毕业论文（设计）：LED节能灯驱动电路的设计.doc

LED节能灯驱动电路的设计目 录摘 要1Abstract2第1章 绪 言31.1 课题背景31.2 课题研究的目的和意义31.3 LED驱动电路的发展概况及发展趋势4第2章 LED的基础知识52.1 LED的基本概念及特点52.1.1 LED的基本概念52.1.2 LED的特点52.2 LED的发光原理及主要参数72.2.1 LED的发光原理72.2.2 LED的主要参数7第3章 LED驱动主电路的设计103.1 电路设计的总体方案103.2 主电路的设计123.2.1 EMI滤波电路的设计123.2.2 整流桥电路的设计153.2.3 DC/AC变换电路的设计183.2.4 输出平滑电路的设计193.2.5 主电路及其工作原理203.3 LED的连接方式21第4章 控制电路的设计254 .1 PWM控制电路的设计254.1.1 SG3525A控制芯片的介绍254.1.2 基于SG3525A的PWM控制电路的设计294.2 隔离、驱动电路的设计304.2.1 IR2110集成芯片的介绍304.2.2 光电耦合器的介绍324.2.3 基于IR2110的隔离驱动电路的设计334.3 保护电路的设计344.3.1. 欠压保护电路344.3.2 过流保护电路35总结与展望36致 谢37参考文献38毕业设计小结39附录一40摘 要LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种可以将电能转化为光能并具有二级管特性的电子器件。LED 具有节能、环保、结构牢固、使用寿命长、体积小、发光效率高、显色性高、工作电压低、功耗低等优点。由于光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，属于典型的绿色照明光源，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，可以提高人们的工作、学习、生活的条件与质量。LED照明现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。我们设计LED驱动电源时，有必要知道LED电流、电压特性，由于LED的生产厂家及LED规格不同，电流、电压特性均有差异。因此对驱动电源的设计提出了严格要求。根据LED电流、电压变化特点，采用恒流源驱动是比较理想的LED驱动方式。采用恒流源驱动方式，LED上流过的电流将不受电压变化、环境温度变化，以及LED参数离散性的影响，从而能保持电流恒定，充分发挥LED的各种优良特性。本论文主要通过设计一个恒流驱动电源来驱动LED。通过各种电子元器件和电子电路组成恒流的电源，达到设计的要求。关键词：LED ，效率高，恒流源驱动Abstract LED (Light Emitting Diode) light-emitting diode that is a light can be converted to electrical energy and diode characteristics with electronic devices. LED energy saving, environmental protection, solid structure, long life, small size, high luminous efficiency, high color, low voltage, low power consumption. Since there is no ultraviolet and infrared spectra, neither heat nor radiation, typical of the green lighting, the use of high efficiency, long life, security, stability and performance lighting products, can improve peoples work, study and living conditions quality. LED lighting has become a development prospects and influence of a high-tech products. We designed LED drive power, it is necessary that LED current, voltage characteristics, the LED and LED manufacturers with different specifications, current and voltage characteristics are different. Therefore, the design of the drive power given strict requirements. According to LED current, voltage characteristics, the current source LED driver is ideal drive. Constant current source drive mode, LED current will not be too high voltage, ambient temperature changes and the impact of discrete LED parameters, so that it can maintain the current constant, give full play to the excellent characteristics of LED. In this thesis, through the design of a constant current drive power to drive the LED. Through a variety of electronic components and electronic circuit constant current power supply, to meet the design requirements. Keywords : LED, high efficiency, constant current source driver 第1章 绪 言1.1 课题背景近几年，我国政府在新能源开发、环境保护和资源节约方面相继出台了一系列方针政策和法律法规，实施了“金太阳”、“绿色照明”等一批重点工程，收到了较大成效。LED 由于光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，属于典型的绿色照明光源，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，可以提高人们的工作、学习、生活的条件与质量。也因如此，LED照明现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。所以，我选择了这个发展前景比较好的研究课题。1.2 课题研究的目的和意义全球能源紧张，提高电器的效率是行之有效的方法。照明用电占据全球21%的总用电量，如果能提高照明用电的效率，可以有效缓解能源紧张。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？取代白炽灯，荧光灯，节能灯的第四代照明灯具是什么？业界给出的答案就是LED照明灯。LED照明每瓦流明数可达到120lm。远高于白炽灯和日光灯，此外LED灯珠寿命可长达十万小时，并且绿色无污染。LED照明具备的这些优点决定了其应用前景是非常广阔的。LED照明应用上的限制在于LED有固定的正向压降，电流也有上限（工作电流是影响LED寿命的主要因素）。白光LED上的正向压降一般为3-4V，LED光源不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压，它必须配有专用电压转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作，也就是所谓的LED专用驱动电源。但是由于各种不同规格的LED驱动电源的性能和转换效率各不相同，所以选择合适、高效的LED驱动电源，才能真正展现出LED光源高效能的特性1。选择合适的驱动电源驱动LED是这次课题选择的主要目的和意义。1.3 LED驱动电路的发展概况及发展趋势 近几年，LED的发光效率提高了100倍，成本下降了90%。在LED光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是白光LED。LED用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界增长率在20%以上，美、日、欧、中国（包括台湾和香港地区）均推出了半导体照明计划。LED产业不断涌现新技术、新产品、新应用，呈现了朝阳工业欣欣向荣的景象。目前许多色别的LED都达到了烛光级水平，相信随着器件结构的改进和发展效率的提高，今后LED发展的主流是LED照明光源。白光LED上的正向压降一般为3-4V，LED光源不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压，它必须配有专用电压转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作，也就是所谓的LED专用驱动电源。要发展LED必须发展LED的配套的设施，驱动电源就是最主要的【2】。近年来各大公司和研究机构对LED电源和驱动电路的研究方兴未艾。与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。随着硅集成电路电源电压的直线下降，LED 工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间，大多数为低电压 IC 供电的技术也都适用于为LED。目前LED驱动电路发展的主要趋势有：1.针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路，利用集成电路技术将每颗LED的输入电流控制在最佳电流值，使得LED能获得稳定的电流，并产生最高的输出光通量。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。2.LED驱动电路具有智能控制功能，使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。 3.在控制电路电路设计方面，要向集中控制，标准模块化，系统可扩展性三方面发展。第2章 LED的基础知识2.1 LED的基本概念及特点2.1.1 LED的基本概念LED是发光二级管（Light Emitting Diode）的简称。顾名思义，发光二极管是一种可以将电能转化为光能并具有二级管特性的电子器件。LED是一种半导体二极管，与普通半导体二极管一样有两个电极(正极和负极)。LED在工作时需外加电源，外加的电能也是由这两个正、负电极加入到半导体二极管内。LED在内部结构上有和半导体二极管相似的p区和n区，p区和n区相交的界面形成pn结。LED与普通半导体二极管一样是一种允许电流单向导通的器件。LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。根据加在二极管两端的电压大小，利用通过LED的电流始终使pn结发光【3】。2.1.2 LED的特点 LED通过pn结实现电光转换，其特点如下。节能。LED具有电压低、电流小、亮度高的特性。其发光效率比传统光源节能80%90%。预计几年后，白光LED的发光效率有可能达到150200 lm远远超过了现在其它照明光源的发光效率。（2） 环保。 LED为冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质。LED的环保效益好，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。（3） 寿命长。 LED单管寿命为10万小时，光源寿命在2万小时以上，按每天工作12h计算，寿命也在5年以上。而普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯、金属卤化物灯的寿命也不超过10000h。（4） 结构牢固。 LED利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉淀、光衰等缺点，可承受高强度机械冲击。（5） 光色单纯，种类多。 LED的光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可以利用，而且无需过滤直接发出色光。LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术的控制下使3种颜色具有256级灰度并任意混合，可产生256x256x256（即16777216）种颜色，形成不同光色的组合。LED组合的光色变化多端，可实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。（6） 安全可靠。 LED光源使用低电压驱动，发光稳定，没有采用50HZ交流电供电时的频闪现象，没有紫外线B波段，Ra值接近100，色温为5000K，接近太阳的色温5500K。LED的发热量低，并能精确控制光型及发光角度，光色柔和。（7） 快速响应。 LED的响应时间很短，能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。采用专用电源给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10ms。综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。所谓“绿色照明”的概念就是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，可以提高人们的工作、学习、生活的条件与质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境。尽管LED具有很多优点，但目前仍存在下述缺点。（1） 功耗低。 市面上的单体LED光源的功率一般在5W以下，很少有大功率的LED光源，这是LED在照明领域发展的一个阻碍。（2） 需要严格控制温度。 LED是一种半导体器件，与普通二极管一样具有pn结，由于LED光源的功率相对较大，所以，与功率半导体相同，需要考虑散热问题。结温过高会直接影响LED的寿命，并且会增大LED的光衰，情况严重的会将LED烧坏。（3）价格高。 虽然LED目前已被大多数人认识，也被多数人看好，但其高昂的价格难以被消费者接受。白光LED的价格以达到了25元一个。如果将几十个单体LED组合，其成本将大大增加。LED要成为未来照明的主流光源，就一定要朝着大流明方向发展，其成本才有可能降低，市场才有可能突破。2.2 LED的发光原理及主要参数2.2.1 LED的发光原理发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAs（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是pn结。因此它具有一般pn结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由n区注入P区，空穴由P区注入n区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2-1所示。图 2-1 LED发光原理2.2.2 LED的主要参数1极限参数的意义（1）允许功耗Pm: 允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2电参数的意义 （1）光谱分布和峰值波长：LED所发的光并非单一波长，其波长基本上按 图2-2所示规律分布。由图2-2可见，无论用什么材料制成的LED，其光谱分布曲线都有一个相对光强度最大处（光输出最大），有一个与之对应的波长，此波长叫峰值波长，用0表示。只有单色光才有0波长。波长（nm）图 2-2 LED光波长分布图 （2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光强度为1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。 （3）光谱半宽度:它表示发光管的光谱纯度.是指图2-3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。 （4）半值角1/2和视角：1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。图2-3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。 图 2-3 两种不同型号的LED的发光强度角分布（5）正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。 （7）I-V特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图2-4表示。在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由I-V曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR10A以下。 图 2-4 LED的I-V特性曲线 第3章 LED驱动主电路的设计3.1 电路设计的总体方案 LED驱动电路的主要作用是将交、直流电压转换成平滑的直流电压，为LED提供稳定的单向驱动电流，保证LED在比较高的发光效率和比较低的光衰下正常工作【4】。LED作为一种非线性器件，I-V特性非常陡，当通电工作时，只要电压稍稍变大一点，它的电流就会增加很多，因此电压稍微的不稳定会在很大程度上影响LED的使用，电流过大时甚至会导致它发热损坏，降低产品的可靠性。所以对驱动电路的设计尤其的重要。最主要的是在主电路方面要达到稳定恒流，辅助电路的反馈和滤波都要保证电路输出的电流是恒定的，保证驱动LED灯组的需要。因此，电路设计时最好采用恒流源驱动。恒流电源可消除正向电压变化所导致的电流变化。因此，无论正向电流如何变化，都可产生恒定的LED亮度。 LED恒流驱动电源按电路结构可分为：常规变压器降压、电子变压器降压、电容降压、电阻降压、RCC降压式开关电源、PWM控制式开关电源。目前来说，采用PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的，因为这种开关电源的输出电压或电流都很稳定。电源转换效率极高，一般都可以高达80%到90%，并且输出电压、电流十分稳定。这种方式的LED电源主要由四部分组成，它们分别是：输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。而且这种电路都有完善的保护措施，属于高可靠性电源。电路设计的总体框图如图3-1所示。总体电路图如附录一所示。电路各组成部分的主要作用如下：EMI滤波电路：将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。整流桥电路：将电网交流电源变成直流，即不管输入的是直流还是交流，经过整流桥之后输出的电流总是直流的。DC/AC变换电路：逆变电路是将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。输出平滑电路：根据LED负载需要，提供稳定可靠的平滑直流电源。辅助电路：提供所有单一电路的不同要求电源。比如PWM控制电路，隔离、驱动电路所需要的电源。输出平滑电 路 EMI滤波电路整流桥电路DC/AC变换电路 LED灯源阵 列 220V交流 辅 助 电 路 隔离、驱动电路 PWM控制电 路 电压反馈 图3-1 总体框图PWM控制电路：在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节集成电路内部开关器件的导通脉冲宽度，使得输出电压或电流等被控制信号稳定。隔离、驱动电路： （1）隔离的作用:将驱动电路的控制部分与主电路隔离，避免主电路中的强电干扰控制电路中的弱信号。通过隔离人工在线调试的时候更加安全。一般使用光电耦合器进行隔离。 （2）驱动IC的作用：LED虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是LED光源却不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压，它必须配有专用电压转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作，也就是所谓的LED专用驱动IC。3.2 主电路的设计3.2.1 EMI滤波电路的设计电磁干扰滤波器(EMI Filter)是一种由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或工频在50HZ到400HZ的信号通过，对频率较高的其它信号有较大的衰减作用，能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及电子系统的可靠性5。 电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz30MHz，最高可达150MHz。根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。若从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。 电磁干扰滤波器的基本电路如图3-2所示。 图 3-2 电磁干扰滤波器的基本电路 该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感)L、滤波电容C1C4。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。需要指出，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01F0.47F，主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。C3和C4亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200Pf0.1F。为减小漏电流，电容量不得超过0.1F，并且电容器中点应与大地接通。C1C4的耐压值均为630VDC或250VAC。图3-3示出一种两级复合式EMI滤波器的内部电路，由于采用两级(亦称两节)滤波，因此滤除噪声的效果更佳。图 3-3 两级复合式EMI滤波器电路为减小体积、降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器，典型电路如图3-4所示。 (a) (b) (c) (d)图 3-4 开关电源滤波器典型电路 图(a)与图(b)中的电容器C能滤除串模干扰，区别仅是图(a)将C接在输入端， 图(b)则接到输出端。图(c)、(d)所示电路较复杂，抑制干扰的效果更佳。图(c)中的L、C1和C2用来滤除共模干扰，C3和C4滤除串模干扰。R为泄放电阻，可将C3上积累的电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性；断电后还能使电源的进线端L、N不带电，保证使用的安全性。图(d)则是把共模干扰滤波电容C3和C4接在输出端。 3.2.2 整流桥电路的设计1.输入整流桥的选择 (1)整流桥的导通时间与选通特性 50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1，再通过输入滤波电容得到直流高压U1。在理想情况下，整流桥的导通角本应为180(导通范围是从0180)，但由于滤波电容器C的作用，仅在接近交流峰值电压处的很短时间内才有输入电流经过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为10ms，整流桥的导通时间tC3ms，其导通角仅为54(导通范围是3690)。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路的原理如图3-5(a)所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图3-5(b)和(c)所示6。 最后总结几点： 1)整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为30。 2)整流二极管的一次导通过程，可视为一个“选通脉冲”，其脉冲重复频率就等于交流电网的频率(50Hz)。 3)为降低驱动电路中500kHz以下的传导噪声，有时用两只普通硅整流管(例如1N4007)与两只快恢复二极管(如FR106)组成整流桥，FRl06的反向恢复时间trr250ns。图 3-5（2）整流桥的参数选择隔离式驱动电源一般采用由整流管构成的整流桥，亦可直接选用成品整流桥，完成桥式整流。全波桥式整流器简称硅整流桥，它是将四只硅整流管接成桥路形式，再用塑料封装而成的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点，可广泛用于LED驱动电路的整流电路。硅整流桥有4个引出端，其中交流输入端、直流输出端各两个。 硅整流桥的最大整流电流平均值分0540A等多种规格，最高反向工作电压有501000V等多种规格。小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上，大、中功率硅整流桥则要用螺钉固定，并且需安装合适的散热器。 整流桥的主要参数有反向峰值电压URM(V)，正向压降UF(V)，平均整流电流Id(A)，正向峰值浪涌电流IFSM(A)，最大反向漏电流IR(A)。整流桥的反向击穿电压URR应满足下式要求： 举例说明，当交流输入电压范围是85132V时，umax=132V，由式(1)计算出UBR=2333V，可选耐压400V的成品整流桥。对于宽范围输入交流电压，umax=265V，同理求得UBR=4684V，应选耐压600V的成品整流桥。需要指出，假如用4只硅整流管来构成整流桥，整流管的耐压值还应进一步提高。辟如可选1N4007(1A1000V)、1N5408(3A1000V)型塑封整流管。这是因为此类管子的价格低廉，且按照耐压值“宁高勿低”的原则，能提高整流桥的安全性与可靠性。 设输入有效值电流为IRMS，整流桥额定的有效值电流为IBR，应当使IBR2IRMS。计算IRMS的公式如下： 式中，PO为驱动电源的输出功率，为电源效率，umin为交流输入电压的最小值，cos为驱动电源的功率因数，允许cos=0507。由于整流桥实际通过的不是正弦波电流，而是窄脉冲电流(参见图3-5)，因此整流桥的平均整流电流IdIRMS，一般可按Id=(0607)IRMS来计算IAVG值。 例如，设计一个75V2A(15W)驱动电源，交流输入电压范围是85265V，要求=80。将Po=15W、=80、umin=85V、cos=07一并代入(2)式得到，IRMS=032A，进而求出Id=065IRMS=021A。实际选用lA600V的整流桥，以留出一定余量。2.输入滤波电容器的选择 （1)输入滤波电容器容量的选择 为降低整流滤波器的输出纹波，输入滤波电容器的容量CI必须选的合适。令每单位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量(F)的比例系数为k，当交流电压u=85265V时，应取k=(23)FW；当交流电压u=230V(115)时，应取k=1FW。输入滤波电容器容量的选择如表3-l所示，Po为驱动电源的输出功率。 表3-1 输入滤波电容器容量的选择 （2)准确计算输入滤波电容器容量的方法：输入滤波电容的容量是LED驱动电源的一个重要参数。CI值选得过低，会使UImin值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CI值取得过高，会增加电容器成本，而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CI准确值的方法。 设交流电压u的最小值为umin。u经过桥式整流和CI滤波，在u=umin情况下的输入电压波形如图3-6所示。该图是在Po=POM，f=50Hz、整流桥的导通时间tC=3ms、=80的情况下绘出的。由图可见，在直流高压的最小值UImin上还叠加一个幅度为UR的一次侧脉动电压，这是CI在充放电过程中形成的。欲获得CI的准确值，可按下式进行计算： 举例说明，在宽范围电压输入时，umin=85V。取UImin=90V，f=50Hz，tC=3ms，假定Po=30W，=80，一并带入(3)式中求出CI=842F，比例系数CIPO=842F30W=28FW，这恰好在(23)FW允许的范围之内。图 3-6 交流电压为最小值时的输入电压波形3.2.3 DC/AC变换电路的设计DC/AC逆变电路是将直流电转换为交流电的电路,逆变电路现在常用的开关器件有功率晶体管（GTR)、功率场效应管(POWER MOSFET)、可关断晶闸管（GTO）、普通型和快速型晶闸管（SCR)。半桥式开关电源的逆变电路如图3-7所示7。图 3-7 DC/AC变换电路开关管S1、S2选用MOSFET，因为它是电压驱动全控制器件，具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管S1、S2（S1、S2是两个带反并联二极管VD1、VD2的MOSFET管）组成，另一个桥臂由电容C1、C2（C1、C2是容量相等的两个电解电容）组成。高频变压器初级一端接在C1、C2的中点，另一端接在S1、S2的公共连接端，C1、C2中点的电压等于整流后直流电压的一半，即 V2。开关S1、S2交替导通在变压器的次级形成幅值为 V2的交流方波电压。通过调节开关的占空比，就能改变变压器二次侧整流输出平均电压 v。图3-7中，R1、R2是并联均压电阻；C3是耦合电容，其作用是防止由于两个开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和，从而提高半桥逆变电路的抗不平衡能力，C3要选择ESR小的无极性电容。3.2.4 输出平滑电路的设计驱动电源输出平滑电路的性能好坏直接影响到输出电压的质量问题，是LED能否正常稳定发光的保证。故必须对平滑电路组件参数进行精确设计和计算。输出平滑电路如图3-8所示。图 3-8 输出平滑电路1.整流二极管的选取由于输出高频变压器输出脉冲电压频率达100KHz,故要求输出整流二极管具有快速恢复特性，故选用超快速恢复二极管，根据输出电压及电流参数选用philips公司的BYV32-200二极管，其技术参数如下：最高反向工作电压：200V；整流电流：20A；反向恢复时间：35nS.2.滤波电感的设计 其中D为2倍占空比，即D=0.8；K为波形系数，取值在0.5到1之间，取0.5时计算误差较小，Ns为高频变压器二次绕组匝数，Np为一次绕组匝数。Vin为输入直流电压。代入数据有： 3.输出滤波电容参数计算 其中Lf为输出滤波电感，为允许纹波电压， 为开关频率。代入数据有： 取标称值为6800F。所以输出电感量为0.23H，滤波电容容量为6800F，二极管D选BYV32-200。 3.2.5 主电路及其工作原理LED节能灯驱动电路主要由主电路、控制电路两大部分组成。主电路主要由EMI滤波电路、整流桥电路、DC/AC变换电路、输出平滑电路组成。主电路图如图3-9所示。其工作原理为：220V交流电经过EMI滤波电路，过滤掉电网中的杂波。全桥整流电路将电网电压220V整流成直流电压Ud = 1. 2U约等于198V。经DC/AC 变换器逆变之后输出20kHz、脉宽可调的交流电压，又经高频变压器的两个副边分正负半周送入整流滤波电路，输出直流电压。该电源直流输出电压的大小靠 PWM发生器的输出脉冲宽度来控制。MOSFET管S1和S2可由SG3525A的11和14脚直接控制。也可将从SG3525A 的11，14脚出来的PWM 信号驱动PC817光电耦合器，经光耦隔离后，送到IR2110专用集成驱动电路，进而去驱动功率MOSFET管S1和S2。图 3-9 主电路图3.3 LED的连接方式1.LED采用全部串联方式LED采用全部串联方式如图3-10所示，即将多只LED的正极对负极连接成串，其优点是通过每只LED的工作电流一样，一般应串入限流电阻R，串联方式要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时，分配在不同的LED两端的电压不同，通过每只LED的电流相同，LED的亮度一致。当某一只LED品质不良短路时，如果采用稳压方式驱动，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，驱动器的输出电流将增大，容易损坏余下所有的LED。如采取恒流方式驱动LED，当某只LED的品质不良短路时，由于驱动器的输出电流保持不变，不影响余下的LED正常工作。当某一只LED品质不良断开后，串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每只LED两端并联一个齐纳二极管，如图3-11所示。齐纳二极管的导通电压要比LED的导通电压高，否则LED就不正常发光。 图 3-10 LED采用全部串联方式的连接图 图3-11 在LED两端并联齐纳二极管 串联方式能确保各只LED的电流一致。如果4只LED串联后的总正向电压VF 为12V,就必须采用具有升压功能的驱动电路，以便为每只LED提供充足的电压。但由于LED的VF 值存在一个变化范围，各LED之间的压差会随之变化，对亮度的均匀性有一定的影响。2. LED采用全部并联方式在并联设计中，多只LED由具备独立电流的驱动电路来驱动。并联设计基于低驱动电压，因此无需带电感的升压电路。此外，并联设计提供低电磁干扰、低噪声和高效率，且容错性较强。在串联设计中，一只LED发生故障就会导致整个被光照明子系统失效，而并联设计可避免这种严重缺陷。如图3-12所示，LED采用全部并联方式是指将多只LED的正极与正极、负极与负极并联连接，其特点是每只LED的工作电压一样。当某一只LED品质不良断开时，如果采用稳压方式驱动LED，驱动器的输出电流将减小，而不影响余下所有LED的正常工作。如果采用恒流方式驱动LED，由于驱动器的输出电流保持不变，分配在余下LED中的电流将增大，容易损坏所有余下的LED。解决办法是尽量多并联LED,当断开某一只LED时，分配在余下LED中的电流不大，不至于影响余下LED的正常工作。 图3-12 LED采用全部并联方式的连接图3.LED采用混连方式在需要使用比较多的LED的应用中，如果将所有LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压。如果将所有LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。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加。解决办法是采取混连方式。如图3-13所示，串联的LED数量平均分配，分配在一串LED上的电压相同，同一串中每只LED的电流也相同，各LED的亮度一致。同时通过各串LED的电流也相近。当某一串联LED中有一只品质不良短路时，不管是采用稳压方式驱动还是采用恒流方式驱动，这串LED相当于少了一只LED，通过这串LED的电流将增大，很容易损坏这串LED。大电流通过损坏的这串LED后，由于通过的电流较大，多表现为断路。断开一串LED后，如果采取稳压方式驱动，驱动器的输出电流将减小，而不影响余下所有LED的正常工作。如果采取恒流方式驱动LED，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED中的电流将增大，容易损坏余下所有的LED，解决的办法是尽量多并联LED。当断开某一只LED时，分配在余下LED中的电流不大，不至于影响余下的LED正常工作。这种先串后并线路的优点是简单、亮度稳定、可靠性高，并且对器件的一致性要求较低，即使个别LED失效对整个发光组件的影响也较小。图 3-13 LED采用混连方式的连接图 LED的三种连接方式各有其优缺点，三种连接方式的比较如表3-2所示。在不同的电路应用中要选择不同的连接方式，本电路设计中选择串联连接，电路简单，连接方便；各个LED电流相同，亮度一致；恒流源驱动时可靠性高。表3-2 不同LED连接方式的比较连接形式优点缺点并联连接低驱动电压；单个LED保护完善；独立的LED亮度控制；电路简单，连接方便；恒压驱动时可靠性高。多个LED接头；恒压驱动时可靠性低；需要考虑各个LED电流的匹配；串联连接电路简单，连接方便；各个LED电流相同，亮度一致；仅有两个LED接头；恒流驱动时可靠性高。驱动电路输出电压高，不利于设计制造；无容错设计，一个LED失败，所有LED均不亮；恒压驱动时可靠性低。混联连接可靠性好，驱动电路设计制造方便；总体效率较高；适用范围广。电路较为复杂；需要考虑各LED之间电流的匹配。第4章 控制电路的设计4 .1 PWM控制电路的设计本设计主要使用SG3525A控制芯片设计PWM控制电路。整流滤波电路输出直流电压的大小靠 PWM发生器的输出脉冲宽度来控制。 调节电源的占空比，可使输出电压基本上不随负载变化和/或不随输入电压变化而变化。这种方法，实质是对晶体管导通脉宽进行调节和控制8。驱动LED灯组可在转换器中增加小型而低廉的额外电路以克服负载调节和无负载状态下的问题。该转换器易于实现，且在峰值电流模式控制时无需进行反馈补偿没计。它所具有的开环特性也使之成为那些需要PWM亮度调节的应用中的理想选择。4.1.1 SG3525A控制芯片的介绍PWM 控制电路采用美国硅通用电气公司的SG3525A控制芯片。1.内部结构 电压调节芯片SG3525A的引脚图如图4-1所示，具体的内部结构如图4-2所示。其中，脚16 为SG3525A 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7 内有一个双门限比较器，内置电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525A 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。 图 4-1 SG3525引脚图图 4-2 SG3525内部原理框图2. 下面分别阐述其各部分功能： A 基准电压源: 基准电压源是一个三端稳压电路，其输入电压VCC 可在（835）V 内变化，通常采用+15V，其输出电压VST5.1V，精度1%，采用温度补偿，作为芯片内部电路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，向外输出电流可达400mA，没有过流保护电路。 B 振荡电路： 由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压V V H = 3.9 低门限电压V V L = 0.9 ,内部横流源向CT 充电，其端压VC 线性上升，构成锯齿波的上升沿，当C H V = V 时比较器动作，充电过程结束，上升时间t1 为： 比较器动作时使放电电路接通，CT 放电，VC 下降并形成锯齿波的下降沿，当C L V = V 时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间t2 为：注意：此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T 为:由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿，因此上升沿作为工作沿，下降沿作为回扫沿。C 误差放大器：由两级差分放大器构成，其直流开环放大倍数为80dB 左右，电压反馈信号uf 从端子1 接至放大器反相输入端，放大器同相输入端接基准电压。该误差放大器共模输入电压范围是1.5V-5.2V。D PWM 信号产生及分相电路： 比较器的反相端接误差放大器的输出信号Ue，而振荡器的输出信号Uc则加到比较器的同相输入端，比较器的输出信号为PWM 信号，该信号经锁存器锁存，分相电路由二进制计数器和两个或非门构成，其输入信号为振荡器的时钟信号，并用时钟信号的前沿触发，输出为频率减半的互补方波，这些方波和PWM 信号输入到或非门逻辑电路。其结果是，所有的输入为负时，输出为正。这样1 P 、2 P 的输出每半周期交替为正，其宽度和PWM 信号的负脉冲相等。脉冲很窄的时钟信号输入到逻辑或非门电路，可使两个门的输出同时有一段低电平，以产生死区时间。E 脉冲输出级电路:输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快.11 脚和14 脚相位相差1800，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为l00ns。可以在13 脚处接一个约0.luf的电容滤去电压尖峰。工作过程如图4-3所示。图 4-3 SG3525工作过程4.1.2 基于SG3525A的PWM控制电路的设计SG3525A控制芯片的输入