详叙工控设备电源、3D打印机电源等开关电源设计方法（四）

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详叙工控设备电源、3D打印机电源等开关电源设计方法（四）

来源：发布时间：2019-05-18 点击量：1008

详叙工控设备电源、3D打印机电源等开关电源设计方法（四）

一、工控设备电源、3D打印机电源等开关电源的高效驱动LED离线式照明

用切实可行的螺纹旋入式LED来替代白炽灯泡可能还需要数年的时间，而在建筑照明中LED的使用正在不断增长，其具有更高的可靠性和节能潜力。同大多数电子产品一样，其需要一款电源来将输入功率转换为LED可用的形式。在路灯应用中，一种可行的配置是创建300V/0.35安培负载的80个串联的LED。在选择工控设备电源、3D打印机电源拓扑结构时，需要制定隔离和功率因数校正 (PFC) 相关要求。隔离需要大量的安全权衡研究，其中包括提供电击保护需求和复杂化电源设计之间的对比权衡。在这种应用中，LED上存在高压，一般认为隔离是非必需的，而PFC才是必需的，因为在欧洲25瓦以上的照明均要求具有PFC功能，而这款产品正是针对欧洲市场推出的。

就这种应用而言，有三种可选工控设备电源、3D打印机电源拓扑：降压拓扑、转移模式反向拓扑和转移模式 (TM) 单端初级电感转换器 (SEPIC) 拓扑。当LED电压大约为80伏特时，降压拓扑可以非常有效地被用于满足谐波电流要求。在这种情况下，更高的负载电压将无法再继续使用降压拓扑。那么，此时较为折中的方法就是使用反向拓扑和SEPIC拓扑。SEPIC 具有的优点是，其可钳制功率半导体器件的开关波形，允许使用较低的电压，从而使器件更为高效。在该应用中，可以获得大约2%的效率提高。另外，SEPIC 中的振铃更少，从而使EMI滤波更容易。

工控设备电源、3D打印机电源的转移模式SEPIC发挥了简单LED驱动器的作用

该电路使用了一个升压TM PFC控制器来控制输入电流波形。该电路以离线为C6充电作为开始。一旦开始工作，控制器的工控设备电源、3D打印机电源就由一个SEPIC电感上的辅助绕组来提供。一个相对较大的输出电容将LED纹波电流限定在DC电流的20%。补充说明一下，TM SEPIC中的AC 电通量和电流非常高，需要漆包绞线和低损耗内层芯板来降低电感损耗。

这一高效率是通过限制功率器件上的振铃实现的。另外，正如我们从电流波形中看到的一样，在 96%效率以上时功率因数非常好。有趣的是，该波形并非纯粹的正弦曲线，而是在上升沿和下降沿呈现出一些斜度，这是电路没有测量输入电流而只对开关电流进行测量的缘故。但是，该波形还是足以通过欧洲谐波电流要求的。

二、工控设备电源、3D打印机电源等开关电源通过改变电源频率来降低EMI性能

在测定EMI性能时，您是否发现无论您采用何种方法滤波都依然会出现超出规范几dB 的问题呢？有一种方法或许可以帮助您达到EMI性能要求，或简化您的滤波器设计。这种方法涉及了对电源开关频率的调制，以引入边带能量，并改变窄带噪声到宽带的发射特征，从而有效地衰减谐波峰值。需要注意的是，总体 EMI 性能并没有降低，只是被重新分布了。

利用正弦调制，可控变量的两个变量为调制频率 (fm) 以及您改变电源开关频率 (Δf) 的幅度。调制指数 (Β) 为这两个变量的比。
更大的调制指数可以进一步降低峰值EMI性能

选取调制频率和频移是两个很重要的方面。首先，调制频率应该高于EMI接收机带宽，这样接收机才不会同时对两个边带进行测量。但是，如果您选取的频率太高，那么工控设备电源、3D打印机电源控制环路可能无法完全控制这种变化，从而带来相同速率下的输出电压变化。另外，这种调制还会引起电源中出现可闻噪声。因此，我们选取的调制频率一般不能高出接收机带宽太多，但要大于可闻噪声范围。较大地改变工作频率更为可取。然而，这样会影响到电源设计，意识到这一点非常重要。也就是说，为最低工作频率选择磁性元件。此外，工控设备电源、3D打印机电源的输出电容还需要处理更低频率运行带来的更大的纹波电流。

对工控设备电源、3D打印机电源的有频率调制和无频率调制的EMI性能测量值进行了对比。此时的调制指数为4，正如我们预料的那样，基频下EMI性能大约降低了8dB。其他方面也很重要。谐波被抹入 (smear into) 同其编号相对应的频带中，即第三谐波延展至基频的三倍。这种情况会在一些较高频率下重复，从而使噪声底限大大高于固定频率的情况。因此，这种方法可能并不适用于低噪声系统。但是，通过增加设计裕度和最小化EMI滤波器成本，许多系统都已受益于这种方法。

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