₇的正向导通压降，由上式推导出：

在恒流的模式下，当负载加大（即将负载电阻减小）时，V_o和V_FB会自动降低，以维

持恒流输出。为使电源从恒流模式转换到重新启动状态，要求V_FB至少比在恒流模式下控制

电压高出3V。

设V_FB=9V，V_o=V_{o min}=4V，V_F6=0.6V，V_F7=1V，R₆=0.33Ω

N_S=12匝（N_S为二次绕组匝数），代入上式：

在恒压模式下V_o=7.5V，最大输出电流I_{o max}=2.05A

则

这就是反馈电压额定值，选用光耦合器时，它的反向击穿电压必须大于2倍的V_FB。图2-42中所用的PC817A的反向击穿电压为35V，是安全的，完全满足要求。