12V18W LED 开关电源设计
摘要：根据高可靠性LED 主要性能要求，分别从防浪涌设计、EMC 设计、高频变压器设计、主
IC 选择等方面提出满足LED 高可靠开关电源的解决方案，根据VIPER22A 设计LED 开关电源
的运用线路图，绘制PCB 版图，并对关键工艺提出解决办法，最后通过主要参数的测量验证该
产品满足要求。
关键词：高可靠性；开关电源；节能
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
技术交流
50
Feb．，2009，总第97期 现代显示 Advanced Display
为室外LED 夜景产品的电源驱动，且能高可靠地运
行，成本低。
1 主要技术性能指标要求
额定输入电压频率：180VAC~240VAC
50Hz/60Hz
额定输出电流：1.5A
额定功率：18W
输出电压：12VDC
防水等级：IP65
转换效率：输出大于1A 时不低于80％
2 系统设计与实现
为实现上述技术指标，本项目采用了新型高智
能化元器件，减小二次整流器件的损耗，并选用高效
功率铁氧体（Mn- Zn）材料，以提高在高频率和较大
磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，从而实现高频化。
同时采用先进电路技术、防水环氧灌封等技术，使得
本项目产品能实现稳定、高可靠、高质量。
2.1 防浪涌设计
浪涌对所有的电子设备和数据系统都有潜在的
危害。它是隐伏的，不可见的，不可预测的，极端危险
并且后果不可想象。实际浪涌的幅值一般较雷击电
流小，但前者可能会造成和后者同样的损坏。考虑到
本产品所处场合为中等暴露程度，选择瞬变抑制器
件。
2.2 EMC 的设计
（1）滤波器
滤波是一种抑制传导干扰的方法，在电源输入
端接上滤波器，可以抑制来自电网的噪声对电源本
身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反
馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的
重要单元，在系统的电磁兼容设计中具有极其重要
的作用。它不仅可抑制传输线上的传导干扰，同时对
传输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果。在滤
波电路中，选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环，能
够改善电路的滤波特性。适当的设计或选择合适的
滤波器，并正确地安装滤波器是抗干扰技术的重要
组成部分，具体措施如下：
在交流电输入端加装电源滤波器，其电路如图1
所示。图中Ld、Cd 用于抑制差模噪声，一般取Ld 为
100～ 700μH, Cd 取1～10μF。Lc、Cc 用于抑制
共模噪声，可根据实际情况加以调整。
所有电源滤波器都必须接地，因为滤波器的共
模旁路电容必须在接地时才起作用。接地方法是除
了将滤波器与金属外壳相接之外，还要用较粗的导
线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越
低滤波效果越好。
滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的
输入及输出端要尽量远离，避免干扰信号从输入端
直接耦合到输出端。
在电源输出端加输出滤波器。加装高频电容，加
大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，可以
抑制差模噪声。
（2）变压器高频防护
在高频变压器的原边、副边、开关管的C、E 极
间以及在输出整流二极管上加装RC 吸收网络。
3 控制IC 的选择
开关电源使用的IC 中设计时选用DIP 封装的
VIPER22A，在单电源电压180~265VAC 范围内，功
率处理能力可以达到20W，能满足设计要求。图2
为VIPER22A 内部结构示意图， 采用ST 的
IPOWER M0- 3 高压专利技术，利用一个P 型掩埋
层的方法，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式
PWM 控制器和一个高压功率场效应MOS 晶体管。
这种方法可以减少IC 外围元器件的数量，简化电路
板设计，降低系统成本。其一般特性有:（1）自动热关
断；（2）高压启动电流源；（3）防止输出短路导致击穿
故障的HICCUP 模式；（4） 保证低负载条件下低功
陈天荣：12V18W LED 开关电源设计
图1 电源滤波器
技术交流
51
现代显示Advanced Display Feb．，2009，总第97 期
耗的突发模式。
通过图2 可以看出，功率级是由含有一个快速
比较器的电流式结构驱动的，驱动电流来自NMOS
sense 和feed- back (FB) 两个引脚。比较器输出连
接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一个
外部振荡器，即可将开关频率固定在60kHz，从而不
再需要其它的外部组件。其它的内部模块是内部电
源稳压器和过热检测器，前者在VDD 引脚上能够支
持45V，后者在170°C（典型值）时提供热关断功
能。
该产品的系统控制是一个电流模式结构，在这
个结构中，N- MOS 感应电流和FB 电流汇合在电
阻器R2 上。电阻R2 上的电压取决于这个电流值的
大小，然后，这个电压值与一个内部固定的参考电压
(0.23V) 比较。比较器的输出用于驱动场效应MOS
晶体管，因此，开关频率取决于反馈电流和Id 电流
值的大小。在这个应用中，反馈回路的实现方法是通
过一个光耦合器利用输出电压驱动这个FB 引脚，
以保证输入与输出之间的绝缘。监视VDD 电压的是
一个磁滞比较器，它能够管理启动电流生成器。事实
上，只要VDD 电压值大于VDDON 的电压值，比较
器就会导通，并给VDD 电容器充电。一旦达到这个
条件，功率场效应MOS 晶体管就立即开始开关操
作。突发模式工作原理是跳过相同的开关周期，以便
在负载减弱时降低功耗。
4 高频变压器的设计
根据线路要求设计反激型脉冲变压器：
输入电压Vac min=180V，Vac max=264V， 频率：
50Hz
输出电压V0=11.4V~12.6V，负载Io=1.5A
则输出功率PON=18W，工作频率f=66kHz , 周
期T=1.5*10- 5S，占空比Dmax=0.35
磁芯为了体积小, 高度低, 选用EFD25，其
Ae =58*10- 6mm2。
（1）原付边绕组感应电势幅值E1、E2
E1min=1.3*V1ACmin=1.3*180=234V
E1max=1.3*V1ACmax=1.3*264=342.2V
E2m=V0+1=12+1=13V
（2）初、次级匝数N1、N2
匝数比K=DmaxE1min/ (1- Dmax)E1min=0.35*234/
(1- 0.35)*13=9.69
由D=KE2M/(E1M+KE2M)，得Dmax=0.35，Dmin=0.27
原边绕组导通时间Ton=DT，Tonmax=5.25*10- 6 s，
Tonmin=4.05*10- 6 s
E1minTonmax=234*5.25*10- 6=12.3*10- 4V- s
E1maxTonmin=344.5*4.05*10- 6=14.0*10- 4 V- s
N1=E1MTon/(△B*Ae)=12.3*10- 4/(0.20*58*10- 6)
=106 匝（磁通常量△B 取0.20T）
陈天荣：12V18W LED 开关电源设计
图2 VIPER22A 内部结构示意图
技术交流
52
Feb．，2009，总第97期 现代显示 Advanced Display
图3 高频变压器结构示意图
N2=N1/K=106/9.69=11 匝 表 1 高频变压器绕组参数
(3) 临界电感L1、L2
临界点选取
Ioc=Iomin=1.5A
P 2c=E2mIoc=13*1.5=19.5W
L1= (E1max Tonmin)2／（2P 2CT）= (342.2*4.05*10- 6)2/
(2*19.5*1.5*10- 5)=2.37*10- 3 mH
L2=L1/ K2=(237*10- 3)/ 9.692=25μH
(4)原副边绕组电流平均值I1ave、I2ave
当E1M=E1MMIN
△I1=E1minTOmax/L1=234*5.25*10- 6/(2.37 *10- 3)
=0.518A
△I2=K△I1=9.69*0.518=5.02A
原副边电流在Ion 时间内平均值I1ave、I2ave （变压器
效率取n=0.8）：
I1ave=E2mIon/（E1minDmaxnn）=13*1.5/(234*0.35*0.8)
=0.298A
I2ave= Ion
1- Dmax
=1.5/（1- 0.35）=2.31A
（5）原副边绕组中电流有效值I1rms、I2rms:
I1rms= I2
2ave + ΔI2
2
12 姨! "!1- Dmax "=0.2A
I2rms= I2
2ave + ΔI2
2
12 姨! "!1- Dmax "=2.2A
(6) 原副边绕组线径d 1、d 2
取原边绕组内电流密度jcu1=4A/mm2
导线截面积S cu1=I1rms/jcu1=0.2/4=0.05mm2
由S cu1=N1* (Π/4)*d 2 d1=0.25mm 选用单股
Φ0.25 2- UEW 漆包线。
由dy==132.2/姨f 且f=66KHz 最大线径取
0.55mm
d 2=1.13 I2rms
j2 姨=1.13 2.2
姨 5 =0.75mm
则次级用2 股2- UEW0.50 漆包线并绕。
（7）反馈绕组因其负载电流小，选用与原边绕组
相同的线径0.25mm，保证IC 的正常工作，其电压
取16.5V ，则N3=E3*N2/ E2m=16.5*11/13=13.96
=14 匝。
根据以上计算结果，绕组参数及结构示意图如
表1、图3 所示。
5 LED 开关电源运用线路图
根据上述考虑要素以及VIPER22A 结构性能，
而设计的LED 使用开关电源的线路图如图4 所示。
本电路根据需要一个12V电压1.5A 电流输出,最大
功率处理能力是18W。该解决方案的二次侧反馈是
一个隔离式的逆向拓扑结构。输出经过TL431(可控
分流基准) 反馈并将误差放大，TL431 驱动光耦
PC817，并通过光耦感应得到反馈电压，调整电流模
式的PWM 控制器的开关时间，从而得到稳定的直
流电压输出，并确保输入和输出完全隔离。
6 设计PCB 板图
PCB 制作时采用单面阻燃纸板，丝印在元件
面，如图5 所示。焊点面采用镀金工艺。尺寸大小：
130mm*37mm*1.6mm。
7 关键工艺的解决
7.1 爬电距离设计
为了有效解决由于PCB 小型化而造成输入级
陈天荣：12V18W LED 开关电源设计
原边绕组
一次侧电感3.3±8%mH
匝数106
线径0.25mm
辅助侧绕组
匝数14
线径0.25mm
匝数11
线径0.50mm*2
副边绕组
技术交流
53
现代显示Advanced Display Feb．，2009，总第97 期
图4 LED 开关电源运用线路图
图8 VIPER22A 散热片
间爬电距离不足问题，设计时当爬电距离小于2mm
时应加大于1mm 镂空刻槽。如图6 所示。
7.2 散热
由于本机在考虑设计成本、产品结构以及户外
使用特点。电路中整流二级管需外焊接10mm×
20mm×0.6mm 铜片加大散热面积，如图7 所示。
主芯片VIPER22A 外加8mm×20mm 铝散热片加
大散热面积，如图8 所示。
7.3 灌封
根据本开关电源的使用室外环境满足IP65 防
水等级及内部结构的要求，选用常温固化8002A/B
双组份环氧树脂,使用时混合比例A:B=100:20(重量
比)。常温25℃条件下，24hr 固化或60℃条件下2hr
固化。该环氧树脂满足以下要求：(1)能承受冷热环
境交变产生的应力；(2)能承受线路运行时的温度；
陈天荣：12V18W LED 开关电源设计
图5 PCB 走线图和丝印图
图6 PCB 镂空刻槽工艺
图7 加铜片增大散热面
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图11
IC 选择等方面提出满足LED 高可靠开关电源的解决方案，根据VIPER22A 设计LED 开关电源
的运用线路图，绘制PCB 版图，并对关键工艺提出解决办法，最后通过主要参数的测量验证该
产品满足要求。
关键词：高可靠性；开关电源；节能
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
技术交流
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为室外LED 夜景产品的电源驱动，且能高可靠地运
行，成本低。
1 主要技术性能指标要求
额定输入电压频率：180VAC~240VAC
50Hz/60Hz
额定输出电流：1.5A
额定功率：18W
输出电压：12VDC
防水等级：IP65
转换效率：输出大于1A 时不低于80％
2 系统设计与实现
为实现上述技术指标，本项目采用了新型高智
能化元器件，减小二次整流器件的损耗，并选用高效
功率铁氧体（Mn- Zn）材料，以提高在高频率和较大
磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，从而实现高频化。
同时采用先进电路技术、防水环氧灌封等技术，使得
本项目产品能实现稳定、高可靠、高质量。
2.1 防浪涌设计
浪涌对所有的电子设备和数据系统都有潜在的
危害。它是隐伏的，不可见的，不可预测的，极端危险
并且后果不可想象。实际浪涌的幅值一般较雷击电
流小，但前者可能会造成和后者同样的损坏。考虑到
本产品所处场合为中等暴露程度，选择瞬变抑制器
件。
2.2 EMC 的设计
（1）滤波器
滤波是一种抑制传导干扰的方法，在电源输入
端接上滤波器，可以抑制来自电网的噪声对电源本
身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反
馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的
重要单元，在系统的电磁兼容设计中具有极其重要
的作用。它不仅可抑制传输线上的传导干扰，同时对
传输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果。在滤
波电路中，选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环，能
够改善电路的滤波特性。适当的设计或选择合适的
滤波器，并正确地安装滤波器是抗干扰技术的重要
组成部分，具体措施如下：
在交流电输入端加装电源滤波器，其电路如图1
所示。图中Ld、Cd 用于抑制差模噪声，一般取Ld 为
100～ 700μH, Cd 取1～10μF。Lc、Cc 用于抑制
共模噪声，可根据实际情况加以调整。
所有电源滤波器都必须接地，因为滤波器的共
模旁路电容必须在接地时才起作用。接地方法是除
了将滤波器与金属外壳相接之外，还要用较粗的导
线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越
低滤波效果越好。
滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的
输入及输出端要尽量远离，避免干扰信号从输入端
直接耦合到输出端。
在电源输出端加输出滤波器。加装高频电容，加
大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，可以
抑制差模噪声。
（2）变压器高频防护
在高频变压器的原边、副边、开关管的C、E 极
间以及在输出整流二极管上加装RC 吸收网络。
3 控制IC 的选择
开关电源使用的IC 中设计时选用DIP 封装的
VIPER22A，在单电源电压180~265VAC 范围内，功
率处理能力可以达到20W，能满足设计要求。图2
为VIPER22A 内部结构示意图， 采用ST 的
IPOWER M0- 3 高压专利技术，利用一个P 型掩埋
层的方法，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式
PWM 控制器和一个高压功率场效应MOS 晶体管。
这种方法可以减少IC 外围元器件的数量，简化电路
板设计，降低系统成本。其一般特性有:（1）自动热关
断；（2）高压启动电流源；（3）防止输出短路导致击穿
故障的HICCUP 模式；（4） 保证低负载条件下低功
陈天荣：12V18W LED 开关电源设计
图1 电源滤波器
技术交流
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耗的突发模式。
通过图2 可以看出，功率级是由含有一个快速
比较器的电流式结构驱动的，驱动电流来自NMOS
sense 和feed- back (FB) 两个引脚。比较器输出连
接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一个
外部振荡器，即可将开关频率固定在60kHz，从而不
再需要其它的外部组件。其它的内部模块是内部电
源稳压器和过热检测器，前者在VDD 引脚上能够支
持45V，后者在170°C（典型值）时提供热关断功
能。
该产品的系统控制是一个电流模式结构，在这
个结构中，N- MOS 感应电流和FB 电流汇合在电
阻器R2 上。电阻R2 上的电压取决于这个电流值的
大小，然后，这个电压值与一个内部固定的参考电压
(0.23V) 比较。比较器的输出用于驱动场效应MOS
晶体管，因此，开关频率取决于反馈电流和Id 电流
值的大小。在这个应用中，反馈回路的实现方法是通
过一个光耦合器利用输出电压驱动这个FB 引脚，
以保证输入与输出之间的绝缘。监视VDD 电压的是
一个磁滞比较器，它能够管理启动电流生成器。事实
上，只要VDD 电压值大于VDDON 的电压值，比较
器就会导通，并给VDD 电容器充电。一旦达到这个
条件，功率场效应MOS 晶体管就立即开始开关操
作。突发模式工作原理是跳过相同的开关周期，以便
在负载减弱时降低功耗。
4 高频变压器的设计
根据线路要求设计反激型脉冲变压器：
输入电压Vac min=180V，Vac max=264V， 频率：
50Hz
输出电压V0=11.4V~12.6V，负载Io=1.5A
则输出功率PON=18W，工作频率f=66kHz , 周
期T=1.5*10- 5S，占空比Dmax=0.35
磁芯为了体积小, 高度低, 选用EFD25，其
Ae =58*10- 6mm2。
（1）原付边绕组感应电势幅值E1、E2
E1min=1.3*V1ACmin=1.3*180=234V
E1max=1.3*V1ACmax=1.3*264=342.2V
E2m=V0+1=12+1=13V
（2）初、次级匝数N1、N2
匝数比K=DmaxE1min/ (1- Dmax)E1min=0.35*234/
(1- 0.35)*13=9.69
由D=KE2M/(E1M+KE2M)，得Dmax=0.35，Dmin=0.27
原边绕组导通时间Ton=DT，Tonmax=5.25*10- 6 s，
Tonmin=4.05*10- 6 s
E1minTonmax=234*5.25*10- 6=12.3*10- 4V- s
E1maxTonmin=344.5*4.05*10- 6=14.0*10- 4 V- s
N1=E1MTon/(△B*Ae)=12.3*10- 4/(0.20*58*10- 6)
=106 匝（磁通常量△B 取0.20T）
陈天荣：12V18W LED 开关电源设计
图2 VIPER22A 内部结构示意图
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图3 高频变压器结构示意图
N2=N1/K=106/9.69=11 匝 表 1 高频变压器绕组参数
(3) 临界电感L1、L2
临界点选取
Ioc=Iomin=1.5A
P 2c=E2mIoc=13*1.5=19.5W
L1= (E1max Tonmin)2／（2P 2CT）= (342.2*4.05*10- 6)2/
(2*19.5*1.5*10- 5)=2.37*10- 3 mH
L2=L1/ K2=(237*10- 3)/ 9.692=25μH
(4)原副边绕组电流平均值I1ave、I2ave
当E1M=E1MMIN
△I1=E1minTOmax/L1=234*5.25*10- 6/(2.37 *10- 3)
=0.518A
△I2=K△I1=9.69*0.518=5.02A
原副边电流在Ion 时间内平均值I1ave、I2ave （变压器
效率取n=0.8）：
I1ave=E2mIon/（E1minDmaxnn）=13*1.5/(234*0.35*0.8)
=0.298A
I2ave= Ion
1- Dmax
=1.5/（1- 0.35）=2.31A
（5）原副边绕组中电流有效值I1rms、I2rms:
I1rms= I2
2ave + ΔI2
2
12 姨! "!1- Dmax "=0.2A
I2rms= I2
2ave + ΔI2
2
12 姨! "!1- Dmax "=2.2A
(6) 原副边绕组线径d 1、d 2
取原边绕组内电流密度jcu1=4A/mm2
导线截面积S cu1=I1rms/jcu1=0.2/4=0.05mm2
由S cu1=N1* (Π/4)*d 2 d1=0.25mm 选用单股
Φ0.25 2- UEW 漆包线。
由dy==132.2/姨f 且f=66KHz 最大线径取
0.55mm
d 2=1.13 I2rms
j2 姨=1.13 2.2
姨 5 =0.75mm
则次级用2 股2- UEW0.50 漆包线并绕。
（7）反馈绕组因其负载电流小，选用与原边绕组
相同的线径0.25mm，保证IC 的正常工作，其电压
取16.5V ，则N3=E3*N2/ E2m=16.5*11/13=13.96
=14 匝。
根据以上计算结果，绕组参数及结构示意图如
表1、图3 所示。
5 LED 开关电源运用线路图
根据上述考虑要素以及VIPER22A 结构性能，
而设计的LED 使用开关电源的线路图如图4 所示。
本电路根据需要一个12V电压1.5A 电流输出,最大
功率处理能力是18W。该解决方案的二次侧反馈是
一个隔离式的逆向拓扑结构。输出经过TL431(可控
分流基准) 反馈并将误差放大，TL431 驱动光耦
PC817，并通过光耦感应得到反馈电压，调整电流模
式的PWM 控制器的开关时间，从而得到稳定的直
流电压输出，并确保输入和输出完全隔离。
6 设计PCB 板图
PCB 制作时采用单面阻燃纸板，丝印在元件
面，如图5 所示。焊点面采用镀金工艺。尺寸大小：
130mm*37mm*1.6mm。
7 关键工艺的解决
7.1 爬电距离设计
为了有效解决由于PCB 小型化而造成输入级
陈天荣：12V18W LED 开关电源设计
原边绕组
一次侧电感3.3±8%mH
匝数106
线径0.25mm
辅助侧绕组
匝数14
线径0.25mm
匝数11
线径0.50mm*2
副边绕组
技术交流
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现代显示Advanced Display Feb．，2009，总第97 期
图4 LED 开关电源运用线路图
图8 VIPER22A 散热片
间爬电距离不足问题，设计时当爬电距离小于2mm
时应加大于1mm 镂空刻槽。如图6 所示。
7.2 散热
由于本机在考虑设计成本、产品结构以及户外
使用特点。电路中整流二级管需外焊接10mm×
20mm×0.6mm 铜片加大散热面积，如图7 所示。
主芯片VIPER22A 外加8mm×20mm 铝散热片加
大散热面积，如图8 所示。
7.3 灌封
根据本开关电源的使用室外环境满足IP65 防
水等级及内部结构的要求，选用常温固化8002A/B
双组份环氧树脂,使用时混合比例A:B=100:20(重量
比)。常温25℃条件下，24hr 固化或60℃条件下2hr
固化。该环氧树脂满足以下要求：(1)能承受冷热环
境交变产生的应力；(2)能承受线路运行时的温度；
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图5 PCB 走线图和丝印图
图6 PCB 镂空刻槽工艺
图7 加铜片增大散热面
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