LED驅動電源設計

1、重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文）LED驅動電源設計學 生： 周 灝學 號： 20073682指導教師： 唐 治 德 專 業(yè)：電氣工程與自動化重慶大學電氣工程學院二O一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Driver Power for LEDUndergraduate: Zhou HaoSupervisor: Prof. Tang ZhideMajor: Electric Engineering & AutomationSchool of Electric EngineeringChongqing

2、 UniversityJune 2011摘 要該文針對LED驅動電源的設計需要，先簡述了LED及其驅動電源的基本情況，包括BUCK電路及其控制電路的工作原理、穩(wěn)定性分析等。然后以UC3843電流控制芯片和BUCK電路為基礎，設計出了一款車用LED驅動電源，并通過仿真實驗，對電路進行了檢驗。文中詳細介紹了UC4843的使用方法、該驅動電源的設計步驟以及具體參數(shù)計算。這款驅動電路工作在12V直流電壓下，以BUCK電路為主電路，采用峰值電流控制模式，按照PWM調制方法，對兩顆串聯(lián)的LED進行供電，實現(xiàn)了恒流輸出、欠壓保護、過載保護、空載保護、斜坡補償?shù)裙δ?，并且在仿真實驗中均體現(xiàn)出了各部分的作用。這

3、款LED驅動電源工作穩(wěn)定，抗干擾能力強，輸入范圍廣，輸出電流平穩(wěn)；通過簡單改變供電方式，此電路還能用于不同領域。另外該文還對仿真實驗結果進行了較為詳細的分析，對補償斜坡尾部上翹、電流采樣電阻的至畸作用進行了討論。關鍵詞：驅動電源，峰值電流控制，PWM， LED，UC3843ABSTRACTThis article for the purpose of the design needs of LED driver power, firstly summarizing briefly the basic information of LED and its driver power, includ

4、ing BUCK circuit as well as its working principles of control circuit, the stability analysis etc. Then based on the UC3843 electric current control-chip and BUCK circuit, a vehicle LED driver power has been designed, and its electric circuit has been tested through the simulation experiments. This

5、article describes the usages of the UC4843, the design process of the driver circuit and the specific parameter calculation in detail. This driver power works at 12V DC voltage, with BUCK circuit as the main circuit, adopting the control mode of peak current, in accordance with the PWM modulation me

6、thod, providing power to two series connections of LED, bringing about the functions of under-voltage protection, overload protection, idle-load protection, slope compensation, and reflecting their respective functions in the simulation experiments. This LED driver power works stably, with strong an

7、ti-interference ability, wide input range; stable output current; by changing the way of power supply, the circuit can also be used in different fields. In addition, this article also carried on a more detailed analysis of the simulation experiment results, and carried out the discussion of abnormal

8、 functions about the upturned slope compensation and disruption of the current sampling.Key words：Driver power，Peak current mode control，PWM，LED，UC3843目 錄中文摘要ABSTRACT1緒論1 1.1 電光源1 1.2 大功率LED簡介2 大功率LED發(fā)光原理2 大功率LED的特性3 1.3 LED驅動電源研究現(xiàn)狀6 1.3.1 LED驅動電源的分類6 1.3.2 LED及其驅動電源的市場72 降壓性開關電源9 2.1 開關電源的特性9 2.2 B

9、UCK電路原理分析10 2.2.1 BUCK電路基本原理10 BUCK連續(xù)導通模式113 控制電路17 3.1 開關電源的調制方式17 3.2 開關電源的控制模式19 3.3 峰值電流控制模式的穩(wěn)定性分析22 不穩(wěn)定性的產(chǎn)生22 斜坡補償技術244 UC3843高性能電流模式控制器26 4.1 UC3843的主要特性26 4.2 UC3843的工作原理27 4.3 UC3843的引腳及其功能28 4.4 UC3843的內部結構29 4.5 UC3843的各模塊具體特性325 基于UC3843的LED驅動電源設計35 5.1 電路結構35 5.1.1 主電路35 5.2.2 控制電路36 5.2

10、 器件選擇37 5.3 參數(shù)計算38 5.4 最終電路426 仿真實驗43 6.1 正常狀態(tài)運行43 6.2 斜坡補償?shù)男Ч麢z驗45 6.3 電源波動對電路的影響46 6.4 電流取樣點的選擇對電路的影響48 7 結論50致謝51參考文獻521 緒論1.1 電光源燈具作為人們日常生活中接觸最多電氣類產(chǎn)品，是現(xiàn)代化社會不可或缺的一部分。這些產(chǎn)品都經(jīng)歷了數(shù)十年乃至上百年的不斷創(chuàng)新與改進，已經(jīng)擁有了相當成熟的市場空間及運用領域；這些燈具主要分為白熾燈、氣體放電燈、以及一些非常規(guī)燈具，其原理相去甚遠，性能也各有不同。（1）白熾燈：從十九世紀開始，人們就開始試著制造電光源，當時是利用電流加熱真空中燈絲來

11、達到照明效果。直到1879年，美國發(fā)明家愛迪生制成了以碳化纖維作為燈絲的白熾燈，使得電光源能走進平常人家。后來賈斯脫又試著用鎢絲作為燈絲制成白熾燈。之后不久，朗繆爾發(fā)明螺旋鎢絲，并在燈泡內充入氮氣，減緩了鎢絲的蒸發(fā)。在此后的發(fā)展中，為使燈絲和氣體的接觸面盡量減小，人們將鎢絲從單螺旋發(fā)展成雙螺旋，發(fā)光效率大大提高，這就是今天我們所見到的白熾燈。80年代，普通白熾燈已經(jīng)能高速生產(chǎn)并被大面積使用。白熾燈是利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。盡管白熾燈發(fā)光效率很低，但價格便宜，是產(chǎn)量最大、應用最廣泛的電光源。（2）氣體放電燈：是由氣體、金屬蒸汽混合放電而發(fā)光的燈。通過氣體放電的方式，將電能轉換為光能。氣體放

12、電有多種形式，利用較廣的是輝光放電和弧光放電：輝光放電常用于霓虹燈；弧光放電因可以產(chǎn)生很強的光輸出，故照明光源大多采用弧光放電。常見的照明用氣體放電燈有熒光燈、高壓汞燈、鈉燈和金屬鹵化物燈等。按照工作電壓不同，氣體放電燈可分為低氣壓放電燈和高壓氣體放電燈，低氣壓放電燈包括低壓鈉燈、熒光燈（日光燈）、無極燈等。高壓氣體放電燈包括高壓鈉燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈等，其中熒光燈是目前室內照明應用最普及的氣體放電光源。熒光燈在發(fā)光效率和使用壽命方面都明顯優(yōu)于白熾燈，是一種較為優(yōu)秀的電光源。高強度氣體放電燈是由管壁高溫而建立發(fā)光電弧，如高壓汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈等。(3)半導體照明1：LED（Li

13、ghting Emitting Diode）即發(fā)光二極管，是一種半導體固體發(fā)光器件。它將固體半導體芯片作為發(fā)光材料，在半導體中通過載流子發(fā)生復合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。LED被稱為綠色光源，具有節(jié)能、壽命長、體積小、環(huán)保等優(yōu)點，可以廣泛應用于各種背光源、顯示、照明、指示、裝飾和城市夜景等領域。人們通常說的半導體照明一般是指用LED作為光源的照明，從廣義上講還應該包括LD（激光二極管）作為光源的照明，LD可以用于舞臺燈光，大型室外集會、慶典、娛樂和遠距離照明等。1.2 大功率LED簡介 大功率LED發(fā)光原理LED發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器

14、件，是由-族化合物，如磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵等半導體制成的。LED的核心是一個半導體的晶片，晶片的一端固定在引腳上作為負極使用，另一端引出作為正極，晶片的本質是一個PN結，用環(huán)氧樹脂將整個晶片封裝。所以LED具有的伏安特性與普通二極管相似，在管腳兩端施加正向電壓時,LED處于導通狀態(tài)，在兩管腳之間施加反向電壓時，LED處于截止狀態(tài)，而過高的反向電壓作用于LED上時，可能導致PN結被擊穿。與普通LED不同的是，它還能將電能轉換為光能。當PN結兩端加上正向電壓時，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，相反自由電子則由N區(qū)注入P區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子與對方區(qū)域的多數(shù)載流子相結合，導致能量以光和熱兩種形式釋放，

15、如圖1-1所示。LED早在20世紀60年代初就已經(jīng)被成功制造并推向市場，因為LED的激勵響應時間短、有效壽命長、功耗低，常被用在小指示器光源和字母數(shù)字顯示器等領域中。但由于制造技術的限制，使其發(fā)光亮度小，且只有紅色一種顏色，所以在照明領域難以見到它的身影，近年來，技術的進步和理論的創(chuàng)新，使得LED的可用性增強，例如發(fā)光強度提高、效率提高、成本大幅下降，使其得到應用領域越來越廣。圖1-1 LED發(fā)光原理示意圖在日常照明中2，由于白色的光源更貼近自然光，符合人們的使用習慣，所以LED的制造趨勢向著白光LED發(fā)展。白光LED是將釔鋁石榴石(YAG)和GaN芯片一起封裝制成的。GaN芯片可以發(fā)出藍光，

16、藍光激發(fā)熒光粉后，熒光粉能發(fā)出黃色光，一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光疊加，可以得到得白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。 大功率LED的特性LED燈與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源有著不同的特性。為了設計出更好的LED驅動電源，必須對LED的特性進行必要的了解。（1）發(fā)熱特性：由于在LED照明應用中，一般需要同時將若干顆LED共同發(fā)光使用，所以就會產(chǎn)生較大的熱量。另外，摻加了熒光粉的LED，在轉換波長的時候會產(chǎn)生熱量。LED僅在微小電流流過時，效率才比較高，若工作在大電流、高溫狀態(tài)下，LED的發(fā)光效率就會明顯降低。LED芯片、熒光粉、封裝樹脂也會因高

17、溫而加快老化，影響使用壽命。因此，必須控制LED的使用溫度以達到“高效率”、“長壽命”的目的，而控制溫升的主要手段就是控制工作電流，所以對于LED驅動電源來說最重要的工作就是控制電流。（2）供電特性：在工作電源的需求上，LED驅動電源與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的白熾燈直接連接到220V的交流電上使用，電網(wǎng)的電壓波動只會造成照明強弱的不同而已。熒光燈雖然需要靠鎮(zhèn)流器啟動，但啟動電路簡單，啟動后不需要啟動器依然能維持工作。而LED則需要工作在恒定的直流電流源上。而調節(jié)LED的發(fā)光強度主要是靠改變流過LED的電流平均值來實現(xiàn)的，LED是通過電子與空穴的再結合來發(fā)光，發(fā)光強度取決于單位時

18、間內復合的電子與空穴數(shù)目，也就是說LED的發(fā)光強度與電流大小有密切關系。實驗發(fā)現(xiàn)，在工作電流較小的情況下，LED的發(fā)光強度與通過PN結的電流大小近似成正比關系，而當LED的工作電流電流增大，隨著發(fā)熱損耗的增大，導致這種比例關系消失，具體來說，由于發(fā)熱量正比于電流的平方，所以當電流增大時，發(fā)熱量的升高速度將大于發(fā)光量的升高速度，導致發(fā)光效率降低。（3）發(fā)光特性：單個LED的發(fā)光強度并不大，一般只有幾十流明，所以需要同時使用多顆LED共同工作。同時，由于LED的發(fā)光面積小，而亮度又很高，而且發(fā)出的光匯聚能力強，肉眼直視LED會對視力造成傷害并無法發(fā)看清光源以外的東西，失去照明意義。為了降低光線聚集

19、度，通常需要配合柔光罩使用。但是，使用由于柔光罩本身的透光性問題，導致發(fā)光效率會有所降低。LED與傳統(tǒng)照明燈具的配光分布不相同2。所謂配光分布是指光源的發(fā)射方向以及各方向的發(fā)光強度。若不采用專門為LED設計的散光設備，而采用傳統(tǒng)燈具的散光設備，則可能會出現(xiàn)需要加強照明的部分不但不增加反而照度減小的情況。要提高照明效率，需要改善配光分布，目前多采用透鏡和反光鏡作為改善裝置。由于LED本身就具有發(fā)光面積小、配光分布具有對稱性等特點，如果配合合適的透鏡和反光鏡，則LED將會是很好的照明工具。其他在光源屬性中，還應該考慮LED的光譜特性，LED所發(fā)出的光，光譜范圍較窄，幾乎不放射出紅外線。因此，不會導

20、致照射物發(fā)熱，即冷光。但是LED在工作時自身會發(fā)熱，所以應該防止熱傳導作用破壞冷光效果。（4）伏安特性：LED的伏安特性和一般的二極管伏安特性非常相似，如圖1-2所示。不過通常曲線很陡。LED的伏安特性曲線并不是由電壓、電流唯一確定的，而是隨溫度的變化而變化，所以當電壓恒定時，電流并不能確定，它將隨溫度變化而變化。而LED的伏安特性通常具有負溫度系數(shù)。也就是隨著溫度的升高，其伏安特性曲線將向左移動，若所加電壓為恒定，顯然在溫度升高時電流也會隨之升高。大功率LED工作時溫升較大，假如散熱設計不好，其溫度很容易上升到八、九十度以上。例如采用3.3V恒壓電源供電，常溫下工作電流在320mA左右，而溫

21、度升高到85時，電流就會增加到420mA，多消耗的電能以熱量的形式散發(fā)，而LED亮度增加并不大。這種情況下只會使它的溫升更高，增加光衰，降低壽命。溫度降到0時,電流就會降低至120mA，亮度會大大降低，使其無法勝任照明工作。對于功率更大的LED，由于功率大，散熱更不容易，溫升問題更加嚴重。這就表明，恒壓源下工作的LED是不穩(wěn)定的，當電壓恒定，隨著LED的使用發(fā)熱，溫度升高，流過的電流增大，更大的電流導致溫度進一步升高，使電流也隨之繼續(xù)增大，所以LED驅動電源的主要目的就是給LED以恒定的電流，保證LED穩(wěn)定工作。圖1-2 LED的伏安特性（5）穩(wěn)定性：結合LED的伏安特性可知，工作在恒壓源上的

22、LED是不穩(wěn)定的，另外，若干顆LED也不能簡單的并聯(lián)使用，理由是若擾動使其中一顆LED電流增大，那么由于LED的不穩(wěn)定性，將導致這顆LED的工作電流越來越大，而其它LED將不能獲得足夠大的工作電流。1.3 LED驅動電源研究現(xiàn)狀LED是具有二極管特性的發(fā)光管3，它只能單方向通電。額定工作點附近，通常LED亮度輸出與通過LED電流成正比，但在大電流下會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，發(fā)光效率大幅度降低，甚至失效，因此LED使用電流不能超過其規(guī)格額定值。另外，LED亮度輸出與溫度成反比，所以使用中應盡量減少電源發(fā)熱和設計良好的散熱系統(tǒng)。 LED驅動電源的分類LED電源按驅動方式可以分為兩大類，恒流驅動和穩(wěn)壓驅動，兩

23、種驅動方式具有以下特點恒流驅動穩(wěn)壓驅動（1）恒流驅動電源驅動LED是最理想的，缺點就是價格較高；（2）恒流驅動電源在負載短路時，由于恒流限制，不會造成輸出電流過大；但是嚴禁負載完全開路。當負載完全斷開時，將輸出很高的電壓；（3）恒流驅動電源輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化，LED亮度不隨負載改變而改變；（4）恒流驅動電源需要限制LED的使用數(shù)量，負載等效電阻越大，輸出電壓越大。（1）穩(wěn)壓驅動電源輸出的是固定電壓，輸出的電流卻隨著負載的增減、溫度變化而變化；（2）穩(wěn)壓驅動電源在負載開路時，輸出電壓恒定，不會輸出過高電壓；但是當負載短路時，將輸出很大的電

24、流，所以禁止短路運行；（3）穩(wěn)壓驅動電源的輸出電壓是恒定的，輸出電流隨負載改變而改變，所以LED亮度隨負載變化而變化；（4）穩(wěn)壓驅動電源為使LED亮度均勻且不會流過過大電流，需要加上合適的限流電阻。LED電源按電路結構可以分為六類4：（1）互感變壓器降壓：這種電源原理簡單，技術成熟，是一種比較傳統(tǒng)的變壓器。不足之處是要使用大量漆包線和硅鋼片，重量偏重、電源效率也很低，一般在45%-60%，因為可靠性不高，所以一般很少用；（2）電子變壓器降壓：這種電源結構不足之處是轉換效率低，輸入電壓范圍窄，一般180-240V，輸出波紋大；（3）電容降壓：這種方式的LED電源容易受電網(wǎng)電壓波動的影響，電源效率

25、低，只適用于向持續(xù)運行的LED供電，對于常閃動的LED則不適用，因為電路通過電容降壓，在閃動時由于充放電的作用，使得通過LED的瞬間電流極大，容易損壞芯片；（4）電阻降壓：這種供電方式原理簡單，但電源效率很低，而且系統(tǒng)的可靠也較低，電路通過電阻降壓，受電網(wǎng)電壓波動的影響較大，不容易做成穩(wěn)壓電源，并且降壓電阻本身還要消耗很大部分的能量；（5）RCC降壓式開關電源：這種方式的LED電源優(yōu)點是穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可在70%-80%，應用較廣。缺點主要是開關頻率不易控制，負載電壓波紋較大，系統(tǒng)的容錯能力較弱；（6）PWM控制式開關電源：目前來說，PWM控制方式設計的LED電源是最理想的

26、也是使用率較高的驅動方式，因為這種開關電源的輸出電壓或電流都很穩(wěn)定。電源轉換效率極高，一般都可以高達80%-90%，并且輸出電壓、電流十分紋波較小。除此之外，我們還應當充分考慮LED驅動電源對LED及自身的保護作用。LED抗浪涌能力比較差，特別是抗反向電壓能力，設計時有必要加強這方面的考慮。尤其是用于戶外的LED，如LED路燈，由于電網(wǎng)負載波動和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，這些浪涌可能會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，以保護LED不被損壞。電源除了常規(guī)的保護功能外，結合LED的特性，我們還應考慮驅動的電源應對LED的溫度反饋進行必要動作，例如在溫度過高時減小電

27、流輸出，防止LED溫度過高。1.3.2 LED及其驅動電源的市場近年來5，世界上一些經(jīng)濟發(fā)達國家圍繞LED的研制展開了激烈的技術競賽。美國從2000年起投資5億美元實施“國家半導體照明計劃”，旨在率先打開LED市場，走在行業(yè)前沿。歐盟也在2000年7月宣布啟動類似的“彩虹計劃”。我國科技部在“863”計劃的支持下，2003年6月份首次提出發(fā)展半導體照明計劃。盡管從LED自身性能上來看，有著傳統(tǒng)照明方式所不可比擬的優(yōu)勢，而且各國政府機構、環(huán)保組織都對LED照明方式報以積極態(tài)度，但令人尷尬的是，各大LED燈具廠商卻連連發(fā)出無利可圖的感慨，主要原因在于LED燈具雖然節(jié)能高效，但是燈具本身價格較昂貴，

28、一次性投入成本太高，以目前情況來看至少在國內市場，家用LED燈具的普及尚需要時日。所以，在LED燈具仍然屬于“奢侈品”的今天，我們應當對LED燈具的市場方向有著正確的認識。例如搜狐財經(jīng)指出：“陽光照明最新的2010年年報顯示，即便公司為發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)、提高LED光源制造水平而做出了包括在廈門上虞設立了面積為300畝的LED生產(chǎn)基地；斥資1，600萬日元（折算人民123.94萬元）將日本LIREN公司30.1887%股權收入囊中在內的諸多努力，LED照明產(chǎn)品的銷售卻仍未能對公司2010年業(yè)績做出實際上的利潤貢獻?！绷硪环矫鍸ED汽車照明每年以二位數(shù)的速度在增長，2005年產(chǎn)值已達5.46億美元，

29、占世界LED應用的14%。我國于2000年在上海大眾桑塔納2000型上首先使用LED高位制動燈。我國LED汽車燈具每年以70%-80%的速度在增長，2006年的產(chǎn)值超過億元。目前，國際上LED汽車前照燈處在研發(fā)過程之中，已有概念燈具推出。除LED前照燈以外，均已商品化，并已進入車燈的智能化控制時期。車用LED的流行除了節(jié)能、環(huán)保之外，更重要的是能提升汽車的使用價值。提高行駛安全性：以LED車燈為例，LED車燈的反應時間比傳統(tǒng)車燈要快許多，為剎車贏得了更多的反應距離，并且亮光更穩(wěn)定。（1）智能化更易實現(xiàn)：LED的電致發(fā)光特性使其與傳統(tǒng)的氣體放電、白熾燈相比，更容易實現(xiàn)電子控制，例如根據(jù)汽車行駛環(huán)

30、境不同，自動設置不同的車內外照明模式。LED還能用于各類車用感應裝置，例如倒車雷達。（2）彰顯汽車品牌和用戶個性：LED的顏色豐富，體積小，便于設計各類形狀和顏色組合，傳達汽車和車主的個性。LED燈的使用使得奧迪汽車的外觀設計擺脫了“缺乏個性”批評，如今，特征鮮明的LED車燈已經(jīng)成為了奧迪車的新識別符號?；谝陨细鞣矫嬖?，本論文設計的LED驅動電源將面向車用照明領域，在滿足車載使用方式的前提下，盡可能擴大輸入電壓范圍，使其能經(jīng)過簡單改變供電方式后，適用于其他領域。2 降壓型開關電源如圖2-1所示6，是開關電源的典型框圖，開關電源通常由主電路和控制電路兩大部分所組成。圖2-1 開關電源系統(tǒng)組成

31、框圖開關電源主電路通常是由輸入電源、儲能電感、開關管、濾波電容和負載組成的。電路功能和電路的結構有關，常見的開關電源有六種基本結構：BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、CUK電路、SEPIC電路和ZETA電路。而控制電路的作用是控制開關管的導通與關斷，按需要的脈沖頻率和寬度，控制開關管的通斷，使主電路輸出合適的輸出電壓或電流，實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流以及各種保護功能。按照設計需要，本文將著重介紹BUCK電路，即降壓型開關電源。2.1 開關電源的特性開關電源具有如下特點：(1)效率高：開關電源的功率開關管工作在開關狀態(tài)，開關管的功耗小，電源效率高，一般在80%-90%，高的可達90%以

32、上；(2)穩(wěn)壓范圍寬：開關電源的交流輸入電壓變化時，輸出電壓的變化在±2%以下。經(jīng)過精心設計開關電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關電源的高效率；(3)安全可靠：在開關電源中，可以方便地設置各種形式的保護電路，如欠壓保護、過壓保護、空載保護等，因此當電源或負載出現(xiàn)故障時，能保障設備及人員的安全；(4)重量輕：由于開關電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，因而使其重量只有同容量線性電源的1/5，同時體積也大大縮小了；(5)功耗小：由于開關電源的工作頻率高，一般在20KHz以上，因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是，由于功率開關管工作在開關狀態(tài)，損耗小

33、，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，延長了器件壽命。因此采用開關電源可以提高整機的可靠性和穩(wěn)定性。2.2 BUCK電路原理分析 BUCK電路基本原理BUCK電路主電路包括輸入電源、開關管、續(xù)流二級管以及儲能電感、濾波電容和負載，它們共同完成電能的轉換和傳遞。如圖2-2所示，是BUCK電路基本結構圖，它由一個開關S，一個二級管D，以及LC低通濾波器和負載所組成。BUCK正常工作時，開關S被控制電路的控制，重復導通和關斷，等效于輸入電壓為方波電壓，通過L/C濾波器的濾波作用，最終獲得近似于直流的輸出電壓圖2-2 BUCK電路基本結構根據(jù)BUCK電路中，流經(jīng)

34、電感的電流是否有一段降為零，可將其工作模式區(qū)分為兩種：（1）連續(xù)導通模式（Continuous Conduction Mode），即穩(wěn)態(tài)工作時，在整個開關周期中，電感中流過的電流不降至零。（2）非連續(xù)導通模式（Discontinuous Conduction Mode），即在整個開關周期中流過電感的電流出現(xiàn)一段時間為零的情況。我們希望電路僅在一種模式下工作，因為在兩種不同工作模式下，電路的各參數(shù)間的關系將發(fā)生重大的變化。經(jīng)過理論推導發(fā)現(xiàn)，若BUCK電路工作在連續(xù)導通模式下，輸出電壓由輸入電壓和占空比共同決定，而與所接入的負載大小無關，因此設計相應工作模式的電路會比較簡單可靠，但是由于其輸出電壓

35、由輸入電壓決定，會對輸出的穩(wěn)定性造成一定影響。若BUCK工作在非連續(xù)導通模式，輸入電壓、輸出電感、占空比、開關頻率和負載等效電阻將共同影響輸出電壓的波形，輸出電壓與負載及輸入電壓均有關，電路各參數(shù)關系復雜，設計相應的電路難度較大，所以本論文設計的LED驅動電源將采用連續(xù)導通模式下的BUCK電路。 BUCK電路連續(xù)導通模式假如BUCK電路已經(jīng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，則可以判定輸入電壓、輸出電壓、輸出負載電流以及占空比固定且不會發(fā)生變化。本節(jié)的主要工作是通過對BUCK轉換器主電路在連續(xù)工作模式下的穩(wěn)態(tài)分析，推導出電路間各參數(shù)的關系。BUCK連續(xù)工作模式分為兩個狀態(tài)：第一個狀態(tài)是S導通、D關斷；第二個狀態(tài)

36、是S關斷、D導通。定義開關S導通狀態(tài)的持續(xù)時間為，開關管S關斷狀態(tài)的持續(xù)時間為，一個周期時間為，占空比記做D因為連續(xù)導通模式的每一個周期只存在兩個狀態(tài)，因此圖2-3 開關導通時的等效電路第一個狀態(tài)：S導通，二極管D由于承受反向電壓而截至，等效的電路如圖2-3所示。電感兩端的承受正向壓降，電感電流逐漸增加連續(xù)導通模式下的，穩(wěn)態(tài)波形如圖2-4所示。作用于電感上的電壓直流值是恒定的，因此，電感電流呈線性增長，且滿足下式則可以推出，電感紋波電流峰-峰值表達式為圖2-4 工作于連續(xù)導通模式下的BUCK電路的波形第二個狀態(tài)：S關斷，等效電路如圖2-5所示，由于流過電感的電流不能突變，電流從開關管S轉移到二

37、極管D上。電感兩端承受反向壓降，使得續(xù)流二極管D導通，忽略二極管D的壓降，電感左端接地，電壓為零，而電感右端電壓仍為，因此，開關關斷期間圖2-5 開關關斷時的等效電路假設電路已經(jīng)處于穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一個開關周期電感電流的凈增量為零，利用這點，來尋找任何開關變換器的穩(wěn)態(tài)條件，根據(jù)電感伏秒平衡原理對電感進行分析有從0到進行一個周期的積分，得到上式表示，在一個開關周期中電感電流的凈變化量正比于在這區(qū)間加在電感上的電壓。在穩(wěn)態(tài)，一個開關周期的電感電流的初始值與結束值相等，顯然上式左邊等于0，因此在穩(wěn)態(tài)，電感電壓的周期積分為零上式右邊的單位是伏秒或磁鏈，上式表示在一個開關周期中波形下的總面積或凈伏秒必須為零。

38、上式兩邊同時除以開關周期，得到上式的右邊為的平均值或直流成分，在上式表示在穩(wěn)態(tài)時，施加在電感上的平均電壓為零。圖2-6 電感電流包圍的面積代數(shù)和應為零如圖2-6，電感電壓曲線包圍的面積為平均值為如圖2-7所示，電容電流波形等于電感電流波形去掉直流部分后的交流成分。電感電流是線性的，峰峰值是，幅值為。電容電壓的變化量，與電感電流的交流成分的正半周期間，對電容充電的總電荷q有關，根據(jù)電容關系式Q=CU，得電荷q是電容電流波形過零點之間的積分，積分可以表示三角形陰影區(qū)域的面積，高度為，由于電流波形對稱，分別在 和 的子區(qū)間的中心點過零，因此陰影三角形的底邊大小為。所以總電荷為可得電壓紋波峰-峰值為圖

39、2-7 紋波電壓上式可用于給定電壓紋波是選取電容大小時參考，實際運用中，由電容等效串聯(lián)電阻所引起的附加紋波電壓亦需考慮。3 控制電路3.1 開關電源的調制方法（1）PFM調制方式：即脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation）方式，是一種常用的調制方式?？刂圃硎菍⑤敵隽糠答伝仉娐?，將它與設定的基準值進行比較，得到誤差信號，根據(jù)誤差信號對輸出脈沖的頻率進行調節(jié)，然后輸出一路寬度相等、周期不等的方波信號，這組方波信號控制著開關管的導通與關斷，當輸出量過高時，保持脈沖寬度不變（一個周期內的導通時間不變），延長開關周期（一個周期內的關斷時間增加），當輸出量過低時，保持脈沖寬度

40、不變，減少開關周期，從而穩(wěn)定輸出電壓。其工作波形圖如圖3-1所示。PFM方式的輸出電壓調節(jié)范圍很寬，空載時自動形成空載保護。PFM調制方式的使用范圍廣、工作可靠、原理簡單，具有以下優(yōu)點：在負載較輕情況下效率很高，工作頻率高，頻率特性好，電壓調整率高，適用于電流或者電壓控制模式。存在以下缺點：負載調整范圍窄，濾波成本高。圖3-1 PFM調制方式（2）PWM調制方式：即脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）方式，這種調制方式使用率很高，其控制原理是將輸出量與一串三角波信號進行比較，由于三角波周期恒定，所以這種方式下工作周期恒定，當三角波上升到控制值時，比較器翻轉，控制開關管關

41、斷，PWM調制方式的本質是獲得一列周期恒定、占空比不等的方波信號用以控制開關管的導通與關斷，根據(jù)輸出量判讀關斷開關管的時間，若輸出量過低時，則增加一個周期內開關導通的時間，若輸出量過高時，則減少開關管在一個周期內的導通時間，從而穩(wěn)定輸出電壓。其工作波形圖如圖3-2所示。通常PWM調制方式會有靜區(qū)效應，即在開關管導通后不能立即關閉，即輸出量受占空比下限所限制，輸出調節(jié)范圍較窄；由于PWM調制方式每個周期都至少要導通一個靜區(qū)時間的長度，所以當輸出端空載時，容易出現(xiàn)輸出空載高電壓。圖3-2 PWM調制方式（3）PSM調制方式7：是一種常在數(shù)字電路中被使用的調制方式，稱為脈沖跨周調制（Pulse-cy

42、cle Skip Modulation）。其控制原理是將輸出量反饋回電路并轉換為數(shù)字量，經(jīng)過一定的算法比較，確定下一個脈沖信號是輸出還是消隱，通過這種手段改變開關管導通與關斷的時間比，調節(jié)過程中基礎脈沖的頻率和占空比均保持不變，當輸出量過高時，增加消隱脈沖數(shù)，減少脈沖輸出，當輸出量過低時，減少消隱脈沖數(shù)，增加脈沖輸出。從而穩(wěn)定輸出電壓。其工作波形圖如圖3-3所示。目前PSM控制方式已經(jīng)用于開關功率變換器，具有以下優(yōu)點：在負載較輕情況下效率很高，工作頻率高，頻率特性好，功率管開關次數(shù)少，適用于小功率電源管理。存在如下缺點：輸出紋波大，輸入電壓調整能力弱。圖3-3 PSM調制方式3.2 開關電源的

43、控制模式按照控制模式，開關電源大致可以分為兩類：即電流控制模式和電壓控制模式。（1）現(xiàn)在來看電壓控制模式:其開關電源的原理框圖如圖3-4所示，它的基本原理，首先從比較并放大參考電壓和電源輸出電壓中，得到誤差信號。接著利用PWM比較器，將鋸齒波信號和信號相比較。然后，PWM比較器便會輸出一系列占空比隨著誤差信號的改變而變化的脈沖，并且其輸出能量的大小也由此而決定下來。增大的脈沖寬度表明了負載消耗能量的增大，反之，減小的輸出脈沖寬度則表明了輸出能量的減小，這樣成正比的關系將輸出電壓維持于恒定。而要保持輸出電壓的恒定，實現(xiàn)整個電路的負反饋關系，僅僅需要一個反饋信號便可以做到。同時，對于這樣的僅有一個

44、反饋環(huán)路的單環(huán)電壓控制系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，我們必須精心設計控制回路，并滿足一定的條件。這樣的電壓控制模式，總會產(chǎn)生一些不可避免的缺點，如穩(wěn)定性差、響應速度緩慢、易在大信號變動時產(chǎn)生振蕩等等。這是由于我們所使用的方法以輸出電壓來實現(xiàn)控制而造成，它必然會在調節(jié)過程中存在一定的滯后效應。圖3-4 電壓控制模式（2）再來看電流控制模式：由于電壓控制模式存在著上述的固有缺點，近些年來，電流型控制技術開始迅速發(fā)展開來，其原理框圖如3-5圖所示。基于傳統(tǒng)的電壓型控制模式，人們將一個電流反饋內環(huán)置于電流控制型開關變換器上。首先，通過比較誤差放大器的輸出電平和電流信號，導通驅動功率管，并使得電感電流在

45、電源回路中逐步增加。一直到電平與電流加在采樣電阻上的壓降達到一致的時候，翻轉脈寬比較器的狀態(tài)，此時功率管便會相應截止。就這樣，通過將整個電路的輸出電流逐一檢測和調試，控制電源輸出的目的便可以相應達到。電路測試以及理論分析都表明了，電流控制模式相對于電壓控制模式，更有其優(yōu)勢。圖3-5 電流控制模式現(xiàn)在將電流控制模式的主要優(yōu)點羅列如下8：（1）它具有可并聯(lián)性和過流保護的功能：在DC/DC變換器中采用電流控制模式，因為直接電流峰值控制技術的應用，使得開關管與變壓器中的瞬態(tài)電流能夠被準確且及時地檢測并輸出，這樣一來，逐個電流脈沖檢測電路便形成了。參考電流一旦限制或者給定，變壓器以及開關管中的最大電流便

46、能夠比較準確地限制下來，由此，即使遇到短路或者輸出過載的情況，變壓器以及開關管都將得到保護而不被損害，且因為輸入的浪涌電壓而產(chǎn)生的尖峰電流導致功率開關管損壞的風險也會相應降低。與此同時，正是這個逐個電流脈沖限制的電流環(huán)的影響，使得即使并聯(lián)運行多臺開關電源，其每一個都能夠擁有獨立的電流負反饋，且其并聯(lián)的輸出電壓，也有一個總的電壓負反饋。這樣一來，每個電流負反饋回路都具有了同樣的參考值，在多臺開關電源之間的并聯(lián)均流便得以實現(xiàn)。（2）其抗干擾能力強，且對于輸入電壓的變化，響應速度快。顯而易見，當電源輸入電壓發(fā)生改變時，變壓器初級電流上升的斜率必然也會隨之而發(fā)生改變。比如當電源輸入電壓降低時，電流的增

47、長就相應減緩，反過來，當電源輸入電壓升高的時候，電流的增長就相應加快。然而，當預定幅度與電流脈沖達到了一致的時候，電流控制回路便會動作，繼而改變脈沖的寬度，由此，輸出電壓的穩(wěn)定便得以保證。（3）負載響應速度快，回路的穩(wěn)定性好。由于電感電流脈沖幅值和直流輸出電流平均值相應成比列，沒有了電感的延遲作用。因此我們可以將受輸出電壓控制的電流源類比于電流型控制模式，由此，電源的輸出電壓大小便可以由電流源電流的大小來反映。當然，相比于電壓控制模式，電流控制模式有著許多不可比擬的優(yōu)點，但其缺點比如直流開環(huán)負載調整率比較差，以及平均電流和電感峰值電流之間存在誤差等等，我們也必須正視。發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，采取一

48、定的措施，一般都能夠圓滿解決大多數(shù)問題。因而，總的來說，電流控制模式的應用相對來說更為廣泛。（4）反饋電路的設計得到了簡化。在電流控制模式中，只能產(chǎn)生最大為90度的相移，這是由近似于零的濾波電感小信號阻抗所造成的。這樣一來，增益隨著頻率的升高而降低的速度比實際的LC濾波電路減少了一半。因此，便可以大大地簡化反饋電路的設計。（5）減小了電壓調整率。電流檢測電阻RS會隨著輸入電壓的波動，檢測出峰值電流的改變，并迅速地調整占空比，穩(wěn)定輸出電壓。（6）開關電源中的磁通量失衡問題得到了根本消除。電感的承壓能力會隨著磁通量的失衡而減弱，由此功率管中的電流會迅速增大，并最終因電流過大而燒毀器件。而電流控制模

49、式則能夠通過限制功率管的峰值電流，將磁通量失衡的問題徹底解決。3.3 峰值電流控制模式的穩(wěn)定性分析3.3.1 不穩(wěn)定的產(chǎn)生電流模式工作下若占空比D>50%的連續(xù)電感電流條件下9，會產(chǎn)生次諧波振蕩，這種不穩(wěn)定性與穩(wěn)壓器的閉環(huán)特性無關，他是由固定頻率和峰值電流取樣同時工作狀況所引起的，下圖就說明了這種現(xiàn)象，在時刻，開關導通，使電感電流以的斜率上升，該斜率是輸入電壓和電感值的函數(shù)為時刻，電流采樣輸入達到由控制電壓建立的門限值，比較器翻轉開關管斷開，電感電流以斜率下降，直至下一個周期開始，如果有一個擾動加在控制電壓上，產(chǎn)生一個小的（虛線），就可以發(fā)現(xiàn)這種不穩(wěn)定情況，在一個固定的振蕩周期內電感電流

50、的衰減時間減少，最小電感電流在開關導通時（）凈增了最小電感電流在再下一個周期開始時（）凈減小在之后的每一個周期，該擾動都將乘以系數(shù)，在開關管導通時交替凈增凈減最小電感電流，即根據(jù)占空比D與的關系可以推出：時，擾動信號將在數(shù)個周期內逐漸衰減，如圖3-6；圖3-6 D<50%時擾動衰減當占空比時，擾動信號誤差將會被逐漸放大，峰值電流模式控制的轉換器不能穩(wěn)定工作，導致系統(tǒng)失控，如圖3-7。圖3-7 D>50%時擾動增大3.3.2 斜坡補償技術消除峰值電流模式次諧波振蕩的方法通常是采用斜坡補償技術10，一般有兩種做法：在誤差放大器輸出加負斜坡波形，或者在電流檢測處加正斜坡波形，兩種方法在理

51、論上是等效的，但后者在電路上后者更容易實現(xiàn)，為了清楚說明斜坡補償?shù)脑?，以誤差放大器輸出加負斜坡波形為例進行討論。圖3-8 加入斜坡補償后擾動衰減在誤差放大器的輸出上加負斜坡波形，其斜率為，如圖3-8，經(jīng)過幾何推理后可以證明，經(jīng)過一個周期，有引起的電流誤差為，如要振蕩衰減，則要求根據(jù)與占空比D的關系帶人上式得在0<D<1的范圍內，只需要保證即可，因此斜坡補償?shù)男甭室蟠笥陔姼须娏飨陆档男甭实囊话?，通常? UC3843高性能電流模式控制器4.1 UC3843的主要特性UC3843是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制器11。假如由于某種原因使輸出電壓升高時，脈寬調制器就會改變驅動信號的

52、脈沖寬度，即占空比D，使斬波后的平均值電壓下降，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。該集成電路具有可微調的振蕩器、能精確控制的占空比輸出、溫度補償、高增益放大器模塊，是驅動MOSFET的理想器件，由于器件設計巧妙，由電源電壓直接啟動，構成電路所需元件少，非常符合電路設計中“簡潔至上”的原則。UC3843的主要特點有：（1）采用單端圖騰柱式PWM脈沖輸出，輸出驅動電流為±200mA，峰值可達±1A。（2）啟動電流僅1mA即可進入工作狀態(tài)。處于正常工作狀態(tài)時，工作電壓在8.6-34V之間，工作電流為15mA。超出此限制，開關電源呈欠電壓或過電壓保護狀態(tài)，無驅動脈沖輸出。（3）內設5V/

53、50mA基準電壓源，經(jīng)二分后作為取樣基準電壓。（4）輸出電流大，是驅動MOSFET管的理想器件。振蕩頻率由外接RC電路設定，工作頻率最高可達500KHz。（5）內設過流保護輸入和誤差放大輸入兩個PWM控制端。誤差放大器輸入構成主PWM控制系統(tǒng)，可使負載變動在30-100時輸出負載調整率在8以下，負載變動在70-100時負載調整率在3以下。（6）電流檢測輸入端可對每個脈沖進行控制，直接控制每個周期的脈寬，使輸出電壓調整率達到0.01%。電路的抗干擾性極強，開關管不會誤觸發(fā)，提高了可靠性。4.2 UC3843的工作原理圖4-1 UC3843原理圖如圖4-1所示為UC3843原理圖12。芯片中的振蕩

54、器根據(jù)外接Rt/Ct網(wǎng)絡產(chǎn)生頻率為的時鐘信號；電阻將被檢測的電流信號轉換為電壓信號，RS觸發(fā)器用于實現(xiàn)限制電感電流峰值的大小，當峰值電流過大時關斷開關管。誤差放大器把基準電壓和輸出電壓分量之間的差值進行放大，得到誤差信號，誤差信號經(jīng)過分壓后得到控制電壓(PWM比較強門限電壓)。具體來講上個周期結束時，誤差放大器根據(jù)輸出電壓與基準電壓共同建立控制門限電壓，RS觸發(fā)器的復位端和置位端均為低電平，當新一個周期開始時，時鐘信號使RS觸發(fā)器的置位端為高電平，RS觸發(fā)器輸出端Q為高電平，開關管導通；之后由于時鐘信號占空比很小，很快回落，此時RS觸發(fā)器的置位端和復位端均為低電平，輸出保持，開關管保持導通；電

55、感電流在輸入電壓和輸出電壓共同作用下上升，當電感電流上升使得大于門限電壓時，PWM比較器翻轉，輸出高電平至RS觸發(fā)器的復位端，使得RS觸發(fā)器輸出低電平,開關管關斷。綜上所述，每個周期開始后，門限電壓有輸出電壓確定，電感電流開始上升，當電感電流上升達到條件時，開關管即被關斷，電感電流開始下降，此后開關管一直關閉，直到下一個周期開始時重復上述過程。在每個周期，電感電流的最大值被反饋電壓決定的控制電壓所限制，其最大電流為，我們把這種限制電感電流最大值得控制模式稱為峰值電流控制模式，通過這種控制模式，每一個周期內的最大電流都被加以限制，即使輸出短路，也能及時將開關管關斷（靜區(qū)時間之后），所以這種控制模

56、式下的輸出電流非常穩(wěn)定，抗干擾能力強。4.3 UC3843的引腳及其功能UC3843為8腳雙列直插式封裝，其管腳排列如圖。主要由5.0V基準電壓源、用來精確地控制占空比調定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、PWM鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅動功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等構成。1腳為補償端；2腳為電壓反饋端；3腳為電流取樣端；端4接Rt/Ct端，用以確定鋸齒波頻率；端5接地；端6為輸出端，有拉、灌電流的能力；端7為集成塊工作電源電壓端，可以工作在8.6-40V；端8為內部供外用的基準電壓5V，帶載能力50mA。圖4-2 UC3843管腳圖管腳功能說明1補償該管腳為誤差放大器

57、輸出，并可以用于環(huán)路補償。2電壓反饋該管腳是誤差放大器的反相輸入，通常通過一個電阻分壓器連至開關電源輸出。3電流取樣一個正比與電感電流的電壓接至此輸入，脈寬調制器使用此信息終止開關導通。4Rt/Ct通過電阻Rt連接至Vref以及電容Ct連接至地，使振蕩器頻率和最大占空比可調。工作頻率可達500KHz。5地該管腳是控制電路和電源的公共地。6輸出該輸出直接驅動功率MOSFET的柵極，高達1.0A的峰值電流經(jīng)此管腳拉或灌。7Vcc該管腳是集成電路的正電源。8Vref該管腳為參考輸出，它通過電阻Rt向電容Ct提供充電電流。4.4 UC3843的內部結構UC3843內部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存電路、5VC基準電源、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等，見圖4-3。圖4-3 UC3843的內部結構（1）5V的基準電源:內部電源經(jīng)衰減得到2.5V作為誤差比較器的比較基準.該電源還可以提供外部5V/50mA；（2）振蕩器:產(chǎn)生波振蕩，接在4和8腳之間，接4腳和5腳之間，最大為500kHz。其計算公式為（3）誤差放大器：由端輸入的反饋電壓和2.5V做比較，誤差電壓用于調節(jié)脈沖寬度。1腳引出接外部RC網(wǎng)絡，以改變增益和頻率特性；（4）輸出電路：圖騰柱輸出結構，最大輸出電流1A，驅動MOSFET。圖騰柱輸出電路（Totem Pole），由于此輸出畫出的電路圖有點