LED路燈驅(qū)動電源

1、分類號：學校代號：11845UDC：密級：學號：2111104179廣東工業(yè)大學碩士學位論文(工程碩士專業(yè)學位）大功率反激式LED路燈驅(qū)動電源的設(shè)計周瑜指導教師姓名、職稱： 王欽若 教授 專業(yè)或領(lǐng)域名稱：控制工程學生所屬學院：自動化學院論文答辯日期：2014年5月27日A Dissertation Submitted to Guangdong University of Technology forthe Degree of Master(Master of Engineering)Design of High-power Flyback Lamp Driving PowerSupply on

2、 LEDCandidate: Zhou YuSupervisor: Prof. Wang QinruoMay 2014School of AutomationGuangdong University of TechnologyGuangzhou, Guangdong, P.R. China, 51006摘要LED照明的低能耗、長壽命凸顯了其在節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢，同時具有環(huán)保無 汞、體積小等突出特點，這些都必將成為未來路燈照明的趨勢。但是目前，LED路 燈驅(qū)動電源仍存在效率低且壽命不能與LED匹配等問題，成為制約LED路燈照明 裝置進一步推廣應(yīng)用的瓶頸。因此，設(shè)計高效率、高功率因數(shù)、高可靠性長壽

3、命驅(qū) 動電源具有重要的實用價值，對推動LED照明技術(shù)的具有重要的意義。本文首先詳細介紹了 LED的工作原理，分析與總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)研究文獻，介 紹了 LED驅(qū)動電源的發(fā)展方向。系統(tǒng)的闡述了開關(guān)電源的回路拓撲、工作方式、調(diào) 制模式和反饋模式。在此基礎(chǔ)上本文利用L6561控制芯片設(shè)計了一款高功率因數(shù)、 高效率的反激式LED路燈驅(qū)動電源。其次，在反激式變換器工作原理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了電源的主電路、控制電 路和保護電路，并對電路中器件參數(shù)進行確定。本文將PFC和DC/DC變換電路有 效結(jié)合，與傳統(tǒng)LED路燈驅(qū)動電源相比，本文設(shè)計取消了單獨的PFC電路，從而 不需要使用PFC電路中的大功率MOS管及高

4、頻變壓器，同時也取消了 PFC電路與 電壓變換電路之間的大功率、高反壓、快恢復二極管和大體積、大容量、高耐壓的 電解電容等元器件。最后，論文完成了電路的設(shè)計，制作了一臺輸入寬電壓范圍，輸出功率為150W 的LED驅(qū)動電源樣機，并對樣機進行了測試，采集了關(guān)鍵點的波形和功率損耗進行 分析。測試結(jié)果顯示，該樣機能夠很好的實現(xiàn)150W/3.3A恒流輸出，功率因數(shù)0.98, 效率高達91.5%，測試結(jié)果符合設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：LED驅(qū)動；大功率；開關(guān)電源；DC/DC變換；恒流ABSTRACTLED lighting, with the features of low energy consumption

5、and long life, has highlighted its advantage in the energy saving. Besides, environmental protection, no mercury, small volume and other prominent features, all these will become the future trend of street lighting. But at present, LED street lamp driver power with the problem of low efficiency and

6、life can not match with the LED, has become the bottleneck that restricts LED street lamp lighting device further application. Therefore, the design of high efficiency, high power factor, high reliability and long life drive power has important practical value, is of great significance to promote LE

7、D lighting technology.Firstly, this paper introduces the principle of LED, analysis and summarizes the relevant research literature at home and abroad, and introduces the development trend of LED driving power supply. The system describes the switching power from the loop topology, supply mode, modu

8、lation mode and feedback mode. Using L6561 chip, it designs a flyback LED street lamp driver with a high power factor, high efficiency.Secondly, this paper designs the main circuit, power supply control circuit and protection circuit, and fixes the device parameters in the circuit, basis on the anal

9、ysis of flyback converter operating principle. This design has efficiently combined the PFC and DC/DC conversion circuit, compared with the traditional LED driver power supply, it eliminates the PFC circuit. This design does not require the use of high power MOS tube and high frequency transformer i

10、n PFC circuits, but also cancelled large power, the PFC circuit and the voltage conversion circuit of high pressure, fast recovery diode and large volume, large capacity, high voltage electrolytic capacitors.Finally, the thesis has completed the circuit design, and made a LED driver prototype with a

11、 wide range input voltage, and 150W output power. It also has tested the prototype, including the waveform and the power loss of the key points analysis. The test results show that, the prototype can realize 150W/3.3A constant current output, 0.98 power factor, efficiency as high as 91.5%, the test

12、results meet the design requirements.Keywords: LED driver; high-power; switching power; DC/DC converter; constantcurrentm wiABSTRACTIlls mvCONTENTSVII第一章緒論I1.1課題的研究背景及其意義11.2 LED基本工作原理21.2.1 LED發(fā)光原理21.2.2 LED伏安特性31.3 LED驅(qū)動電源的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.4 LED驅(qū)動電源的發(fā)展方向91.5本文研究的主要內(nèi)容10第二章開關(guān)電源設(shè)計理論122.1開關(guān)電源主回路拓撲122,1,1主回路拓

13、撲介紹122.1.2主回路拓撲的選擇152.2開關(guān)電源調(diào)制模式152.2.1 概述152.2.2 PWM控制方式162.2.3 PFM控制方式162.3開關(guān)電源的反饋模式172.3.1電壓反饋控制模式182.3.2電流反饋控制模式192.4本章小結(jié)20第三章基于L6561的反激式驅(qū)動電源的設(shè)計213.1系統(tǒng)整體架構(gòu)的設(shè)計213.2 PFC+DC/DC變換電路一體化的設(shè)計223.3反激式變換器的參數(shù)設(shè)計253.3.1反激變壓器的設(shè)計263.3.2功率開關(guān)管和輸出二極管的選取303.3.3緩沖電路的設(shè)計313.4芯片供電電路設(shè)計343.5電流過零檢測電路設(shè)計353.6控制電路設(shè)計373.6.1電流

14、環(huán)電路設(shè)計393.6,2電壓環(huán)電路設(shè)計403.7保護電路設(shè)計413.7.1過壓保護電路設(shè)計413.7.2短路保護電路設(shè)計423.8本章小結(jié)43第四章系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析444.1基本調(diào)試444.2實驗波形及數(shù)據(jù)分析464.2.1實驗波形464.2.2性能測試數(shù)據(jù)分析484.3功耗分析504.3.1變壓器損耗分析514.3.2功率MOS管損耗分析514.3.3整流二極管損耗分析51總結(jié)與展望53#雜55攻讀碩士學位期間發(fā)表論文59學位論文獨創(chuàng)性聲明60學位論文版權(quán)使用授權(quán)聲明60St M61附錄1系統(tǒng)原理圖62附錄2PCB圖63CONTENTSABSTRACT (Chinese) IABSTRAC

15、T (English) IllCONTENTS (Chinese) VCONTENTS (English) VIIChapter 1 Introduction 11.1 The research background of the subject and itssignificance11.2 The basic principle of LED21.2.1 LED light-emitting principle21.2.2 LED volt ampere characteristic31.3 The research status of LED driving power source a

16、t home and abroad51A Development of LED driver91.5 The main contents of this paper10Chapter 2 Switching power supply design theory122.1 The switch power main circuit topology122. LI The main circuit topology122.1.2The main circuit topology selection152.2 Modulation mode switching power supply152.2.1

17、 Summary152.2.2 The PWM control mode162.2.3 The PFM control mode162.3 Feedback mode switching power supply172.3.1 Voltage feedback control mode182.3.2 Current feedback control mode192.4 The summary of this chapter20Chapter 3 Design of flyback converter based on L6S61213.1 The design of the overall s

18、ystem architecture213.2 Design of PFC+DC/DC conversion circuit integration223.3 Parameter design of flyback converter253.3.1 The design of the flyback transformer263.3.2 Select the power switch and the output diode303.3.3 Design of snubber circuit313.4 Chip power supply circuit design343.5 Zero curr

19、ent detection circuit design353.6 Control circuit design373.6.1 Circuit design of current loop393.6.2 Circuit design of voltage loop403.7 Design of protection circuit413.7.1 Overvoltage protection circuitdesign413.7.2 Short circuit protection circuitdesign423.8 The summary of this chapter43Chapter 4

20、 Test and data analysis system444.1 Basic debugging444.2 Analysis of experimental waveformsand data464.2.1 The experimental waveforms464.2.2 Performance analysis of the testdata484.3 Power analysis504.3.1 Transformer loss analysis514.3.2 Analysis of MOSFET loss514.3.3 Analysis of rectifier diode los

21、s51The conclusion and Prospect53Reference55Published Papers59Thesis original statement60Thesis copyright license statement60Acknowledgments61Appendix 1 The system principle diagram62Appendix 2 PCB diagram63第一章緒論1.1課題的研究背景及其意義隨著全球氣候變暖，能源供應(yīng)問題日趨嚴重，LH) (Light Emitting Diode, LED) 光源以其高效節(jié)能、綠色環(huán)保、壽命長等諸多優(yōu)點受

22、到人們的青睞，被譽為“第四 代光源”。我國把LED作為節(jié)能、環(huán)保的重要技術(shù)，己被納入國家中長期科技發(fā)展 規(guī)劃與國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重大項目（“863”計劃），并得到了大力支持11。2011年， 高亮度LED市場規(guī)模由2010年的82.5億美元成長至126億美元，年增長率高達 53%。受全球主要國家的政策推動、LED發(fā)光效率顯著提升、照明燈具整體設(shè)計趨 向成熟，以及LED照明價格預(yù)估每年將有20%30%下跌空間等因素的影響，預(yù)計 2015年全球LED照明市場規(guī)模將達217億美元121。國家發(fā)改委在2011年11月4日宣布，從2012年10月1日起，按照功率大小 分階段逐步禁止進口和銷售普通照明白熾

23、燈，這為LED市場的發(fā)展帶來了巨大的商 機。與傳統(tǒng)的白熾燈相比，LED照明存在明顯優(yōu)勢。例如，普通40W白熾燈使用 8h的耗電量，折合碳排放量約為0.30kg，而照度相當于40W白熾燈的白光LED照 明燈，其碳排放量僅為.4kg，二者相差7.5倍'此外，用LED逐步取代節(jié)能燈 也勢在必行，因為每支節(jié)能燈的含汞量為35mg，而汞的沸點很低，常溫下即可 蒸發(fā)，進入人體會損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并且汞能以不同形式對土壤、江河、大氣層 造成污染，如將全國的白熾燈換成節(jié)能燈，其潛在的危害令人堪憂。因此LED照明 是綠色照明的首選。大功率LED具有許多其他光源不具備的一系列優(yōu)點，被應(yīng)用到各種照明場合，

24、并具有廣闊的發(fā)展前景。LED的發(fā)展必須與LED驅(qū)動電源的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起， 開關(guān)電源具有效率，質(zhì)量小，輸出電壓可實現(xiàn)升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點，是LED 驅(qū)動電源的首選|<。但目前存在許多技術(shù)和設(shè)計上的問題尚未解決，例如，開關(guān)電 源的可靠性（使用壽命）問題正是其中之一15' LED燈具主要由LED芯片、散熱 系統(tǒng)及LED驅(qū)動電源三部分組成，而這三個因素中驅(qū)動電源對LED燈具的壽命起 著關(guān)鍵性的作用，也可能是當前推廣大功率LED的瓶頸M。例如，Cree公司的Xlamp 的系列產(chǎn)品，其典型參數(shù)為3.5V、700mA，當PN結(jié)溫度為80攝氏度，光通量衰減 到初始值的70%時，散熱系統(tǒng)

25、是壽命為51000h，芯片的壽命為50000h，而驅(qū)動電 源的壽命僅為20000h。因此LED燈具的壽命主要取決于驅(qū)動電源，在LED照明系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)往往是驅(qū)動電源21。Figurel-1 Probability distribution of the power electronic device failure 傳統(tǒng)驅(qū)動電源在整流后都會接一個獨立的功率因數(shù)控制電路，這個電路需要大 功率、高反壓的開關(guān)管和大體積、大容量、高耐壓的電解電容。圖1-1是LED驅(qū)動 電源的電子器件失效概率分布圖15，高壓電解電容的故障率高達61%，高壓電解電 容的性能很大程度上決定了 LED驅(qū)動電源的可靠性。因

26、此，設(shè)計無高壓大容量電解 電容、高功率因數(shù)的高可靠性長壽命驅(qū)動電源具有重要的實用價值，對推動LED照 明技術(shù)的具有重要的意義。1.2 LED基本工作原理 1.2.1 LED發(fā)光原理發(fā)光二極管（LED)是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號的結(jié)型電致發(fā)光半導體器件，LED 的工作原理如圖1.2所示。LED不僅具有一般PN結(jié)的正向?qū)?、反向截止及擊穿?此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。N區(qū)和P區(qū)的交界處形成的PN結(jié)組成 發(fā)光層|16。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）復合而發(fā)光。1.2.2 LED伏安特性7-f/特性是表征LED

27、芯片PN結(jié)性能的主要參數(shù)，LED的/-f/特性具有非 線性、單向?qū)щ娦?，即外加正偏壓為低電阻，反之為高電阻，如圖1-3所示。當外加電壓極性不同時，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導電性能。由于PN結(jié)是LED 的核心，與PN結(jié)一樣，LED具有單向?qū)щ娦浴Ｈ绻赑N結(jié)的兩端外加電壓，就 將破壞原來的平衡狀態(tài)。使LED開始導通的臨界電壓稱為開啟電壓。當LED兩 端的電壓小于時，LED中電流較小或沒有電流流過；當大于時，LED中電流 將隨電壓增大而急劇增大。LED工作電流的大小決定其發(fā)光亮度。在近似分析時， 仍然用PN結(jié)電流方程來描述LED的付安特性_。如圖1-3所示。LED的伏安特 性曲線可分為四個部分：Fi

28、gure 1-3 Curve of LED I U characteristic(1) 正向死區(qū)（圖1-3中的0A段）。A點電壓為開啟電壓，當時， 外加電場尚未克服少數(shù)載流子擴散而形成的勢壘電場，此時LED的電阻很大，正向 電流很小。對于不同的LED有不同的開啟電壓。(2) 正向工作區(qū)（圖1-3中的AB段）。LED所加端電壓與流過它的電流八的 關(guān)系為：式中：八為正向飽和電流。在的正向工作區(qū)，心與匕的關(guān)系呈指數(shù)規(guī)律上 升。正向工作電流/F是指LED正常發(fā)光時的正向電流值，一般選擇心在.6</& (/f為正向工作電流最大值）以下。在心=20W時測得的電壓為正向工作電壓Ff， 為1.4

29、3V。在環(huán)境溫度升高時，正向工作電壓匕將下降。根據(jù)伏安特性曲線可知，LED在正向?qū)ê?，電流急劇上升，其正向電壓的?小的變動就會引起電流很大的變化。LED發(fā)光亮度Z與正向工作電流&的關(guān)系如 下：式中：尺為比例系數(shù)。在/F=l10肌4，w = 1.31.5。當/f>10/W/4時，w = l。則式 (1.3)可簡化為即LED的發(fā)光亮度與正向電流成正比。其相對發(fā)光強度與正向電流有關(guān)。(3) 反向死區(qū)（圖1-3中的0C段）。當在LED兩端加反向電壓，反向電流很 小，此時LED處于截止狀態(tài)。(4) 反向擊穿區(qū)（圖1-3中的CD段）。當F<-Fe時，LED被反向擊穿，稱 為反向擊穿

30、電壓，所對應(yīng)的電流/e稱為反向漏電流。當反向偏壓F<-re時，&將 突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象|2"。1.3 LED驅(qū)動電源的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀LED常用的恒流驅(qū)動有電阻限流電路、線性電源、開關(guān)電源三種方式以下分別介紹。(1) 電阻限流電路電阻限流電路是LED最簡單的驅(qū)動方式，如圖1-4所示，圖中R為限流電阻， LED的正向電壓為匕，正向電流為/F。它們的關(guān)系式如下：由圖1-4可知，使用串聯(lián)電阻調(diào)節(jié)電流是最簡單，其優(yōu)點是成本低、實施簡單， 而且不會由于開關(guān)而產(chǎn)生噪聲。雖然這種驅(qū)動電路比較簡單，但是通過LED的電流 會跟隨輸入電壓的波動而變化，因此調(diào)節(jié)性能差。電阻上的功率損耗導致

31、系統(tǒng)效率 降低；并不能控制大功率LED的發(fā)光亮度。而且，這種方案需要穩(wěn)壓源來得到恒定的電流。(2) 線性電源線性電源驅(qū)動LED的電路圖如圖1-5所示。把線性電源作為驅(qū)動LED的原因有很多。線性電源相對于開關(guān)模式驅(qū)動器的優(yōu) 點是電流結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，因為沒有高頻開關(guān)，完全沒有任何EMI輻射，從商 用角度看其成本也很低|2_25。LED是電流驅(qū)動器件，其亮度與正向電流成正比。線 性電源是采用正向電流下對應(yīng)的LED工作電壓，然后采用限流電阻來驅(qū)動LED發(fā) 光。LED兩端的電壓波動影響其工作電流的大小，LED結(jié)溫的升高，LED的正向 壓降會降低，正向壓降下降又導致正向電流的增大，這樣就形成了正反饋，

32、導致限 流電阻損耗和LED光衰的增加，甚至減少LED壽命或者導致LED損壞。線性LED驅(qū)動電路的一個缺點是效率低，效率為LED電壓與輸入電壓的比。 如果輸入電壓高于LED電壓，其效率就低。在這種情況下，效率低下將引起熱問題， 可能要使用散熱片，而這也將導致電路體積增加，成本也有所增加126 2”。而且線性電 源還沒有考慮EMI濾波和屏蔽電路。這些附加電路將使LED驅(qū)動電路的整個成本 增加兩倍。線性LED的主要局限性在于，LED電壓總是低于電源電壓。線性電壓 源和電流源不能提高其輸出電壓，使輸出電壓高于輸入電壓。而開關(guān)電源可以使輸 出電壓高于輸入電壓，下節(jié)討論開關(guān)電源。(3) 開關(guān)型DC-DC調(diào)

33、整器與線性電源相比，盡管開關(guān)電源的設(shè)計比較復雜，噪聲也比較大，但開關(guān)電源 的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在電源效率、體積和重量等方面。尤其是構(gòu)成大功率穩(wěn)壓電源時， 在相同的輸出功率條件下其體積比線性電源大為減小，成本也顯著降低。LED開關(guān)型DC-DC調(diào)整器主要分為非隔離式和隔離式非隔離式主要有降壓（buck)型（如圖1-6所示）、升壓型（boost)(如圖1-7 所示）和降壓-升壓型（buck-boost)調(diào)整器（如圖1-8所示）。開關(guān)電源采用半導體 器件作為開關(guān)，通過控制功率管開通和關(guān)斷來調(diào)整輸出電壓或電流的一種電源。開 關(guān)電源工作時，當功率管導通時，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零，當功率管截 止時，集電極

34、電流為零，所以其損耗小，效率較高。但缺點是輸出電流紋波較大， 通常采用大容量的電解電容進行濾波，但電解電容壽命正是制約開關(guān)電源可靠性的 關(guān)鍵因素。隔離式變換器提高了用電設(shè)備的安全性能。主要有正激變換器、反激變換器等。 典型隔離式的DC-DC變換器的拓撲示意如圖1-9所示。據(jù)LED產(chǎn)業(yè)研究所統(tǒng)計，截至2012年2月底，中國共有具備一定規(guī)模的LED 驅(qū)動電源企業(yè)數(shù)量（注：指以銷售LED驅(qū)動電源為主的企業(yè)，不包含僅給自己做配 套而生產(chǎn)驅(qū)動電源的應(yīng)用企業(yè)）300余家，其中珠三角地區(qū)將近260家，占總數(shù)量 的86%;其次是長三角地區(qū)，企業(yè)數(shù)量占總比的10%;其他少量企業(yè)分布在北方地 區(qū)和其他南方地區(qū)，合

35、計占比4%。目前國內(nèi)LED大功率驅(qū)動電源市場規(guī)模仍然 比較小，主要被深圳茂碩、廣州明緯以及杭州英飛特等幾個企業(yè)占有13。國內(nèi)著名 LED驅(qū)動電源公司茂碩電源率先推單路和多路恒流型LED驅(qū)動電源，將系統(tǒng)的效 率提高到92%-94%。隨著LED的廣泛應(yīng)用，LED驅(qū)動的要求在不斷提高，高效率、 高功率因數(shù)、安全隔離、符合EMI標準、高電流控制精度、高可靠性、體積小、成 本低等正成為LED驅(qū)動的關(guān)鍵評價指標。大功率LED有恒壓驅(qū)動和恒流驅(qū)動，國外還提出脈沖直流驅(qū)動。通常用電流 的函數(shù)來描述LED的發(fā)光特性，即光通量0為正向電流/F的函數(shù)，由圖1-10可以 看出LED的正向電流/F與光通量0呈近似的線性

36、關(guān)系，但是在LED發(fā)光過程中會 引起結(jié)溫的升高導致光輸出會呈現(xiàn)飽和的趨勢32M1。批量生產(chǎn)時，大功率LED的正向壓降6通常一致性不高，一般在34V，并 且微小的正向壓降波動就會對正向電流引起較大的影響，從而會影響LED的發(fā)光亮 度。大的紋波電流導致LED亮度閃爍，引起LED結(jié)溫升高，從而增大光衰、降低 LED的發(fā)光效率和使用壽命。并且由于LED自身的正向電壓會隨著溫度升高而降 低，在恒壓驅(qū)動時使得通過LED的電流增大，導致LED發(fā)熱增加、引起惡性循環(huán)， 嚴重的情況下會燒毀LED，所以大功率LED通常采用恒流驅(qū)動。目前研究表明： 脈沖電流驅(qū)動在驅(qū)動小功率LED上比恒流驅(qū)動有較大的優(yōu)勢，在相同功率

37、的情況下 脈沖電流驅(qū)動的光通量要高于恒流驅(qū)動的光通量，*但對于脈沖電流驅(qū)動用于驅(qū)動大 功率LED，至今還存在許多難點尚未攻克，國內(nèi)外一些高校和學者正在對這方面進 行研究_。1.4 LED驅(qū)動電源的發(fā)展方向LED照明燈具對其驅(qū)動電源的主要要求為：恒流、高效率、高可靠性、良好電 磁兼容EMC，良好電氣特性。早期的驅(qū)動電源設(shè)計比較追求低成本，近年來大家認 識到高效率、高可靠性才是最重要的。(1) 提高驅(qū)動電源的使用壽命LED驅(qū)動電源元器件的選擇不但會影響整個驅(qū)動電源的效率，甚至壽命，其中 電解電容就是一個最典型的例子。在傳統(tǒng)LED驅(qū)動電源中，電解電容器的壽命一 般只有5000小時，在實際應(yīng)用中，使用

38、壽命隨著溫度的升高會大大減短。一般簡 化為“十度法則”，就是從室溫算起，溫度每升高10度，元器件的壽命減半。因此， 新型高功率LED驅(qū)動電源應(yīng)采用高性能電容，控制工作溫度，通過電路設(shè)計減小 電容容值規(guī)格，或避免使用電解電容3。(2) 解決散熱問題影響LED驅(qū)動電源可靠性的主要因素，除了開關(guān)電源方案的選取、開關(guān)器件 性能外，最關(guān)鍵是溫度和散熱問題lw。有效控制LED驅(qū)動電源溫度，一方面可以保 證開關(guān)器件的安全工作，另一方面也可以提高電路中一些電解電容的使用壽命，最 終使驅(qū)動電源可靠性提高，延長器使用壽命。控制驅(qū)動電源溫度的方法，均勻排布 功率器件，采用鋁極板散熱，釆用一些軟開關(guān)技術(shù)及優(yōu)化一些設(shè)計

39、工藝，不斷提高 驅(qū)動電源的效率。(3) 智能電源LED照明節(jié)能環(huán)保，正處于應(yīng)用的熱潮，但是制約LED照明普及的問題有很 多，比如如何提高能效、延長壽命、降低成本，以及實現(xiàn)LED燈光智能控制等。通 過微控制器，可實現(xiàn)電源控制、電源管理、電源監(jiān)測和通信功能。智能化程度高， 軟硬件相結(jié)合。使電源在上電或斷電期間能互相跟蹤，確保各電源有序地工作1.5本文研究的主要內(nèi)容本文在綜合國內(nèi)外最新研究成果的基礎(chǔ)上，提出了功率因數(shù)控制和DC/DC變 換有機融合，研制出傳輸效率高、輸出紋波小、無高壓電解電容的高可靠性LED驅(qū) 動電源。采用反激式變換器技術(shù)取代大容量的電解電容，提高LED驅(qū)動電源的可靠 性。本課題主要

40、工作包括了以下幾個方面：第一章：提出本課題所研究的背景和意義，介紹了 LED的基本工作原理和驅(qū) 動方式，以及LED驅(qū)動電源的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，在此基礎(chǔ)上，并對本論文內(nèi)容 進行安排；第二章：詳細介紹了開關(guān)電源的原理，著重闡述了本課題研究中所使用開關(guān)電 源的主回路拓撲、工作方式、調(diào)制模式和控制模式，并完成了該方案的整體架構(gòu)設(shè) 計；第三章：主要介紹了本課題研究中所使用的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器芯片，對轉(zhuǎn)換 器主要元件參數(shù)進行了具體設(shè)計計算，并設(shè)計了轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)的反饋補償網(wǎng)絡(luò)。 在此基礎(chǔ)上增加驅(qū)動電源的保護電路。第四章：對整個驅(qū)動器系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換性能進行測試，給出相關(guān)測試結(jié)果。最 后對設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換器

41、進行測試分析，得出系統(tǒng)效率等性能參數(shù)。第二章開關(guān)電源設(shè)計理論在進行變換器的任何設(shè)計工作之前，首先要分析確定開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)的選 擇，因為其他所有的設(shè)計選擇都取決于它。然后對開關(guān)電源的調(diào)制模式和控制電路 調(diào)節(jié)方式進行選取，為開關(guān)電源各電路模塊設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。2.1開關(guān)電源主回路拓撲2.1.1主回路拓撲介紹開關(guān)電源主回路指的是開關(guān)電源中功率電流流經(jīng)的通路。而拓撲結(jié)構(gòu)指的是能 用于轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)輸入電壓的功率開關(guān)元件的不同配置。開關(guān)變換器拓撲結(jié)構(gòu) 通常分為兩類：非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)和隔離型拓撲結(jié)構(gòu)“"。非隔離型拓撲是指輸入端與輸出端電氣相通，中間沒有隔離也就是說在工作期 間輸入電源和輸出負

42、載共用一個電流回路。非隔離型的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、 成本較低；輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬。缺點是前后不隔離，采用市電供電時，接觸電源 輸出端或地端可能有觸電危險；只能升壓或降壓或極性轉(zhuǎn)換，輸出電壓不能與輸入 電壓相等。非隔離型拓撲適用于輸入是36V以內(nèi)的低壓場合（例如蓄電池供電）以 及整個電路包括地線不可能被人接觸的場合（例如調(diào)光臺燈）。由于人與路燈會有接 觸，所以LED路燈電源要經(jīng)過隔離，不能讓人觸電。隔離型拓撲是指輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁耦合方式傳 遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。即能量轉(zhuǎn)換是用一個相互耦合磁性元件變壓器來 實現(xiàn)的，而且從電源到負載的耦合是借助于磁通而不是共用

43、的電流。隔離型開關(guān)變 換器的優(yōu)點是前后隔離，后級對大地無危險電壓，輸出電壓可以與輸入電壓相等或 是一個可以包含輸入電壓的范圍。缺點是體積較大，或同等體積的功率較小。隔離 型拓撲適用于市電供電的場合，信號檢測需隔離采集的場合隔離式開關(guān)變換器主要包括半橋型變換器、正激型變換器和反激型變換器等， 它們的工作原理如下：(1) 半橋變換器拓撲圖2-1表示出了半橋變換器的電路原理圖，直流輸入電源經(jīng)兩個串聯(lián)等值的電 容濾波后，為變換器提供直流電壓，VT1和VT2串聯(lián)連接，變壓器連接在串聯(lián)開關(guān) 管和串聯(lián)電容的中點位置。因為，變壓器的繞組只承受一半的電源電壓。VT1導通，A點電壓為Vs的一半。此時A點電壓加載到

44、變壓器一次繞組上，變壓器一次繞組 通過VT1建立了電流。VT1關(guān)斷，由于變壓器一次側(cè)電感和漏感的作用，電流將繼 續(xù)朝原方向流動。此時由于VT1已斷開，因而電流將通過VT2的體內(nèi)反偏二極管 導通而流動。這時圖中的B點電壓被箝位至Vs，變壓器一次電流減小，變壓器二 次側(cè)已無電壓輸出，負載靠L電感續(xù)流提供能量。VH、VT2都關(guān)斷，變壓器一次 電流已減到0,二次側(cè)的輸出電感L續(xù)流為負載提供能量。VT2導通，VT1關(guān)斷， 連接在輸入電壓Vs和中點A之間的電容C1為變壓器提供電壓，此電壓也為Vs的 一半，變壓器開始為負半周導通，變壓器電流反向流動。VT2關(guān)斷，由于變壓器一 次側(cè)電感和漏感作用，電流將繼續(xù)朝

45、原方向流動。此時由于VT2已斷開，因而電流 將通過VT的體內(nèi)反偏二極管導通而流動。這時圖中的B點電壓被箝位在0,變壓 器一次電流減小，變壓器二次側(cè)己無電壓輸出，負載靠L來續(xù)流提供能量。VT1、 VT2都關(guān)斷，變壓器一側(cè)電流已減到0,二次側(cè)電路中的輸出電感L續(xù)流，為負載 提供能量。但由于兩只開關(guān)管開關(guān)特性不同、開關(guān)時間偏差、飽和開通電壓不同，均會引 起正、負半周不平衡的伏*秒值。輸出二極管壓降的不同會引起變壓器二次側(cè)在續(xù) 流期間產(chǎn)生電壓差二造成階梯式飽和。這將會引起變壓器磁滯回線偏移，致使鐵芯 工作到飽和區(qū)并產(chǎn)生過大的電流，增加變壓器損耗，降低變換器效率，嚴重的會使 開關(guān)管失控，甚至燒毀

46、1;<5。(2) 正激變換器拓撲正激變換器可以從降壓式變換器演變而來，二者的區(qū)別是正激變換器增加了高 頻變壓器，實現(xiàn)一次側(cè)與二次側(cè)的隔離。正激變換器可用幾百瓦的LED驅(qū)動電源。 正激變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，Lf 為具有儲能作用的濾波電感。其工作原理時當功率開關(guān)管Q1導通時，Dl導通，除 向負載供電之外，還有一部分電能存儲在Lf和電容C1中，此時D2截止。當功率 開關(guān)管Q1關(guān)斷時，D1截止，D2導通，存儲在Lf中的電能就經(jīng)過D2構(gòu)成的回路 向負載供電，維持電壓不變。(3) 反激式變換器拓撲反激變換器電路如圖2-3所示，在脈寬調(diào)制信號的正半周時開關(guān)

47、管Q導通，一 次側(cè)有電流通過，將能量存儲在一次繞組中。此時二次側(cè)繞組的輸出電壓極性是上 端為負、下端為正，使D1截止，沒有輸出。負半周時開關(guān)管Q截止，一次側(cè)沒有 電流通過，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，此時在一次側(cè)繞組上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)過D1、 C1整流濾波后獲得輸出電壓。由于開關(guān)頻率很高，使輸出電壓基本維持恒定，從而 實現(xiàn)了穩(wěn)壓目的。2.1.2主回路拓撲的選擇上一節(jié)主要介紹了半橋變換器、正激變換器和反激變換器的工作原理，它們的 應(yīng)用范圍和各自特點如表2_1所示。表2-1開去電源拓撲結(jié)構(gòu)比較 Table 2-1 Switching power supply topology拓撲功率范圍（W)輸入電壓（

48、V)典型效率（)相對成本半橋電路0050050-1000802.2正激式電路0-1505-500831.4反激式電路0 1505 500851.2半橋變換器在開機啟動之初，由于變壓器設(shè)計時的磁感應(yīng)強度擺幅值取值很 大，就有可能在開機瞬間是磁芯飽和，并產(chǎn)生過大的電流，增加變壓器損耗，降低 變換器效率，嚴重的會使開關(guān)管失控，甚至燒毀。正激變換器的功能主要是傳遞能 量，但不能存儲和釋放能量，因此需要組合一些元器件，而且變壓器磁芯一直工作 于被置位狀態(tài)，容易飽和。反激式變換器中，變壓器既有變壓和隔離功能，還具有 儲能的作用，不需要輸出濾波電感，可以多路輸出。這一點對減小變換器的體積， 降低成本十分重要

49、。所以本文設(shè)計主回路采用反激式變換器拓撲。2.2開關(guān)電源調(diào)制模式2.2.1概述開關(guān)電源的設(shè)計一般采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM)方式和脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，PFM )方式。脈寬調(diào)制保持開關(guān)工作頻率不變，即開關(guān)時間周期7 = 7+777保持恒定，控 制變化開關(guān)的導通時間7一。其特點是開關(guān)周期為恒定值，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改 變占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。脈沖頻率調(diào)制保持開關(guān)導通時間7;不變，通過改變工 作頻率來調(diào)節(jié)占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。2.2.2 PWM控制方式PWM開關(guān)穩(wěn)壓的基本工作原理如圖2-4所示，從開關(guān)電源的輸出電

50、壓取一信號 電壓和基準電壓進行比較放大，然后將其差值送到脈寬調(diào)制器，脈寬調(diào)制器的頻率 是不變的，當輸出電壓下降時，與基準電壓比較的差值增加，經(jīng)過放大后輸入到 PWM比較器，加寬了脈沖寬度1。寬脈沖經(jīng)過功率開關(guān)管驅(qū)動高頻變壓器，是變壓 器一次側(cè)電壓升高，然后耦合到二次側(cè)，經(jīng)過二極管整流和電容濾波后，輸出電壓 上升。反之，當輸出電壓升高時PWM比較器輸出的脈寬變窄，一次側(cè)電壓降低， 輸出電壓下降，從而使輸出電壓達到平衡。設(shè)計脈寬調(diào)制需要注意的是反饋信號的質(zhì)量，反饋信號前沿要陡峭后沿要短 促，設(shè)計時后沿要用斜坡校正，還要有誤差補償，各脈沖有一定的時間間隔，保證 脈寬調(diào)制的穩(wěn)定性和可靠性。2.2.3

51、PFM控制方式脈沖頻率調(diào)制的基本原理如圖2-5所示，從輸出電壓中取信號電壓，與誤差放 大器進行比較放大，該電壓與基準電壓進行比較輸出誤差電壓，并以此電壓作為調(diào)第二章開關(guān)電源設(shè)計理論制壓控振蕩器的控制電壓，這個電壓用來調(diào)制壓控振蕩器的振蕩頻率lM。再經(jīng)過瞬 間定時器和控制邏輯，由輸出級輸出方波信號，驅(qū)動功率開關(guān)管。輸出電壓由于某 些原因上升，輸出電壓上升導致誤差電壓變大，誤差電壓的變大引起壓控振蕩器的 振蕩頻率減小，從而穩(wěn)定輸出電壓。通過調(diào)制壓控振蕩器的振蕩頻率就可以調(diào)節(jié)輸 出電壓這就是PFM的工作原理。PFM控制的優(yōu)點是電路硬件比較少，電路簡單，但定時器邏輯控制器要求嚴格， 對周圍元器件緊密布

52、局，連線越短越好，所用的電容的特性頻率、絕緣電阻、精密 度比較高。通過比較，對于外圍電路一樣的脈沖頻率調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制而言，其峰值效 率脈沖頻率調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制相當，但在峰值效率以前，脈沖頻率調(diào)制的效率遠 遠高于脈沖寬度調(diào)制的效率，這是脈沖頻率調(diào)制的主要優(yōu)勢。本文設(shè)計采用脈沖頻 率調(diào)制控制。2.3開關(guān)電源的反饋模式開關(guān)電源電路在沒有加入控制時是開環(huán)的，不能自動調(diào)節(jié)輸出電壓，當輸入交 流電壓或負載有變化或參數(shù)及環(huán)境有變化時，輸出電壓也將發(fā)生變化。為了使輸出 電壓自動穩(wěn)定，不隨運行條件或環(huán)境而變，必須采/0某種控制模式。常用開關(guān)電源 的控制模式有電壓型控制和電流型控制兩大類電壓控制模式是一個單

53、環(huán)負反饋 控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，很難達到較高的線性調(diào)整率精度。而電流控制模式 是在電壓控制環(huán)的基礎(chǔ)上又增加了電流控制環(huán)，即電流模式是一個電壓和電流的雙 閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)是檢測輸出電壓，內(nèi)環(huán)是檢測開關(guān)管電流或電感電流且具有逐 個周期限流功能的電流。2.3.1電壓反饋控制模式電壓模式控制是開關(guān)電源最基本的一種控制，屬于單環(huán)負反饋控制，采用脈沖 寬度調(diào)制法，將采集的信號電壓進行誤差放大，并與一定頻率的三角波進行比較， 通過脈沖寬度調(diào)制原理，得到當時的脈沖寬度|5"。電壓反饋控制模式是開關(guān)電源的 傳統(tǒng)控制方式。圖2-6為電壓模式PWM控制電路原理圖，開關(guān)電源也可采用脈沖頻率調(diào)制。 誤

54、差放大器直接檢測輸出電壓，只有當輸出電流變化引起輸出電壓變化時才進行調(diào) 整。MOS管導通時間為鋸齒波電壓高于匕電壓的時間?；驹恚簩敵鲭妷哼M 行采樣，將采樣電壓&作為輸入信號，將和基準電壓進行比較，并將比較結(jié) 果放大為誤差放大電壓匕，將匕作為脈寬調(diào)制比較器的反向輸入端，和鋸齒波匕比 較，PWM鎖存器作用于驅(qū)動電路，輸出一個控制功率開關(guān)管的脈寬調(diào)制信號。任 何原因使輸出電壓變化時，由于系統(tǒng)的負反饋控制作用，PWM輸出脈沖寬度自動 調(diào)整，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓，使輸出的變化保持在給定值附近的允許范圍之內(nèi)。電壓模式控制具有的優(yōu)點：只有一個電壓反饋回路，電路設(shè)計比較簡單；電壓 之間的交互調(diào)節(jié)好，適用

55、于多輸出電路。但它也具有如下缺點：雖然在電壓控制型電路中使用了電流檢測電砠，但這個檢測電阻沒有接入控制回路，因此，當輸入電 壓發(fā)生變化時，必須等到控制系統(tǒng)檢測到輸出電壓發(fā)生變化之后才能產(chǎn)生負反饋調(diào) 節(jié)。由于濾波電路存在滯后時間，輸出電壓的變化要經(jīng)過多個周期后才能表現(xiàn)出來， 所以電壓控制型的響應(yīng)時間長，輸出電壓的穩(wěn)定也受到一定的影響。而且電壓控制 型電路需要另外設(shè)計電流保護電路。2.3.2電流反饋控制模式電壓控制模式是一個單環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，存在上述的缺點。為了克服電壓模 式的缺點，在電壓控制環(huán)的基礎(chǔ)上又增加了電流控制環(huán)。電流模式控制是電壓和電 流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)是檢測輸出電壓，內(nèi)環(huán)是檢測

56、開關(guān)管電流或電感電流且 具有逐周期限流功能的電流|52。從圖2_7可以看到電流反饋控制模式與電壓反饋控制模式最大的區(qū)別是電流反 饋控制模式有兩個反饋環(huán)。電壓外環(huán)是由接收輸出電壓采樣信號的誤差放大器構(gòu)成， 電流內(nèi)環(huán)是由接收初級峰值電流采樣信號的PWM比較器構(gòu)成的。通過電流采樣電 阻及5,將一次側(cè)的斜坡電流轉(zhuǎn)換成階梯斜坡電壓。改變功率幵關(guān)管導通時間，實現(xiàn) 對輸入電壓變化和負載變化的調(diào)整。由誤差放大器的輸出電壓與電流采樣信號轉(zhuǎn) 換成的階梯斜坡電壓信號匕，最后由PWM比較器確定導通時間。電流反饋控制需要通過檢測電阻來檢測功率開關(guān)管上的開關(guān)電流，并且逐個周 期的限制電流，便于實現(xiàn)過電流保護。外圍元件R和

57、C決定振蕩器的周期，內(nèi)部振 蕩器產(chǎn)生恒定頻率的脈沖F&。固定頻率的時鐘脈沖將PWM鎖存器置位，使其輸出 為高電平，從Q端輸出的驅(qū)動信號為高電平，高電平的經(jīng)過邏輯門與驅(qū)動 電路后的高電平使功率開關(guān)管導通，高頻變壓器一次側(cè)的電流線性地增大。當通過 電流檢測電阻采樣的功率管電流轉(zhuǎn)換成的電壓幅度達到K時，電流檢測比較器翻 轉(zhuǎn)，輸出的高電平將鎖存器復位，&輸出由髙變低，使功率開關(guān)管關(guān)斷，直到下 一個時鐘脈沖使PWM鎖存器置位。通過逐個檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖達到控制電源輸 出的穩(wěn)定。電流反饋控制具有的優(yōu)點：它是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由電壓反饋電路構(gòu)成， 內(nèi)環(huán)由電流反饋電路組成，并且電流反饋電路受電壓反饋的控制。與電壓反饋電路 相比，電流反饋電路的增益帶寬更大；而且自身帶限流保護電路，只需改變采樣電 阻的阻值，就可以精確設(shè)定電流閥值，維持輸出電壓穩(wěn)