LED 相對于傳統(tǒng)光源而言具有發(fā)光效率高、控制方便、壽命長、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點，逐步在照明、信號指示、醫(yī)療設備、儀器儀表等方面替代傳統(tǒng)照明方

式，并隨著 LED 制造技術和驅(qū)動技術的進步，其應用范圍和應用水平將進一步擴大和提高。

LED 的穩(wěn)定和高效率工作依賴于其驅(qū)動電源的驅(qū)動方式及效率。LED 的驅(qū)動方式主要有恒壓式和恒流式 2 種，其中恒流式能夠較為精確的控制LED 亮度，對 LED 的串接個數(shù)要求較低，并且能夠讓 LED 更加安全的工作，因而恒流驅(qū)動是當前流行的驅(qū)動方式。另外在 100 W 以下的開關電源中，反激式開關電源所需元件數(shù)量最少，電路簡單，成本較低，因而在這一級別的電源中，常常采用反激式拓撲結(jié)構。

因而，本文設計了一種反激式恒流 LED 驅(qū)動電源，其核心元件為美國 Power Integration 公司生產(chǎn)的TOPSwitch－ Ⅱ系列芯片中的 TOP222，集成了 PWM輸出，MOSFET 及其驅(qū)動，提供了一種單芯片的解決方案，大大簡化了電路設計，降低了成本。

1 反激式開關電源工作原理

反激式開關在 100 W 以下的開關電源領域占有較大的市場份額，其電路原理示意圖如圖 1 所示。反激式開關的主要由整流電路，濾波電路，變壓器及原邊吸收電路，主開關及其驅(qū)動電路，輸出整流濾波電路，電壓或電流反饋回路等組成。反激式開關電源的工作模式迥異于其他開關電源拓撲結(jié)構，在主開關導通時，變壓器原邊電流增加，此時副邊并不輸出能量，變壓器存儲能量;而當主開關截止時，原邊截止，變壓器存儲的能量通過副邊釋放到負載上。輸出電壓或電流的調(diào)整通過反饋回路調(diào)整主開關的占空比實現(xiàn)。

反激式開關電源的設計中，變壓器和反饋回路的設計是關鍵所在，關系到開關電源的效率和輸出穩(wěn)定性。

2 基于 TOPSwitch－ Ⅱ的反激式恒流開關電源設計

2.1TOPSwitch－ Ⅱ離線單片式開關電源芯片

TOPSwitch－ Ⅱ系列離線單片式開關電源芯片是美國 Power Integration 公司生產(chǎn)的開關電源專用芯片，其集成了振蕩器、PWM 比較器、邏輯電路、高壓

MOSFET 功率管及保護電路。TOPSwitch－ Ⅱ芯片內(nèi)部功能模塊見圖 2。

TOPSwitch－ Ⅱ芯片有 3 個管腳，其中，漏極連接內(nèi)部 MOSFET 的漏極，在啟動時，通過內(nèi)部高壓開關電 流 源 提 供 內(nèi) 部 偏 置 電 流; 源 極 連 接 內(nèi) 部MOSFET 的源極，是初級電路的公共點和基準點;控制極是誤差放大電路和反饋電流的輸入端，在正常工作時，由內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器提供內(nèi)部偏流，系統(tǒng)關閉時，可激發(fā)輸入電流，同時也是提供旁路、自動重啟和補償功能的電容連接點。

2.2TOPSwitch－ Ⅱ的反激式恒流開關電源原理

鑒于 TOPSwitch－ Ⅱ系列芯片具有集成度高、功能完備、電路簡單等優(yōu)點，本文根據(jù)輸出功率和輸入電源情況選用 TOP222 作為主控芯片，并采用恒流式反饋電路，設計了一種輸出電流為 1 A，額定功率為 10W 的反激式恒流電源。該電源的原理圖見圖3。

該反激式恒流式開關電源由整流濾波電路，變壓器及原邊吸收電路，主控芯片及輔助電路，恒流輸出電路，恒流反饋電路等組成。

整流濾波電路由共模電感 L1 ，整流橋 BＲ1 和電容 C1 、C2 組成，其中 C1和 L1 主要過濾來自電網(wǎng)的共模干擾，市電經(jīng) BＲ 1 整流后形成 310 V 左右的直流，C2 為后級電路存儲能量。

變壓器是反激式開關電源設計的難點和重點之一，其設計的好壞關系到開關電源的工作效率和穩(wěn)定性。關于本文所涉及的反擊恒流式開關電源變壓器設計將在下一節(jié)詳細敘述。瞬態(tài)抑制二極管 VＲ1和快恢復二極管 D1 組成變壓器 T1 原邊的吸收電路，在主開關 U1 截止時能夠把變壓器原邊線圈兩端的電壓箝位到 200 V 左右的一個固定值，這個固定值加上 C2 兩端的電壓即為施加在 U1 漏極與源極間的電壓，防止 U 1 漏極與源極電壓過高而擊穿。

主控芯片為 TOP222，采用 TO220 封裝，共3 根引腳，分別為控制極、漏極和源極。其所需外圍芯片極為簡單，在控制極需要連接一個電容 C4 為控制極提供偏置電壓，并為芯片內(nèi)部的控制和驅(qū)動電路供電。恒流輸出電路較為簡單，快恢復二極管 D3 保證在 U1 導通時變壓器 T1副邊繞組電流為零，變壓器

存儲能量，U1 截止時 D3 導通，變壓器能量通過 C6、L2、C8 濾波后輸出。

恒流反饋電路把輸出電路的電流以電壓的形式負反饋到 U1 的控制極，U1 通過調(diào)整開關工作的占空比改變輸出回路的輸出電壓從而保證輸出電流恒定。且反饋回路與前級電路通過光耦隔離。恒流反饋電路將在2.4節(jié)詳細敘述。

2.3基于 TOPSwitch－ Ⅱ的反激式開關電源變壓器設計

所設計的開關電源的初始工作條件和預設輸出參數(shù)見表 1。

表 1 反激式開關電源的初始工作條件和預設輸出參數(shù)

在設計反激式開關電源變壓器時，可先由式（1）確定變壓器原邊與副邊繞組匝數(shù)之比。

其中，Np 為原邊繞組匝數(shù)，Ns 為副邊繞組匝數(shù)，VMIN為輸入交流最小電壓，VDS 為主開關導通時漏極源極壓降，TOPSwitch－Ⅱ系列為10V，VO為輸出電壓，VD為輸出繞組整流二極管正向壓降，為 0.4 V，DMAX為主開關占空比最大值，一般小于 0.64。變壓器反饋繞組匝數(shù)由式（2）確定。

其中，NB為反饋繞組匝數(shù)，VB為反饋繞組輸出電壓，采用光耦反饋電路的 VB 一般取 12 V，VBD 為反饋繞組整流二極管正向壓降，為 0.7 V。

由能量守恒原理可知變壓器原邊峰值電流：

其中，KＲP為電流紋波系數(shù)，其值為紋波電流與峰值電流之比，大小在 0.4 ～1.0 之間，可取 0.6。

變壓器原邊繞組電感量為：

原邊電感 L P 的單位為 μH。其中，Z 為損耗分配因數(shù)，一般取 0.5。其他量見表 1。接下來可根據(jù)電源輸出功率 PO的大小選擇合適的磁芯，芯片廠商在設計文檔里已經(jīng)給出了輸出功率與可選磁芯的關系表格。一旦選定了磁芯，就可確定磁芯有效磁通面積 A E ，磁芯有效磁路長度L E ，磁芯在不留間隙時與匝數(shù)相關的等效電感 AL ，繞線骨架的寬度 WB 。副邊繞組匝數(shù) Ns可根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定，比如輸入電壓為 230 V AC 時，

一旦確定了 N S ，可根據(jù)式（1）和式（2）計算得到 N P 和 N B 的大小。為了防止磁芯飽和，應該在磁芯間增加氣隙，氣隙長度為：

根據(jù)表 1 給出的初始工作參數(shù)和上述公式，最終計算得到的變壓器各項參數(shù)見表 2。

根據(jù)上述參數(shù)繞制變壓器，采用“三明治”繞法，原邊繞組分為兩組，第 1 組繞完后再繞副邊繞組和輔助繞組，最后繞原邊繞組的第 2 組。這樣能夠有效地降低變壓器漏感。

2.4 恒流反饋回路工作原理

恒流反饋回路的電路原理圖見圖 4。根據(jù)輸出連接的負載情況，當輸出電流小于額定電流時（例如當輸出僅連接 1 串 1 W 的 LED 時，其輸出電流大約在350 mA），電路工作恒壓模式;當電流逐漸增大到額定電流后，該電路工作在恒流模式。

當該電路工作在恒壓模式下時，輸出電流小于額定電流 1 A，此時在 Ｒ6 兩端產(chǎn)生的電壓降小于 0.68 V（Ｒ6 =0.68 Ω），Q2截止，Ｒ5兩端的壓降為0，Q1也截止，此時輸出電壓由穩(wěn)壓二極管 D4 ，Ｒ2 兩端的電壓和 U2 內(nèi)部發(fā)光二極管正向壓降決定：

其中，I C 為 TOP222 控制極輸出電流，通過其數(shù)據(jù)手冊可知，IC 的平均值為 4.5 mA，CTＲ 為光耦的電流傳輸率，根據(jù)選用的光耦手冊，其典型 CTＲ 為120%。由此可計算出 VＲ2 =0.15 V（Ｒ2 =39 Ω）。

另外光耦內(nèi)部發(fā)光二極管導通時正向壓降的典型值為 1.2 V，選用穩(wěn)壓值為 8．2 V 的穩(wěn)壓二極管，此時輸出電壓為 9． 55 V。

當該電路工作在恒流模式時，Ｒ6 兩端的電壓降使 Q2 導通，Ｒ5 兩端的電壓降使 Q1 導通，U2 內(nèi)部發(fā)光二極管正向電流經(jīng)由 Ｒ3 、Q1、Ｒ2 到地。此時輸出電流 IO有下式確定：

由上式可知輸出電流 IO 約為 1 A。

3 反激式恒流電源的實現(xiàn)與測試

根據(jù)上述內(nèi)容，本文設計了基于 TOP222 的反激式恒流開關電源，其 PCB 見圖 5。同時，根據(jù)恒流式開關電源的工作原理，繞制變壓器，并合理選擇相關元件的參數(shù)，制作出了該開關電源，其實物圖見圖 6。