10W 非隔离 LED 驱动电源的设计

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摘 要
        本文介绍了一款使用 TI 控制芯片 TPS92210 设计的 10W LED 驱动电源. TPS92210 特有的临界模式固定峰值电流控制功能，设计无须反馈，从而整个设计简单，器件少，成本低。
         
        引言
        近来，LED 驱动电源市场中，非隔离解决方案由于其磁性元件尺寸更小、能效更高、元件数量更少、总物料单成本更低，以及能以机械设计满足安规等优势，成为应用热点。本文介绍了一款使用 TI 控制芯片 TPS92210 设计的 10W LED 驱动电源. 使用 TPS92210 特有的临界模式固定峰值电流控制功能，设计无须反馈，从而整个设计简单，器件少，成本低，效率高。
         
        1、电源方案介绍
        本方案采用TPS92210控制的临界Buck电路，设置TPS92210工作于固定峰值电流的方法，使电感电流峰值固定，因为电路工作在临界模式，所以电感电流的平均值等于峰值电流的一半，从而达到输出恒流的目的。
       
        同时，本方案不需要额外的电路，TPS92210本身可以实现输出过流、短路、开路等保护。所以整个方案的元件少，成本低。
       
        输入采用了填谷电路，使得整机的PF值一直在0.7以上。
       
        C8，L2，C5组成pi型滤波。整机通过了传导测试。
         
       
        图 1:10W LED 电源解决方案
       
        图 2: 10W LED 电源实物图
         
        1.1 TPS92210  临界模式设置
       
        TPS92210 需要满足三个条件来开始一个新的周期：
        1）  距离上一次开通的时间需要大于由Ifb电流控制的时间。
        2）  距离上一次开通的时间需要大于芯片的最高频率所限制的时间7.5us。
        3） Tze脚必须有由高到低的零点穿越。
         
        由于需要满足以上三个条件，设计中将FB脚通过电阻接到Vdd设置一个固定的直流偏置，使TPS92210的开通完全由Tze脚的电压零点穿越来决定，这就保证了变换器一直工作在临界电流模式。
         
        1.2电感的设计
       
        根据输入输出要求，计算电感量。 本方案中，输入 176V~264Vac，输出 40V，0.25A。由于输入采用了填谷电路，所以输入的电压范围可以计算如下：
       
        根据上面计算的最小最大输入电压，可以计算最小、最大占空比：
       
        输出平均电流为 0.25A，电流工作在临界电流模式，电感上的平均电流就是输出电流。可以计算得电感峰值电流、有效值电流分别为：
       
        因为临界模式的变换器，输入电压越高，工作频率。综合考虑，体积以及效率，设定最大工作频率为100KHz。
       
        那么电感量可以计算如下：
       
        所以电感量大约为 700uH。
        根据计算得出的电感量，可以验证最低开关频率为：
       
        根据计算得出的最大占空比以及最低开关频率，可以得出最大导通时间为：
       
        Tonmax小于TPS92210所允许设置的最大导通时间 5us。 所以电感设计没有问题。
       
        选择磁芯： 假定 Bmax=2500G，填充系数：k=0.4     电流密度为：j=6A/mm^2可以计算得磁芯所需的 AP 值为：
       
        根据 AP 值，选择 RM5 作为电感磁芯：
       
        RM5 的 Ae 面积如下，可以计算电感所需要的匝数：
       
       
        电感需要大约 67 匝。
       
        根据之前计算的电流 RMS 值，和设定的电流密度 j，选择 AWG30 来绕制电感。
       
        选用 1 股 AWG30 作为绕组。
         
        2、测试结果
        根据以上分析和设计，制作了样机并验证其性能，实验结果如下。
         
        2.1效率测试
       
       
        2.2 PF 值
       
       
        2.3 电流精度
       
        2.4 启动
       
        2.5 输出纹波
       
        2.6 短路保护
       
        2.7 开路保护
       
         
        2.8 EMC 测试
       
         
        3、结论
        本文分析设计了使用TPS92210 控制的临界模式buck 变换器。 分析了TPS92210临界模式的可行性以及设置方式。详细介绍了电感的计算和设计方法。最后制作了样机验证了分析和计算的正确。保证了TPS92210 用于非隔离恒流LED 驱动电源的可行性。