12V18WLED开关电源设计(VIPer22A)

现代显示 Advanced Display Feb．，2009，总第97期 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 收稿日期：2008-10-30 12V18W LED开关电源设计 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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，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 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 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 ，Xiamen 361006,China） Abstract: Based on the main driver LED power performance requirements and des ign from agains t surge, EMC des ign, high frequency transformers , IC des ign, selection of high reliable drive LED switch solutions , according to VIPER22A des ign 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 陈天荣 （厦门华联电子有限公司，福建厦门 361006） 文章编号：1006- 6268（2009）02- 0050- 06 陈天荣：12V18WLED开关电源设计 技 术 交 流 50 现代显示 Advanced DisplayFeb．，2009，总第97期 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。 2.2 EMC的设计 （1）滤波器 滤波是一种抑制传导干扰的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，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外围元器件的数量，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 陈天荣：12V18WLED开关电源设计 图 1 电源滤波器 技 术 交 流 51 现代显示 Advanced Display Feb．，2009，总第97期 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 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 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： 输入电压 Vac min=180V，Vac max=264V，频率： 50Hz 输出电压 V0=11.4V~12.6V，负载 Io=1.5A 则输出功率 PON=18W，工作频率 f=66kHz , 周 期 T=1.5*10- 5S，占空比 Dmax=0.35 磁芯为了体积小 , 高度低 , 选用 EFD25，其 Ae=58*10- 6mm2。 （1）原付边绕组感应电势幅值 E1、E2 E1min=1.3*V1ACmin=1.3*180=234V E1max=1.3*V1ACmax=1.3*264=342.2V E2m=V0+1=12+1=13V （2）初、次级匝数 N1、N2 匝 数 比 K=DmaxE1min/ (1- Dmax)E1min=0.35*234/ (1- 0.35)*13=9.69 由D=KE2M/(E1M+KE2M)，得Dmax=0.35，Dmin=0.27 原边绕组导通时间 Ton=DT，Tonmax=5.25*10- 6 s， Tonmin=4.05*10- 6 s E1minTonmax=234*5.25*10- 6=12.3*10- 4V- s E1maxTonmin=344.5*4.05*10- 6=14.0*10- 4 V- s N1=E1MTon/(△B*Ae)=12.3*10- 4/(0.20*58*10- 6) =106匝（磁通常量△B取 0.20T） 陈天荣：12V18WLED开关电源设计 图 2 VIPER22A内部结构示意图 技 术 交 流 52 现代显示 Advanced DisplayFeb．，2009，总第97期 图 3 高频变压器结构示意图 表 1 高频变压器绕组参数N2=N1/K=106/9.69=11 匝 (3)临界电感 L1、L2 临界点选取 Ioc=Iomin=1.5A P2c=E2mIoc=13*1.5=19.5W L1= (E1max Tonmin)2／（2P2CT）= (342.2*4.05*10- 6)2/ (2*19.5*1.5*10- 5)=2.37*10- 3 mH L2=L1/ K2=(237*10- 3)/ 9.692=25μH (4)原副边绕组电流平均值 I1ave、I2ave 当 E1M=E1MMIN △I1=E1minTOmax/L1=234*5.25*10- 6/(2.37 *10- 3) =0.518A △I2=K△I1=9.69*0.518=5.02A 原副边电流在 Ion时间内平均值 I1ave、I2ave（变压器 效率取 n=0.8）： I1ave=E2mIon/（E1minDmaxnn）=13*1.5/(234*0.35*0.8) =0.298A I2ave= Ion 1- Dmax =1.5/（1- 0.35）=2.31A （5）原副边绕组中电流有效值 I1rms、I2rms: I1rms= I 2 2ave + ΔI 2 2 12 � �1- Dmax� �姨 =0.2A I2rms= I 2 2ave + ΔI 2 2 12 � �1- Dmax� �姨 =2.2A (6)原副边绕组线径 d1、d2 取原边绕组内电流密度 jcu1=4A/mm2 导线截面积 Scu1=I1rms/jcu1=0.2/4=0.05mm2 由 Scu1=N1* (∏/4)*d2 d1=0.25mm 选用单股 Φ0.25 2- UEW 漆包线。 由 dy==132.2/ f姨 且 f=66KHz 最大线径取 0.55mm d2=1.13 I2rmsj2姨 =1.13 2.25姨 =0.75mm 则次级用 2股 2- UEW0.50 漆包线并绕。 （7）反馈绕组因其负载电流小，选用与原边绕组 相同的线径 0.25mm，保证 IC的正常工作，其电压 取 16.5V，则 N3=E3*N2/ E2m=16.5*11/13=13.96 =14匝。 根据以上计算结果，绕组参数及结构示意图如 表 1、图 3所示。 5 LED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 陈天荣：12V18WLED开关电源设计 原边绕组 一次侧电感 3.3±8%mH 匝数 106 线径 0.25mm 辅助侧绕组 匝数 14 线径 0.25mm 匝数 11 线径 0.50mm*2 副边绕组 技 术 交 流 53 现代显示 Advanced Display Feb．，2009，总第97期 图 4 LED开关电源运用线路图 图 8 VIPER22A散热片间爬电距离不足问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，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； 陈天荣：12V18WLED开关电源设计 图 5 PCB走线图和丝印图 图 6 PCB镂空刻槽工艺 图 7 加铜片增大散热面 技 术 交 流 54 现代显示 Advanced DisplayFeb．，2009，总第97期 图 11 电源端子骚扰电压预扫描曲线（峰值 ／平均值） (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. ［3］[美]Keith billings 著, 张占松、汪仁煌谢丽萍译.开关电源 手册［M］.北京:人民邮电出版社,2006. ［4］[美]Abraham I.Pressman 著,王志强等译.开关电源设计 ［M］.北京:电子工业出版社,2005. ［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：ctr3151@126.com。 图 9 效率测量结果 图 10 开关电源温升测试图 陈天荣：12V18WLED开关电源设计 技 术 交 流 55