多功能高亮度LED照明灯的设计和推广 毕业设计论文.doc

摘 要当今社会，节能环保已成为全人类的共识，因而节能环保的半导体照明和照明器件的智能化成为照明领域的发展趋势。多功能高亮度led照明灯的设计和推广可以达到环保节能目的。多功能高亮度led照明灯是由开关电源部分，控制部分和白光led灯三部分构成。在开关电源和控制部分共同作用下使每个led的工作电压为3.2v，工作电流为17.5ma，并且它不随led的温度的变化而变化，从而达到稳压限流的效果。在高效率的开关电源的驱动下，led灯的实际工作总功率为5.6w，但它的实际亮度已达到普通的40w白光灯的亮度。再利用sct89c51单片机根据外部环境光线亮度自动调节灯光亮度，实现了照明器件的智能化，实验结果表明，本系统设计的开关电源输出电压为20v，输出电流为2a，led灯可由单片机根据外部环境光线亮度自动调节灯光亮度，较好地实现了照明灯具的有效节能和亮度控制智能化。关键词：半导体照明；白光led；开关电源；高频变压器 ；stc89c51abstractin contemporary society, energy conservation and environmental protection has become the consensus of all mankind, so energy conservation and environmental protection of semiconductor lighting and lighting devices of intelligence become development trends in the field of lighting. high-brightness led lighting design and promotion can reach the purpose of energy conservation and environmental protection. high-brightness led lights consist of three parts, the switching power supply, the control, and the white led lights. under the effect of switching power supply and control of the common led, each of the operating voltage is to 3.2 v, operating current 17.5ma and it does not change with the changeable led temperature, so as to meet current limit and the effect of regulators. in the driving force of a highly efficient switching power supply, led lights in the practical work for the total power of 5.6 w, but its actual brightness has reached 40 w of ordinary white light brightness. re-used sct89c51 scm, in accordance with the external environment lighting brightness, automatically adjusts brightness light, and the lighting of intelligent devices, and then well positioned to enable lighting of the intelligence and energy conservation.key words：semiconductor illumination ; white light-emitting diode; switching power supply; high frequency transformer；stc89c51 目 录摘 要iabstractii第1章 绪 论11.1课题背景11.2国内外半导体照明技术的研究现状及发展趋121.2.1我国半导体照明技术的研究现状及发展趋势21.2.2 美国半导体照明技术的现状及发展趋势21.2.3日本半导体照明技术的现状及发展趋势31.3 本章小结3第2章 白光led42.1白光led发光原理242.2白光led的特性242.3白光led工作点的选择62.4 本章小结7第3章 led照明系统的设计83.1 硬件的设计83.1.1电路框图和工作原理83.1.2 led灯的连接方式的选择83.1.3电源类型的选择103.1.4开关电源的设计113.1.5 环境检测电路193.2软件设计203.3 本章小结21第4章 安装调试224.1开关电源的安装与调试224.2 led灯具和控制部分的安装与调试234.3 本章小结23结 语24致 谢25参考文献26附录1：电路原理图27附录2：电路pcb图28附录3：部分控制程序2930第1章 绪 论1.1课题背景 半导体技术已经改变了世界，半导体照明技术孕育着一场新的产业革命，将再一次改变我们的世界。随着第三代半导体材料氮化镓的研究取得突破以及蓝、绿发光二极管的问世，在与人类生产生活息息相关的照明领域，将发生一场巨大的变革。白光led作为半导体发光光源，在与普通白炽灯保持同样亮度下，其电能消耗仅相当于后者的20%左右。使用寿命长达10万小时，是普通灯管的数十倍。它可靠性好，维护成本低。使用电压低，除了便携机器的液晶背光源，还可以用语野外照明，边远山区照明，矿工灯和水环境照明等。开关时间短，响应时间最低可达到1微秒，一般灯具为几个毫秒（现用的光源响应时间200毫秒）。环保，没有水银等有害废弃物，坚固不易破碎，减少废弃物对环境的污染。led灯不含红外和紫外的成分，没有辐射污染，且直流驱动，没有频闪，是保护视力的环保光源。随着led的广泛使用和性能的提升，半导体照明的发展作为光源材料制作的装饰灯、城市景观灯等产品不断推出，led光源材料的照明灯具的市场正在形成并呈上升趋势，特别是在城市景观、危险区域、紧急应急等方面的使用潜力更为巨大，一场新的照明革命即将到来已成为人们的共识，开发半导体照明应用产品和引导市场发展成为人们最关心的问题。业内普遍认为如同晶体管替代电子管一样，半导体灯代替白炽灯和荧光灯将是大势所趋。随着半导体照明光源在城市景观、商业大屏幕、交通信号灯、手机及pda背光源等特殊照明领域的应用，以其饱满色光、无限混色、迅速切换、耐震、耐潮、冷温、超长寿、少维修优势，特别是led的发光效率正在大幅度提高，led半导体照明被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种具有长寿命、节能、绿色环保、色彩丰富、微型化等显著优点的新型固态冷光源和最具发展前景的高技术领域之一。它将以替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源而成为全球最热门、最瞩目的新一代光源第四代电光源。led节能照明灯的推广，一年能为我国节省能源总量是非常巨大的，2003年，中国发电量是1.91万亿千瓦时，其中照明用电所占比例约为12% ，即2292亿千瓦时，相当于三峡水电站总发电量的2.4倍，并按照每年5%的增长率计算，到2010年，照明用电达到3225亿千瓦时。由于同样亮度下，半导体灯用电量仅为白炽灯的1/10，因此只要有1/3 的白炽灯照明被半导体灯取代，就能够节约1/3的照明用电，这意味着每年为国家节省用电1000亿千瓦时，是三峡电站年总发电量847亿千瓦时的一倍还多，可见，半导体照明进入民用照明领域，可以为中国节省一个三峡工程。专家认为：三峡工程的静态投资为1000亿元，动态投资则达到2000亿元，其建设周期为1720年，建成后每年发电量为856.2 亿千瓦时，若拿出三峡工程的5%，即50亿元100亿元来发展半导体照明，就能够再造一个三峡工程。专家预测，我国在2005年至2015年间，半导体照明可累计节能4000亿度，为用户节约2600亿元电费支出，创造1500亿元产值，解决100万人口就业。与led照明优势相结合而设计的智能照明控制系统对我国发展环保的可持续发展的社会主义经济具有非常重大的现实意义.1.2国内外半导体照明技术的研究现状及发展趋1 1.2.1我国半导体照明技术的研究现状及发展趋势 我国是世界照明电器第一大生产国、第二大出口国，拥有巨大的照明工业和照明市场。中国led产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国led产业已初步形成了包括led外延片的生产、led芯片的制备、led芯片的封装以及led产品应用在内的较为完整的产业链。中国led产业在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后，目前已经实现了自主生产外延片和芯片。近年来中国led产品技术创新与应用开发能力逐渐提高，器件可靠性研究位置越来越突出，测试技术与标准也渐成热点，所有这一切均标志着中国led产业已经进入了一个崭新的发展阶段。根据中国照明协会提供的数字，去年销售收入445亿元，出口创汇43亿美元。但是，照明工业大而不强，主要做低端产品，利润率低，缺乏国际市场竞争力。据了解，美国现在每年照明用电6000亿度，约占用电总量的20。我国每年照明用电只有2000多亿度，占全国用电总量的1。面对半导体照明的历史机遇，2003年6月17日科技部联合信息产业部、中国科学院、建设部、轻工业联合会、教育部等部委以及北京、上海等十一个地方政府成立国家半导体照明工程协调领导小组，开始推进国家半导体照明工程，将投入100亿元，引导企业突破半导体照明的关键技术，形成中国的半导体照明产业。2004年6月成立国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动国家半导体照明工程，半导体照明产业化技术开发作为国家“十五”科技攻关重大项目已正式立项。在未来巨大市场潜力的推动下和政府的大力支持下，中国大陆led芯片产量从2003年的115.6亿只，增长到2006年的309.3亿只，年复合增速达38.8，产值达到11.9亿元。2006年中国led产业总产值达到105.5亿元，其中封装产业产值达87.5亿元。2003-2006年，中国大陆led出口逐年上升，出口量和出口额的年复合增长率分别达41.4%和95.5%，2006年达337.4亿只、41.87亿美元。同时进口也逐年上升，进口量和进口额的年复合增长率分别达34.1%和29.0%，2006年达411.1亿只、30亿美元。led的出口增长速度比进口增长速度快，到2007年5月份，中国大陆led累计出口13.8亿美元，同比增长72.5%，而累计进口13.1亿美元，同比增长14.6%，出口额首次超出了进口额。1.2.2 美国半导体照明技术的现状及发展趋势 美国是半导体技术的强国，并首先发明了led，但在后来的led技术研发过程 中，特别是白光源研制技术反被日本、德国赶超。美国能源部、美国光电产业发展协会等几家单位发起下，美国sandia国家实验室从2001年3月开始起草美国半导体照明技术发展蓝图（2002-2020）旨在为下一代照明规划提供技术论证。2001年7月在美国“半导体照明技术蓝图”的基础上，美国的两位参议院向参议院递交了一项议案，呼吁由美国能源部启动一项名为“next-generation lighting initiative”(ngli)的计划，即“下一代照明计划”(ngli)。这项计划提案的目标是要联合产业界、大学和国家重点实验室的力量，加速半导体照明技术的发展和应用。这项议案希望从2003-2011年财年，每年提供5000万美元支持ngli计划的实施。美国能源部设立半导体照明国家研究项目，他们制定的时间表是：2002年led发光效率达到20lm/w, 2007年达到75lm/w, 2012年达到150lm/w，2020年达到200lm/w。从2000年到2020年，累计节约电能760gw；减少2.58亿吨炭的排出污染物；少建133座新的电站(每座1000mw) ； 累计节约财政开支1150亿美元；形成一个新的年产值超过500亿美元的光源产业，还会带来数以百万计的工作机会。1.2.3日本半导体照明技术的现状及发展趋势日本于1998年启动“21世纪光源计划”，已发展高亮度led照明光源进行实用化之相关研究为其目标，这个计划由日本通商产业省“新能源产业技术综合开发机构”与日本金属研究和发展中心所主导，新能源产业技术综合开发机构是附属于日本经济产业省的半官方组织。这个计划将于2004年结束，是将13个公司和四个大学结合在一起，目标旨在通过使用长寿命、更薄更轻的gan高效蓝光和紫外led技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍（即降低传统照明的能量消耗），减少co2的产生。整个计划的财政预算为60亿日元。整个计划分为5个主要领域进行，即在基板、磊芯片、制造装置、led光源和led光源的应用。日本“21世纪光源计划”为了开发出消耗电力仅目前日光灯1/2 的省能源照明光源，并具有高效率及高辉度发光特性，确定了以下四项基础与应用研究：(1)研究短波长具优越发光特性之化合物半导体材料，并分析其发光机理；(2)开发化合物半导体之外延基板；(3)开发化合物半导体与白光led 之高效率化研究；(4)支持荧光材料及照明灯具之应用研究；在上述所列的项目中，在第1 与第2 项之发光机理和外延方面，日本国内的企业和研究机构已获得国际最高水平之基础研究成果，且在国际上备受瞩目。1.3 本章小结本章详细介绍了led半导体照明的研究在现在社会中的目的和意义，并且介绍了国内外半导体照明技术的研究现状及发展趋势。第2章 白光led2.1白光led发光原理2led外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。发光二极管的实质性结构是pn结，在半导体pn结通过正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体pn结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一led芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。通常产生白光的方式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出其它颜色的光，最终混合成白光；二是采用将几种发不同色光的芯片封装在一起的方法，通过这些色光的混合，构成发白光的led。这两种方法在实践中都有应用。2.2白光led的特性2在白光led的设计中，常在发射蓝光的ingan基料上覆盖转换材料，这种材料在受蓝光激励时会发出黄光，于是得到蓝光和黄光的混合物，在肉眼看来就是白光。白光led的发射波长，如图2-1中实线所示，包括蓝光和黄光区域的峰值，但是在肉眼看来就是白光。肉眼的相对光敏感性如图2-1中的虚线所示。由于白光是由不同波长的光混合而成，所以，白光led不可能有一个特定的波长，可用色坐标定义白光led。在白光led数据手册中，色坐标随正向电流增大而变化，如图2-2所示。正向电流的变化改变了白光led色坐标，并因此改变了白光的质量。采用ingan技术的led并不像标准绿光红光和黄光那样容易控制。ingan led的显示波长会随着正向电流的变化而改变，如图2-3所示。当正向电流高至10ma时，正向电压的变化很大，变化的范围大约为800mv，有些白光led的变化会更大。改变白光led工作电压即可改变其发光的色彩，这是因为工作电压变化使led正向电流发生变化。对于不同的白光led，其电流电压特性也呈现出很大的差异。图2-4所示是白光led理想状态下的正向伏安特性曲线，led伏安特性的数学模型可以表示为： （2-1） 其中，vturn-on是led的启动电压，rs表示伏安曲线的斜率，if表示led的正向电流，t环境温度，是led正向电流的温度系数，对于大多数led而言，它的典型值为。 从led的伏安特性曲线及数学模型看，led正向导通后其正向电压的细小变动将引起led电流的较大变化，并且环境温度、led老化时间等因素也将改变影响led的电气性能。而led的光输出直接与led电流相关，所以led驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制led电流的大小。否则，led的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。白光led的正向电流的大小也是随着温度变化而变化，图2-5所示是常用白光led允许正向电流随温度的变化曲线。当环境温度一旦超过，白光led的容许正向电流会大幅度降低，在此情况下如果仍旧施加大电流，很容易造成白光led老化。因此，白光led工作点的选择非常重要。2.3白光led工作点的选择光效也称为光源的发光效率，或者光源的功率因素，用1表示，。光源的效率表征从当光源中射出的光通量与光源所消耗的电功率之比。即= (2-2 )v为光源辐射的光能量，ee为光源的功率，p为光源消耗的能量，主要是发热量-。同时，发热量与电流的关系是： (2-3)显然，随着电流的增大，光通量增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常会导致管温的增加，其综合效果是光效降低，。于是，既保证光源有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效就成为一个关注的问题。为此我专门的大量实验，我们对超过10个试样的情况进行了测试，得到的结果是led电流为17.5ma为最佳工作电流。2.4 本章小结本章详细介绍了白光led的发光原理和特性，并且根据它的特性解定了led在本设计中的最佳工作点的电流。并为设计开关电源的输出电压电流提供了依据。第3章 led照明系统的设计3.1 硬件的设计 3.1.1电路框图和工作原理 图3-1所示为led照明总控制系统原理方框图，为实现小区或街道路灯智能化，通过总控制器控制多个支路的副控制器从而达到使整个小区或街道路灯led照明灯智能化。本系统主要是设计一条支路的多功能led照明灯，包括开关电源、单片机控制、led灯。图3-2所示，为led照明灯电路组成框图，220v的交流电网输入，经过整流滤波后输入到开关型直流稳压电源，经直流稳压电源降压后输出15v直流电压直接为led灯和at89c52供电 ，经at89c52定时和环境检测电路使用光敏器件检测外界的光线强度，控制led照明灯的亮度从而实现灯具的智能化控制。3.1.2 led灯的连接方式的选择led已经广泛应用于照明，装饰类灯产品，在设计led灯时，需要考虑选用什么样的led驱动器，以及led作为负载时采用的串并联方式，合理的配合设计，才能保证led正常工作。下面列举下各种连接类型的优缺点以供选择。方案一. led采用全部串联的方式要求led驱动电路输出较高的电压和足够大的驱动电流，当led的一致性差别较大时，分配在不同的led两端的电压就不同，通过每颗led的电流相同，led的亮度一致。当某一颗led品质不良短路时，如果采用稳压式驱动（如常用的阻容降压方式），由于驱动器输出电压不变，那么分配在剩余的led两端的电压将升高，驱动器输出电流将增大，导致容易损坏余下所有led。如果采用恒流式led驱动，当某一颗led品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，不影响余下所有led正常工作。当某一颗led品质不良断开后，串联在一起的led将全部不亮。解决的办法是在每个led两端并联一个齐纳管，当然齐纳管的导通电压需要比led的导通电压高，否则led就不亮了。方案二. led采用全部并联方式要求led驱动器输出较大的电流，负载电压较低。分配在所有led两端电压相同，当led的一致性差别较大时，而通过每颗led的电流不一致，led的亮度也不同。当某一颗led品质不良断开时，如果采用稳压式led驱动（例如稳压式开关电源），驱动器输出电流将降低，而不影响余下所有led正常工作。如果采用恒流式led驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下的led的电流将增大，导致容易损坏所有led。解决办法是尽量多并联led，当断开某一颗led时，分配在余下led电流不大，不至于影响余下led正常工作。所以功率型led做并联负载时，不宜选用恒流式驱动器。当某颗led品质不良时短路时，那么所有led将不亮，但如果并联的led数量较多，通过短路的led电流较大，足以将短路的led烧成断路。方案三led采用混联方式在需要使用led的数量较多的灯具产品中，如果将所有led串联，则需要led驱动器输出较高的电压。若将所有led并联，则需要led驱动器输出较大电流。将所有led串联或并联，不但限制着led的使用量，而且并联led负载电流较大，驱动器的成本也会增大；解决的办法是采用混联的方式。当某一颗串联led上有一颗品质不良短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，这串led相当于少一颗led，通过这串led的电流将增大，很容易会损坏这串led。大电流通过损坏的led后，由于通过的电流过大，多表现为断路，断开一串led后，如果采用稳压式驱动，驱动器输出电流将少，而不影响余下的所有led正常工作。如果采用恒流式驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下led电流将增大，导致容易损坏所有led灯。解决办法是尽量多并联led，当断开某一颗led时，分配在余下led电流不大，不至于影响余下led的正常工作。混联方式还有一另一种接法，即是将led平均分配后，分组并联，再每组串联起来。当有一颗led品质不良短路时，不管采用稳压还是恒流式驱动，并联在这一路的led将全部不亮，如果是采用恒流式led驱动，由于驱动器东输出电流保持不变，除了并联在短路led的这一并联支路外，其余的led正常工作。假设并联的led数量较多，驱动器的驱动电流较大，通过这颗短路的led电流将增大，大电流通这颗短路的led后很容易变成断路。由于并联led较多，断开一颗led的这一并联支路，平均分配电流不大，依然可以正常工作，那么整个led灯只有一颗led不亮，不影响整个灯具的工作。根据本设计的要求和各方案的优缺点，本设计led的联接采用方案三，即是led的联接方式采用混联。3.1.3电源类型的选择本设计中，电源的选择非常重要，下面详细介绍线性电源和开关电源的原理和优缺点。线性电源主要包括工频变压器，输出整流滤波器，控制电路，保护电路等；它的工作原理是先将交流电经过变压器变压，经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，再经过电压反馈调整输出稳压电压。这种电源技术成熟，可达到很高的稳定度，并且波纹很小，而且没有开关电源具有的干扰和噪音，但它的缺点是需要庞大而笨重的工频变压器和体积与重量都相当大的电容，最致命的缺点是它的电压反馈电路工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时致使调整管功耗太大，转换效率低。而本设计的一个重要指标是节能，所以线性电源不符合本设计的电源的要求3。开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压，转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50 hz高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热，成本很低如果不将50hz变为高频那开关电源就没有意义，开关变压器也不神秘就是一个普通的变压器，这就是开关电源。 开关电源，是通过电子技术实现的，主要环节：整流成直流电逆变成所需电压的交流电（主要来调整电压）再经过整流成直流电压输出。开关电源的结构中由于中间没有工频变压器和散热片，因而体积非常小。同时，开关电源内部都是电子元件，效率高、发热小。虽然，具有电磁干扰等缺点，但现在的屏蔽技术已经非常到位。开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种,隔离型的必定有开关变压器,而非隔离的未必一定有。简单地说,开关电源的工作原理是：1)交流电源输入经整流滤波成直流;2)通过高频pwm(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;3)开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;4)输出部分通过一定电路反馈给控制电路,控制pwm占空比,以达到稳定输出的目的.交流电源输入时一般要经过扼流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰;在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高;开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出;一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源。开关电源的调整管工作在饱和或截至状态，因而发热量小，效率高，一般都在90%以上，所以根据本设计的要求，选择开关电源作为led的供电电源。但开关电源又分电压控制型和电流控制型4。电压控制型：电压控制型只对输出电压采样，作为反馈信号进行闭环控制，采用pwm技术调节输出电压，从控制理论的角度看，这是一种单环控制系统。该模式频率响应慢、电压调整率和负载调率低，电源性能低。电流控制型：电流控制型是在电压控制型的基础上，增加一个电流负反馈环节，使其成为双环控制系统，从而提高了电源的性能。该电源是目前实用和理想的稳压电源。综上所述，根据开关电源体积小，效率高，成本低，稳定性好等特点，该类电源电路完全符合led灯具的设计要求，所以电流控制型开关电源是本设计的最佳的选择。3.1.4开关电源的设计3.1.4.1开关电源虑波器5 由于来自电网的噪声干扰比较严重，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅大、随机性强，对微机和数字电路易产生严重的干扰。在这种情况下，电路抑制电磁干扰的能力就显得非常重要了。 电源滤波器是针对电源端口电磁骚扰的特点而设计的。滤波器一般是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性二端口网络。这里说的电源滤波器实际是滤波器的一种，按照其工作原理可以称之为反射式滤波器。它可以在滤波器阻带内提供了高的串联阻抗和低的并联阻抗，使它与噪声源阻抗和负载阻抗严重不匹配，从而把不希望的频率分量发射回噪声源，电源滤波器一般设计为低通式，作为双向无源二端口网络，电源滤波器即可以限制电网中的高频进入设备，提高设备的抗干扰性，也可以阻止设备产生的高频干扰进入电网，改善设备的高频电磁发射水平，所以在电路中加入滤波器阻止电网的干扰进入设备和设备电路本身产生的电磁骚扰进入电网就很有必要了。如图3-3所示，电源滤波器为五端器件，它有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。一般地，c1和c2采用薄膜电容器；c3和c4选用陶瓷电容。c1c4的耐压值均不小于630dc或250ac。c3和c4也可并联在输入端，注意同样也应合理接地。另外，使用时还应注意共模线圈的电容容量，防止磁通饱和以及线圈过度发热。 图3-3 开关电源虑波器电路图 要了解电源滤波器的构造原理，首先需要了解电磁噪声的特性。任何电源线上的高频传导骚扰信号，均可用差模和共模干扰信号来描述。差模干扰在两传输导线之间流动，属于对称干扰；共模干扰在传输导线与地之间传输，属于非对称干扰。所以电源滤波器进行滤波需要从差模和共模两方面入手。如图3-3所示，c1、c2是差模电容器，一般称为x电容，c3、c4是共模电容，一般称为y电容。c3、c4的电容量不宜选得过大，否则容易引起滤波器漏电的危险。t1为共模扼流圈，它为同向绕在同一个铁氧体环上的一对线圈，电感量约为几毫亨。对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，共模扼流圈表现出较大的阻抗，从而起到衰减干扰信号的作用；而对于差模信号（在这里是低频电源电流），两个线圈产生的磁场抵消，所以不影响电路的电源传输功率。3.1.4.2用topswitch芯片设计开关电源时的应用技巧 1影响单片开关电源效率的主要因素topswitch系列芯片作为单片开关电源的一部分，对电源效率有着一定的影响。图3？所示是以st204a型单片开关电源模块的内部电路。实际上，图中电源的大部分功率损耗是由top204y？、钳位二极管(vdz)、输出整流管(vd2)、共模扼流圈(l2)？、整流桥(br)、高频变压器(t)及输入电容(c1)、输出电容(c2)等产生的。它们也是影响电源效率的主要因素。 补充电路图，将各元件与图对应2、 提高单片开关电源效率的方法4 (1)输入整流桥(br)的选择选择具有较大容量的整流桥并使之工作在较小的电流下，可减小整流桥的压降和功率损耗，提高电源效率。由二极管构成的整流桥(br)的标称电源电流in应大于在输入电压为最小值(umin)时的初级有效电流，功率因数应取0.60.8之间，其具体数值取决于输入电压u和输入阻抗。(2)钳位二级管(vdz)的选择钳位电路主要用来限制高频变压器漏感所产生的尖峰电压并减小漏极产生的振铃电压。在图1所示的单片开关电源模块电路中，输入钳位保护电路由vdz和vd1构成。为降低其损耗，vdz可选用p6ke200型瞬变电压抑制二极管;vd1则选用byv 26c型快恢复二极管。(3)输入滤波电容(c1)输入滤波电容c1用于滤除输入端引入的高频干扰，c1的选择主要是正确估算其电容量。通常输入电压u1增加时，每瓦输出功率所对应的电容量可减小。(4)交流输入端电磁干扰滤波器(emi)电感和c6用于构成交流输入端的电磁干扰滤波器(emi)。c6能滤除输入端脉动电压所产生的串模干扰，l2则可抑制初级线圈中的共模干扰。(5)限流保护电路为限制通电瞬间的尖峰电流，可在输入端接入具有负温度系数的热敏电阻(ntc)。选择该电阻时应使之工作在热状态(即低阻态)，以减小电源电路中的热损耗(6)输出整流管(vd2)正确选择输出整流管vd2可以降低电路损耗，提高电源效率。其方法一是选用肖特基整流管，原因是其正向传输损耗低，且不存在快恢复整流管的反向恢复损耗;二是将开关电源设计成连续工作模式，以减小次级的有效值电流和峰值电流。输出整流管的标称电流应为输出直流电流额定值的3倍以上。(7) 输出滤波电容(c2)电源工作时，输出滤波电容(c2)上的脉动电流通常很大。一般在固定负载情况下，通过c2的交流标称值ic2晓必须满足下列条件： (3-1)式中，ir1是输出滤波电容c2上的脉动电流。设输出端负载为纯电阻性r1，那么，r1、c2愈大，则c2放电愈慢，输出波形愈平坦。也就是说，在r1一定的情况下，c2愈大，输出直流电压愈平滑。3. 确保高频变压器的质量设计时应确保高频变压器有合理的结构，同时应保证其具有较低的直流损耗和交流损耗且漏感小，线圈本身的分布电容及各线圈之间的耦合电容也要足够小。为达到上述目标，最主要的是要正确确定磁芯的形状、尺寸、磁芯材料以及线圈的绕制方法等。(1)降低高频变压器的直流损耗交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯损耗引起的。趋肤效应会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。由于高频电流对导线的穿透能力与开关频率的平方根成反比。为了减小交流铜损耗，其导线半径不得超过高频电流可达深度的两倍。事实上，在根据开关频率确定导线直径后，实际制作时应用比更细的导线多股并绕而不是用一根粗导线绕制。(2)减小漏感因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高;而初级尖峰电压幅度愈高，初级钳位电路的损耗就愈大，从而将导致电源效率降低。所以，在设计高频变压器时，必须把漏感减至最小。对于低损耗的高频变压器，其漏感量应是开路时初级电感量的减小漏感的措施有减小初级线圈的匝数、增大线圈的宽度、增加线圈尺寸的高度与宽度之比、减小线圈之间的绝缘层以及增加线圈之间的耦合程度等。(3)减小线圈的分布电容在开关电源的每个通、断转换期间，线圈分布电容将反复充、放电,这样,其上的能量被吸收将使电源效率降低。此外，分布电容与线圈的分布电感也会构成lc振荡回路，并产生振荡噪声。对于初级线圈的分布影响，可以采取如下措施来减小线圈分布电容：一是尽量减小每匝导线的长度;二是将初级线圈的始端接漏极;三是在初级线圈之间加绝缘层。3.1.4.3基于topswitch芯片的单片开关电源的设计1top224p的管脚介绍该芯片由漏极端，控制端，源极端三个管脚组成。漏极端（drain脚）与输出mosfet漏极连接。启动时，提供内部偏置电流，控制端（control脚）控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。正常工作时，由内部并联稳压器提供内部偏置电流，也可以作电流旁路和自动启动/补偿电路电容的接点，源极端（source脚）和输出mosfet的源极连接，也是开关电源初级电路的公共点和参考点4。2芯片内部工作原理介绍芯片内部工作原理框图如图3-3所示，该芯片由mosfet.pwm控制器高压启动电路补偿和故障保护电路等部分组成，主要包括十大部分: 控制电压源; 带隙基准电压源; 振荡器; 并联调整器/ 误差放大器; 脉宽调制器;门驱动级和输出级; 过流保护电路; 过热保护及上电复位电路; 关断/ 自动重启动电路; 高压电流源.top224p的基本工作原理是利用反馈电流ic来调节占空比d ,达到稳压目的. 举例说明当输出电压v0 时,经过光耦反馈电路使得ic d v o , 最终使v o 不变,也即是在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流输入芯片提供开环输入，该输入通过并联稳压运放误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变ifb，经pwm控制mosfet的输出占空比，最后达到动态平衡4。3芯片功能特点介绍top224p是一个自编置自保护的电流占空比线性控制转换器。由于采用cmos工艺，转换效率与采用双集成电路和分立元件相比，偏置电流大大减少，省去了用于电流传导和提供启动编置电流的外接电阻，在正常工作时，内部mosfet输出脉冲的占空比随着control脚电流的增加而线性减少。top224p通过高压电流源的接通和断开，使控制电压vc保持在4.75.7v之间。芯片内部电压都取自具有温度补偿的带隙基准电压，能产生可微调的温度补偿电流源，用来精确地调节振荡的频率和mosfet的栅极驱动电流。振动器额定频率选为100khz，可降底emi，提高电源的效率。栅极驱动电流可逐周限流微调，从而提高精度。此外，该芯片还有关断/自动重新启动，过热保护等自身保护功能4。图3-3 top224p的内部框图4. 20v/40w的精密开关电源的电路快速设计设计单片开关电源时,首先要选择合适的芯片,既能满足要求,又不因选型不当而造成资源的浪费.而开关电源的电路快速设计法就可以圆满解决此技术难题. 在设计之前,只需要根据预期的输出功率和电源效率值,即可从曲线上查出最合适的单片开关电源ic 型号及功率损耗值如图3-4所示,这不仅简化了设计,而且为选择散热器提供依据. 最后进入电路设计阶段,包括高频变压器设计、外围元件参数的选择等.又由于知道该精密开关电源的电路属于固定输入(交流230 v35 v),故其步骤参考如下:(1)首先确定哪一幅图适用. 因为当u=220v(即230v35v),vo=20v时,故须选择图3.然后在横坐标上找出欲设计的输出功率点(po).(2)从输出功率点垂直向上移动,直到选中合适芯片所指的那条实曲线.如不适用,可继续向查找另一条实曲线.(3)再从等值线(虚线)上读出芯片的功耗pd.进而还可求出芯片的结温tj,以确定散热器的大小.(.其中为从结到器件表面的热阻,ia为环境温度)(4) 最后进入电路设计阶段,包括高频变压器设计、外围元件参数的选择等.图3固定输入且输出12v时pd与、po的关系曲线.根据已知条件(交流固定输入230v 35v 的20v、40w 开关电源),按上述方法步骤,从图3-4 中可以查出, top224y 是最佳选择,此时、= 85. 6 %、。5、开关电源的电路工作原理图3-5是以top224p为核心构成的输出20v，40w的单片精密开关电源的电路图。top204y在宽范围交流输入电压（85-265v）下的最大输出功率为45w。85-265v交流输入电压经整流滤波后产生约110v-375v的直流电压，由vdz和vd1组成漏极钳位保护电路，能抑制漏感产生的尖峰电压以及漏极上出现的振铃电压。高频变压器次级输出电压经过vd2整流和c2滤波变成直流电压，再通过l1和c3滤掉高频纹波电压。r2能改善轻载时的负载调整率。反馈绕组电压经vd3整流和c4滤波后产生top224y的偏置电压。输出电压v0经r4,r5分压后获得的取样电压与tl431内部2.5v基准电压源进行比较后输出误差电压，通过光耦流入top224p的控制端直接控制输出占空比，获得稳定的电压输出，改变电阻r4,r5的分压比，可以调整输出电压的标称值。c5的作用是滤除控制端上的尖峰电压决定自动重启动频率，和r3一起对控制回路进行补偿。c7为安全电容，能滤除由初、次级耦合电容产生的共模失真。图3-4 固定输入且输出20v 时pd 与、po 的关系曲线图3-5 15v，30w的单片精密开关电源的电路图6主要单元电路的设计高频变压器是该电源设计的关键，反激式变压器工作在磁滞回线的笫1象限，磁芯同时加有交流和直流，为了不使磁芯饱和一定要加气隙。下面给出有关参数的设计和计算方法。(1)选择磁芯大小设效率为85%，则变压器传输的功率为 (3-2)通常，输出功率和磁芯截面积的经验公式为 (3-3) (2)计算tontop224y芯片中功率开关管mosfet的最大导通时间ton=d/f，式中d为占空比，取0.5;f为工作频率，取100khz。所以ton=5 s.(3) 计算最低直流输入电压设电源在最低线路输入电压时发生满载工作，此时，经单相整流用电容滤波后，其直流电压不会超过交流输入电压的1.4倍，也不小于1.2倍，在此取1.3倍，则最低直流输入电压v=1.385=110v.(4) 选择工作时磁通密度值对于磁芯的工作磁密,一般由饱和磁密bs决定，选择磁芯工作磁密的原则是要保证它在b-h特性曲线的线性工作区工作，在此取工作磁密 (3-4)(5)计算原边匝数因为作用在高频变压器初级电压是一个方波，top224y中功率开关管mosfet在导通期间的伏秒值与原边匝数关系为 (3-5) （6）计算副边匝数由于该开关电源的输出为20v，设整流二极管压降为0.7v绕组压降为0.6v，则副边绕组电压值为21.3v。原边绕组每匝伏数： (3-6)副边绕组匝数 (3-7)实际当中取5匝。(7)计算辅助绕组匝数因(6)中副边匝数取整数5匝,则21.3/5=4.26(v/匝)。占空比必须作相应的变化来维持伏-秒值相等。 (3-8)辅助电源的输出电压为12v，考虑绕组及二极管的压降后，可以得出辅助绕组的匝数nf 。 (3-9)实际取3匝。（8）确定磁芯气隙的大小可用下式计算气隙的大小 (3-10)式中：lp=为原边电感，可由来计算；im为原边电流的峰值,可由来算；is为原边一个周期平均电流，可由来计算。代入具体数值，计算得：is=0.32a，im=0.683a，lp=757h，lg=0.114mm。(9) 检查磁芯在工作时最大磁通密度bmax=bw+b式中：b可按下式计算 (3-11) 所以 (3-12) (3-13) 上述结果表明，设计合理。 （10）自启动周期的选择自启动周期的计算公式： (3-14)其中，典型值zc=15，芯片控制振荡频率f =100 khz，故r3=6.2 ，c5=47 f