基于UC3842的LED節(jié)能燈驅(qū)動電源設(shè)計

PAGE32目錄摘要 4Abstract 51引言 6HYPERLINK\l"_Toc262646084"2概述 62.1LED的發(fā)明 62.2LED工作原理 72.2.1、LED發(fā)光機理 72.2.2、LED發(fā)光效率 72.2.3、LED電氣特性 72.2.4、LED光學(xué)特性 PAGEREF_Toc262646090\h72.2.5、LED熱學(xué)特性 82.2.6、LED壽命 83LED照明應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀 83.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀： 83.2全球 LED產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 93.3國內(nèi)外LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢呈現(xiàn)出的特點 104LED的驅(qū)動方式簡介及特點 124.1阻容降壓式原理及電路 124.1.1電路原理 12HYPERLINK照明公司紛紛投入巨資進(jìn)軍半導(dǎo)體照明市場，美國自2000年起投資5億美元實施"國家半導(dǎo)體照明計劃"。美國能源部預(yù)測，到2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體照明所替代，目前，世界上掌握半導(dǎo)體照明技術(shù)的半導(dǎo)體公司，都已經(jīng)紛紛和老牌燈泡制造商結(jié)盟，如美國HP聯(lián)合了日本Nichia和德國西門子，美國Cree、西門子和德國歐斯郎聯(lián)合，美國EMCORE和GE聯(lián)合，日本的東芝和本田聯(lián)合等，其中歐斯郎和GE公司都是世界著名的燈泡制造巨商，通用電氣、飛利浦、歐斯郎等世界三大照明巨頭，全都啟動大規(guī)模商用開發(fā)計劃，與半導(dǎo)體公司合作或并購，成立半導(dǎo)體照明企業(yè)，他們還指出，要在2010年前使半導(dǎo)體燈的發(fā)光效率再提高8倍，價格降低到現(xiàn)在的1%。3.3國內(nèi)外LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢呈現(xiàn)出的特點全球產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)壟斷局面，主要集中于日本與臺灣地區(qū)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)已形成以亞洲、美國、歐洲三大區(qū)域為主導(dǎo)的三足鼎立的產(chǎn)業(yè)分布與競爭格局。全球LED產(chǎn)業(yè)主要分布在日本、臺灣兩大地區(qū)，其中日本20052F的LED產(chǎn)值達(dá)287億美元，占據(jù)全球LED產(chǎn)值近50％，臺灣(包括臺灣島內(nèi)及大陸分廠生產(chǎn))LED產(chǎn)值2{305年達(dá)12億美元，約占全球LED產(chǎn)值的21％列第二。國際大廠引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，利用技術(shù)優(yōu)勢占據(jù)高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)日本NIchIa、Toyod{aG0sel，美國Cree、Lumlleds、GelC0re、歐卅i0rsam等國際廠商代表了LED的最高水平，引領(lǐng)著半導(dǎo)體照明產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本和美國兩大區(qū)域的企業(yè)利用其在新產(chǎn)品和新技術(shù)領(lǐng)域中的創(chuàng)新優(yōu)勢，主要從事最高附加價值產(chǎn)品的生產(chǎn)。其中日本幾乎壟斷全球高端藍(lán)、綠光LED市場，為全球封裝產(chǎn)量第二大、產(chǎn)值第一大的生產(chǎn)地區(qū)。產(chǎn)業(yè)投資繼續(xù)加大，國際知名廠商間合作步伐加快，以占據(jù)有利市場地位隨著市場的快速發(fā)展，美國、日本、歐洲各主要廠商紛紛擴產(chǎn)加快搶占市場份額。日本Nlcha、T0vodaG0sel，美國Cree、-umJ1eds等國際著名半導(dǎo)體照明廠兩均加大了投資力度。隨著LED產(chǎn)業(yè)分工與競爭的加劇，國際大廠間的參股投資、代加工、代理銷售、專利交互授權(quán)、策略聯(lián)盟等合作步伐正日益加快。如日本住友電工成為美國cree在日本的銷售總代理、cree和0sram簽署長期供貨協(xié)議，種種跡象表明國際廠商的合作步伐正在加快，以策略聯(lián)盟共同占據(jù)有利市場地位。我國已成為重要封裝基地，海內(nèi)外企業(yè)紛紛投資搶占國內(nèi)巨大市場自2003年買行半導(dǎo)體照明工程以來，我國LED產(chǎn)業(yè)已進(jìn)八快速發(fā)展時期，我國下游封裝已實現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，正在成為世界重要的中低端LED封裝基地。受國內(nèi)下游應(yīng)用產(chǎn)品巨大的制造能力及市場消費的吸引，除積極介入的民營資本外，臺灣地區(qū)、香港、韓國及日本的眾多投資者都已在我國投資，在提高我國的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)國際競爭力同時，也加劇了國閃市場的搶奪大戰(zhàn)。行業(yè)發(fā)展關(guān)鍵驅(qū)動因素：(1)新興市場不斷形成，持續(xù)推動產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長隨著LED發(fā)光效率與性能的持續(xù)提升與改善，LED已從指示燈、手機背光、顯示屏、交通信號燈等成熟應(yīng)用領(lǐng)域，正逐步向中大尺寸LCD背光、汽車、照明等新興應(yīng)用市場滲透應(yīng)用。從市場發(fā)展情況看，中大尺寸液晶背光和汽車燈用LED正在成為增長最快的應(yīng)用市場，預(yù)計未來幾年高亮LED的市場仍將以14％的速度增長，2009年高亮度LED市場將達(dá)到72億美元。(2)技術(shù)創(chuàng)新步伐明顯加快，推動L印熙明實用化進(jìn)程面對巨大的市場機會，世界主要公司的新技術(shù)不斷取得突破性進(jìn)展，半導(dǎo)體照明技術(shù)創(chuàng)新的步伐正在不斷加快。日本Nchla繼2006年6月推出100m／w@20mA的白光LED產(chǎn)品后，2006年12月又開發(fā)出了150m／w的實驗室內(nèi)照明燈用白光LED20062}7月Cree開發(fā)出了發(fā)光效率達(dá)131m／w@20mA的白光LED，2007年初LumIIeds成功開發(fā)出了發(fā)光效率達(dá)115m／w@350mA，光通量為136Jm的大功率白光LED?？梢哉f，白光LED進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的曙光已經(jīng)顯現(xiàn)。(3)聯(lián)合制定檢測與安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范與促進(jìn)照明市場發(fā)展美日等LED發(fā)達(dá)國家已廣泛聯(lián)合業(yè)界相關(guān)機構(gòu)與廠而，共同協(xié)商制定白光LED照明技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。檢測標(biāo)準(zhǔn)與安全認(rèn)證的制定出臺，將為LED的消費使用保駕護(hù)航。如2006~E8月美國能源部和北美照明工程(IESNA)聯(lián)合制定固態(tài)照明技術(shù)的產(chǎn)業(yè)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，這些規(guī)則將是把固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)帶入“能源之星”計劃的基礎(chǔ)之一?！澳茉粗恰睒?biāo)準(zhǔn)計劃有助于消費者認(rèn)清市場上LED照明產(chǎn)品的能源效率和高性能，從而促進(jìn)LED照明產(chǎn)品的采購使用。(4)傳統(tǒng)照明巨頭主動出擊，垂直整合加速形成L印照明體系傳統(tǒng)照明巨頭Ph…ps、Osram、GE等紛紛看好LED照明發(fā)展前景，均已通過外部收購或內(nèi)部培植組建LED照明業(yè)務(wù)公司，并已形成LED與照明技術(shù)的垂直整合的優(yōu)勢體系。隨著LED產(chǎn)業(yè)的在照明領(lǐng)域的快速發(fā)展，傳統(tǒng)照明巨頭也希望通過引八新光源的設(shè)計而使照明產(chǎn)品更富創(chuàng)新性。因此，LED照明和傳統(tǒng)照明兩個領(lǐng)域正逐步合二為一，加速形成一種新的照明商業(yè)模式，這非常有利于LED照明的迅速推廣使用.4LED的驅(qū)動方式簡介及特點4.1阻容降壓式原理及電路將交流市電轉(zhuǎn)換為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當(dāng)受體積和成本等因素的限制時，最簡單實用的方法就是采用電壓式降壓電源。電容降壓的工作原理并不復(fù)雜。他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。此電路的優(yōu)點是：電路簡單，便宜，缺點是：效率低，是非隔離式，安全性差，穩(wěn)定性差。4.1.1電路原理電容降壓式簡易電源的基本電路如圖4.1，C1為降壓電容器，D2為半波整流二極管，D1在市電的負(fù)半周時給C1提供放電回路，D3是穩(wěn)壓二極管，R1為關(guān)斷電源后C1的電荷泄放電阻。在實際應(yīng)用時常常采用的是圖4.2的所示的電路。當(dāng)需要向負(fù)載提供較大的電流時，可采用圖4.3所示的橋式整流電路。圖4.1圖4.2圖4.34.1.2設(shè)計原則1.電路設(shè)計時，應(yīng)先測定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因為通過降壓電容C1向負(fù)載提供的電流Io，實際上是流過C1的充放電電流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，則流經(jīng)C1的充、放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io小于C1的充放電電流時，多余的電流就會流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax小于Ic-Io時易造成穩(wěn)壓管燒毀。2.為保證C1可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓。3.泄放電阻R1的選擇必須保證在要求的時間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。4.1.3設(shè)計舉例圖4.2中，已知C1為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負(fù)載的最大電流。C1在電路中的容抗Xc為：Xc=1/（2πfC）=1/（2*3.14*50*0.33*10-6）=9.65K流過電容器C1的充電電流（Ic）為：Ic=U/Xc=220/9.65=22mA。通常降壓電容C1的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)為：C=14.5I，其中C的容量單位是μF，Io的單位是A。電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應(yīng)用上要特別注意隔離，防止觸電。4.2開關(guān)式4.2.1、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實際的應(yīng)用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源。

調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理可參見圖4.4。

圖4.4對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Ｕ。可由公式計算，

即Uo=Um×T1/T

式中Um為矩形脈沖最大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。

從上式可以看出，當(dāng)Um與T不變時，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。4.2.2、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路 ACAC整流濾波高頻變換器調(diào)寬方波整流濾波DC取樣器比較器脈寬調(diào)制振蕩器基準(zhǔn)電壓控制電路圖4.5開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如上圖4.5所示交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。4.2.3開關(guān)電源的種類一、單端反激式開關(guān)電源

單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖4.6所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，高頻變壓器Ｔ初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，變壓器Ｔ初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1整流和電容Ｃ濾波后向負(fù)載輸出。圖4.6單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20－100Ｗ，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負(fù)載。

單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20－200kHz之間。

二、單端正激式開關(guān)電源

單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖4.7所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，VD2也導(dǎo)通，這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感Ｌ儲存能量；當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感Ｌ通過續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。圖4.7在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50％。由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，通過變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50－200Ｗ的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，正因為這個原因，這種電路的實際應(yīng)用較少。

三、自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源

自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖4.8所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。

圖4.8當(dāng)接入電源后在R1給開關(guān)管VT1提供啟動電流，使VT1開始導(dǎo)通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使VT1很快飽和。與此同時，感應(yīng)電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic開始減小，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使VT1迅速截止，這時二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負(fù)載。在VT1截止時，L2中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器Ｔ的次級繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。

自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。

四、推挽式開關(guān)電源

推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖4.9所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個開關(guān)管VT1和VT2，兩個開關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器Ｔ次級統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

圖4.9這種電路的優(yōu)點是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動，主要缺點是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100-500Ｗ范圍內(nèi)。

五、降壓式開關(guān)電源

降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖4.10所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，二極管VD1截止，輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向Ｃ充電，這一電流使電感Ｌ中的儲能增加。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感Ｌ感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感Ｌ中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。

圖4.10這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。

六、升壓式開關(guān)電源

升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖4.11所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，電感Ｌ儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感Ｌ感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關(guān)電源

圖4.11七、反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源

反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖4,12所示。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。無論開關(guān)管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。

圖4.12當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，電感L儲存能量，二極管VD1截止，負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感Ｌ中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時給電容Ｃ充電。4.3PFC電路原理功率因數(shù)校正（英文縮寫是PFC）是目前比較流行的一個專業(yè)術(shù)語。PFC是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項新技術(shù)，其背景源于離線開關(guān)電源的迅速發(fā)展和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的廣泛應(yīng)用。PFC電路的作用不僅是提高線路或系統(tǒng)的功率因數(shù)；更重要的是可以解決電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題。4.3.1PFC的定義功率因數(shù)（PF）定義為有功功率（P）與視在功率（S）之比值，即PF=P/S。對于線路電壓和電流均為正弦波波形并且二者相位角為ψ時，功率因數(shù)PF即為cosψ。由于很多家用電器（如排風(fēng)扇、抽油煙機等）和電氣設(shè)備是既有電抗的阻抗負(fù)載，所以才會存在著電壓與電流之間的相位角ψ。這類電感性負(fù)載的功率因數(shù)都較低（一般為0.5~0.6），說明交流（AC）電壓設(shè)備的額定容量不能充分利用，輸出大量的無功功率，致使輸電效率降低。為提高負(fù)載功率因數(shù)，往往采取補償措施。最簡單的方法是在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容器，這種方法稱為并聯(lián)補償。PFC方案完全不同于傳統(tǒng)的"功率因數(shù)補償"，它是針對非正弦電流波形而采取的提高線路功率因數(shù)、迫使AC線路電流追蹤電壓波形的瞬時變化軌跡，并使電流與電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性的技術(shù)措施。長期以來，像開關(guān)型電源和電子鎮(zhèn)流器等產(chǎn)品，都是采用橋式整流和大容量電容濾波電路實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換的。由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠(yuǎn)非為零，與其最大值（紋波峰值）相差并不多。根據(jù)橋式整流二極管的單向?qū)щ娦?，只有在AC線路電壓瞬時值高于濾波電容上的電壓時，整流二極管才會因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時值低于濾波電容上的電壓時，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說，在AC線路電壓的每個半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會導(dǎo)通（導(dǎo)通角約為70°）。雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形，但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖，如圖1所示。這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。若AC輸入電流基波與輸入電壓之間的位移角是ψ1，根據(jù)傅里葉分析，功率因數(shù)PF與電流總諧波失真（度）THD之間存在下面關(guān)系。PF=cosψ1/（1+THD2）1/2實測表明，對于未采取PFC措施的電子鎮(zhèn)流器，僅三次諧波就達(dá)60％（以基波為100％），THD會超過電流基波，PF不超過0.6。線路功率因數(shù)過低和電流斜波含量過高，不僅會對造成電能巨大浪費，而且會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，影響到整個電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，包括電力系統(tǒng)本身和廣大用戶。都對AC線路電流諧波作出了具體的限制要求。4.3.2PFC的分類為提高線路功率因數(shù)，抑制電流波形失真，必須采用PFC措施。PFC分無源和有源兩種類型，目前流行的是有源PFC技術(shù)。一、無源PFC無源PFC有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特點是僅使用電容、電感和二極管等無源元件，無需控制IC和晶體管等有源器件。二、有源PFC升壓變換器有源PFC電路相當(dāng)復(fù)雜，但半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為該技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?；诠β室驍?shù)控制IC的有源PFC電路組成一個DC－DC升壓變換器，這種PFC升壓變換器被置于橋式鎮(zhèn)流器和一只高壓輸出電容之間，也稱作有源PFC預(yù)調(diào)節(jié)器，有源PFC變換器后面跟隨電子鎮(zhèn)流器的半橋逆變器開關(guān)電源的DC－DC變換器。有源PFC變換器之所以幾乎全部采用升壓型式，主要是在輸出功率一定時有較小的輸出電流，從而可減少輸出電容器的容量和體積，同時也可減少升壓電感元件的繞組線徑。PFC變換器有不同的分類方法，按通過升壓電感元件電流的控制方式來分，主要有連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）及介于CCM與DCM之間的臨界或過渡導(dǎo)通模式（TCM）三種類型，不論是哪一種類型的PFC升壓變換器，都要求其DC輸出電壓高于最高AC線路電壓的峰值。在通用線路輸入下，最高AC線路電壓往往達(dá)270V，故PFC變換器輸出DC電壓少是380V（270***V），通常都設(shè)置在400V的電平上。4.3.3PFC主電路原理圖圖4.13如圖所示的無損吸收PFC主電路的原理圖。圖中B1為整流橋，L1為PFC升壓電感，D1為隔直二極管，S1為開關(guān)管，C1，C2，D2，D3和D4，L2組成無損吸收網(wǎng)路，C3為輸出濾波電容。具體分析過程如下：當(dāng)S1斷開前，C2中的能量通過D5及L2轉(zhuǎn)移到了C1中，C2的電壓降至0。C1的極性如圖1所示。當(dāng)S1斷開時，C2上開始為零電壓，L1中的電流通過D3給C2充電，直到D1導(dǎo)通為止。并且C2的電位通過D4、D5箝位到輸出電壓。同時C1通過D2向負(fù)載放電，能抑制S1漏極上電壓的上升時間，從而充分地保證S1關(guān)斷在零電壓狀態(tài)下。當(dāng)S1合上時，C1的左端通過S1接地，電容C2上的電荷通過D5、L2轉(zhuǎn)移到C1中。當(dāng)開關(guān)再次關(guān)斷的時候，重復(fù)上述過程。5高效率恒流PWM開關(guān)電源高效率恒流PWM開關(guān)電源一般用UC3842和TNY279設(shè)計，本文將先對UC3842進(jìn)行研究討論，然后以UC3842設(shè)計一款高效率恒流PWM開關(guān)電源，對其進(jìn)行分析討論。5.1UC3842的主要性能特點UC3842是由美國尤尼特德(Unitrode)公司開發(fā)的新型單端輸出式脈寬調(diào)制器件，是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調(diào)制器。所謂電流型脈寬調(diào)制器是按反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是比較理想的新型的控制器閉。(1)它屬于電流型單端PWM調(diào)制器,具有管腳數(shù)量少,外圍電路簡單,安裝于調(diào)試簡便,性能優(yōu)良,價格低廉等優(yōu)點.能通過高頻變壓器與電網(wǎng)隔離,適于構(gòu)成無工頻變壓器的20～50W小功率開關(guān)電源.(2)最高開關(guān)頻率為500kHz,頻率穩(wěn)定度為0.2%.電源效率高,輸出電流大,能直接驅(qū)動雙極型功率晶體管或VMOS管,DMOS管,TMOS管.(3)內(nèi)部有高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓源,典型值為5.0V,允許有±0.1V的偏差.溫度系數(shù)為0.2mV/℃.(4)穩(wěn)壓性能好.其電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%/V,能同第二代線性集成穩(wěn)壓器(例如LM317)相媲美.啟動電流小于1mA,正常工作電流為15mA.(5)除具有輸入端過壓保護(hù)與輸出端過流保護(hù)電路外,還設(shè)有欠壓鎖定電路,使工作穩(wěn)定,可靠.(6)最高輸入電壓Vom=30V,輸出最大峰值電流Ipm=1A,平均電流為0.2A,本身最大功耗Pdm=1W,最大輸出功率Pom=50W.5．2UC3842工作原理

UC3842是單電源供電，帶電流正向補償，單路調(diào)制輸出的集成芯片，其內(nèi)部組成框圖如圖5.1所示。其中腳1外接阻容元件，用來補償誤差放大器的頻率特性。腳2是反饋電壓輸入端，將取樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓。腳3是電流檢測輸入端，與電阻配合，構(gòu)成過流保護(hù)電路。腳4外接鋸齒波振蕩器外部定時電阻與定時電容，決定振蕩頻率，基準(zhǔn)電壓VREF為0．5V。輸出電壓將決定變壓器的變壓比。由圖1可見，它主要包括高頻振蕩、誤差比較、欠壓鎖定、電流取樣比較、脈寬調(diào)制鎖存等功能電路。UC3842主要用于高頻中小容量開關(guān)電源，用它構(gòu)成的傳統(tǒng)離線式反激變換器電路在驅(qū)動隔離輸出的單端開關(guān)時，通常將誤差比較器的反向輸入端通過反饋繞組經(jīng)電阻分壓得到的信號與內(nèi)部2．5V基準(zhǔn)進(jìn)行比較，誤差比較器的輸出端與反向輸入端接成PI補償網(wǎng)絡(luò)，誤差比較器的輸出端與電流采樣電壓進(jìn)行比較，從而控制PWM序列的占空比，達(dá)到電路穩(wěn)定的目的。圖5.15.3PWM開關(guān)電源以其高效率、小體積等優(yōu)點獲得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的開關(guān)電源普遍采用電壓型脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，而近年電流型PWM技術(shù)得到了飛速發(fā)展。相比電壓型PWM，電流型PWM具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性也得以明顯改善，特別是其內(nèi)在的限流能力和并聯(lián)均流能力使控制電路變得簡單可靠。電流型PWM集成控制器已經(jīng)產(chǎn)品化，極大推動了小功率開關(guān)電源的發(fā)展和應(yīng)用，電流型PWM控制小功率電源已經(jīng)取代電壓型PWM控制小功率電源。Unitrode公司推出的UC3842系列控制芯片是電流型PWM控制器的典型代表。5.3.1DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源中最重要的組成部分之一，其有5種基本類型：單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖5.2所示。

圖5.2電路工作過程如下：當(dāng)M1導(dǎo)通時，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負(fù)載；當(dāng)M1截止時，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使VD導(dǎo)通，給輸出電容C充電，同時負(fù)載R上也有電流I流過。M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)淙鐖D5.3所示。圖5.35.3.2電流型PWM

與電壓型PWM比較，電流型PWM控制在保留了輸出電壓反饋控制外，又增加了一個電感電流反饋環(huán)節(jié)，并以此電流反饋作為PWM所必須的斜坡函數(shù)。

下面分析理想空載下電流型PWM電路的工作情況(不考慮互感)。電路如圖5.4所示。設(shè)V導(dǎo)通，則有

L·diL/dt=ui(1)iL以斜率ui/L線性增長，L為T1原邊電感。經(jīng)無感電阻R1采樣Ud=R1·iL送到脈寬比較器A2與Ue比較，當(dāng)Ud>Ue，A2輸出高電平，送到RS鎖存器的復(fù)位端，此時或非門的兩個輸入中必有一個高電平，經(jīng)過或非門輸出低電平關(guān)斷功率開關(guān)管V。當(dāng)時鐘輸出為高電平時，或非門輸出始終為低電平，封鎖PWM，這段時間由時鐘振蕩器OSC輸出脈沖寬度決定，即PWM信號的死區(qū)時間。在振蕩器輸出脈沖下降同時，或非門兩輸入均為低電平，經(jīng)或非門輸出為高電平，V導(dǎo)通。圖5.4理想空載下電流型PWM電路簡言之，PWM信號的上升沿由振蕩器下降沿決定，而PWM的下降沿由電感電流限值信號和誤差信號Ue共同決定，最大脈寬的下降沿受振蕩器上升沿控制。圖5.5為其工作時序圖。OSCOSCV0PWM圖5.5工作時序圖

5．4系統(tǒng)原理

本文以UC3842為核心控制部件，設(shè)計一款PWM型高頻開關(guān)電源恒壓／恒流控制器。開關(guān)電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。

主要的功能模塊包括：啟動電路、過流過壓欠壓保護(hù)電路、反饋電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進(jìn)行分析。電路原理圖如5.6所示。圖5.65.4.1啟動電路如圖5.6所示交流電由C16、L1、C15以及C14、C13進(jìn)行低通濾波，其中C16、C15組成抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲；C14、C13、L1組成抗共模干擾電路，用于抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對電磁干擾由很強的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)D1～D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3lOV的脈動直流電壓，此電壓經(jīng)R1降壓后給C8充電，當(dāng)C8的電壓達(dá)到UC3842的啟動電壓門檻值時，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由腳6輸出推動開關(guān)管工作。隨著UC3842的啟動，R1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓給UC3842供電。由于輸入電壓超過了UC3842的工作，為了避免意外，用D10穩(wěn)壓管限定UC3842的輸入電壓，否則將出現(xiàn)UC3842被損壞的情況。

5.4.2短路過流、過壓、欠壓保護(hù)電路

由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時會導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生，因此，電路必須具有一定的保護(hù)功能。如圖5.6所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，R9兩端的電壓上升，UC3842的腳3上的電壓也上升。當(dāng)該腳的電壓超過正常值0．3V達(dá)到1V(即電流超過1．5A)時，UC3842的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這時，UC3842的腳6無輸出，MOS管S1截止，從而保護(hù)了電路。如果供電電壓發(fā)生過壓(在265V以上)，UC3842無法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，UC3842的腳7供電電壓也急劇上升，其腳2的電壓也上升，關(guān)閉輸出。如果電網(wǎng)的電壓低于85V，UC3842的腳1電壓也下降，當(dāng)下降lV(正常值是3．4V)以下時，PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。如果人為意外地將輸出端短路，這時輸出電流將成倍增大，使得自動恢復(fù)開關(guān)RF內(nèi)部的熱量激增，它立即斷開電路，起到過壓保護(hù)作用。一旦故障排除，自動恢復(fù)開關(guān)RF在5s之內(nèi)快速恢復(fù)阻抗。因此，此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護(hù)。5.4.3反饋電路

反饋電路采用精密穩(wěn)壓源TL431,放大器AD8022和線性光耦PC817。利用TL43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器和電流放大器AD8022，再通過線性光耦對輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。如圖5.6所示，R4、R5是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和TL431一并組成外部誤差放大器。當(dāng)輸出電壓升高時，取樣電壓VR7也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準(zhǔn)電壓(TL431的基準(zhǔn)電壓為2．5V)，使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置電壓時，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動三極管的輸出電壓升高，最終使得UC3842的腳1的補償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計算的：先固定R7的阻值，再計算R8的阻值，即5-15-15-25-25-35-3AD8022電路通過調(diào)節(jié)誤差放大器的增益而不是調(diào)節(jié)誤差放大器的輸入誤差來改變誤差放大器的輸出，從而改變開關(guān)信號的占空比。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅外接元器件較少，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調(diào)穩(wěn)壓管，使得輸出電壓在負(fù)載發(fā)生較大的變化時，輸出電壓基本上沒有變化。5.4.4整流濾波電路輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個方面。