LED 節(jié)能燈驅(qū)動電路的設(shè)計-本科畢業(yè)設(shè)計論文

LED 節(jié)能燈驅(qū)動電路的設(shè)計 目 錄 摘 要 . 1 Abstract. 2 第 1 章 緒 言 . 3 1.1 課題背景 . 3 1.2 課題研究的目的和意義 . 3 1.3 LED 驅(qū)動電路的發(fā)展概況及發(fā)展趨勢 . 4 第 2 章 LED 的基礎(chǔ)知識 . 5 2.1 LED 的基本概念及特點 . 5 2.1.1 LED 的基本概念 . 5 2.1.2 LED 的特點 . 5 2.2 LED 的發(fā)光原理及 主要參數(shù) . 7 2.2.1 LED 的發(fā)光原理 . 7 2.2.2 LED 的主要參數(shù) . 7 第 3 章 LED 驅(qū)動主電路的設(shè)計 . 10 3.1 電路設(shè)計的總體方案 . 10 3.2 主電路的設(shè)計 . 12 3.2.1 EMI 濾波電路的設(shè)計 . 12 3.2.2 整流橋電路的設(shè)計 . 15 3.2.3 DC/AC 變換電路的設(shè)計 . 18 3.2.4 輸出平滑電路的設(shè)計 . 19 3.2.5 主電路及其工作原理 . 20 3.3 LED 的連接方式 . 21 第 4 章 控制電路的設(shè)計 . 25 4 .1 PWM 控制電路的設(shè)計 . 25 4.1.1 SG3525A 控制芯片的介紹 . 25 4.1.2 基于 SG3525A 的 PWM 控制電路的設(shè)計 . 29 4.2 隔 離、驅(qū)動電路的設(shè)計 . 30 4.2.1 IR2110 集成芯片的介紹 . 30 4.2.2 光電耦合器的介紹 . 32 4.2.3 基于 IR2110 的隔離驅(qū)動電路的設(shè)計 . 33 4.3 保護(hù)電路的設(shè)計 . 34 4.3.1. 欠壓保護(hù)電路 . 34 4.3.2 過流保護(hù)電路 . 35 總結(jié)與展望 . 36 致 謝 . 37 參考文獻(xiàn) . 38 畢業(yè)設(shè)計小結(jié) . 39 附錄一 . 1 1 摘 要 LED（ Light Emitting Diode） 即發(fā)光二極管，是 一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能并具有二級管特性的電子器件。 LED 具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)牢固、使用壽命長、體積小、發(fā)光效率高、顯色性高、工作電壓低、功耗低等優(yōu)點。 由于光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，屬于典型的綠色照明光源， 采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明產(chǎn)品，可以提高人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的條件與質(zhì)量。 LED 照明 現(xiàn)已成為具有發(fā)展前 景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品。 我們設(shè)計 LED 驅(qū)動電源時，有必要知道 LED 電流、電壓特性，由于 LED的生產(chǎn)廠家及 LED 規(guī)格不同，電流、電壓特性均有差異。因此對驅(qū)動電源的設(shè)計提出了嚴(yán)格要求。根據(jù) LED 電流、電壓變化特點，采用恒流源驅(qū)動是比較理想的 LED 驅(qū)動方式。 采用恒流源驅(qū)動方式， LED 上流過的電流將不受電壓變化、環(huán)境溫度變化，以及 LED 參數(shù)離散性的影響，從而能保持電流恒定，充分發(fā)揮LED 的各種優(yōu)良特性。 本論文主要通過設(shè)計一個恒流驅(qū)動電源來驅(qū)動 LED。通過各種電子元器件和電子電路組成恒流的電源，達(dá)到設(shè)計的要 求。 關(guān)鍵詞： LED ，效率高，恒流源驅(qū)動 2 Abstract LED (Light Emitting Diode) light-emitting diode that is a light can be converted to electrical energy and diode characteristics with electronic devices. LED energy saving, environmental protection, solid structure, long life, small size, high luminous efficiency, high color, low voltage, low power consumption. Since there is no ultraviolet and infrared spectra, neither heat nor radiation, typical of the green lighting, the use of high efficiency, long life, security, stability and performance lighting products, can improve peoples work, study and living conditions quality. LED lighting has become a development prospects and influence of a high-tech products. We designed LED drive power, it is necessary that LED current, voltage characteristics, the LED and LED manufacturers with different specifications, current and voltage characteristics are different. Therefore, the design of the drive power given strict requirements. According to LED current, voltage characteristics, the current source LED driver is ideal drive. Constant current source drive mode, LED current will not be too high voltage, ambient temperature changes and the impact of discrete LED parameters, so that it can maintain the current constant, give full play to the excellent characteristics of LED. In this thesis, through the design of a constant current drive power to drive the LED. Through a variety of electronic components and electronic circuit constant current power supply, to meet the design requirements. Keywords : LED, high efficiency, constant current source driver 3 第 1 章 緒 言 1.1 課題背景 近幾年，我國政府在新能源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約方面相繼出臺了一系列方針政策和法律法規(guī)，實施了“金太陽”、“綠色照明”等一批重點工程，收到了較大成效。 LED 由于光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，屬于典型的綠色照明光源， 采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明產(chǎn)品，可以提高人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的條件與質(zhì)量。也因如此， LED 照明 現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品。所以，我選擇了這個發(fā)展前景比較好的研究課題。 1.2 課題研究的目的和意 義 全球能源緊張，提高電器的效率是行之有效的方法。照明用電占據(jù)全球 21%的總用電量，如果能提高照明用電的效率，可以有效緩解能源緊張。如何提高照明系統(tǒng)的能源利用率，延長照明系統(tǒng)的壽命，并且是綠色無污染的？取代白熾燈，熒光燈，節(jié)能燈的第四代照明燈具是什么？業(yè)界給出的答案就是 LED 照明燈。LED 照明每瓦流明數(shù)可達(dá)到 120lm。遠(yuǎn)高于白熾燈和日光燈，此外 LED 燈珠壽命可長達(dá)十萬小時，并且綠色無污染。 LED 照明具備的這些優(yōu)點決定了其應(yīng)用前景是非常廣闊的。 LED 照明應(yīng)用上的限制在于 LED 有固定的正向壓降，電流也有上限（ 工作電流是影響 LED 壽命的主要因素）。白光 LED 上的正向壓降一般為 3-4V， LED 光源不能像一般的光源一樣可以直接使用公用電網(wǎng)電壓，它必須配有專用電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)動 LED 的額定電壓和電流，才能使LED正常工作，也就是所謂的 LED專用驅(qū)動電源。但是由于各種不同規(guī)格的 LED驅(qū)動電源的性能和轉(zhuǎn)換效率各不相同，所以選擇合適、高效的 LED 驅(qū)動電源，才能真正展現(xiàn)出 LED 光源高效能的特性 1。選擇合適的驅(qū)動電源驅(qū)動 LED 是這次課題選擇的主要目的和意義。 4 1.3 LED 驅(qū)動電路的發(fā)展概況及發(fā)展趨勢 近幾年， LED 的發(fā)光效率提高了 100 倍，成本下降了 90%。在 LED 光源及市場開發(fā)中，極具發(fā)展與應(yīng)用前景的是白光 LED。 LED 用作固體照明器件的經(jīng)濟性顯著，且有利于環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈，世界增長率在 20%以上，美、日、歐、中國（包括臺灣和香港地區(qū)）均推出了半導(dǎo)體照明計劃。 LED 產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用，呈現(xiàn)了朝陽工業(yè)欣欣向榮的景象。目前許多色別的 LED 都達(dá)到了燭光級水平，相信隨著器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和發(fā)展效率的提高，今后 LED 發(fā)展的主流是 LED 照明光源。 白光 LED 上的正向壓降一般為 3-4V， LED 光源不能像一般的光源一樣可以直接使用公用電網(wǎng)電壓，它必須配有專用電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)動 LED的額定電壓和電流，才能使 LED 正常工作，也就是所謂的 LED 專用驅(qū)動電源。要發(fā)展 LED 必須發(fā)展 LED 的配套的設(shè)施，驅(qū)動電源就是最主要的 【 2】 。 近年來各大公司和研究機構(gòu)對 LED 電源和驅(qū)動電路的研究方興未艾。與熒光燈的電子鎮(zhèn)流器不同， LED 驅(qū)動電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并同時完成與 LED 的電壓和電流的匹配。隨著硅集成電路電源電壓的直線下降， LED 工作電壓越來越多地處于電源輸出電壓的最佳區(qū)間， 大多數(shù)為低電壓 IC 供電的技術(shù)也都適用于為 LED。 目前 LED 驅(qū)動電路發(fā)展的主要趨勢有： 1.針對 LED 的特點開發(fā)一系列恒壓恒流控制電子電路，利用集成電路技術(shù)將每顆 LED 的輸入電流控制在最佳電流值，使得 LED 能獲得穩(wěn)定的電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。 LED 驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制 LED 電流的大小。 2.LED 驅(qū)動電路具有智能控制功能，使 LED 的負(fù)載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預(yù)先設(shè)計的水平上。當(dāng)負(fù)載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時，初級控制 IC 可以通過控制開關(guān)使負(fù)載電 流回到初始設(shè)計值上。 3.在控制電路電路設(shè)計方面，要向集中控制，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，系統(tǒng)可擴展性三方面發(fā)展。 5 第 2 章 LED 的基礎(chǔ)知識 2.1 LED 的基本概念及特點 2.1.1 LED 的基本概念 LED 是發(fā)光二級管（ Light Emitting Diode） 的簡稱。顧名思義，發(fā)光二極管 是 一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能并具有二級管特性的電子器件。 LED 是一種半導(dǎo)體二極管， 與普通半導(dǎo)體二極管一樣有兩個電極 (正極和負(fù)極 )。 LED 在工作時需外加電源，外加的電能也是由這兩個正、負(fù)電極加入到半導(dǎo)體二 極管內(nèi)。LED 在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有和半導(dǎo)體二極管相似的 p 區(qū)和 n 區(qū)， p 區(qū)和 n 區(qū)相交的界面形成 pn 結(jié)。 LED 與普通半導(dǎo)體二極管一樣是一種允許電流單向?qū)ǖ钠骷?LED的電流大小是由加在二極管兩端的電壓大小來控制的。根據(jù)加在二極管兩端的電壓大小，利用通過 LED 的電流始終使 pn 結(jié)發(fā)光 【 3】 。 2.1.2 LED 的特點 LED 通過 pn 結(jié)實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，其特點如下。 （ 1） 節(jié)能。 LED 具有電壓低、電流小、亮度高的特性。其發(fā)光效率比傳統(tǒng) 光源節(jié)能 80%90%。預(yù)計幾年后，白光 LED 的發(fā)光效率有可能達(dá)到 150200 lm遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)在其它照明光源的發(fā)光效率。 （ 2） 環(huán)保。 LED 為冷光源，眩光小，無輻射，使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì)。LED 的環(huán)保效益好，光譜中沒有紫外線和紅外線，而且廢棄物可回收，不含汞元素，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。 （ 3） 壽命長。 LED 單管壽命為 10 萬小時，光源壽命在 2 萬小時以上，按每天工作 12h 計算，壽命也在 5 年以上。而普通白熾燈的壽命約為 1000h，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命也不超過 10000h。 （ 4） 結(jié)構(gòu)牢固。 LED 利用固態(tài)半導(dǎo)體芯片將電能轉(zhuǎn)化為光能，外加環(huán)氧 6 樹脂封裝，體內(nèi)也沒 有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉淀、光衰等缺點，可承受高強度機械沖擊。 （ 5） 光色單純，種類多。 LED 的光譜窄，單色性好，幾乎所有發(fā)出的光都可以利用，而且無需過濾直接發(fā)出色光。 LED 光源可利用紅、綠、藍(lán)三基色原理，在計算機技術(shù)的控制下使 3 種顏色具有 256 級灰度并任意混合，可產(chǎn)生256x256x256（即 16777216）種顏色，形成不同光色的組合。 LED 組合的光色變化多端，可實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。 （ 6） 安全可靠。 LED 光源使用低電壓驅(qū)動，發(fā)光穩(wěn)定，沒有采用 50HZ 交流電供電時 的頻閃現(xiàn)象，沒有紫外線 B 波段， Ra 值接近 100，色溫為 5000K，接近太陽的色溫 5500K。 LED 的發(fā)熱量低，并能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和。 （ 7） 快速響應(yīng)。 LED 的響應(yīng)時間很短，能按要求保證多個光源之間或一個光源不同區(qū)域之間的工作切換。采用專用電源給 LED 光源供電時，達(dá)到最大照度的時間小于 10ms。 綜上所述， LED 是一種符合綠色照明要求的光源。所謂“綠色照明”的概念就是指通過科學(xué)的照明設(shè)計， 采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明產(chǎn)品，可以提高人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的條件與質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個 高效、舒適、安全、經(jīng)濟、有益的環(huán)境。盡管 LED 具有很多優(yōu)點，但目前仍存在下述缺點。 （ 1） 功耗低。 市面上的單體 LED 光源的功率一般在 5W 以下，很少有大功率的 LED 光源，這是 LED 在照明領(lǐng)域發(fā)展的一個阻礙。 （ 2） 需要嚴(yán)格控制溫度。 LED 是一種半導(dǎo)體器件，與普通二極管一樣具有 pn 結(jié)，由于 LED 光源的功率相對較大，所以，與功率半導(dǎo)體相同，需要考慮散熱問題。結(jié)溫過高會直接影響 LED 的壽命，并且會增大 LED 的光衰，情況嚴(yán)重的會將 LED 燒壞。 （ 3）價格高。 雖然 LED 目前已被大多數(shù)人認(rèn)識，也被多數(shù)人看好，但 其高昂的價格難以被消費者接受。白光 LED 的價格以達(dá)到了 25 元一個。如果將幾十個單體 LED 組合，其成本將大大增加。 LED 要成為未來照明的主流光源，就 一定要朝著大流明方向發(fā)展，其成本才有可能降低，市場才有可能突破。 7 2.2 LED 的發(fā)光原理及主要參數(shù) 2.2.1 LED 的發(fā)光原理 發(fā)光二極管是由 - 族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、 GaP（磷化鎵）、GaAs（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是 pn 結(jié)。因此它具有一般 pn 結(jié)的I-N 特性，即正向?qū)?，反?截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由 n 區(qū)注入 P 區(qū)，空穴由 P 區(qū)注入 n 區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖 2-1 所示。 圖 2-1 LED 發(fā)光原理 2.2.2 LED 的主要參數(shù) 1極限參數(shù)的意義 （ 1）允許功耗 Pm: 允許加于 LED 兩端正向直流電 壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值， LED 發(fā)熱、損壞。 （ 2） 最大正向直流電流 IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。 （ 3） 最大反向電壓 VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。 （ 4） 工作環(huán)境 :發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度 8 范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。 2 電參數(shù)的意義 （ 1）光譜分布和峰值波長： LED 所發(fā)的光并非單一波長，其波長基本上按 圖 2-2 所示規(guī)律分布。由圖 2-2 可見，無論用什么材料制 成的 LED，其光譜分布曲線都有一個相對光強度最大處（光輸出最大），有一個與之對應(yīng)的波長，此波長叫峰值波長，用 0表示。只有單色光才有 0波長。 波長 （ nm） 圖 2-2 LED 光波長分布圖 （ 2）發(fā)光強度 IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強 度。若在該方向上輻射強度為 （ 1/683） W/sr 時，則發(fā)光 強度為 1 坎德拉（符號為 cd）。由于一般 LED 的發(fā)光強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉 (mcd)作單位。 （ 3）光譜半寬度 :它表示發(fā)光管的光譜純度 .是指圖 2-3 中 1/2 峰值光強所對應(yīng)兩波長之間隔 。 （ 4）半值角 1/2 和視角： 1/2 是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半值角的 2 倍為視角（或稱半功率角）。 圖 2-3 給出的二只不同型號發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線（法線） AO 的坐標(biāo)為相對發(fā)光強度（即發(fā)光強度與 最大發(fā)光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強度為 1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 9 圖 2-3 兩種不同型號的 LED 的發(fā)光強度角分布 （ 5）正向工作電流 IF：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇 IF 在 0.6IFm以 下。 （ 6）正向工作電壓 VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在 IF=20mA 時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓 VF 在 1.4 3V。 在外界溫度升高時， VF 將下降。 （ 7） I-V 特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖 2-4 表示。 在正向電 壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向 電流隨 電壓迅速增加，發(fā)光。由 I-V 曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流 及反向電壓等參數(shù) 。 正向的發(fā)光管反向漏電流 IR10A以下。 圖 2-4 LED 的 I-V 特性 曲線 10 第 3 章 LED 驅(qū)動主電路的設(shè)計 3.1 電路設(shè)計的總體方案 LED 驅(qū)動電路的主要作用是將交、直流電壓轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓，為 LED提供穩(wěn)定的單向驅(qū)動電流，保證 LED 在比較高的發(fā)光效率和比較低的光衰下正常工作 【 4】 。 LED 作為一種非線性器件， I-V 特性非常陡，當(dāng)通電工作時，只要電壓稍稍變大一點，它的電流就會增加很多，因此電壓稍微的不穩(wěn)定會在很大程度上影響 LED 的使用，電流過大時甚至?xí)?dǎo)致它發(fā)熱損壞，降低產(chǎn)品的可靠性。所以對驅(qū)動電路的設(shè)計尤其的重要。最主要的是在主電路方面要達(dá)到穩(wěn)定恒流，輔助電路的反饋和濾波都要保證電路輸出的電流是恒定的，保證驅(qū)動 LED 燈組的需要。因此，電路設(shè)計時最好采用恒流源驅(qū)動。恒流電源可消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化。因此，無論正向電流如何變化，都可產(chǎn)生恒定的 LED 亮度。 LED 恒流驅(qū)動電源按電路結(jié)構(gòu)可分為：常規(guī)變壓 器降壓、電子變壓器降壓、電容降壓、電阻降壓、 RCC 降壓式開關(guān)電源、 PWM 控制式開關(guān)電源。目前來說，采用 PWM 控制方式設(shè)計的 LED 電源是比較理想的，因為這種開關(guān)電源的輸出電壓或電流都很穩(wěn)定。電源轉(zhuǎn)換效率極高，一般都可以高達(dá) 80%到 90%，并且輸出電壓、電流十分穩(wěn)定。這種方式的 LED 電源主要由四部分組成，它們分別是：輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、 PWM 穩(wěn)壓控制部分、開關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。而且這種電路都有完善的保護(hù)措施，屬于高可靠性電源。 電路設(shè)計的總體框圖如圖 3-1 所示。 總體電路圖如 附錄一 所示。 電路各組成 部分的主要作用如下： EMI 濾波電路：將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。 整流橋電路：將電網(wǎng)交流電源變成直流，即不管輸入的是直流還是交流，經(jīng)過整流橋之后輸出的電流總是直流的。 DC/AC 變換電路：逆變電路是將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高 11 頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。 輸出平滑電路：根據(jù) LED 負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的平滑直流電源。 輔助電路：提供所有單一電路的不同要求電源。比如 PWM 控制電路，隔離、驅(qū)動電路所需要的電源。 220V 交流 電壓反饋 圖 3-1 總體框圖 PWM 控制電路：在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)集成電路內(nèi)部開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定。 隔離、驅(qū)動電路： （ 1）隔離的作用 :將驅(qū)動電路的控制部分與主電路隔離，避免主電路中的強電干擾控制電路中的弱信號。通過隔離人工在線調(diào)試的時候更加安全。一般使 用光電耦合器進(jìn)行隔離。 （ 2）驅(qū)動 IC 的作用： LED 雖然在節(jié)能方面比普通光源的效率高，但是 LED光源卻不能像一般的光源一樣可以直接使用公用電網(wǎng)電壓，它必須配有專用電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)動 LED 的額定電壓和電流，才能使 LED 正常工作，也就是所謂的 LED 專用驅(qū)動 IC。 EMI濾波電路 整流橋電路 DC/AC變換電路 輸出平滑電 路 LED燈源陣 列 輔 助 電 路 PWM控制電 路 隔離 、驅(qū)動電路 12 3.2 主電路的設(shè)計 3.2.1 EMI 濾波電路的設(shè)計 電磁干擾濾波器 (EMI Filter)是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻在 50HZ 到 400HZ 的信號通過，對頻率較高的其它信號有較大的衰減作用，能有 效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及電子系統(tǒng)的可靠性 5。 電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為 10kHz30MHz，最高可達(dá) 150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進(jìn)線引入的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對象，又是一個噪聲源。若從形成特點看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線之間 (簡稱線對線 )的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對大地 (簡稱線對地 )的噪聲。因此， 電磁干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性 (EMC)的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器應(yīng)對串模、共模干擾都起到抑制作用。 電磁干擾濾波器的基本電路如圖 3-2 所示。 C1C2C3C4L圖 3-2 電磁干擾濾波器的基本電路 該五端器件有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，使用時外殼應(yīng)接通大地。電路中包括共模扼流圈 (亦稱共模電感 )L、濾波電容 C1C4。 L 對串模干 13 擾不 起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當(dāng)有電流通過時，兩個線圈上的磁場就會互相加強。 需要指出，當(dāng)額定電流較大時，共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)增大，以便能承受較大的電流。此外，適當(dāng)增加電感量，可改善低頻衰減特性。 C1 和 C2 采用薄膜電容器，容量范圍大致是 0.01F0.47F，主要用來濾除串模干擾。 C3 和 C4跨接在輸出端，并將電容器的中點接地，能有效地 抑制共模干擾。 C3 和 C4 亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是 2200Pf0.1F。為減小漏電流，電容量不得超過 0.1F，并且電容器中點應(yīng)與大地接通。 C1C4 的耐壓值均為630VDC 或 250VAC。圖 3-3 示出一種兩級復(fù)合式 EMI 濾波器的內(nèi)部電路，由于采用兩級 (亦稱兩節(jié) )濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。 C1C2C3C4C5L1L2圖 3-3 兩級復(fù)合式 EMI 濾波器電路 為減小體積、降低成本，單片開關(guān)電源一般采用簡易式單級 EMI 濾波器，典型電路如圖 3-4 所示。 C1 LNL(a) 14 C1LNL(b) C1C2C3C4LNLR(c) C1C2C3C4LNL(d) 圖 3-4 開關(guān)電源濾波器典型電路 圖 (a)與圖 (b)中的電容器 C 能濾除串模干擾，區(qū)別僅是圖 (a)將 C 接在輸入端， 圖 (b)則接到輸出端。圖 (c)、 (d)所示電路較復(fù)雜，抑制干擾的效果更佳。圖 (c)中的 L、 C1 和 C2 用來濾除共模干擾， C3 和 C4 濾除串模干擾。 R 為泄放電阻，可將 C3 上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進(jìn)線端 L、 N 不帶電，保證使用的安 全性。圖 (d)則是把共模干擾濾波電容 C3 和 C4 接在輸出端。 15 3.2.2 整流橋電路的設(shè)計 1.輸入整流橋的選擇 (1)整流橋的導(dǎo)通時間與選通特性 50Hz 交流電壓經(jīng)過全波整流后變成脈動直流電壓 u1，再通過輸入濾波電容得到直流高壓 U1。在理想情況下，整流橋的導(dǎo)通角本應(yīng)為 180(導(dǎo)通范圍是從0 180)，但由于濾波電容器 C 的作用，僅在接近交流峰值電壓處的很短時間內(nèi)才有輸入電流經(jīng)過整流橋?qū)?C 充電。 50Hz 交流電的半周期為 10ms，整流橋的導(dǎo)通時間 tC3ms，其導(dǎo)通角僅為 54(導(dǎo) 通范圍是 36 90)。因此，整流橋?qū)嶋H通過的是窄脈沖電流。橋式整流濾波電路的原理如圖 3-5(a)所示，整流濾波電壓及整流電流的波形分別如圖 3-5(b)和 (c)所示 6。 最后總結(jié)幾點： 1)整流橋的上述特性可等效成對應(yīng)于輸入電壓頻率的占空比大約為 30 。 2)整流二極管的一次導(dǎo)通過程，可視為一個“選通脈沖”，其脈沖重復(fù)頻率就等于交流電網(wǎng)的頻率 (50Hz)。 3)為降低驅(qū)動電路中 500kHz 以下的傳導(dǎo)噪聲，有時用兩只普通硅整流管 (例如 1N4007)與兩只快恢復(fù)二極管 (如 FR106)組成整流橋， FRl06 的反向恢復(fù)時間trr250ns。 圖 3-5 16 （ 2）整流橋的參數(shù)選擇 隔離式驅(qū)動電源一般采用由整流管構(gòu)成的整流橋，亦可直接選用 成品整流橋，完成橋式整流。全波橋式整流器簡稱硅整流橋，它是將四只硅整流管接成橋路形式，再用塑料封裝而成的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、使用方便、各整流管的參數(shù)一致性好等優(yōu)點，可廣泛用于 LED 驅(qū)動電路的整流電路。硅整流橋有 4個引出端，其中交流輸入端、直流輸出端各兩個。 硅整流橋的最大整流電流平均值分 0 5 40A 等多種規(guī)格，最高反向工作電壓有 50 1000V 等多種規(guī)格。小功率硅整流橋可直接焊在印刷板上，大、中功率硅整流橋則要用螺釘固定，并且需安裝合適的散熱器。 整流橋的主要參數(shù)有反向峰值電壓 URM(V)，正向壓降 UF(V)，平均整流電流 Id(A)，正向峰值浪涌電流 IFSM(A)，最大反向漏電流 IR(A)。整流橋的反向擊穿電壓 URR 應(yīng)滿足下式要求： 舉例說明，當(dāng)交流輸入電壓范圍是 85 132V 時， umax=132V，由式 (1)計算出 UBR=233 3V，可選耐壓 400V 的成品整流橋。對于寬范圍輸入交流電壓，umax=265V，同理求得 UBR=468 4V，應(yīng)選耐壓 600V 的成品整流橋。需要指出，假如用 4 只硅整流管來構(gòu)成整流橋，整流管的耐壓值還應(yīng)進(jìn)一步提高。辟如可選 1N4007(1A 1000V)、 1N5408(3A 1000V)型塑封整流管。這是因為此類管子的價格低廉，且按照耐壓值“寧高勿低”的原則，能提高整流橋的安全性與可靠性。 設(shè)輸入有效值電流為 IRMS，整流橋額定的有效值電流為 IBR，應(yīng)當(dāng)使 IBR 2IRMS。計算 IRMS 的公式如下： 式中， PO 為驅(qū)動 電源的輸出功率， 為電源效率， umin 為交流輸入電壓的最小值， cos為驅(qū)動電源的功率因數(shù)，允許 cos=0 5 0 7。由于整流橋?qū)嶋H通過的不是正弦波電流，而是窄脈沖電流 (參見圖 3-5)，因此整流橋的平均整流電流 IdIRMS，一般可按 Id=(0 6 0 7)IRMS 來計算 IAVG 值。 17 例如，設(shè)計一個 7 5V 2A(15W)驅(qū)動電源，交流輸入電壓范圍是 85 265V，要求 =80 。將 Po=15W、 =80、 umin=85V、 cos=0 7 一并代入 (2)式得到，IRMS=0 32A，進(jìn)而求出 Id=0 65IRMS=0 21A。實際選用 lA 600V 的整流橋，以留出一定余量。 2.輸入濾波電容器的選擇 （ 1)輸入濾波電容器容量的選擇 為降低整流濾波器的輸出紋波，輸入濾波電容器的容量 CI 必須選的合適。令每單位輸出功率 (W)所需輸入濾波電容器容量 (F)的比例系數(shù)為 k，當(dāng)交流電壓 u=85 265V 時，應(yīng)取 k=(2 3)F W；當(dāng)交流電壓 u=230V(115 )時，應(yīng)取k=1F W。輸入濾波電容器容量的選擇如表 3-l所示， Po 為驅(qū)動電源的輸出功率。 表 3-1 輸入濾波電容器容量 的選擇 （ 2)準(zhǔn)確計算輸入濾波電容器容量的方法：輸入濾波電容的容量是 LED 驅(qū)動電源的一個重要參數(shù)。 CI 值選得過低，會使 UImin 值大大降低，而輸入脈動電壓 UR 卻升高。但 CI 值取得過高，會增加電容器成本，而且對于提高 UImin 值和降低脈動電壓的效果并不明顯。下面介紹計算 CI 準(zhǔn)確值的方法。 設(shè)交流電壓 u 的最小值為 umin。 u 經(jīng)過橋式整流和 CI 濾波，在 u=umin 情況下的輸入電壓波形如圖 3-6 所示。該圖是在 Po=POM， f=50Hz、整流橋的導(dǎo)通時間 tC=3ms、 =80 的情況下繪出的。由圖可見，在直流高壓的最小值 UImin上還疊加一個幅度為 UR 的一次側(cè)脈動電壓，這是 CI 在充放電過程中形成的。欲獲得 CI 的準(zhǔn)確值，可按下式進(jìn)行計算： 18 舉例說明，在寬范圍電壓輸入時， umin=85V。取 UImin=90V， f=50Hz， tC=3ms，假定 Po=30W， =80， 一并帶入 (3)式中求出 CI=84 2F，比例系數(shù) CIPO=84 2F 30W=2 8F W，這恰好在 (2 3)F W 允許的范圍之內(nèi)。 圖 3-6 交流電壓為最小值時的輸入電壓波形 3.2.3 DC/AC 變換電路的設(shè)計 DC/AC 逆變電路是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電路 ,逆變電路現(xiàn)在常用的開關(guān)器件有功率晶體管（ GTR)、功率場效應(yīng)管 (POWER MOSFET)、可關(guān)斷晶閘管（ GTO）、普通型和快速型晶閘管（ SCR)。半橋式開關(guān)電源的逆變電路如圖 3-7所示 7。 C3C1C2 LS1S2R1R2V D 1V D 2圖 3-7 DC/AC 變換電路 開關(guān)管 S1、 S2 選用 MOSFET，因為它是電壓驅(qū)動全控制器件，具有驅(qū)動電 19 路簡單、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快及安全工作區(qū)大等優(yōu)點。半橋式逆變電路一個橋臂由開關(guān)管 S1、 S2（ S1、 S2 是兩個帶反并聯(lián)二極管 VD1、 VD2 的 MOSFET管）組成，另一個橋臂由電容 C1、 C2（ C1、 C2 是容量相等的兩個電解電容）組成。高頻變壓器初級一端接在 C1、 C2 的中點，另一端接在 S1、 S2 的公共連接端， C1、 C2 中點的電壓等于整流后直流電壓的一半，即 V 2。開關(guān) S1、 S2交替導(dǎo)通在變壓器的次級形成幅值為 V 2 的交流方波電壓。通過調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比，就能改變變壓器二次側(cè)整流輸出平均電壓 v。 。圖 3-7 中， R1、 R2 是并聯(lián)均壓電阻； C3 是耦合電容，其作用是防止由于兩個開關(guān)管的特性差異而造成變壓器磁芯飽和，從而提高半橋逆變電路的抗不平衡能力， C3 要選擇 ESR 小的無極性電容。 3.2.4 輸出平滑電路的設(shè)計 驅(qū)動電源輸出平滑電路的性能好壞直接影響到輸出電壓的質(zhì)量問題，是 LED能否正 常穩(wěn)定發(fā)光的保證。故必須對平滑電路組件參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)計和計算。 輸出平滑電路如圖 3-8 所示。 LD1D2LC圖 3-8 輸出平滑電路 1.整流二極管的選取 由于輸出高頻變壓器輸出脈沖電壓頻率達(dá) 100KHz,故要求輸出整流二極管具有快速恢復(fù)特性，故選用超快速恢復(fù)二極管，根據(jù)輸出電壓及電流參數(shù)選用philips 公司的 BYV32-200 二極管，其技術(shù)參數(shù)如下： 最高反向工作電壓： 200V； 20 整流電流： 20A； 反向恢復(fù)時間： 35nS. 2.濾波電感的設(shè)計 其中 D 為 2 倍占空比，即 D=0.8； K 為波形系數(shù)，取值在 0.5 到 1 之間，取0.5 時計算誤差較小， Ns 為高頻變壓器二次繞組匝數(shù)， Np 為一次繞組匝數(shù)。 Vin為輸入直流電壓。代入數(shù)據(jù)有： 3.輸出濾波電容參數(shù)計算 其中 Lf 為輸出濾波電感，0U為允許紋波電壓， sf為開關(guān)頻率。代入數(shù)據(jù)有： 取標(biāo)稱值為 6800 F。 所以輸出電感量為 0.23H，濾波電容容量為 6800F，二極管 D 選 BYV32-200。 3.2.5 主電路及其工作原理 LED 節(jié)能燈驅(qū)動電路主要由主電路、控制電路兩大部分組成。主電路主要由 EMI 濾波電路、整流橋電路、 DC/AC 變換電路、輸出平滑電路組成。主電路圖如圖 3-9 所示。 其工作原理為： 220V 交流電經(jīng)過 EMI 濾波電路，過濾掉電網(wǎng)中的雜波。全橋整流電路將電網(wǎng)電壓 220V整流成直流電壓 Ud = 1. 2U約等于 198V。經(jīng) DC/AC 21 變換器逆變之后輸出 20kHz、脈寬可調(diào)的交流電壓，又經(jīng)高頻變壓器的兩個副邊分正負(fù)半周送入整流濾波電路，輸出直流電壓。該電源直流輸出電壓 的大小靠 PWM 發(fā)生器的輸出脈沖寬度來控制。 MOSFET 管 S1 和 S2 可由 SG3525A 的 11和 14 腳直接控制。也可將 從 SG3525A 的 11， 14 腳出來的 PWM 信號驅(qū)動 PC817光電耦合器，經(jīng)光耦隔離后，送到 IR2110 專用集成驅(qū)動電路，進(jìn)而去驅(qū)動功率MOSFET 管 S1 和 S2。 C56 8 0 u FC30 . 4 7 u FC40 . 4 7 u FS1S2R3電壓反饋R11 0 0 kR21 0 0 KV D 11 N 4 1 4 8V D 21 N 4 1 4 812341 N 4 0 0 7C10 . 1 u F / 6 3 0 VF U 12AL18 m HC22 . 2 u F / 4 0 0 VC66 8 0 0 u FL2V D 3B Y V 3 2 -2 0 0V D 4B Y V 3 2 -2 0 0L30 . 2 3 u HL E D +L E D -AC ACR30.28圖 3-9 主電路圖 3.3 LED 的連接方式 1.LED 采用全部串聯(lián)方式 LED 采用全部串聯(lián)方式如圖 3-10 所示，即將多只 LED 的正極對負(fù)極連接成串，其優(yōu)點是通過每只 LED 的工作電流一樣，一般應(yīng)串入限流電阻 R，串聯(lián) 方式要求 LED 驅(qū)動器輸出較高的電壓。當(dāng) LED 的一致性差別較大時，分配在不同的 LED 兩端的電壓不同，通過每只 LED 的電流相同， LED 的亮度一致。 當(dāng)某一只 LED 品質(zhì)不良短路時，如果采用穩(wěn)壓方式驅(qū)動，由于驅(qū)動器輸出 22 電壓不變，那么分配在剩余的 LED 兩端的電壓將升高，驅(qū)動器的輸出電流將增大，容易損壞余下所有的 LED。如采取恒流方式驅(qū)動 LED，當(dāng)某只 LED 的品質(zhì)不良短路時，由于驅(qū)動器的輸出電流保持不變，不影響余下的 LED 正常工作。 當(dāng)某一只 LED 品質(zhì)不良斷開后，串聯(lián)在一起的 LED 將全部不亮。解決的辦法是在每只 LED 兩 端并聯(lián)一個齊納二極管，如圖 3-11 所示。齊納二極管的導(dǎo)通電壓要比 LED 的導(dǎo)通電壓高，否則 LED 就不正常發(fā)光。 D1D2D3D4D5V+V- 圖 3-10 LED 采用全部串聯(lián)方式的連接圖 圖 3-11 在 LED 兩端并聯(lián)齊納二極管 串聯(lián)方式能確保各只 LED 的電流一致。如果 4 只 LED 串聯(lián)后的總正向電壓VF 為 12V,就必須采用具有升壓功能的驅(qū)動電路，以便為每只 LED 提供充足的電壓。但由于 LED 的 VF 值存在一個變化范 圍，各 LED 之間的壓差會隨之變化，對亮度的均勻性有一定的影響。 2. LED 采用全部并聯(lián)方式 在并聯(lián)設(shè)計中，多只 LED 由具備獨立電流的驅(qū)動電路來驅(qū)動。并聯(lián)設(shè)計基于低驅(qū)動電壓，因此無需帶電感的升壓電路。此外，并聯(lián)設(shè)計提供低電磁干擾、低噪聲和高效率，且容錯性較強。在串聯(lián)設(shè)計中，一只 LED 發(fā)生故障就會導(dǎo)致整個被光照明子系統(tǒng)失效，而并聯(lián)設(shè)計可避免這種嚴(yán)重缺陷。如圖 3-12 所示，LED 采用全部并聯(lián)方式是指將多只 LED 的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極并聯(lián)連接，其特點是每只 LED 的工作電壓一樣。 當(dāng)某一只 LED 品質(zhì)不良斷開時，如 果采用穩(wěn)壓方式驅(qū)動 LED，驅(qū)動器的輸出電流將減小，而不影響余下所有 LED 的正常工作。如果采用恒流方式驅(qū)動LED，由于驅(qū)動器的輸出電流保持不變，分配在余下 LED 中的電流將增大，容易損壞所有余下的 LED。解決辦法是盡量多并聯(lián) LED,當(dāng)斷開某一只 LED 時，D1D2D3D4D5V+V- 23 分配在余下 LED 中的電流不大，不至于影響余下 LED 的正常工作。 D1 D2 D3 D4 D5V+V- 圖 3-12 LED 采用全部并聯(lián)方式的連接圖 3.LED 采用混連方式 在需要使用比較多的 LED 的應(yīng)用中，如果將所有 LED 串聯(lián)，將需要 LED驅(qū)動器輸出較高的電 壓。如果將所有 LED 并聯(lián)，則需要 LED 驅(qū)動器輸出較大的電流。將所有 LED 串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著 LED 的使用量，而且并聯(lián) LED 負(fù)載電流較大，驅(qū)動器的成本也會增加。解決辦法是采取混連方式。如圖 3-13 所示，串聯(lián)的 LED 數(shù)量平均分配，分配在一串 LED 上的電壓相同，同一串中每只LED 的電流也相同，各 LED 的亮度一致。同時通過各串 LED 的電流也相近。 當(dāng)某一串聯(lián) LED 中有一只品質(zhì)不良短路時，不管是采用穩(wěn)壓方式驅(qū)動還是采用恒流方式驅(qū)動，這串 LED 相當(dāng)于少了一只 LED，通過這串 LED 的電流將增大，很容易損壞這串 LED。大 電流通過損壞的這串 LED 后，由于通過的電流較大，多表現(xiàn)為斷路。斷開一串 LED 后，如果采取穩(wěn)壓方式驅(qū)動，驅(qū)動器的輸出電流將減小，而不影響余下所有 LED 的正常工作。 如果采取恒流方式驅(qū)動 LED，由于驅(qū)動器輸出電流保持不變，分配在余下LED 中的電流將增大，容易損壞余下所有的 LED，解決的辦法是盡量多并聯(lián)LED。當(dāng)斷開某一只 LED 時，分配在余下 LED 中的電流不大，不至于影響余下的 LED 正常工作。 這種先串后并線路的優(yōu)點是簡單、亮度穩(wěn)定、可靠性高，并且對器件的一致性要求較低，即使個別 LED 失效對整個發(fā)光組件的影響也較 小。 24 V+V- 圖 3-13 LED 采用混連方式的連接圖 LED 的三種連接方式各有其優(yōu)缺點，三種連接方式的比較如表 3-2 所示。在不同的電路應(yīng)用中要選擇不同的連接方式，本電路設(shè)計中選擇串聯(lián)連接，電路簡單，連接方便；各個 LED 電流相同，亮度一致；恒流源驅(qū)動時可靠性高。 表 3-2 不同 LED 連接方式的比較 連接形式 優(yōu)點 缺點 并聯(lián)連接 低驅(qū)動電壓； 單個 LED保護(hù)完善； 獨立的 LED亮度控制； 電路簡單，連接方便； 恒壓驅(qū)動時可靠性高。 多個 LED接頭； 恒壓驅(qū)動時可靠性低； 需要考慮各 個 LED電流的匹配； 串聯(lián)連接 電路簡單，連接方便； 各個 LED電流相同，亮度一致； 僅有兩個 LED接頭；恒流驅(qū)動時可靠性高。 驅(qū)動電路輸出電壓高，不利于設(shè)計制造； 無容錯設(shè)計，一個 LED失敗，所有 LED均不亮； 恒壓驅(qū)動時可靠性低。 混聯(lián)連接 可靠性好，驅(qū)動電路設(shè)計制造方便； 總體效率較高； 適用范圍廣。 電路較為復(fù)雜； 需要考慮各 LED之間電流的匹配。 25 第 4 章 控制電路的設(shè)計 4 .1 PWM 控制電路的設(shè)計 本設(shè)計主要使用 SG3525A 控制芯片設(shè)計 PWM 控制電路。 整流濾波電路輸出直流電壓 的大小靠 PWM 發(fā)生器的輸出脈沖寬度來控制。 調(diào)節(jié)電源的占空比，可使輸出電壓基本上不隨負(fù)載變化和 /或不隨輸入電壓變化而變化。這種方法，實質(zhì)是對晶體管導(dǎo)通脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制 8。 驅(qū)動 LED 燈組可在轉(zhuǎn)換器中增加小型而低廉的額外電路以克服負(fù)載調(diào)節(jié)和無負(fù)載狀態(tài)下的問題。該轉(zhuǎn)換器易于實現(xiàn)，且在峰值電流模式控制時無需進(jìn)行反饋補償沒計。它所具有的開環(huán)特性也使之成為那些需要 PWM 亮度調(diào)節(jié)的應(yīng)用中的理想選擇。 4.1.1 SG3525A 控制芯片的介紹 PWM