一種顯示屏專用LED開關電源設計方案

LED開關電源目前已經得到了廣泛的使用，而專門的顯示屏專用開關電源卻并不多見。在今天的方案分享中，我們將會為大家分享一種顯示屏專用的LED開關電源方案，希望能夠對各位工程師的研發設計工作有所借鑒和啟發。

開關電源設計

首先來看本方案的開關電源設計。在本方案中，我們所設計的顯示屏專用LED開關電源主要參數為：輸入電壓220V，輸出電源5V10A。這種LED電源的開關電源系統，大致由輸入電路、變換器、控制電路、輸出電路四個主體組。實際的開關電源還要有保護電路、功率因數校正電路、同步整流驅動電路及其它一些輔助電路等。下圖中，圖1是開關電源原理框圖。

圖1 開關電源原理框圖

輸入電路

在知道了這種LED電源的開關電源設計方案和原理框圖構成之后，接下來我們就需要進行輸入電路的設計了。在該開關電源的輸入電路系統中，詳盡包括線性濾波電路、浪涌電流抑制電路、整流電路三部分。其作用是把輸入電網交流電源轉化為符合要求的開關電源直流輸入電源。典型電路如圖2所示。

圖2 輸入電路

由上圖圖2所展示的輸入電路系統可以看到，該種LED開關電源輸入電路中主要蘊含濾波電路、浪涌電流抑制電路及全波整流電路。在該系統中，輸入電路各電容C11、C12、C13用于濾波，濾除高頻噪聲，電抗器L11用于浪涌抑制，電容C14、C15、C18用于去耦。輸入220VAC電壓經過全波整流，萌生變換器所需要的直流電壓，及提供控制電路非得的工作電源。J21為短路線，TH為過流電阻，當發生過流時則器件熔斷。

功率電路基本原理

接下來我們需要知道一下這種顯示屏專用的LED開關電源的功率電路基本原理。這里我們以一般市電220V為例進行說明。當220V的交流電經輸入電路整流濾波后，已變為直流電（帶脈動），從該直流電到輸出之間的電路可簡單等效為一個單管隔離降壓變換器。如圖3所示。

圖3 功率電路基本原理

在圖3所展示的這種功率電路中，我們為戒備變壓器T磁飽及快速恢復，原邊使用了簡單的R1C1釋放電路。副邊VD1整流，VD2續流，C2去耦，L、C4濾波，R3、C3、R4為輔助泄放通路。當然實際電路比這個要復雜的多，復雜的原由主要是因為加入了保護電路、反饋電路、控制電路等。下面詳盡講述實際使用的電路。變壓器及控制部分供電電路變壓器周邊電路以及給控制電路供電的電路如圖4所示：

圖4 變壓器及控制部分供電電路

從圖4所展示的變壓器及控制部分供電電路圖中我們可以看到，在電路系統中，變壓器T11就是圖3中的變壓器T，其中1-3繞組為原邊主繞組（即圖3中的N1繞組），6-7繞組為副邊輸出繞組，也就是圖3中的N2繞組，4-5繞組為原邊輔助繞組，主要給控制電路提供電源。圖中1-3繞組間的22歐電阻和0.45nf電容為原邊釋放電路。給控制電路供電部分主要由變壓器的4-5繞組和三極管D1457為主構成。

在這種供電電路系統中，結合圖3、圖4所展示的電路，我們可以看到，C31及5.1歐電阻上面的兩個二極管用于獲得相對穩定的集電極直流偏壓，基極偏置取自輸入電路的直流電壓。A點由4-5繞組的5邊筆直引出，去反饋電路、C點用于提供其它輔助控制的上偏電源。這里的電源去耦電容提議為10—47uF，啟動電流不少于300uA。三極管的發射極下偏置18K電阻接地。

集成芯片設計

在本次所分享的LED開關電源設計方案中，由于該方案專門為顯示屏所設計，因此我們選擇使用集成芯片M51995AFP。該芯片可以筆直驅動MOSFET。M51995A不僅具有高頻振蕩和快速輸出能力，而且具有快速應和的電流限制功能。它的另一大特點是過流時采用斷續方式工作，具備過流及短路保護功能。關于芯片的詳盡資料可到網上查詢。M51995AFP芯片的引腳如圖5所示：

圖5 M51995AFP引腳圖

振蕩電路

在這種LED開關電源的方案設計中，我們所選擇的控制電路M51995AFP具有高頻振蕩能力，但須外接電阻和電容。因此，在該電源系統中，振蕩電路的詳盡電路設計如下圖圖6所示：

圖6 振蕩電路

電源反饋及過流過壓保護電路

在這一顯示屏專用的LED開關電源設計方案中，其電源反饋及過流過壓保護電路的設計，如下圖圖7所示。

圖7 電源反饋和過壓過流保護電路

接下來我們來看一下，圖7所展示的電源反饋和過壓過流保護電路的詳盡實現方式，以及他們的保護作用。在該系統中，電源反饋電路的調節原理是，控制芯片的F/B端為電源實際輸出反饋端。輸出電壓Vo經分壓采樣，控制基準電源。基準電源的高低決定了線性光電耦合器的輸出電流大小。從F/B端看，IF/B和VOUT是成線性關系的，這樣就實現了電路的反饋調節。而過流保護電路的設計宗旨，則是由芯片的VF端的來測試，控制芯片輸出Vout經過阻容濾波，反饋回VF端，用于過流保護，它同時從第三邊引出反饋，整流后送VF端，作用和從Vout端引出是一樣的。在過壓保護電路中，OVP為過壓測試端，它取決于反饋電路中光電流的大小。因為它筆直影響光電輸出級的導通程度（Uce），從而筆直影響到OVP電位。由后面的輸出電路可以看出，這個保護點取決于一個穩壓管的穩壓值。當輸出電壓高于保護值時，OVP點電位高于門檻電平750mV，芯片進入保護狀態。

測試端DET的設置在該電路系統的設計中，也非常緊要。從圖7中可以看到，DET被用于測試輸出電壓。如果DET不接地，則在F/B端電壓超過2.5VDC時，將F/B電位鉗制在0VDC，從而使得占空比為0，電源處于保護狀態。當它低于2.5VDC時，電源正常工作。在本電路中DET被筆直接地，因此F/B端不受其控制。

電流極限保護

由于隔離變壓器原邊開關管是單向驅動的，所以只做正極限保護即可。變壓器第三邊繞組單向脈動信號經過二極管整流及RC濾波，送CLM+端，做為正極限過流保護。負電流極限CLM-端被筆直接地，不起作用。電流極限保護電路如圖8所示。常規情況下，CLM+或CLM-的電壓超過閾值時，過流信號將使輸出截止，并且這個截止狀態繼續到下一個周期。下個周期將重新恢復，形成逐脈沖電流控制。

圖8 電流極限保護電路

通斷控制電路及熱沉端

在該種LED開關電源的設計過程中，通斷控制電路及熱沉端的設計，需要符合顯示屏嘗試出產作的需要。在本方案中，ON/OFF端(7腳)為低電平時芯片才工作，閾值電壓為2.4V。本電路被筆直接地，不進行控制。熱沉端也被筆直接地，以獲取較好的熱穩定性。芯片的5、6、15、16腳內部是短接的，四個熱沉端通過5腳接地。相關電路如圖9所示。

圖9 通斷控制電路

開關管驅動電路

接下來我們需要解決的是開關管驅動電路的設計問題。在本方案中，我們所采用的電源變換器部分是一個簡單的單開關降壓型隔離變換器。開關管規格為2SK1939（2501），MOS，N溝道，電壓600V，8A，其功率為100W。芯片的圖騰柱輸出腳2驅動MOSFET管柵極，開關管驅動隔離變壓器原邊繞組1-3，主繞組上并聯的RC電路用于提供泄放通路。開關管驅動電路如圖10所示。

圖10 開關管驅動電路

電源輸出電路

這種專門為顯示屏而設計的LED開關電源中，其電源輸出系統的電路設計，如圖下圖11所示。圖11中，整流部分的上面兩個二極管用于整流，下面兩個則用于提供在開關管關斷期間（變壓器沒有輸出）提供濾波電感的續流通路。電感器及電解電容（2200uF，10V）用于濾波，加上兩個二極管的續流作用，可以獲得盡可能連續的電流。從輸出電路看，這是一個Buck（降壓）式開關電源。實際輸出為5VDC。

圖11 電源輸出電路

從圖11中我們可以看到，在這種LED開關電源的輸出電路系統中，電源輸出電壓由光電1、基準電源器件及電位器部分來控制，調節電位器可以在一定范圍內調整輸出電壓。光電2、穩壓管部分用于獲得反饋OVP信號，穩壓管的穩壓值決定了OVP保護動作點。

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