江蘇大學(xué)學(xué)生科研立項申請書 LED驅(qū)動電源設(shè)計.doc

編號： 江蘇大學(xué)學(xué)生科研項目申請書 課題名稱： LED驅(qū)動電源設(shè)計 申請者：0000000000 所在學(xué)院： 00000 年級、專業(yè)：000000 指導(dǎo)老師：00000 申請日期： 2012-4-22 項目類別（在相應(yīng)的類別上打）A、自然科學(xué)類論文B、發(fā)明制作類C、社會科學(xué)類論文 江蘇大學(xué)學(xué)生科研立項管理委員會制 說 明l、申報者應(yīng)在認(rèn)真閱讀此說明各項內(nèi)容后按要求詳細(xì)填寫。2、表內(nèi)項目填寫時一律打印，此申報書可復(fù)制。3、編號由學(xué)生科研立項管理委員會統(tǒng)一填寫。 4、申報作品有關(guān)材料請以打印件附于申請書后，申請書為A3紙雙面復(fù)印中縫裝訂，一份，（活頁部分單獨(dú)裝訂），由所在單位審查簽署意見后在規(guī)定時間內(nèi)統(tǒng)一報送校團(tuán)委，團(tuán)委不接受個人申報。 5、在前幾期大學(xué)生科研課題立項中立項，但沒有結(jié)題的同學(xué)，不得申報此次大學(xué)生科研課題。6、有關(guān)其他事宜請向校團(tuán)委咨詢。7、聯(lián)系人：杜明拴（88780040） E-mail:申請者姓 名0性 別0出生年月0政治面貌0所在學(xué)院電氣信息工程學(xué)院專業(yè)年級0學(xué) 歷本科聯(lián)系電話0其他聯(lián)系方法0申請者曾承擔(dān)科研項目及完成情況課 題 名 稱批準(zhǔn)時間完成情況申請者本人近幾年以來的主要研究成果（注明刊物的年、期或出版社、出版日期）合作者情況姓 名性別年齡學(xué) 歷學(xué) 院專 業(yè) 班 級000000申請者所在學(xué)院分管科研的領(lǐng)導(dǎo)對該項目的基本評價 簽章： 年 月 日學(xué)院意見 簽章： 年 月 日編號： 江蘇大學(xué)學(xué)生科研項目申請書（活頁） 課題名稱： LED驅(qū)動電源設(shè)計 申請年度：2012-2013 江蘇大學(xué)學(xué)生科研立項管理委員會制說 明l、申報者應(yīng)在認(rèn)真閱讀此說明各項內(nèi)容后按要求詳細(xì)填寫。2、表內(nèi)項目填寫時一律打印，此申報書可復(fù)制。3、編號由學(xué)生科研立項管理委員會統(tǒng)一填寫。 4、申報作品有關(guān)材料請以打印件附于申請書后，申請書（活頁）為A3紙雙面復(fù)印中縫裝訂，一式三份和申請書一起由所在單位在規(guī)定時間內(nèi)統(tǒng)一報送校團(tuán)委，團(tuán)委不接受個人申報。 5、在活頁中，一律不得出現(xiàn)申報者和指導(dǎo)教師的信息，否則取消申報資格。6、有關(guān)其他事宜請向校團(tuán)委咨詢。8、聯(lián)系人：杜明拴（88780040） E-mail: 研究課題名 稱LED驅(qū)動電源設(shè)計 所屬類別（ B ）、A、自然科學(xué)類論文B、發(fā)明制作C、社會科學(xué)類論文起止時間2012.05-2013.05成果形式論文專利實(shí)驗樣機(jī)申請經(jīng)費(fèi)總 額2000 其它經(jīng)費(fèi)來源個人自籌（一）、項目的基本內(nèi)容，項目研究的目的、基本思路，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢，本研究達(dá)到的科學(xué)技術(shù)水平和預(yù)期社會經(jīng)濟(jì)效益1、項目的基本內(nèi)容（1）、LED電氣特性圖1-1為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關(guān)系曲線，由曲線可知，當(dāng)正向電壓超過某個閉值(約2V)，即通常所說的導(dǎo)通電壓之后，可近似認(rèn)為，IF與VF成正比。當(dāng)前超高亮LED的最高IF可達(dá)1A，而VF通常為(2-4)V 。圖1-1 LED VF-IF關(guān)系曲線圖由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，光通量( V)與IF的關(guān)系曲線，因此，采用恒流源驅(qū)動可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達(dá)1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF(前向電壓)的微小變化會引起較大的IF(前向電流)變化，從而引起亮度的較大變化。所以采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動。圖1-2是LED的溫度與光通量( V)關(guān)系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，85時的光通量是25時的一半，而40時光輸出是25時的1.8倍。溫度的變化對LFD的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。LED的光通量(/V) 驅(qū)動電流IF的關(guān)系（2）、LED開關(guān)電源驅(qū)動方式隨著大功率LED的發(fā)展，以上電路越來越不適合十新型的LED電路驅(qū)動，用于照明的大功率LED的驅(qū)動電流大于或等于350mA，正向電壓大約為3V，將不能忽略電阻上所消耗的功率，并目電流也必須得到控制。因此，照明用LED必須使用電力電子技術(shù)保證性能要求的同時必須避免額外損耗。開關(guān)電源的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，由于LED驅(qū)動的降壓技術(shù)大部分采用開關(guān)電源。因此即使是LED驅(qū)動電源真正進(jìn)入研究的時間不算長，卻無礙其技術(shù)的成熟。LED驅(qū)動要求的技術(shù)特點(diǎn)是：壽命長，體積?。ㄌ貏e商用照明和家用照明，最好可以內(nèi)嵌到燈頭）。眾所周知，絕大部分開關(guān)電源都需要一個輸出濾波的電解電容，即使高品質(zhì)的電解電容，工作在100攝氏度左右，壽命也只有1Wh左右。毫無疑問，電解電容正是LED燈整體壽命的瓶頸。而內(nèi)嵌式驅(qū)動板上的電解電容，由于LED的發(fā)熱以及驅(qū)動板本身的發(fā)熱，長期在高溫工作，更使電解電容壽命減短。目前已經(jīng)有集成電路，無需輸出電解電容，僅需幾個外圍就能直接驅(qū)動LED發(fā)光。這使得LED照明的長壽命的特點(diǎn)確實(shí)得到保障。1）LED非隔離型開關(guān)電源驅(qū)動方式1. BUCK型LED驅(qū)動方式 CK型LED驅(qū)動方式是最簡單的開關(guān)驅(qū)動電路，應(yīng)用十負(fù)載電壓不高于約85%的輸入電壓的場合。85%的限制是由控制系統(tǒng)開關(guān)延遲造成的。在BUCK變換器中，通常利用功率MOSFET的開關(guān)動作來控制輸入電壓，對電感及與其串聯(lián)的LED負(fù)載電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，電感存儲能量;當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，電感的儲能為LED提供電流。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，接在LED和電感兩端的二極管提供了續(xù)流路徑，BUCK型LED驅(qū)動電路的簡圖如圖2-9所示。在離線和低電壓應(yīng)用中，用BUCK變換器作為LED的驅(qū)動電路非常有吸引力，因BUCK可以非常高效地產(chǎn)生恒定的LED電流。在輸入電壓和LED電壓波動較大的情況下，采用峰值電流控制的BUCK變換器僅需簡單的反饋控制設(shè)計，就能使LED電流波動較小。另外，合理設(shè)計BUCK變換器，可以使其效率超過90%，所以基于BUCK變換器的驅(qū)動電路驅(qū)動高亮度LED很有吸引力的一種理解，決方案。如HV9910B就是一款很好的這種應(yīng)用芯片。使用該芯片還可以很容易地實(shí)現(xiàn)線性調(diào)光或PWM調(diào)光。圖2-9 BUCK型LED驅(qū)動電路2. BOOST型LED驅(qū)動方式LED串的電壓比輸入電壓高時，BOOST型變換器(如圖2-10所示) 是理想的LED驅(qū)動器。通常，輸出電壓的最小值大約是輸入電壓的1.5倍時，才用的到BOOST型變換器。該類型變換器的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾項: l 該變換器的效率很容易設(shè)計為大于90% 。l MOSFET和LED串連接到公共地，簡化了LED電流的檢測。而在BUCK變換器中，不得不選用高壓側(cè)的MOSFET驅(qū)動器或電流傳感器。l 輸入電流可以是連續(xù)的，容易濾除輸入紋波電流，從而更容易滿足任何所需的傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。同時，當(dāng)其用于LED的驅(qū)動時，BOOST型變換器也有一些缺點(diǎn)，這是由LED串的低動態(tài)阻抗所造成的。l BOOST型變換器的輸出電流是脈沖波，所以需要較大輸出電容來減小LED的紋波電流。該類變換器同時也有缺點(diǎn)，包括以下幾項:l 較大的輸出電容使PWM調(diào)光的難度增大。利用BOOST型變換器開關(guān)管的開或關(guān)來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光，意味著在每個PWM調(diào)節(jié)周期，電容都要充電和放電。這將增加LED電流的上升和下降時間。l 升壓變換器的開環(huán)控制不可能實(shí)現(xiàn)對LED電流的控制。為使變換器達(dá)到穩(wěn)定必須采用閉環(huán)控制。要達(dá)到規(guī)定的響應(yīng)時間，控制器需要較大的頻帶寬度，這也增加了PWM調(diào)光的難度。l 輸出短路期間，對輸出端沒有電流控制。輸入電壓經(jīng)由二極管和電感直接加在輸出上，這時，關(guān)斷MOSFET對短路電流沒有影響。l 當(dāng)輸入電壓瞬間上升到大于LED串的電壓時，LED中將產(chǎn)生浪涌電流。如果浪涌電流足夠大的話，就會燒毀LED。輸出短路期間，對輸出端沒有電流控制。輸入電壓經(jīng)由二極管和電感直接加在輸出上，這時，關(guān)斷MOSFET對短路電流沒有影響。圖2-10 BOOST型LED驅(qū)動方式3. BUCK-BOOST型LED驅(qū)動方式上面分別對非隔離電路中的降壓和升壓電路進(jìn)行了介紹，但在很多場合下，我們?yōu)榱藵M足不同輸入或者不同負(fù)載的情況下，需要電壓可以隨意調(diào)節(jié)的升降壓電路。其主要優(yōu)點(diǎn):輸入和輸出的脈動電流是連續(xù)的，不會中斷。通過BUCK電路的介紹，如果電感足夠大，則輸出電流連續(xù)，但是輸入電流不連續(xù)。對于BOOST電路，輸入電流連續(xù)，但是輸出電流不連續(xù)。其電路拓?fù)淙鐖D2-11所示。圖2-11 BUCK-BOOST型LED驅(qū)動方式4. CUK型LED驅(qū)動方式l CUK變換器也可以實(shí)現(xiàn)升降壓的功能。如圖2-12所示，與普通的BUCK-BOOST變換器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):l 輸入和輸出側(cè)都有電感。兩級都工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)，使兩個電感流過低電流紋波的連續(xù)電流，這可以極大地降低對輸入和輸出濾波電容的要求。連續(xù)的輸入電流還可以使輸入側(cè)滿足傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。l 電路中所有的開關(guān)節(jié)點(diǎn)在兩個電感之間被隔離。輸入和輸出節(jié)點(diǎn)互不影響，這將使來自該變換器的輻射EMI小化。適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行線路布局和設(shè)計，變換器很容易滿足輻射EMI標(biāo)準(zhǔn)。l 兩個電感L1和L2可以接在一個磁心上。當(dāng)接在同一個磁心上時，電感紋波電流能夠從一側(cè)完全傳送到另一側(cè)(紋波抵消技術(shù))，使輸入紋波完全傳送到輸出側(cè)，使變換器非常容易滿足傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。l 盡管CUK變換器有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但兩個明顯缺點(diǎn)阻礙了它的廣泛應(yīng)用。CUK變換器很難穩(wěn)定地工作。為了使變換器工作正常，常需要復(fù)雜的補(bǔ)償電路。但這同時降低了變換器的響應(yīng)速度，限制了變換器PWM調(diào)光能力，因為調(diào)光能力對LED來說非常關(guān)鍵。l 輸出電流控制的CUK變換器往往存在不可控的非衰減諧振，該諧振由一個LC對(即圖2-12中L1和C1)產(chǎn)生。L1和C1的諧振導(dǎo)致電容承受的電壓過高，使電路損壞。圖2-12 CUK型LED驅(qū)動方式5. Zeta降壓型LED驅(qū)動方式圖2-13 Zeta驅(qū)動LED原理圖這種電路有以下特點(diǎn):1)無變壓器的轉(zhuǎn)換器具有正向直流電壓傳遞系數(shù)M,即電路是同相變換器。2)直流傳遞系數(shù)M取決于脈寬比D的大小，其值既能小于1也能大于1M 1，當(dāng)D 0.5 M1，當(dāng)D0.5 (2-3)3)在連續(xù)模式下，M與負(fù)載無關(guān)，在斷續(xù)模式下，M與負(fù)載R的平方根成比例關(guān)系。4)無論在有變壓器和沒有變壓器的時候，首先都是直流輸入能量轉(zhuǎn)化成交流能量再轉(zhuǎn)化成直流輸出。試驗證明，這種電路能在不同電路照明系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)很高的發(fā)光效率。6. LED脈沖驅(qū)動方式 發(fā)光管發(fā)光靠電能激發(fā)，不管是直流驅(qū)動還是脈沖驅(qū)動，輸入的電能量決定了輸出的光能量，脈沖驅(qū)動不可能使發(fā)光管提高光效，相反，應(yīng)該是直流驅(qū)動光效更高。因為發(fā)光管的輸入電流過大，光通量隨電流增加的速度將變緩，發(fā)光管的光效降低。另外，過大的電流還會引起發(fā)光管發(fā)射的光譜向長波方向偏移，對于白光發(fā)光管來說，這將導(dǎo)致激發(fā)熒光粉效能的降低，使光效下降。所以，脈沖驅(qū)動不可能使發(fā)光管省電，但設(shè)計合理的脈沖驅(qū)動器也不會明顯的引起光效的下降，因此也就不會比直流驅(qū)動更明顯的費(fèi)電。但是脈沖驅(qū)動器常常具有電路結(jié)構(gòu)簡單生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，所以還是值得使用。因此，究竟采用脈沖驅(qū)動方式還是采用其他驅(qū)動方式要根據(jù)具體情況而定。 如果用脈沖驅(qū)動發(fā)光管，一般不會縮短發(fā)光管的使用壽命。發(fā)光管是一種量子器件適合高速工作，這正是發(fā)光管的優(yōu)點(diǎn)之一。如果有閃爍使用的發(fā)光管頻頻損壞，那應(yīng)該是其他方面的原因引起的，比如過熱，電流過大等等，而不會是發(fā)光管自身不耐閃爍。一般的驅(qū)動技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。 圖2-14即為一種PWM脈沖直接驅(qū)動LED的原理圖，這里PWM信號通過控制MOSFET的開關(guān)直接實(shí)現(xiàn)LED通路的通斷，可以想像LED工作過程是脈沖式間歇性通斷。即True PWM調(diào)光模式:外來的PWM信號可通過RT8452驅(qū)動外部MOSFET直接控制LED的通斷，這使得LED中流過的電流是脈沖方式的，避免了電流調(diào)整帶來的LED顏色變化問題。圖2-14 PWM脈沖驅(qū)動LED方式從PWM電路原理分析可知其直接驅(qū)動能力較弱，同樣要配合功率開關(guān)管放大電路放大驅(qū)動能力。與PWM調(diào)節(jié)控制模式的主要區(qū)別是，仍然保持脈沖的形式直接驅(qū)動LED，在一個脈沖周期內(nèi)同樣通過取樣電阻實(shí)現(xiàn)恒流，這樣的驅(qū)動形式既保持了峰值電流的可控目且穩(wěn)定，又可以實(shí)現(xiàn)平均電流的PWM節(jié)。其應(yīng)用存在于LED大屏幕驅(qū)動顯示、大型LED液晶電視背光源驅(qū)動、信號報警閃光燈驅(qū)動、室內(nèi)外彩飾亮度調(diào)節(jié)等，并目此類驅(qū)動芯片正不斷涌現(xiàn)在更廣泛的LED應(yīng)用領(lǐng)域，隨著大功率LED發(fā)光效率的不斷提高，很可能會成為普通照明的驅(qū)動選擇。2 ）LED隔離型開關(guān)電源驅(qū)動方式 以上驅(qū)動電路為非隔離驅(qū)動電路，雖然它們可以完成直流電壓的變換，但是，它們實(shí)際上存在著轉(zhuǎn)換功能的局限性。例如，輸入輸出不隔離，從安全角度考慮，這種不隔離的驅(qū)動電路不太適合于輸入是接入市電的情況。輸入輸出電壓比或輸入輸出電流比不能太大，以及無法實(shí)現(xiàn)多路輸出等。隔離型驅(qū)動電路就是為了克服這些局限性而出現(xiàn)的。1.Flyback型LED驅(qū)動方式 圖2-15所示的是用典型Flyback變換器驅(qū)動LED的原理圖。圖中變壓器繞組旁的圓點(diǎn)代表繞組的同名端。在此情況下，同名端接至MOSFET的漏極，它在接地和開路之間交替變換。漏極電壓，即繞組同名端的電壓隨開關(guān)狀態(tài)變化。相應(yīng)的外層(非同名端)處于恒定的高壓狀態(tài)，用來掩蔽內(nèi)層，以減小輻射EMI。次級繞組的同名端連接到輸出二極管，阻止MOSFET導(dǎo)通時次級回路導(dǎo)電。能量在MOSFET導(dǎo)通時儲存，MOSFET關(guān)斷時，電流流過輸出二極管，能量釋放至負(fù)載。圖2-15典型Flybck型LED驅(qū)動電路2.諧振LED驅(qū)動電路高頻變換是減小功率變換器體積、重量，提高變換器效率、功率密度的有效途徑。從實(shí)現(xiàn)上來說，諧振變換器技術(shù)相對PWM變換器技術(shù)，具有開關(guān)工作頻率高、開關(guān)損耗小、允許輸入電壓范圍寬、效率高、重量輕、體積小、EMl噪聲小、開關(guān)應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。LLC諧振變換器以其同時兼具空載工作能力和諧振槽路電流反映負(fù)載輕重的能力而體現(xiàn)出普通串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器無法比擬的優(yōu)勢，因此這種電路也可應(yīng)用到LED驅(qū)動電路中。圖2-16為LED諧振驅(qū)動電路示意圖。圖中同一橋臂上下兩個開關(guān)管構(gòu)成集成模塊。圖2-16用于LED驅(qū)動的諧振電路原理圖（3）LED驅(qū)動電源電路設(shè)計本章將設(shè)計LED恒流驅(qū)動開關(guān)電源的電路。將分別介紹主體電路的設(shè)計，鉗位保護(hù)電路的設(shè)計，功率因數(shù)校正電路(PF C)的設(shè)計，EMI濾波器的設(shè)計，反饋電路的設(shè)計和變壓器的設(shè)計。主體電路的設(shè)計LED驅(qū)動電源的總體設(shè)計如圖1所示。圖1中主電路中U為220 V交流輸入電壓；RC，CC和DC構(gòu)成RCD電路；T為變壓器；S為開關(guān)管；D為整流二極管；C為整流電容；風(fēng)為采樣電阻，具體電路如圖1所示。 電路在設(shè)計時考慮到電路的可靠性，輸入端應(yīng)具有隔離電路，以保護(hù)電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全。輸入端設(shè)計了輸入保護(hù)電路，用來保護(hù)LED驅(qū)動電源在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生脈動瞬態(tài)干擾下能夠止常工作，并有效抑制共模和差模干擾。為了提高電路的功率囚數(shù)，電路中采用了有源功率囚數(shù)校止電路。為了實(shí)現(xiàn)恒流輸出，采用電流反饋控制，RC樣電阻感應(yīng)輸出電流大小，與參考點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，輸出信號通過光電藕合電路輸入到控制器，產(chǎn)生PWM控制信號，控制變壓器的工作方式，己達(dá)到變壓器恒流輸出。圖1 LE D驅(qū)動電源總體設(shè)計電路鉗位保護(hù)電路的設(shè)計 LED大功率燈驅(qū)動電源一般用在室外，用電環(huán)境相對比較惡劣，且外界的各種干擾容易使電源出現(xiàn)問題。同時，LED燈驅(qū)動電源的故障，也容易對電網(wǎng)的安全造成隱患。囚此，有必要在輸入端設(shè)計保護(hù)電路，用來保護(hù)用電設(shè)備和電網(wǎng)的安全。電路中有負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，用來啟動過電流保護(hù)。通過保險絲進(jìn)行過電流保護(hù)。利用壓敏電阻來抑制瞬變傳導(dǎo)產(chǎn)生的干擾，吸收輸入端的浪涌和脈沖干擾。電路中設(shè)有共模與差模干擾抑制電路，用來減小LED驅(qū)動電源對其他用電設(shè)備的干擾，同時可以抑制外界用電設(shè)備對驅(qū)動電源的干擾。反激變換器在開關(guān)管關(guān)斷時向次級提供能量，此時，初級會產(chǎn)生由次級反射的電壓，感應(yīng)電壓的極性和直流輸入電壓相同，開關(guān)管此時需要承受直流輸入電壓加次級反射電壓。由十反射電壓有電壓尖峰存在，所以必須有鉗位電路保證反向感應(yīng)電壓和直流輸入電壓之和不超過開關(guān)管的最大耐壓。如圖4-1所示是幾種基本的鉗位保護(hù)電路。圖4-1兒種基本鉗位保護(hù)電路 功率因數(shù)校正電路將交流220V電經(jīng)整流后供給負(fù)載使用，最常用的整流方式是由4個一極管組成的整流橋?qū)⒔涣麟娮儞Q為直流電，但是這種方法存在著一個無法避免的缺點(diǎn):一極管和電容組成的非線性電路會產(chǎn)生大最的電流諧波和無功功率，造成電網(wǎng)的污染。這種諧波污染不僅會使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，而且會造成用電設(shè)備的故障和損壞。另外，用電設(shè)備的功率因數(shù)越高，則有功功率所占的比重越大，設(shè)備就越節(jié)能。為了提高功率因數(shù)，需要做兩個方面的工作:一方面減小輸入電流和輸入電壓之間的相位差甲，努力使兩者同相位;另一方面需要減小輸入電流的諧波含最，采取一定的方法使輸入電流的波形接近止弦波。基于上述要求，可以采用安森美公司生產(chǎn)的MC33260芯片作為有源功率因數(shù)控制芯片，此芯片只需要使用最少的外部元件便可以實(shí)現(xiàn)控制要求，可以極大地減小電感和功率開關(guān)的尺寸，降低系統(tǒng)的成本而且功能還能達(dá)到要求。電路如圖2所示。圖2功率因數(shù)校正電路EMI濾波器的設(shè)計LED燈的驅(qū)動電源受安裝環(huán)境條件的影響，很容易受到電磁干擾，特別是雷擊干擾。為此，驅(qū)動電源在設(shè)計階段就要考慮這個問題，并且要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)在開關(guān)電源中，電磁干擾主要來源于功率開關(guān)器件產(chǎn)生的du/dt和di/dt，其頻率從開關(guān)電源的工作頻率到幾十MHZ。在開關(guān)電源的設(shè)計中，EMI濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾的濾波器。許多濾波器都能夠滿足500KHz以內(nèi)的頻率范圍內(nèi)的濾波要求，但是在更高的頻率時，會受到濾波器件的寄生參數(shù)、器件布置和PCB布線的寄生參數(shù)的影響。對于LED恒流采樣反饋電路，電磁干擾使恒流反饋控制電路產(chǎn)生誤操作。本文設(shè)計的開關(guān)電源是AC-DC，輸入電壓為220V交流市電，即220VAC, 50Hz交流電，所以在市電電網(wǎng)與電源輸入端之間，加裝EMI濾波器，不僅能有效地抑制電網(wǎng)上的傳導(dǎo)干擾，還對傳輸線上發(fā)射出的輻射干擾有一定的抑制作用。 EMI濾波器是由電感和電容構(gòu)成的低通濾波器，安裝在電網(wǎng)與開關(guān)電源之間。EMI濾波器會允許50Hz的電力信號通過，而對頻率相對較高的噪聲信號有較大的衰減作用。完整的常規(guī)EMI濾波器結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。其中Lc為共模扼流圈，Ld獨(dú)立電感，Cx為差模濾波電容，Cy為共模濾波器電容。圖4-8完整EMI濾波器的基本結(jié)構(gòu)反饋電路的設(shè)計反饋電路是開關(guān)電源設(shè)計的關(guān)鍵，反饋電路的設(shè)計直接影響電源的性能。常規(guī)的電源控制芯片是基于恒壓控制設(shè)計的，用恒壓控制芯片實(shí)現(xiàn)LED恒流控制關(guān)鍵是反饋電路的設(shè)計。反饋環(huán)路的穩(wěn)定性是反饋回路設(shè)計的關(guān)鍵。因為一般的脈寬控制芯片都有誤差放大器和PWM調(diào)制器，所以輸出信號在反饋環(huán)路的傳遞過程中會引起輸出信號在相位和幅值上發(fā)生變化，引起振蕩甚至正反饋，導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。圖4-10開關(guān)電源的反饋環(huán)路2、研究的目的基本思路如下：LED由于節(jié)能環(huán)保、壽命長、光電效率高、啟動時間短等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為了照明領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速、由于LED獨(dú)特的電氣特性使得LED驅(qū)動電路也面臨更大的挑戰(zhàn)，LED驅(qū)動電路關(guān)系到整個LED照明系統(tǒng)性能的可靠性。因此為防止LED的損壞，這些都要求所設(shè)計系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)控制LED輸出電流。通過對LED電氣特性，電學(xué)模型的分析。充分的掌握LED的發(fā)光特性。在此基礎(chǔ)而上將多模塊，多結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動電源完整合理的設(shè)計出來。本設(shè)計采用恒流輸出，輸出電壓隨負(fù)載大小自動調(diào)節(jié)的適用廣泛的設(shè)計?？紤]到國內(nèi)采用50HZ、220V的供電系統(tǒng)，而美國、歐洲、日本居民用電從110V-240V不等，再考慮到網(wǎng)壓10%的波動，系統(tǒng)把輸入放寬到從85V-265V。本著設(shè)計一款符合社會要求的真正節(jié)能、節(jié)錢、長壽的LED驅(qū)動電源的思想。在能效轉(zhuǎn)換和產(chǎn)品成本上作出折中的選擇，轉(zhuǎn)換效率要求在75%以上；元件選擇盡可能采用了常見型號，滿足要求的情況下，盡可能采用國產(chǎn)的元器件對于批量生產(chǎn)，能有效降低成本，使LED照明更容易走進(jìn)人民生活。3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢如下：美國能源部預(yù)測，到2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈將被嵌在芯片上的發(fā)光體-半導(dǎo)體燈替代。日本計劃到2008年用這種半導(dǎo)體燈替代50%的傳統(tǒng)照明燈具?？茖W(xué)家測量發(fā)現(xiàn)，在同樣亮度下，LED的電能消耗僅為白熾燈的1/10，壽命則是白熾燈的 100倍。由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，專家們稱其為人類照明史上繼白熾燈和熒光燈之后的又一次飛躍。根據(jù)美國能源部（DOE）的預(yù)計，傳統(tǒng)照明器件的徹底更新?lián)Q代將在2010年開始啟動，然而許LED供應(yīng)商都希望將這個啟動時間再提前一到兩年。2008年的北京奧運(yùn)會通過眾多具體的產(chǎn)品形態(tài)和新技術(shù)的應(yīng)用為綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)等理念做了完美詮釋。LED顯示產(chǎn)品，在2008年北京奧運(yùn)會的廣泛應(yīng)用，更是光芒閃爍，為2008北京奧運(yùn)會增添了絢爛異彩。通過全球LED技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠商對材料、工藝和封裝技術(shù)的努力改進(jìn)，高亮度LED的發(fā)光效率和性能得到了顯著提升，除了傳統(tǒng)的背光和顯示面板市場外，高亮度LED開始走向室內(nèi)外普通照明、汽車內(nèi)外照明、探照燈、交通燈等全新應(yīng)用。這些都預(yù)示著LED驅(qū)動電源將有一個廣闊的應(yīng)用前景。4、本研究達(dá)到的科學(xué)技術(shù)水平和預(yù)期社會經(jīng)濟(jì)效益項目成果能有較高的可靠性，在一些不便于維修的地方使用，能減少維修的花費(fèi)。電源的效率要更高，效率提高了，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。 實(shí)現(xiàn)多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好，也許是以后的主流方向。浪涌保護(hù) LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。提高電源功率因數(shù)；增加LED溫度負(fù)反饋功能。項目針對性的克服種種難關(guān)，能夠大幅的提高LED驅(qū)動電源在市場的推廣，能夠帶動更多產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，為社會經(jīng)濟(jì)的繁榮作出貢獻(xiàn)。（二）、項目的研究思路和方法，技術(shù)路線、實(shí)驗方案及可行性分析（包括過去的研究工作基礎(chǔ)、現(xiàn)有條件）1、項目的研究思路和方法大功率LED照明燈具設(shè)計中的散熱和電源驅(qū)動一直是制約其應(yīng)用發(fā)展的兩大技術(shù)難題，項目通過對大功率LED光源的特性和燈具對驅(qū)動電源性能要求的分析，結(jié)合對現(xiàn)階段幾種應(yīng)用比較成熟的LED驅(qū)動電源方案的研究，說明在燈具設(shè)計時，除了解決好LED燈具的散熱外，無論采用那種驅(qū)動方式，都應(yīng)該做到真正的恒流驅(qū)動控制，這樣才能夠保證LED燈具持續(xù)可靠穩(wěn)定的工作，從而減少LED光源的光衰，延長燈具的使用壽命。大功率LED 的光控電路由圖1可知， 220 V 交流電經(jīng)電容限流、橋式整流、濾波、穩(wěn)壓， 在A， B 兩端獲得穩(wěn)定的12 V直流電（見圖1）。在白天由于光敏電阻RG 受到自然光的照射呈現(xiàn)低電阻， 三極管VT 的基極電位低， 而被反偏置， 因此VT 截止， 單向可控硅VS門極為低電平被關(guān)斷， LED 驅(qū)動電路未啟動， 所以LED 不亮。到天黑時光敏電阻RG因無光照呈現(xiàn)高電阻， VT 導(dǎo)通， VS 的門極即有正向觸發(fā)電壓而導(dǎo)通LED 驅(qū)動電路啟動， LED 通電發(fā)光。圖1 LED的光控電路大功率LED 的驅(qū)動電源驅(qū)動率LED 的主要目標(biāo)是產(chǎn)生正向電流通過器件， 比較理想的白光LED 可采用MBI1802芯片來實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動， 它能抑制大功率LED 正向電壓改變而造成的電流波動， 可實(shí)現(xiàn)可控的正向電流， 保證提供可控的顯示亮度。由圖2 可知， 通過穩(wěn)壓二極管（D6） 可為MB1802 芯片提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓， 此時通過大功率LED 的電流主要由參考電壓值和MBI1802 芯片工作電壓來決定（見圖2）。圖2 恒流驅(qū)動電路同時， 在每個LED 兩端并聯(lián)一個齊納管， 能為LED 提供開路保護(hù)。若要以并聯(lián)方式驅(qū)動白光LED， 每個白光LED 都必須串聯(lián)一個鎮(zhèn)流電阻，為避免通過其電流出現(xiàn)差異， 這些電阻也會消耗功率， 降低電路效率， 所以采用串聯(lián)方式可驅(qū)動多個LED。LED 電源的溫度補(bǔ)償及調(diào)光電路于LED 的驅(qū)動電流設(shè)計為不隨溫度變化的恒流源， 當(dāng)LED 周圍溫度低于安全溫度點(diǎn)時， 輸出最高容許電流并保持不變； 當(dāng)LED 周圍溫度高于安全溫度點(diǎn)時， 工作電流就不在安全區(qū)內(nèi)， 這將導(dǎo)致LED 的性能遠(yuǎn)低于標(biāo)稱數(shù)值。如果LED 周圍溫度過高則是由LED 自身發(fā)熱導(dǎo)致， 所以為了確保LED 的性能、壽命不受影響， 必須通過電路的溫度補(bǔ)償功能來解決這一問題。由圖3 可知， 采用AVR 單片機(jī)及MBI1802 芯片的工作電壓為5 V， 通過MBI1802 的一個外部電阻器Rext，可以調(diào)節(jié)輸出電流的范圍為40-360 mA，在特定的光照下， 只要不超過LED 的額定電流， 可隨意輸出電流， 這樣用戶可以靈活的控制LED 的光強(qiáng)度。同時， MBI1802 芯片的第七腳連接AVR 單片機(jī)， 根據(jù)溫度傳感器18B20 所測到溫度和檢測到的光敏電阻RG 的阻值， AVR 單片機(jī)通過輸出PWM 波到MBI1802 來控制其輸出電流， 實(shí)現(xiàn)LED的溫度補(bǔ)償， 同時可以精確調(diào)節(jié)LED 亮度， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LED 的調(diào)光功能。恒流效果實(shí)驗如果LED 的驅(qū)動未采用恒流源驅(qū)動方式， 那么PN 結(jié)半導(dǎo)體器件在正向?qū)ê螅?結(jié)電壓VF隨環(huán)境溫度上升而下降， 即-2 mV/， 稱PN 結(jié)的負(fù)溫度效應(yīng)， 該特性直接影響它的發(fā)光效率、發(fā)光亮度、發(fā)光色度。例如當(dāng)常溫30 時， 選擇LED 最佳工作電流為135 mA， 當(dāng)環(huán)境溫度升到90 ， 結(jié)電壓VF下降， 工作電流急劇增加到265282 mA；當(dāng)溫度下降至-40 時， 結(jié)電壓VF上升， 最佳工作電流將從135 mA 減小到27 mA， 發(fā)光亮度也隨電流的減少而降低， 達(dá)不到所需的照度， 如圖4 中電流曲線I。通過實(shí)驗， 利用Excel圖表功能進(jìn)行取點(diǎn)繪制， 得到恒流效果圖（見圖4）。圖4 恒流效果圖從圖4 中可以看出， 未采用恒流方式驅(qū)動LED， 其工作電流隨溫度的上升而上升， 但采用恒流方式驅(qū)動LED， 其工作電流不隨溫度的上升而上升， 從而證明恒流方式驅(qū)動LED 確實(shí)是可行的。2、技術(shù)路線、實(shí)驗方案 項目究總路線 LED驅(qū)動電源掌握LED電源的發(fā)展現(xiàn)狀及前景，確立研究向確立LED開關(guān)電源的驅(qū)動方式功率因數(shù)校正驅(qū)動電源電路的設(shè)計對設(shè)計好的電路進(jìn)行仿真實(shí)驗通過仿真實(shí)驗實(shí)現(xiàn)其功能后，進(jìn)行實(shí)物制作LED開關(guān)電源的驅(qū)動方式LED開關(guān)電源的驅(qū)動方式LED直流驅(qū)動方式LED交流驅(qū)動方式LED非隔離型開關(guān)電源驅(qū)動方式LED隔離型開關(guān)電源驅(qū)動方式功率因數(shù)校正無源PFC有源PFCPFCPFC概念及其分類有源PFC的工作原理有源PFC功率因數(shù)校正方法分類驅(qū)動電源電路的設(shè)計驅(qū)動電源電路的設(shè)計主體電路的設(shè)計鉗位保護(hù)電路的設(shè)計功率因數(shù)校正電路的設(shè)計EMI濾波器的設(shè)計反饋電路的設(shè)計變壓器的設(shè)計反激變壓器設(shè)計基本鉗位電路主開關(guān)的選擇穩(wěn)壓管箱位電路EMI濾波器結(jié)構(gòu)EMI濾波器原理系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)恒流反饋參數(shù)設(shè)計3、可行性分析l 市場條件隨著對LED研究的進(jìn)一步深入，其光效將進(jìn)一步得到提高，而其成本將進(jìn)一步下降，在不久的將來LED取代白熾燈甚至熒光燈而發(fā)展成21世紀(jì)的一種主要的照明光源將成為一種趨勢。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)換為恒流電源，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。于傳統(tǒng)光源比較LED光源有如下優(yōu)點(diǎn)：高效節(jié)能，超長壽命，光線健康，綠色環(huán)保，保護(hù)視力（直流驅(qū)動，無頻閃），光效率高，安全系數(shù)高，市場潛力大。l 研究條件學(xué)院重視學(xué)生科研能力的培養(yǎng)，關(guān)于學(xué)生的科研立項會有相關(guān)專業(yè)的導(dǎo)師指導(dǎo)，這對于不學(xué)生的科研立項工作給予了很大的幫助。更加激起學(xué)生科研立項的信心。 l 自身條件本人已經(jīng)本科二年級，學(xué)習(xí)過基本的專業(yè)知識，在學(xué)習(xí)上從不馬虎，有刻苦鉆研的精神。在馬上要進(jìn)入的大三年級，能夠接觸到更多專業(yè)知識，在學(xué)習(xí)中能更好的完成科研立項。三、作品的實(shí)際應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義（A、C類），作品的使用范圍及推廣前景及市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)算（B類）該項目為大功率LED驅(qū)動電源，主要是為100W左右的LED光源供電，隨著LED燈的推廣，越來越多地方用到了LED電源。因為LED燈的高效節(jié)能，超長壽命，安全系數(shù)高等一系列的特點(diǎn)，也使得人們?yōu)榱私鉀QLED驅(qū)動電源的發(fā)熱和功率因數(shù)的問題上做出了很大的努力。本次項目能更大程度的上減少LED發(fā)光過程中的發(fā)熱問題，提高能源利用率。市場規(guī)模高速擴(kuò)張大功率LED電器驅(qū)動電源應(yīng)用主要包括：路燈、隧道燈、景觀照明和部分大功率商業(yè)照明，其覆蓋功率為12W300W。隨著LED電器照明的滲透率不斷提升，未來市場巨大。國外很多國家已經(jīng)開始啟動節(jié)能減排計劃