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APCUPS電源作為大功率電源家族的新成員之一，LED恒流驅(qū)動電源是國內(nèi)照明、家居等領(lǐng)域中的應(yīng)用新星，對電路設(shè)計(jì)的可靠性要求也非常高。在今天的文章中，我們將會就一種高效、安全的LED恒流驅(qū)動大功率電源的電路設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳解和分析。

在該LED大功率電源的設(shè)計(jì)方案中，其電源主電路的設(shè)計(jì)圖如下圖圖1所示：

圖1 LED恒流驅(qū)動大功率電源電路圖

隔離反激式開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

在了解了這一LED恒流驅(qū)動電源的電路圖后，接下來我們首先來看一下在該電源方案的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該如何進(jìn)行隔離反激式開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。在該大功率電源的設(shè)計(jì)方案中，隔離反激式電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型電路如圖2所示。從圖2中可以看到，當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器T一次繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，由于變壓器的初級繞組和次級繞組的同名端相反，此時(shí)次級繞組的整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，初級繞組儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時(shí)，變壓器初級繞組儲存的能量通過次級繞組和VD1。整流和電容C1，濾波后向負(fù)載輸出。

APCUPS電源從這種隔離反激式開關(guān)電源電路的運(yùn)行模式中可以得出結(jié)論，電源變壓器在這個(gè)電路中有兩個(gè)作用，即：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器儲存能量。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，變壓器通過磁芯將能量傳遞給次級繞組，供給負(fù)載。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出功率一般在100w以內(nèi)，且有較好的電壓調(diào)整率，如果需要精密控制輸出電流，可以在輸出回路串聯(lián)采樣電阻通過光耦反饋實(shí)現(xiàn)初級繞組和次級繞組的隔離。

圖2隔離反激式開關(guān)電源電路

開關(guān)變壓器的選擇與設(shè)計(jì)

與其他的開關(guān)電源一樣，LED恒流驅(qū)動電源的變壓器設(shè)計(jì)也同樣是整個(gè)方案的核心所在，這種反激式的開關(guān)變壓器在電路中起到兩個(gè)作用：儲能電感，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，初級繞組開始儲存能量；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，初級繞組儲存的能量通過磁芯傳遞給次級繞組。因此，該設(shè)計(jì)對于電感主要考慮的是是初級繞組的電感量和各繞組之間的匝數(shù)比。在計(jì)算這兩個(gè)參數(shù)的同時(shí)，也涉及到電源的輸入功率、輸出功率、效率和開關(guān)頻率等問題。在該LED大功率電源的設(shè)計(jì)方案中，整個(gè)電路的最大占空比為45%，效率預(yù)計(jì)為85%，輸出功率為40×0.35—14w，開關(guān)頻率為60kHz，經(jīng)過理論計(jì)算并考慮裕量，本設(shè)計(jì)初級繞組的電感數(shù)值取1.5mH。根據(jù)測試結(jié)果，變壓器的磁芯系數(shù)為88.7μH，所以有初級繞組的匝數(shù)為130匝。

在本方案中，我們采用的是基于最大占空比的方法來確定變壓器匝數(shù)比。經(jīng)過公式計(jì)算，當(dāng)電源加到負(fù)載的電壓40V時(shí)，再考慮輸出二極管的壓降0.6V。則變壓器的匝數(shù)比為0.45，這里計(jì)算出來的結(jié)果是匝數(shù)比N的最小值。根據(jù)電感量的要求，初級繞組已經(jīng)確定為130匝，則次級繞組的匝數(shù)為58.5匝，為了方便繞制，可將匝數(shù)取為60匝，匝數(shù)比N為0.46，對于反激式開關(guān)電源，最大占空比小于50%時(shí)，系統(tǒng)是固有穩(wěn)定的，不用增加補(bǔ)償電路。

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功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)

由于LED恒流驅(qū)動電源的電路中經(jīng)常采用電感和電容等元件，因此很容易引起相位漂移，所以功率因數(shù)比較低，一般不會超過0.6，這就需要工程師采用相應(yīng)的措施來提高電路中的功率因數(shù)。在該設(shè)計(jì)方案中，我們所采用的是平衡半橋補(bǔ)償電路法，來提升電路中的功率因數(shù)，其電路原理如圖3所示。

圖3平衡半橋補(bǔ)償電路圖

在使用了平衡半橋補(bǔ)償電路進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)置后，該電路中的電容C1和C2采用10μF/400V的電解電容，兩電容參數(shù)相同，通過電容的充放電作用，能夠增加導(dǎo)通角，在正半周期可以將導(dǎo)通角擴(kuò)展到30°至150°在負(fù)半周期可拓展到210°至330°。因此通過該電路可以將功率因數(shù)從0.6提高到0.85-0.9。

以上就是本文針對LED恒流驅(qū)動大功率電源的電路設(shè)計(jì)過程，所進(jìn)行的簡要分析和介紹，希望能夠?qū)Ω魑辉O(shè)計(jì)研發(fā)人員的工作有所幫助。

不過，由于三元鋰電池的安全性、高溫性能與磷酸鐵鋰電池相比較差，因此目前其還主要是應(yīng)用于乘用車和專用車領(lǐng)域，而在對安全性要求更高的客車領(lǐng)域，其應(yīng)用占比還相對較少，尤其是工信部裝備工業(yè)司司長張相木在2016中國電動汽車百人會上提出出于對動力電池安全問題的考慮，暫停三元鋰電池客車列入新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄的決定后，對三元鋰電池在客車領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，甚至可以說為中國三元鋰電池的未來發(fā)展蒙上了一層陰影。但可喜的是，在新能源乘用車和專用車的帶動下，中國三元鋰電池市場并未停下發(fā)展的步伐，仍繼續(xù)保持了高速增長。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年1-4月三元鋰電池在乘用車和專用車中搭載量的占比分別達(dá)到40.1%和52.4%，而在客車市場的占比僅為2.2%。
 

圖3 2016年1-4月中國不同車型三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池搭載量結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)來源：第一電動研究院，InnoATP整理

• 紐扣電池的應(yīng)用

  • 因體形較小，故在各種微型產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用，直徑從4.8mm至30mm，厚度從1.0mm至7.7mm不等；一般用于各類電子產(chǎn)品的后備電源，如電腦主板，電子表，電子詞典，電子秤，記憶卡，遙控器，電動玩具，心臟起搏器，電子助聽器，計(jì)數(shù)器，照相機(jī)等；

• 紐扣電池的類別

  • 紐扣電池一般來說常見的有充電的和不充電的兩種,充電的包括3.6V可充鋰離子(LIR系列),3V可充鋰離子扣式電池(ML或VL系列);不充電的包括3V鋰錳扣式電池(CR系列)及1.5V堿性鋅錳扣式電池(LR及SR系列)。

    依照成份來區(qū)分，常見鈕扣型電池的種類有鋰電池、堿性電池、、鋅空氣電池等。早期的水銀電池因環(huán)境污染問題，已被禁用。但除了型號以 BR, CR 開頭的鋰電池之外，其他的鈕扣電池可能仍含有少量水銀(即汞)，雖然近年來已有廠商開發(fā)出不含汞的堿性電池與氧化銀電池，但因技術(shù)與專利等原因，目前各國的乾電池禁汞令中，鈕扣電池仍然允許少量汞的存在，因此，對於用過的鈕扣電池，仍應(yīng)置於規(guī)定的回收處所，勿隨意丟棄或混入垃圾而影響環(huán)境。

• 常見的紐扣電池

  • 1氧化銀電池

    該紐扣電池有使用壽命長、容量大等特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，其應(yīng)用量最大。該種電池由氧化銀作為正極，金屬鋅粉作為負(fù)極，電解液為氫氧化鉀或氫氧化鈉。通過鋅與氧化銀的化學(xué)作用產(chǎn)生電能。 氧化銀紐扣電池的厚度 (高度)有5.4mm、4.2mm、3.6mm、2.6mm、2.1mm五種規(guī)格，其直徑有 11.6mm、9.5mm、7.9mm、6.8mm四種規(guī)格。在選用時(shí)應(yīng)根據(jù)其位置的大小，選擇其中一種。其常用的型號有AG1、AG2、AG3、AG1O、AG13、SR626等，其型號AG為日本標(biāo)準(zhǔn)，SR為國際標(biāo)準(zhǔn)型號。

    2過氧化銀紐扣電池

    該電池與氧化銀紐扣電池的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要區(qū)別是電池的陽極 (盂極)用過氧化銀做成。

    3堿性錳紐扣電池

    該電池具有容量大，低溫性能優(yōu)良，其所用材料便宜、價(jià)格較低，能滿足需求較大電流連續(xù)放電的要求。其不足之處是能量密度不夠，放電電壓不夠平穩(wěn)。該電池的正極用的是二氧化錳，負(fù)極用的是鋅，電解液用的氫氧化鉀，其標(biāo)稱電壓為1.5V。

    4水銀紐扣電池

    又稱汞電池，它具有能在高溫條件下使用、能長期存儲、放電電壓平穩(wěn)、機(jī)械性能好的特點(diǎn)。但其低溫特性不好。該電池的正極為水銀，負(fù)極為鋅，電解液可以是氫氧化鉀，也可以用氫氧化鈉。其標(biāo)稱電壓為1.35V。

    從電池的背面可以看到相應(yīng)的標(biāo)記

    LR---水銀--1.5V

    SR---水銀--1.55V

    CR---鋰電--3V

    ZA---鋅空--1.4V

    LIR---二次鋰電--3.7V

    4鋰離子紐扣電池

    是二次紐扣電池，也是目前一款能夠多次充放電的紐扣電池；

    標(biāo)稱電壓：3.7V；充電電壓4.2V

• 紐扣電池的真?zhèn)巫R別方法

  • 隨著電子表、計(jì)算器、打火機(jī)、照像機(jī)等家用電器的日益普及，扣式電池(亦稱紐扣電池)，的應(yīng)用愈來愈廣泛。形形色色的假冒偽劣扣式電池也乘虛而入。目前市場上擺賣的扣式電池，主要來自三方面：一是國內(nèi)正規(guī)定點(diǎn)廠家，如常州電池廠獲國家銀質(zhì)獎(jiǎng)的達(dá)立牌氧化銀電池和天津電池廠的天星牌電池；二是正宗進(jìn)口電池，如日本的東芝、索尼，美國的UCAR等；三是假冒、偽電池。 假冒、偽劣電池采用性能遠(yuǎn)比氧化銀材料差許多的堿錳材料，它們大都來自浙江永嘉、溫嶺、福建石獅、廣東寶安等地。 識別偽劣貸，主要注意三個(gè)方面：

    (1)是從電池標(biāo)志上識別。它們一無商標(biāo)、二無產(chǎn)地、三無生產(chǎn)日期、四無檢驗(yàn)合格證，只是在電池上標(biāo)有英文“BUTTON CELL”和日本“ボタソセル”，給人以外國制造的假象。

    (2)從電池外觀上識別。這類電池負(fù)極的一側(cè)表面大部分鍍成黃色，給人以鍍“金”感。正極外殼底部易出現(xiàn)銹蝕斑點(diǎn)。

    (3)從電池性能上識別。絕大多數(shù)堿錳電池容量低，通常不足國家標(biāo)準(zhǔn)1．55V，使用壽命短；容易漏液，腐蝕電器；電壓負(fù)載特性差，電池放電曲線呈急劇下降的斜線；容易產(chǎn)生氣脹，引起電池“鼓肚子。”
    

雖然，政府暫停對三元鋰電池客車的財(cái)政支持補(bǔ)貼，在一定程度上影響了三元鋰電池的發(fā)展，但總體來看，三元鋰電池的快速普及發(fā)展已是大勢所趨。未來，隨著三元鋰電池能量密度與性價(jià)比優(yōu)勢的持續(xù)擴(kuò)大，以及安全性能的不斷提升，其在各類車型上的應(yīng)用占比還將持續(xù)提升，尤其是客車領(lǐng)域，相信其對三元鋰電池的應(yīng)用開放不會讓大家等待太久，一經(jīng)放開，將具有巨大增量空間。經(jīng)過測算，InnoATP預(yù)計(jì)2016年中國三元鋰電池市場的需求量將達(dá)到9.0Gwh左右，同比將實(shí)現(xiàn)111%的高速增長，到2020年預(yù)計(jì)市場需求量更是將達(dá)到60Gwh左右，年均復(fù)合增長60%以上，使三元鋰電池逐漸成為市場中的主流產(chǎn)品。顯然，三元鋰電時(shí)代正悄然來臨，你準(zhǔn)備好了嗎？望各電池企業(yè)緊抓市場趨勢與機(jī)遇，加快調(diào)整步伐，以促進(jìn)自身快速發(fā)展。