一种显示屏专用LED开关电源设计方案

LED开关电源目前已经得到了广泛的应用，而专门的显示屏专用开关电源却并不多见。在今天的方案分享中，我们将会为大家分享一种显示屏专用的LED开关电源方案，希望能够对各位工程师的研发设计工作有所借鉴和启发。

开关电源设计

首先来看本方案的开关电源设计。在本方案中，我们所设计的显示屏专用LED开关电源主要参数为：输入电压220V，输出电源5V10A。这种LED电源的开关电源系统，大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组。实际的开关电源还要有保护电路、功率因数校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。下图中，图1是开关电源原理框图。

图1 开关电源原理框图

输入电路

在了解了这种LED电源的开关电源设计方案和原理框图构成之后，接下来我们就需要进行输入电路的设计了。在该开关电源的输入电路系统中，具体包括线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路三部分。其作用是把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。典型电路如图2所示。

图2 输入电路

由上图图2所展示的输入电路系统可以看到，该种LED开关电源输入电路中主要包含滤波电路、浪涌电流抑制电路及全波整流电路。在该系统中，输入电路各电容C11、C12、C13用于滤波，滤除高频噪声，电抗器L11用于浪涌抑制，电容C14、C15、C18用于去耦。输入220VAC电压经过全波整流，产生变换器所需要的直流电压，及提供控制电路必须的工作电源。J21为短路线，TH为过流电阻，当发生过流时则器件熔断。

功率电路基本原理

接下来我们需要了解一下这种显示屏专用的LED开关电源的功率电路基本原理。这里我们以普通市电220V为例进行说明。当220V的交流电经输入电路整流滤波后，已变为直流电（带脉动），从该直流电到输出之间的电路可简单等效为一个单管隔离降压变换器。如图3所示。

图3 功率电路基本原理

在图3所展示的这种功率电路中，我们为防止变压器T磁饱及快速恢复，原边使用了简单的R1C1释放电路。副边VD1整流，VD2续流，C2去耦，L、C4滤波，R3、C3、R4为辅助泄放通路。当然实际电路比这个要复杂的多，复杂的原因主要是因为加入了保护电路、反馈电路、控制电路等。下面具体讲述实际应用的电路。变压器及控制部分供电电路变压器周边电路以及给控制电路供电的电路如图4所示：

图4 变压器及控制部分供电电路

从图4所展示的变压器及控制部分供电电路图中我们可以看到，在电路系统中，变压器T11就是图3中的变压器T，其中1-3绕组为原边主绕组（即图3中的N1绕组），6-7绕组为副边输出绕组，也就是图3中的N2绕组，4-5绕组为原边辅助绕组，主要给控制电路提供电源。图中1-3绕组间的22欧电阻和0.45nf电容为原边释放电路。给控制电路供电部分主要由变压器的4-5绕组和三极管D1457为主构成。

在这种供电电路系统中，结合图3、图4所展示的电路，我们可以看到，C31及5.1欧电阻上面的两个二极管用于获得相对稳定的集电极直流偏压，基极偏置取自输入电路的直流电压。A点由4-5绕组的5边直接引出，去反馈电路、C点用于提供其它辅助控制的上偏电源。这里的电源去耦电容建议为10—47uF，启动电流不少于300uA。三极管的发射极下偏置18K电阻接地。

集成芯片设计

在本次所分享的LED开关电源设计方案中，由于该方案专门为显示屏所设计，因此我们选择使用集成芯片M51995AFP。该芯片可以直接驱动MOSFET。M51995A不仅具有高频振荡和快速输出能力，而且具有快速响应的电流限制功能。它的另一大特点是过流时采用断续方式工作，具备过流及短路保护功能。关于芯片的具体资料可到网上查询。M51995AFP芯片的引脚如图5所示：

图5 M51995AFP引脚图

振荡电路

在这种LED开关电源的方案设计中，我们所选择的控制电路M51995AFP具有高频振荡能力，但须外接电阻和电容。因此，在该电源系统中，振荡电路的具体电路设计如下图图6所示：

图6 振荡电路

电源反馈及过流过压保护电路

在这一显示屏专用的LED开关电源设计方案中，其电源反馈及过流过压保护电路的设计，如下图图7所示。

图7 电源反馈和过压过流保护电路

接下来我们来看一下，图7所展示的电源反馈和过压过流保护电路的具体实现方式，以及他们的保护作用。在该系统中，电源反馈电路的调节原理是，控制芯片的F/B端为电源实际输出反馈端。输出电压Vo经分压采样，控制基准电源。基准电源的高低决定了线性光电耦合器的输出电流大小。从F/B端看，IF/B和VOUT是成线性关系的，这样就实现了电路的反馈调节。而过流保护电路的设计宗旨，则是由芯片的VF端的来检测，控制芯片输出Vout经过阻容滤波，反馈回VF端，用于过流保护，它同时从第三边引出反馈，整流后送VF端，作用和从Vout端引出是一样的。在过压保护电路中，OVP为过压检测端，它取决于反馈电路中光电流的大小。因为它直接影响光电输出级的导通程度（Uce），从而直接影响到OVP电位。由后面的输出电路可以看出，这个保护点取决于一个稳压管的稳压值。当输出电压高于保护值时，OVP点电位高于门槛电平750mV，芯片进入保护状态。

检测端DET的设置在该电路系统的设计中，也非常重要。从图7中可以看到，DET被用于检测输出电压。如果DET不接地，则在F/B端电压超过2.5VDC时，将F/B电位钳制在0VDC，从而使得占空比为0，电源处于保护状态。当它低于2.5VDC时，电源正常工作。在本电路中DET被直接接地，因此F/B端不受其控制。

电流极限保护

由于隔离变压器原边开关管是单向驱动的，所以只做正极限保护即可。变压器第三边绕组单向脉动信号经过二极管整流及RC滤波，送CLM+端，做为正极限过流保护。负电流极限CLM-端被直接接地，不起作用。电流极限保护电路如图8所示。常规情况下，CLM+或CLM-的电压超过阈值时，过流信号将使输出截止，并且这个截止状态持续到下一个周期。下个周期将重新恢复，形成逐脉冲电流控制。

图8 电流极限保护电路

通断控制电路及热沉端

在该种LED开关电源的设计过程中，通断控制电路及热沉端的设计，需要符合显示屏尝试加工作的需要。在本方案中，ON/OFF端(7脚)为低电平时芯片才工作，阈值电压为2.4V。本电路被直接接地，不进行控制。热沉端也被直接接地，以获取较好的热稳定性。芯片的5、6、15、16脚内部是短接的，四个热沉端通过5脚接地。相关电路如图9所示。

图9 通断控制电路

开关管驱动电路

接下来我们需要处理的是开关管驱动电路的设计问题。在本方案中，我们所采用的电源变换器部分是一个简单的单开关降压型隔离变换器。开关管规格为2SK1939（2501），MOS，N沟道，电压600V，8A，其功率为100W。芯片的图腾柱输出脚2驱动MOSFET管栅极，开关管驱动隔离变压器原边绕组1-3，主绕组上并联的RC电路用于提供泄放通路。开关管驱动电路如图10所示。

图10 开关管驱动电路

电源输出电路

这种专门为显示屏而设计的LED开关电源中，其电源输出系统的电路设计，如图下图11所示。图11中，整流部分的上面两个二极管用于整流，下面两个则用于提供在开关管关断期间（变压器没有输出）提供滤波电感的续流通路。电感器及电解电容（2200uF，10V）用于滤波，加上两个二极管的续流作用，可以获得尽可能连续的电流。从输出电路看，这是一个Buck（降压）式开关电源。实际输出为5VDC。

图11 电源输出电路

从图11中我们可以看到，在这种LED开关电源的输出电路系统中，电源输出电压由光电1、基准电源器件及电位器部分来控制，调节电位器可以在一定范围内调整输出电压。光电2、稳压管部分用于获得反馈OVP信号，稳压管的稳压值决定了OVP保护动作点。