毕业论文---大功率led恒流开关电源的研制.doc

2012 届 本 科生毕业论文 存档编号 湖 北 文 理 学 院毕业论文(设 计)论文（设计）题目: 大功率LED恒流开关电源的研制English topic: Constant Current LED Switching Power Supply 系 别 物理与电子工程学院 专 业 自动化 学 号 08118085 学 生 张 巍 指导教师 王见乐 2012 年 5 月 25 日大功率LED恒流开关电源的研制摘要：目前，电能的合理利用越来越成为节约能源的重要方面。LED由于其节能、高效、高稳定性、长寿命等特点，得到越来越广泛的应用。LED 本身的光学特性对电流的敏感性高于电压。由于LED的这些特点，一种与之匹配的高效、节能、稳定的电源必不可少。本文设计了一种市场需求量大的拥有多路输出的大功率LED恒流驱动开关电源，它在输入电压和负载LED灯串电压(即个数)在一定范围内变化时，仍具有高恒流精度和控制结构简单、成本低、体积小、效率高等特点。文章首先对大功率照明LED的特性及其驱动电路的性能要求进行了介绍。接着分析了恒流开关电源作为LED驱动电源的可行性及优势所在，介绍了开关电源相关关键性技术，确定本设计采用反激式的括扑结构，驱动电路采用先恒压再恒流的两级驱动形式，控制芯片使用 PI 公司的 TNY274 系列控制芯片。然后，论文对开关电源各个功能模块进行了设计并通过公式推导计算出最佳参数作为设计参考。最后整合各功能模块，设计出两级驱动 LED总电路，绘制出整体电路PCB图，并对本次设计进行了总结。关键词：LED；恒流；开关电源；驱动电源；大功率Constant Current LED Switching Power SupplyAbstract：At present, the rational use of electricity has increasingly become an important aspect of energy conservation. LED to be more widely used due to its energy saving, high efficiency, high stability, long life characteristics. Higher than the voltage of the current sensitivity of the optical properties of the LED itself. Because of these characteristics of the LED, a matching efficiency, energy saving, stable power supply is essential. Design a market demand of high-power LED constant current driver switching power supply with multiple outputs, and change within a certain range in the input voltage and load LED string voltage (ie, number), still has a high current precision and control structure is simple, low cost, small size and high efficiency. The article introduces the first high-power LED lighting characteristics and performance of the drive circuit requirements. Then analyzes the feasibility and advantages of the constant-current switching power supply as an LED driver power supply, switching power supply key technologies to determine the design of flyback including flutter structure using two of the first constant voltage constant current drive circuit -driven form of control chip using the PI series TNY274 control chip. Then, the papers on the various functional modules of the switching power supply design and derived formula to calculate the optimal parameters as a design reference. The final integration of the functional modules, designed the two LED drive circuit, PCB plans to map out the overall circuit, and design are summarized.Key words: LED; constant current; switching power supply; power supply; high power目 录1 概述11.1选题的目的与意义11.2大功率LED恒流驱动电源发展趋势21.3本课题研究的主要内容32 开关电源设计方案42.1 开关电源的拓扑结构选择42.2 反激式开关电源原理62.3 恒流驱动方式选择72.4 恒流驱动芯片选择82.5 电源控制芯片选择93 开关电源电路功能模块设计103.1 电路总体参数103.1.1 直流输入电压和电流的计算103.1.2 输出电流的计算113.1.3 输出整流管和输出电容的设计113.2 输入整流滤波电路设计133.3 钳位保护电路的设计133.3.1 几种基本的钳位电路比较133.3.2 RCD/稳压管箝位电路的设计143.4 功率因数校正电路的设计153.4.1 功率因数校正电路选择153.4.2 填谷式功率因数校正电路的原理与设计153.5 EMI 滤波器的设计173.5.1 EMI 滤波器173.5.2 EMI 滤波器的设计173.6 变压器的设计183.6.1磁芯选择183.6.2计算直流输入、输出电压及匝数比173.6.3计算电流、电感及各绕组匝数173.6.4计算导线线径：204 LED恒流驱动开关电源整体电路的设计224.1整体电路的设计224.2整体电路PCB图的设计235 总结25参考文献 26致 谢 27The general staff (1 employees in addition to vice president, director, manager, deputy manager and special positions outside the contract period) to resign, to give 10 days notice, the project manager or department manager, administrative personnel department or relevant responsible person for the relevant visa after departure procedures; in addition to general staff personnel outside the contract period of turnover must submit the resignation report, a month ahead of schedule, the administrative personnel department, general manager of visa before separation procedures; probation employees shall pay in advance 5 resignation report, the project manager or department manager and administrative personnel department visa before departure; positive after special reasons did not sign a contract with reference to general employees Through the staff1 概述1.1选题的目的与意义随着社会的高速发展，能源问题日益被世界关注，其中电能的合理利用是节约能源的重要方面。目前，我国照明用电在经济用电中仅次于电动机居第二位，而且以低效照明光源为主。因此采用发光效率高的照明光源、可靠性和效率高的照明电源具有重要意义。如何提高照明系统的能源利用率，延长照明系统的寿命，并且是绿色无污染的成为当前各国研究的热点。随着LED光效的迅速提高、成本的不断下降LED做为近年来兴起的第四代照明光源与传统的照明光源相比有如下优点：（1）节能：大功率LED照明的第一个突出优点就是节能。由于LED的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达 80%90%，而白炽灯的可见光转换效率仅为 10%20%，因此，从节能方面来说，LED 具有很大的优势。（2）光线质量高、光色纯：由于LED光谱中几乎没有紫外线和红外线，因此没有热量，没有辐射，可见其属于典型的绿色照明光源并且LED 与传统照明光源相比，其光谱相对狭窄。（3）寿命长：LED 芯片的寿命是半永久性的，而作为光源的寿命还取决于封装材料品质的优劣。一般LED光源光通量衰减到 70%的标称寿命为 10 万小时，是白炽灯的数十倍，是荧光灯和 HID 灯的数倍。（4）可靠性高：大功率LED以其特殊的电子结构保证其工作时有良好的稳定性和可靠性，甚至在水下也能长时间稳定的工作。而且它没有传统光源的钨丝、玻璃壳等易损部件，维护费用低廉。（5）灵活度高：体积小，便于造型，可做成点、线、面等各种形式。LED不但使用灵活而且控制也灵活，通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效果。（6）响应快：因为LED利用了电子空穴湮灭的直接发光现象，因此，发光的响应时间非常短，通常在 100ms 以下，虽然实际中会受到驱动电路的影响，但仍然属于毫秒级别。大功率照明LED的响应为纳秒级，无频闪。（7）环保：大功率LED的工作环境为低压直流电，因而没有电磁干扰。而且不同于日光灯点亮后会产生汞蒸气及二氧化碳和其他温室气体等污染物，LED 产生的废物很少，同时，其荧光粉的用量也仅为普通荧光灯的十分之一。由于LED具有以上诸多的优点，随着照明用电量的迅猛增加以及电能消耗的加剧，我国的供电势态和环境与生态保护的现状日益严峻，根据可持续发展的科学观念要求，LED作为未来社会照明光源成为一种必然趋势。因此设计出效率高、工作稳定的LED驱动电源对解决世界能源问题则具有重要现实意义。1.2大功率LED恒流驱动电源发展趋势随着LED在照明领域的普及，用市电驱动LED越来越成为人们关注的问题。但用市电驱动LED不仅需要解决降压和恒流问题，还要有比较高的转换效率、有较小的体积、长时间工作能力、较低的成本、电磁干扰和功率因数等问题。因此大功率LED恒流驱动的发展要从解决上述问题着手。（1）驱动器与LED工作特性的匹配。大功率 LED驱动电源是低电压大电流的驱动器件，由LED的电气特性可知其各项性能参数对电流的敏感性高于电压，因此为保证大功率LED使用的安全性和理想性，LED 的驱动需要提供恒流电源。（2）驱动器的高可靠性、高效率。由于LED 是具有长寿命的高可靠性固体照明光源决定了与其配套的驱动器也要能够长期稳定可靠地工作。发热问题一直是阻碍LED发展的难题，因此对LED驱动器的效率有较高的要求。驱动器的效率提高不仅节约了能源，同时由于其损耗的降低，在灯具内的发热量也相应的减少，提高了LED的使用寿命。（3）多功能保护。电流过强时，会引起LED衰减，导致其寿命缩短。恒定电流在LED照明中极其重要，这就需要驱动器在能满足恒流的基础上还要有过流保护功能。良好的LED驱动器保护功能必不可少，如过流保护、过温保护、短路保护和安全保护等。（4）热管理设计。LED 照明应用的最突出问题是发热和散热问题，LED 本身无法通过红外线的形式辐射散热，只能通过散热垫以传导的形式将热量传导到外装的散热片上，因此在对驱动器进行设计时就要考虑从导热和散热两方面综合考虑。（5）体积小型化。随着半导体照明在民用市场的逐渐普及，小型化能够使LED照明能够适应更多的工作环境。因此，大功率LED电源设计的小型化发展成为了一种必然趋势。（6）其他。由于LED的驱动器越来越多的采用基于开关电源的设计模式，而以高频工作来提高功率密度和效率的开关电源不可避免的涉及到了电磁兼容问题，因此在电磁兼容方面对未来的LED驱动器提出了更高要求。1.3本课题研究的主要内容基于对LED驱动技术发展趋势的理解，在现有科研条件的基础上，设计出多路输出的大功率LED恒流驱动器并对LED恒流驱动技术进行研究。本文的主要研究内容包括以下几点：（1）介绍LED照明的特点、并对LED驱动电路的发展现状及趋势进行阐述（2）分析开关电源的基本原理，选择合适的拓扑结构、控制芯片、驱动电路研制LED恒流驱动开关电源。（3）对开关电源各个功能模块进行了具体的分析和公式推导，计算出最佳参数作为设计参考设计出电路，最后设计出整体电路原理图和PCB图。2 开关电源设计方案2.1 开关电源的拓扑结构选择驱动LED的开关电源的拓扑结构基本有 Buck(降压型)、Boost（升压型）、Buck-Boost（降-升压型）和Flyback（反激式）等，不同拓扑结构对流过LED的电流控制效果不同。图1 Buck变换器的LED驱动电路图1所示为采用 Buck 型变换器的LED驱动电路。该驱动电路与传统的 Buck 变换器不同，开关管 VT 移到了电感后面，使得开关管源极接地，而续流二极管 VD 反并联到该串联电路。这种驱动方式简单、不需要输出滤波电容，降低了成本。但该变换器不适用于输入电压过低或过多LED串联的场合。 图2 Boost 变换器的LED驱动电路图2所示为采用 Boost变换器的LED驱动电路，通过电感储能将输出电压泵升至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对LED驱动。Boost变换器输入电流是连续的，这减轻了对电源的电磁干扰,开关晶体管发射极接地使驱动电路简单。但是它输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大。所以实际应用中，在二极管与输出之间常加入一个输出滤波网络。另外电压变比永远大于1，即它只能升压，不能降压。 图3 Buck-Boost变换器的LED驱动电路图3所示为采用 Buck-Boost变换器的LED驱动电路。与 Buck 电路类似，该电路中开关管 VT 的源极可以直接接地。Buck-Boost变换器电路简单，电压变比可由零到无穷大，即可升压又可降压。但是它的输入、输出电流皆有脉动，使得对输入电源有电磁干扰且输出纹波较大。所以实际应用时常加有输入，输出滤波器。并且开关晶体管发射极不接地，驱动电路变得复杂。图4 反激式变换器的LED驱动电路图4 所示为反激式开关电源的典型电路。反激变换器又称 Flyback 式变换器。反激式开关电源电路拓扑结构简单，元件数少，体积小，因此成本较低。虽然该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，但当用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中时，影响相对不大。在用恒压电源控制芯片实现恒流功能的LED恒流驱动开关电源设计中，反激式拓扑结构有一定的优势。反激式电路拓扑的这些特性符合LED对驱动电源的要求，因此本文设计的LED恒流开关电源采用反激式电路拓扑结构。2.2 反激式开关电源原理反激式开关电源其结构相当于在 Boost 变换器中，用一个变压器代替升压电感，即构成了反激式变换器。所谓的反激，是指当开关管VT导通时，高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT截止时，变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及整流和电容C滤波后向负载输出。反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。反激式拓扑开关电源有两种工作方式：(1) 完全能量转换，也叫做非连续导通模式。该模式的特点是，变压器在储能周期中储存的所有能量在反激周期都转移到输出端。(2) 不完全能量转换，也叫做连续导通模式。存储在变压器中的一部份能量保留到下一个储存周期开始。以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工作原理。该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、去磁、非连续导通三个阶段。(1) 励磁阶段：当开关VT导通时，变压器初级励磁电感中的电流从零开始上升。由于次级边的二极管具有单向导通性，此时二极管反偏，在次级不导通电流，输出滤波电容C向负载供电。由于此阶段的作用是向初级励磁电感补充能量，以为在下一个阶段向次级绕组转移能量做准备，因此这个阶段被称为励磁阶段。(2) 去磁阶段：当励磁阶段结束后，VT停止导通。由于电感电流不能突变，励磁电感电流开始在初级电感上续流，能量通过变压器转移到输出端，在次级边上，二极管正向导通，输出端得到能量。此时，励磁电感上的电压反向，励磁电流开始下降，因此该阶段被称为去磁阶段。(3) 非连续导通阶段：当励磁电感的电流下降到零时，变压器初级边的能量己经完全转移到次级边，次级边上二极管不再导通。此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流，等待着下一个周期的到来。在连续导通模式下，不存在这个阶段。2.3 恒流驱动方式选择LED 需要恒流驱动，技术上主要有三种恒流驱动方案。第一，先恒压再电阻限流；第二，使用专用LED恒流驱动芯片；第三，使用传统的恒压电源控制芯片实现恒流。上述方法各有优缺点，本节设计的LED驱动电源使用两级驱动。即先使用光耦与TL431组合电路实现恒压，然后使用AMC7150控制芯片实现恒流。TL431是一个热稳定性良好的三端可调分流基准源，其输出电压用两个电阻就可以随意设置从2.5V到36V范围内的任何值。因其价格低、性能好，广泛用于可调压电源，开关电源等。TL431基本连接方法如下图5。图5 TL431基本连接方法传统使用光耦与TL431组合实现恒流如图6所示，TL431的精确基准电压2.5V加在R4两端，对流过LED串的电流检测。当LED正端电压增大，电流增大，R4端电压大于2.5V，使TL431工作在放大状态，从而流过光耦输入端的电流增大，使输出端的大电流拉低/抬高反馈电压，最终使IC强迫关断初级向次级侧传递能量。R3、C2对TL431补偿。图6 使用TL431恒流驱动连接方式采用这种连接方式的电路的优点：稳定性好，电路简单，元器件少，成本低，恒流精度高。电路的缺点：以0.35A/1W为例，R4消耗的功率为P=2.5V0.35A=0.875W。可见此电路不适合做输出电流过大的电源。另外，电路不可以工作在空载状态下。本次设计的开关电源即在此电路基础上再加一级AMC7150 控制芯片实现恒流驱动，采用两级驱动的恒流开关电源保证了在恒流精度高、稳定性好的前提下能够驱动多路大功率LED。2.4 恒流驱动芯片选择恒流驱动部分由ADD 公司的LED专用驱动芯片AMC7150实现。AMC7150 是一个以PWM（脉冲宽度调变）方式工作的的LED驱动IC。驱动电流可以从几个毫安上升到1.5A，它可以使LED工作在输入电压从4V到40V的高效、高亮的情况下。工作频率由外部电容控制可以达到200KHz,在一个LED或者一串的LED工作时，如果需要改变输出电流的话，只要调节外部的电阻就可以达到改变输出的目的。图 7是 AMC7150 最简单的电路结构图，包括芯片内部结构和外围电路结构。AMC7150的引脚描述如表2.1所示。图7 AMC7150 最简电路结构图表2.1 AMC7150引脚描述表引脚序号引脚名引脚功能1VCC输入电压4V-40V2CS峰值电流判断脚3GND电源地4OUT驱动输出脚5OSC振荡调速电容引脚2.5 电源控制芯片选择本设计使用 PI 公司的 TNY274 系列控制芯片。它使用先进的 PSM 控制方式。因为芯片内部集成开关管，所以整个电源结构简洁，工作稳定，效率高。现阶段LED恒流驱动开关电源的功率普遍较小，大都在 30W 以内，这个功率正是开关管内置芯片适用的范围。TNY274 系列控制芯片的特点：集成了一个 700V 的功率 MOSFET、振荡器、高压开关电流源、电流限流(用户可选)及热关断电路，频率抖动降低 EMI 滤波成本，自偏置，精确的迟滞热关断保护并具备自动恢复功能。TNY274 系列内图结构如图8所示。图 8 TNY274 内部结构图TNY274 系列控制芯片的管脚功能：漏极引脚(D)：功率 MOSFET 的漏极连接点。旁路/多功能引脚(BP/M)：一个外部旁路电容连接到这个引脚，用于生成内部5.85V 的供电电源。作为外部限流点设定，根据所使用电容的数值选择电流限流值。使能/欠压引脚(EN/UV)：输入使能信号和输入线电压欠压检测。源极引脚(S)：内部连接到MOSFET的源极。3 开关电源电路功能模块设计3.1 电路总体参数本文设计的LED恒流驱动开关电源使用两级驱动。设计指标 220V(20%)输入，恒压 23V，0.9A 输出，额定功率 20W，效率 75%。LED 恒流 350mA 输出，驱动 5 个串联的 1W（350mA）白光 LED，效率 85%，3 路输出。3.1.1 直流输入电压和电流的计算直流输入电压是指经过桥式整流器整流后得到电压，因为 220V 市电有波动，所以要计算最小直流输入电压，最大直流输入电压和直流输入电压。用于计算开关管耐压、最大占空比、初次级匝比和桥式整流管参数等。 3-1 3-2式 3-1、3-2中为正常输入电压，即 220VAC，为最小输入电压，为最大输入电压。为桥式整流管最大导通时间，典型值为 3ms。为输入滤波电容，在 220V 输入时，根据经验输出 1W 的功率需要 1uH 的输入滤波电容。 3-3最大占空比: 3-4式 3-4 中，为反射电压，为开关管导通压降。KP为电流波形参数，表示电路的工作状态。KP1.0 时，表示电路工作在不连续模式。因为设计希望电路工作在不连续模式，根据控制芯片的数据手册选择 KP=1.7。对于变压器初级电流，需要计算初级平均电流，初级等效直流电流和初级峰值电流。用于计算初级绕组线径、开关管参数、桥式整流管参数和变压器参数等。 3-5 3-6 3-73.1.2 输出电流的计算对于变压器次级电流，需要计算次级峰值电流，次级等效直流电流和输出电容纹波电流。用于计算次级绕组线径、输出整流管参数、输出电容和采样电路参数等。 3-8 3-9 3-103.1.3 输出整流管和输出电容的设计输入整流电路，选择桥式整流管需要考虑二极管的耐压和导通电流。 3-11 3-12根据计算，可以选用用4个1N4006或选用DB106。输出整流管的选择要考虑最大反向峰值电压和导通电流。 3-13 3-14 3-15根据计算，考虑 RCD 电路对输出整流管的影响。选择的输出整流二极管应当具备正向压降低、反向漏电流小、反向恢复时间短等特点。选择快速恢复管MUR420（规格 VR=200V、=4A）。实际使用时选用肖特基管效率会更高，但由于肖特基管耐压较低，最大耐压已经接近计算值，出现过整流管击穿的现象。输出电容的大小直接影响输出电压纹波，反激式变换器可以没有输出滤波电感和电容，同时由于LED的恒流设计，所以电容取值应大于恒压控制的电源。输出电压纹波电压等于 3-16铝电解电容的。 3-17由于设计的输出电压比较高，等效电阻低的钽电容耐压较低，耐压较高的钽电容容量又较小。实际设计制作时，通常用2个或多个铝电解电容，紧靠输出端用23个高耐压小容量的钽电容并联减少输出电容的等效电阻。3.2 输入整流滤波电路设计如图9所示，输入整流滤波电路包括输入EMI交流滤波器、整流二部分。交流滤波主要是滤除交流输入端的共模干扰和差模干扰，其中电感L0为共模电感，采取双线并绕，是为了去除共模干扰。C01、C02接于相线和中线之间为差模电容，C03、C04接于相线或中线与地之间为共模电容。整流电路一般选用满足电流阈值的整流桥。电感的取值、材料的选取要考虑：磁芯材料的频率范围要保证最高频率在1GHz，另外磁导率高。图 9 输入整流滤波电路3.3 钳位保护电路的设计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。作用原理是将周期性变化的波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上。3.3.1 几种基本的钳位电路比较反激变换器在开关管关断时向次级提供能量，在开关管关断时，初级会产生由次级反射的电压，感应电压的极性和直流输入电压相同，开关管此时需要承受直流输入电压加次级反射电压。由于反射电压有电压尖峰存在，所以必须有钳位电路保证反向感应电压和直流输入电压之和不超过开关管的最大耐压值。表3.1对几种钳位保护电路做了简单的比较。综合元件成本、空载功耗、轻载效率、EMI噪声等方面的因素考虑，本设计采用RCD稳压管钳位电路。表 3.1 几种箝位电路的比较开关管钳位电路稳压管钳位RCD稳压管钳位RCD钳位元件成本高低最低空载功耗最低高最高轻载效率最高高最低EMI噪声最高低最低3.3.2 RCD/稳压管箝位电路的设计RCD/稳压管箝位电路如图10所示，这种箝位电路更适用于开关电源功率大于50W的设计使用。R1和C3限制峰值漏极电压，VR1(电压抑制器)仅在启动、过载和瞬态负载条件下激活。C3上电压不会跳变，所以稳压管可以提供预设的最大箝位电压。选择R1值，通过每个开关周期在低输入电压和满负载下对C3进行放电，使反射电压不会保持在最大瞬态值。R2起到限制电流的作用，同时吸收了一部分能量，所以使振荡衰减并抑制二极管反向恢复电流。图10 RCD/稳压管箝位电路R1：10K100 K，0.5W5W。R2：010，0.5W。VR1：1.4 VR1200V，0.5W6.5W，常规为P6KE200A。C3：330pF47nF，选400V的陶瓷电容或薄膜电容。D1：600V，1A。常规型号为FR107，VS1M，UF4005。3.4 功率因数校正电路的设计3.4.1 功率因数校正电路选择在开关电源领域，任何使输入电网电流为非正弦波，或即使是正弦波但和正弦输入电压不同相位，或使输入电流具有谐波的电路结构都会降低功率因数从产生功率损耗。为了提高电源效率，合适的功率因数校正电路必不可少。功率因数校正电路可以分成有源功率因数校正和无源功率因数校正两大类。有源功率因数校正电路可以迫使交流电流跟随供电正弦电压的变化。这样需要通过反馈控制系统，实现电流波形的正弦化和同步化，控制系统需要控制芯片。它的电路结构比较复杂，一般应用于200W以上的电路，如果小功率的开关电源使用有源功率因数校正电路，体积和成本都会成倍的增加。无源功率因数校正电路需要用到线性电感器和电容器来提高功率因数、降低谐波分量。这种方法在无失真的电抗负载情况下工作较好，但非线性负载产生的谐波（或失真）不能用这种方法抵消。为了去掉失真中的高次谐波，需要在输入端串联低通滤波器。在大功率的电源中，大量的能量必须被这种滤波器存储和管理，因此需要大电感器和大电容器，很不经济。因为本文设计的LED恒流驱动开关电源的功率相对较小，一般情况下都小于200W，所以使用无源功率因数校正电路。3.4.2 填谷式功率因数校正电路的原理与设计填谷式功率因数校正电路如图11示，当输入正弦波刚过零点时。设加在负载上输出电压约为供电输入电压峰值的1/3，通过给负载供电，同时通过给负载供电，二极管反偏不导通。当输入电压大于输出电压时，桥式整流器将导通以增大输出电压。此时二极管和将关断，电容器和将停止向负载供电。负载电流此时直接由电源通过桥式整流器提供，因供电电压小于和上电压之和，这时将不导通。图11“填谷式”功率因数校正电路当供电电压达到和上电压之和时，输入电流将和输入电压一样为正弦波形。当供电电压达到峰值时，它将超过和上的电压之和，通过、R1和导通并再对串联电容器充电。供电电压峰值附近的短暂电流被电阻器R1限流。当供电电压开始下降时，所有的二极管都将关断，负载电流又重新直接通过桥式整流管供电。当供电电压下降到原来峰值的50%时，二极管和将重新导通，通过并联的和对负载供电。上述电路，输出纹波电压将超过半波整流后电压峰值的50%，与电容器的大小无关。因此这种方法仅适用于那些可以承受大的纹波电压的负载。为了克服这种缺陷，对上述电路进行改进。改进后的电路如图12所示。小电容器和产生的倍压效应使得在很低的供电电压下依然能够导通，填充了电流波形内的关断部分，减小了失真。和比和小的多。图12改进后的“填谷式”功率因数校正电路3.5 EMI 滤波器的设计3.5.1 EMI 滤波器在开关电源中，电磁干扰主要来源于功率开关器件产生的 du/dt 和 di/dt，其频率从关电源的工作频率到几十 MHz。在开关电源的设计中，EMI 滤波器是抑制传导干扰的滤波器。它是一种低通滤波器，把直流、50Hz或400Hz的电源功率毫无衰减地传输到设备上，大大衰减经电源传入的EMI信号，保护设备免受其害；同时，又能有效地控制设备本身产生的EMI信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。它工作在500KHz以上高频时也不会受到滤波器件的寄生参数、器件布置和 PCB 布线的寄生参数的影响。3.5.2 EMI 滤波器的设计实际应用中，在电源线中往往同时存在共模和差模干扰，一般低于1MHz频率的干扰以差模为主，高于1MHz频率的干扰以共模为主。因此电源EMI滤波器是由共模滤波电路和差模滤波电路综合构成。共模滤波器的等效电路是一个 LC 低通滤波器，设计时主要考虑转折频率点和对应频率的衰减量。输出端在频率点后增益为-40dB/倍频程。频率转折点的计算公式为 3-18 给出。 3-18其中，差模滤波器的等效电路是一个 型低通滤波器，设计时主要考虑转折频率点和对应频率的衰减量。 3-19其中，共模滤波电容主要由漏电流决定，从 0.1mA 到几毫安不等，放电时可以对接触的人造成伤害，所以为安全考虑，本文设计的取值 0.1mA。 3-20实际设计取容易购买的 2.2nF 的瓷片电容，=2.2nF。为达到较好的滤波效果，设计较低的转折频率点，本设计的=10KHz，=10KHz，由式 3-19 得。 3-21的大小由共模扼流圈电感值和独立电感值共同组成，一般情况下，共模扼流圈电感值较大，独立电感电感值较小，所以这里设计取=1mH，=57mH。由式 3-20 得 3-22，实际取：。3.6 变压器的设计3.6.1磁芯选择由变压器相关基本公式可得高频变压器的开关频率公式：f= 3-23上式中f为开关频率，Vin为输入电压，Vout为输出电压，Lp为初级电感，Ip为初级电流，Ls为输出端的次级电感，Io为输出电流，Ton、Toff分别为一个周期内开通、关断时间,Np、Ns分别为初级、次级匝数，T为开关周期，Pin为输入功率。RCC变压器没有绝对的，最合适的初级电感值以及匝数比能达到最大的效率，但是其他的电感值和匝数比可能仍可以工作，因此可以适当改变这两个参数来选择不同的变压器。确定变压器参数为：100240V交流输入，最大占空比Dmax为0.5，传递效率为0.95，导线电流密度J为0.35A/mm，工作磁通密度Bw为2800mT（这几个参数均为经验值，具有通用性）。周期为33S，Ton=T*Dmax=16.7S。下面运用面积乘积法,也叫AP法进行计算，根据AP值可以查到磁性材料的编号。变压器视在功率：Pt=Vout*Io(1+1/)*=5*1*(1+1/0.95)=15W，式中效率取95%；由公式AP=() 3-24得AP=0.011cm。式中Ko窗口使用系数,主要与线径、绕组有关，此处取典型值0.4；Kf为波形系数，即有效值与平均值之比，正弦波时为4.44，方波时为4；Bw为工作磁通密度，镍锌铁氧体材质铁芯一般在0.26T到0.3T,此处选择0.28T；Kj为电流密度比例系数，网上查得铁氧体的Kj为534；AP为磁芯窗口面积Aw和磁芯有效面积Ae的积，单位为cm。原边绕组每匝面积Ap只要大于1.1AP即可满足要求。此处选择铁氧体磁芯EI25，网上查的它的Ap为0.3165cm，远大于1.1AP。3.6.2计算直流输入、输出电压及匝数比直流输入：Vinmin=100*0.95=134V 3-25输出：Vs=Vout+Vd+VL 3-26匝数比：n= 3-27上式中Vinmin为直流输入最小电压，Vs为次级输出电压，Vout为最终输出电压，Vd为二极管压降，VL为电感压降。3.6.3计算电流、电感及各绕组匝数变压器次级输出功率Pout按三倍电流计算Pout=3Iout* Vs输入电流：Ip= 3-28初级绕组电感：Lp= 3-29原边线圈匝数：Np= 3-30输出副边绕组匝数：Ns=Np*n 3-31在这个高频变压器中，由于实际选择的磁芯相对较大，则根据电感大小与线圈直径大小成正比的关系判断，实际绕制的高频变压器初级电感Lp可能较大，因此可以适当增加Lp大小来计算开关频率。3.6.4计算导线线径：变压器绕线采用铜材料，高频变压器线径计算公式： 3-32其中I是电流，J是电流密度。不同频率时导体的穿透深度公式:d=K 3-33其中 K是常数对铜而言K=1如果计算出的线径D大于两倍的穿透深度,就需要采用多股线或利兹线 。大直径的导线因交流电阻引起的交流损耗大，经常用截面之和等于单导线的多根较细导线并联。多根细导线每根线径的计算公式： 3-34例如用两根导线代替一根，细导线的直径，注意截面积之和要大于等于单根导线的截面积。4 LED恒流驱动开关电源整体电路的设计4.1整体电路的设计电路各模块具体设计可以参考本文第三部分。整流滤波后由电感和输入滤波电容组成滤波器，可以减小电磁干扰(EMI)，提高功率因数。箝位电路使用 RCD/稳压管结构电路。增加 LC 滤波器，可以减小输出电压纹波。反馈控制电路使用 TL431 加 PC817，采样电阻使用可变电阻，可以精确的恒压到 23V。因为LED专用驱动芯片的输入电压调整率很差，所以恒压必须精确。并且给 TL431 增加的相位补偿网络。在变压器初级高压端和次级输出端串联 2.2nF的高压瓷片电容，可以使初级或次级的噪声有回路，减少噪声在电路中的反射。变压器磁芯使用 EE25，初级绕组 88T，0.31mm 线径，次级绕组 16T，0.47mm线径。初级电感 658uH。整体的电路原理图如图13 所示。图 13LED恒流驱动开关电源电路原理图第二级恒流驱动原理：如图14所示，采样电阻的计算公式由 AMC7150 的数据手册给出，如式4-1。但 AMC7150 的输入电压调整率和负载调整率很差，实际的取值需要实际试验测试后确定。 4-1通过实验测试AMC7150 在实现 350mA 恒流情况下，输出电流和输入电压的关系，试验结果表明驱动 56 个串联的LED可以达到较高的效率。频率则由电容的大小决定为了减小开关管的工作损耗，本设计选择 820pF的电容，使电路工作在较低的频率。图 14LED恒流驱动原理图本节电路设计时，经过反复试验，输入电压选择 23V，采样电阻选取为 0.51，可以实现接近 350mA 的恒流输出，同时恒压电路部分设计了可变电阻器以精确调整输出电压，使 AMC7150 可以实现稳定恒流。4.2整体电路PCB的设计在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定。特别是面临如今性能强大的开关稳压器和电源越来越紧凑，开关电源的开关频率越来越高。建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：放置变压器、设计电源开关电流回路、设计输出整流器电流回路、连接到交流电源电路的控制电路、设计输入电流源回路和输入滤波器、设计输出负载回路和输出滤波器。根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：(1) 首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加;过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。(2) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接， 去耦电容尽量靠近器件的VCC。(3) 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。 (4) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。(5) 尽可能地减小环路面积，以抑制开关电源的辐射干扰。图15 为根据上述要求而绘制的本论文所设计的多路大功率LED恒流开关电源PCB图。图15 大功率LED恒流开关电源PCB5 总结LED 恒流驱动开关电源设计的好坏直接影响LED照明的性能。随着LED照明在全球范围内的迅速普及，使得LED恒流驱动开关电源与人们生活的关系愈趋密切，对其要求日趋增高。小体积、高效率、低成本、稳定恒流成为发展趋势。本文选择反激式开关电源拓扑结构方案，设计两级驱动恒流输出开关电源，研制出的高性价比的多路大功率LED 恒流驱动开关电源可以很好的满足市场需求。本文设计LED恒流驱动开关电源。使用开关管集成的电源控制芯片，实际测试恒流效果好，输出电流稳定在 700mA（输入电压调整率小于 0.5%），体积小，成本低。同时