基于OB2532的原边反馈LED驱动电路设计

　　文中应用高性能离线式PWM控制器OB2532，设计了一款小功率LED驱动电路，电路采用原边反馈方式。与传统的副边反馈相比，原边反馈驱动电路省去了光耦和TL431芯片，降低了成本，提高了系统的可靠性。所设计的LED驱动电路具有恒压恒流控制特性。实测的结果来表明：4个1 W的白光LED正常工作，亮度非常高，测试参数达到设计要求。
　　LED照明因其节能、环保和寿命长等特点，成为未来照明的发展趋势。LED灯不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电，它需要低压直流驱动，因此必须设计复杂的电源变换电路。LED的寿命和驱动电源有很大的关系，驱动电源供电不稳定，导致LED发光效率降低，寿命缩短，颜色发生变化，甚至烧毁。此外，转换效率、恒流/恒压精度、电源寿命、电磁兼容等要求也是设计LED驱动电源必须考虑的因数。文中设计出一款AC/DC的LED恒流源驱动电源，采用原边反馈方式，与传统的副边反馈的光耦加TL431的结构相比，其最大的优势在于降低了成本，提高了系统的可靠性。
　　1 LED驱动电源工作原理
　　PWM(Pulse Width Modulation)调制方式是开关功率变换器中最常采用的方式，通过反馈端的反馈信号和基准信号的差值与内部产生的锯齿波进行比较，然后输出恒频变宽的方波信号对功率开关管进行控制，可以依据负载快速调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。
　　开关电源变换器从控制模式上可分为两类：电压控制模式(Voltage control Mode)和电流控制模式(Current Control Mode)。电压控制模式的基本原理就是通过将误差放大器的输出电压与一个锯齿波进行比较，产生控制用的PWM信号。PWM电压模式的控制原理图如图1所示，其原理为：采样电阻R1和R2检测输出电压Vo，并将其输入误差放大器EA与参考电压Vref进行比较，放大的误差电压Vea输入到PWM电压比较器(脉宽调整器)。PWM电压比较器的另一个输入是周期为T的锯齿波。Vea与锯齿波进行比较，当锯齿波电压高于Vea的时，PWM电压比较器的输出由高电平转化为低电平，Q1关断，以此来调节Q1的导通时间，保证输出电压恒定。

　　电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节。图2为PWM峰值电流控制模式的原理框图。PWM电压比较器的输入由电压控制模式中的锯齿波信号换成了对电流采样值转换成的电压Vs(=IQ1xRS)，比较器的另一端仍然是输出电压采样值与参考基准的误差放大值Vea。每个周期开始时，脉冲信号控制将开关开启，流过开关和电感的电流增大，当电流增大到Vs超过Vea时，触发器R端置高电位，开关被关断。如果输入电压VDC增大，则开关导通时Vs上升速度加快，Vs超过Vea所需要的时间缩短，于是开关管导通时间Ton被缩短;反之输入电压VDC减小，则Vs超过Vea让PWM控制信号翻转所需时间更长，开关管导通时间Ton增加，维持对负载提供的能量大小。
　　2 方案的选择
　　LED的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似，电流呈很陡的指数上升，所以电源电压微小的变化会引起正向电流较大的变化。目前，LED发光效率还是比较低，大部分的输入电功率都是转化为热能，所以它的发热很高。因为LED的伏安特性的温度系数是负的，结温升高引起伏安特性曲线左移，其结果是正向电流增加。正向电流增加以后，在电源电压相同的情况下，LED的输入功率增加。但结温升高以后，光输出会降低，这意味着更多的输入功率转换为热能，即增加正向电流，它的光输出量并不增加，反而降低，这导致结温升高的恶性循环。因此，采用恒压电源供电会使结温升高，光衰加大，寿命缩短。综上所述，本设计采用恒流源驱动方案。

　　原边反馈方式的AC/DC控制技术是最近10年间发展起来的新型开关电源控制技术，与传统的副边反馈光耦加TL431的结构相比，其最大的优势在于省去了这两个芯片以及与之配合工作的一组元器件，这样就节省了系统板上的空间，降低了成本并且提高了系统的可靠性。OB2532是一个原边反馈方式的高性能离线式PWM控制器，采用原边反馈技术替代以前由芯片PC817和TL431组成的反馈环路，减小电路体积。同时，芯片集成了专有的恒压恒流控制，其引脚说明如图3和表1所示。
　　3 电路设计
　　基于OB2532的LED驱动电路如图4所示。输入的220 V交流电压经VD1-VD4整流和电感L1，电容C1、C2滤波后，变为直流电压加到变压器的原边线圈，再接到MOS管VT的漏极。变压器的辅助绕组N2经过整流二极管VD5、滤波电容C3后为OB2532提供电源(开始是由变压器原边⑥处的较高直流电压经电阻R1、R2降压提供)，同时辅助绕组N2和电阻R3、R4还为OB2532的反相端INV提供取样反馈电压。连接VT管源极的电阻RS将检测得到的电流信号加于电流检测输入脚CS。在INV端反馈电压信号和CS电流信号的控制下，对VT管的栅极驱动信号的脉冲宽度进行调整，即通过PWM使电源和电流保持恒定。由VD6、R5、C5组成的缓冲网络，可以使反峰电压通过二极管VD6及电阻R5来消耗其能量，降低反峰电压，以免在开关的过程中绕组N1上出现过高电压，损坏VT管。在变压器的副边，交流电压经二极管VD7整流、电容C6滤波，得到恒定电压和电流来驱动发光二极管LED。这个电路的优点是原边反馈控制，不用加光耦和稳压源TL431，降低了成本。本次设计驱动4个1 W的LED二极管。

　　4 电路测试
　　4.1 原边反馈特性测试
　　在图4中，N2经VD5整流、C3滤波为IC提供电源，同时N2还为反相端INV提供取样反馈电压。所以要进行原边反馈特性测试，就要测试OB 2532的INV端，即测试点③。变压器原边次级线圈③点的波形如图5所示。波形虽然有些毛刺，但很好地反映了开关管的导通和关断。
　　由电路图4可知，测试点⑥即是整流、滤波后的直流电压，用万用表的1 000 V直流电压档测量。测试点⑦与OB2532的VDD引脚相连，即为芯片的供电电压，用万用表的20 V直流电压档测量。在实际操作时，还要注意接地点的选取。在图4中共有9个接地点，其中变压器原边有7个，副边有2个。副边作为输出直接驱动LED，所以原边副边的接地点是不同的，因此在图4中以不同的符号表示。但是各边的接地点则是相同的，这里选取电容C3的接地点。具体测量结果如表2所示。

　　4.2 副边输出信号波形
　　图4中的测试点②，即变压器副边输出在经过二极管滤波之前的信号是关键的测试点。用Tektronix TDS21060 MHz 1GS/s的数字示波器进行波形测试，接4x1 W LED作为负载。得到波形如图6，可知波形规整，达到设计要求。
　　4.3 输出参数测量
　　首先运用定电阻(CR)模式的电子负载来测试电流电压参数。具体操作如下：可以先用万用表直流电压档测出输出端Vo电压.即负载为无穷大(开路)的电压，这里为11.70 V，查阅相关资料，得LED的标称电流为370 mA，由此可计算出负载约为32，故电子负载在此基础上进行调试。测试结果如表3所示。

　　从实测的结果来看，4个1 W的白光LED正常工作后亮度并不是非常高，其发光效率也没有达到最高。电路工作于轻负载状态，所以要进一步调试，提高发光亮度。这里仍然使电子负载处于定电阻模式，并逐步改变电阻，记录数据如表4所示。
　　5 结论
　　文中设计的LED恒流驱动电源，采用原边反馈方式的电流模式PWM控制，具有体积小，成本低的特点，适合于小功率LED驱动电源，诸如台灯，地灯，小射灯等。通过测试可知，设计的白光LED驱动电路达到设计要求。