本科毕业论文-大功率LED驱动电源的设计与仿真.doc

编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文）题目： 大功率LED驱动电源的设计与仿真 姓名： 王洋琪 学号： 04081657 班级： 电气工程与自动化2008-5班 二一二年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 王洋琪 学 号： 04081657 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 设计题目： 大功率LED驱动电源的设计与仿真 专 题： 指导教师： 夏晨阳 职 称： 讲师 2012 年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 信电学院 专业年级 电气08-5班 学生姓名 王洋琪 任务下达日期： 2012 年 2 月 21 日毕业设计日期： 2012 年 2 月 21 日至 2012 年 6 月10 日毕业设计题目： 大功率LED驱动电源的设计与仿真 毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：本设计要求学生在掌握电力电子技术、电路理论等基础理论的基础上，对大功率LED驱动电源进行设计和仿真。LED照明电源由于具有高效、节能、环保、寿命长等特点，对缓解当前越来越紧迫的能源短缺和环境恶化问题起到举足轻重的作用。由于LED自身的伏安特性及温度特性，使得LED对电流的敏感度要高于对电压的敏感度，这就要求用专门的电源来驱动LED。因此对LED驱动电源的设计和研究具有重要的理论意义和实用价值。本文针对LED特有的电学特性，设计一种高效的恒定直流驱动方案。本设计包括以下主要内容：1、熟练掌握单端反激式电路工作原理；2、LED恒流驱动原理及实现方法；3、反馈电路、驱动电路设计及二极管与开关管的选择；4、通过Saber软件对所设计电路进行仿真。通过毕业设计，使学生掌握大功率LED驱动电路原理和设计方法，并对系统参数设计及控制方法进行研究。提高学生理论分析和仿真研究能力。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘要在能源危机和气候变暖问题日趋严重的今天，节能与环保已成为社会焦点议题。由于LED灯具有高效、节能、环保、寿命长等特点，若能以LED照明取代目前低效率、高耗能的传统照明，无疑对缓解当前越来越紧迫的能源短缺和环境恶化问题起到举足轻重的作用。由于LED自身的伏安特性及温度特性，使得LED对电流的敏感度要高于对电压的敏感度，这就要求用专门的电源来驱动LED。本文针对LED特有的电学特性，研究设计了一种精确高效的恒定直流驱动方案。本文概述了LED的发明、工作原理、LED照明应用的国内外现状，对LED的驱动方式：阻容降压式驱动、变压器降压电路、恒流式开关驱动进行了详细的讨论，并且用UC3842设计了一款LED高效率恒流PWM开关电源,该电源同时具有恒压横流驱动的特点，能够实现短路过流、过压、欠压保护，且效率可达80%以上，非常适合LED照明应用，充分发挥LED的发光效率高，寿命长等特点。最后通过Saber软件来仿真基于单端反激变换器的LED驱动电路，获得平稳的电流，完成预期的要求。关键字：LED驱动电源；开关变换器；反激式；恒流驱动；UC3842；Saber软件AbstractNowadays the energy crisis and global warming problem is getting worse,energy conservation and environmental protection has become the focus of the concern.LED has the advantages of high efficiency, energy saving,environmental protection,long life,etc.If LED lighting Can replace the current traditional low efficiency lighting,undoubtedly it will play a pivotal role to ease the current energy shortage and environmental degradation.Because of LED unique I-V curve and temperature characteristics,the sensitivity of LED on the current is higher than the that on the voltage.This requires the dedicated power supply to drive LED.For the unique electrical properties of LED,this thesis researches and designs an accurate and efficient constant DC LED driving power supply.This paper summarizes the principle of invention, LED lighting, LED to the application situation at home and abroad, the drivers LED resistance and capacitance step-down type: driver, step-down transformer circuit, flow switch drive discussed in detail, and the design of a UC3842 LED efficiency constant-current PWM switch power also has a constant pressure, the cross-flow-driven, and can short-circuit overcurrent,overvoltage, undervoltage protection. Efficiency can reach more than 80%, very suitable for LED lighting applications, full of leds luminous efficiency, long life, etc.Finally, use saber software to simulation based on flyback converter LED drive circuit to obtain a smooth current, is expected to complete the requirements.Keywords: LED driving power; switching converter; Flyback; Constant current driver; UC3842; saber Software目 录1绪论11.1 研究背景及意义11.2大功率LED灯研究现状11.2.1 LED介绍11.2.2大功率 LED的特点与分类11.2.3 LED的工作原理31.2.3.1LED的发光机理31.2.3.2LED的电气特性31.2.3.3LED的光学特征51.2.3.4LED的热学特征61.3 LED驱动电路技术研究现状61.3.1 LED驱动电源的使用现状61.3.2 LED驱动电源面临的问题71.3.3 LED驱动电源的展望81.4研究内容及安排81.5本章小结82大功率LED驱动电路原理92.1 LED恒流驱动92.2现阶段主要LED驱动方案分析92.2.1阻容降压式电路92.2.2变压器降压电路112.2.3开关电源电路112.2.3.1非隔离型开关电源电路112.2.3.2隔离型开关电源电路132.3主电路选型及其原理152.4控制电路选型及其原理172.5本章小结183大功率LED驱动电路设计193.1大功率LED驱动电路设计要点193.2大功率LED驱动电路主电路的设计203.2.1浪涌电流的抑制203.2.2整流滤波电路203.2.3 RCD缓冲电路设计213.2.4 高频变换器223.3大功率LED驱动电路控制电路的设计223.3.1控制芯片UC3842原理介绍223.3.2控制回路原理243.3.3控制回路的短路过流、过压、欠压保护作用263.4本章小结264仿真274.1仿真环境274.1.1 Saber发展历程274.1.2 Saber的优势274.1.3 Saber的应用274.2系统仿真284.2.1仿真要求284.2.2系统主要元器件参数选择284.2.3 仿真波形284.2本章小结315 总结32参考文献33翻译部分35致谢57第58页中国矿业大学2012届本科生毕业设计1绪论1.1 研究背景及意义当前石油紧张，煤炭告急，经受10多年经济高速发展的透支之后，中国的能源危机日益凸显，能源紧缺问题已成为制约经济发展的瓶颈。在能源紧张的形势下，作为耗电大户之一的照明光源成为社会关注的焦点，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灯照明。LED照明每W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。中国LED产业近年发展加快，LED灯具入室被称为新一轮照明革命，我国也相继出台多项政策措施，有力推动LED产业快速发展。数据显示，2011年我国LED产业产值达1540亿元，同比增长22%，产量同比增长50%。技术创新能力明显提高，与国际先进水平的差距不断缩小，产品应用领域从较为成熟的指示显示、景观照明等领域，向大尺寸液晶显示屏背光源、汽车灯、道路照明、普通照明等领域延伸。预计2012年，行业产值有望达到 2000亿元，同比增长30%。由于LED独特的电气特性使得LED驱动电路也面临更大的挑战，LED驱动电路关系到整个LED照明系统性能的可靠性。因此为防止LED的损坏，这些都要求所设计系统能够精准匹配LED输出电流。目前采用的稳压驱动电路，存在稳流能力较差的缺点，从而导致LED寿命大为缩短。当前，直流输入LED驱动电源已经发展了较长的一段时间，电路已比较成熟。而用于市电输入照明的LED驱动电路，很多采用交流输入电容降压及工频变压器降压，电源体积过大，输出的电流稳定性差，性价比普遍很低。目前针对市电输入的降压驱动电路是当前LED驱动市场的难点与热点。LED照明是一种绿色节能照明，其驱动电源的输出功率较小，在此情况下实现电源的高效率是另一大难点。同时，由于LED的使用寿命理论上长达10万小时，这要求驱动电源很高的可靠性。根据市场需求，为LED提供性能优良的驱动电路，具有很大的经济价值和实用意义。这正是这次选题的意义与目的所在1。1.2大功率LED灯研究现状1.2.1 LED介绍1962年Nick Holcnyak JR发明了LED。LED的学理名称是正式发光二极体，是一种半导体固体发光器件，固体半导体芯片作为发光材料，透过环氧树脂封装，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。在业界有人称LED光源为长寿灯，意为永不熄灭的灯。由于LED体积小、响应快、寿命长，LED灯具抗震动性好且小，可以提高汽车有限空间的利用率，尤其是在节能问题上，LED成为前照灯新光源的不二之选2。1.2.2大功率 LED的特点与分类大功率LED作为照明光源具有以下特点：使用寿命：大功率LED路灯使用寿命高达50,000小时以上；节能：比高压钠灯节电80%以上；绿色环保：大功率LED路灯不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染；安全：耐冲击，抗震力强，led发的光在可见光范围内，无紫外线（UV）和红外（IR）辐射。无灯丝和玻璃外壳，没有传统灯管碎裂的问题，对人体无伤害、无辐射；无高压，不吸灰尘：消除了普通路灯因高压吸收灰尘导致灯罩发黑引起的亮度降低； 无高温，灯罩不会老化发黄：消除了普通路灯因高温烘烤灯罩使其老化发黄引起的亮度降低和寿命的缩短；启动无延时：led在纳秒级，通电即达正常亮度，无须等待，消除了传统LED路灯长时间的启动过程；无频闪：纯直流工作，消除了传统路灯频闪引起的视觉疲劳；无不良眩光：消除普通大功率LED路灯的不良眩光所引起的刺眼、视觉疲劳与视线干扰，提高驾驶的安全性，减少交通事故的发生；柔性化好：LED光源的精巧，使LED灯能适应各种几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求，诸如：点、线、面、球、异形式，乃至任意艺术造型的灯光雕塑；色彩纯厚：由半导体PN结自身产生色彩，纯正，浓厚；色彩丰富三基色加数码技术，可演变任意色彩。与小功率LED相比其优点为: 亮度高，光源集中，装配容易，特别是集合大功率光源；LED单颗1W 照度高，热量高，射程远，亮度高;大功率有透镜，距离远一点可以看亮度高。缺点为：散热不容易，光效不高，均匀性差。LED分类如下：按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管适合于做指示灯用。按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm的记作T-1（1/4）。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。标准型。通常作指示灯用，其半值角为2045。散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。按发光二极管的结构分按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度10mcd）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。1.2.3 LED的工作原理1.2.3.1LED的发光机理发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N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。如图1.1所示，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3。图1.1 LED发光原理1.2.3.2LED的电气特性电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压 。LED正向电压随温度升高而变小，具有负温度系数。LED消耗功率 ，一部分转化为光能，这是我们需要的。剩下的就转化为热能，使结温升高。图1.2为正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约2v)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。当前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF通常为2-4V。 图1.2 LED VF-IF关系曲线图 由于LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量(V)与IF的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1v以上)，而由上图中的VF-IF曲线可知，VF (前向电压)的微小变化会引起较大的IF (前向电流)变化，从而引起亮度的较大变化。所以采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。图1.3是LED的温度与光通量(V)关系曲线，由下图可知光通量与温度成反比，85时的光通量是25时的一半，而40时光输出是25时的18倍。温度的变化对LFD的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证4。 图1.3 LED光通量-温度曲线图1.2.3.3LED的光学特征(1)发光强度LED有红外与可见光两个系列，前者可用辐射度来衡量他的光学特性，后者用光度学来衡量其光学特性。LED的光强用于表征它在某个方向上的发光强度，由于LED在不同的空间角度上光强相差很多，所以人们紧接着研究了LED的光强分布特性。这个参数的实际意义很大，影响到LED显示装置的最小观察角度。LED采用的是圆柱形、圆球型封装，由于凸透镜的作用，都具有很强的指向性，其中发现方向上的光强最大，其与水平面的交角为90。当偏离正法向方向不同的角度时，光强也随之变化。例如交通标志的LED必须保证在较大角度的人都能识别。(2)发光峰值波长及其光谱分布LED所发出的光并非是单一的波长，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强处(光输出最大)，相对应的有一个波长，这个波长叫做峰值波长，用表示。只有单色光才有峰值波长。(3)光通量光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志着器件性能的优劣。F为LED向各个方向发出光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流的增加，LED的光通量也随之增大。可见光LED的光通量单位为流明(lm)。光通量与芯片材料、封装的工艺水平以及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约为1lm，白光LED的光通量为1.5-1.8lm(小芯片)，对于1mm*1mm的功率级芯片做成的白光LED，其F=181m。(4)发光效率和视觉灵敏度发光效率光通量与电功率之比。LED的效率有内部效率(PN结附近由电能转化成光能的效率)和外部效率(辐射到外部的效率)，内部效率用来分析和评价芯片优劣的特性。LED最重要的特性是辐射出光能量(发光量)与输入电能比，即发光效率。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代LED光源性能的一个重要指标。视觉灵敏度人的视觉灵敏度在=555nm处有一个最大值680lm/w。若视觉灵敏度记为K，则发光能量P与可见光通量F之间关系为下式1.1所示： ； （1.1）(5)发光亮度发光亮度是衡量LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，发光亮度的单位为cd/cm2或Nit(尼特)。其正法线方向上的亮度为式1.2所示： （1.2）若光源表面是理想漫反射面，亮度与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit(尼特)，从地面看太阳表面亮度约为14x108 Nit。LED的发光亮度与外加电流密度()有关，对于一般的LED，增大时也增大。另外，发光亮度还与环境温度有关，环境温度升高时， (复合效率)下降，减小。当环境温度不变时，电流增大足以引起PN结的结温升高，温度升高后，亮度呈饱和状态。(6)寿命LED寿命一般都很长，在电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达h，即可连续点燃一百多年，这是任何光源都无法与之竞争的。LED的发光亮度会随着工作时间的延长而衰退，这就是老化。老化的快慢与电流密度和老化时间常数r有关，可描述为下式1.3所示 （1.3）式中为t时间后的亮度，为初始亮度。1.2.3.4LED的热学特征LED的热学参数与PN结的结温有很大的关系。一般工作在小电流(IF10mA)下，或者10-20mA下长时间连续点亮时，LED的温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或就会向长波长漂移，也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可LED的驱动电路研究靠性、稳定性影响更为显著。LED的主波长与温度的关系可表示为式1.4所示。 （1.4）由上式可知，每当结温生高10C时，波长向长漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于供照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计来说，尤其应注意选用散热好的灯具外壳或专门通风设备，确保LED长期稳定工作。1.3 LED驱动电路技术研究现状1.3.1 LED驱动电源的使用现状 标准电灯正在经历一场革命。出于保护能源和应对全球气候变暖的考虑，美国一些州和其它一些国家开始禁止使用低能效的白炽灯泡。各种新技术正纷纷被用于替换白炽灯泡，其中紧凑型真空荧光灯(CFL)是主要替代方案。尽管这种CFL灯的功耗仅为白炽灯的20%，但却含有有毒物质汞。相比之下，LED灯可以提供更高效和更环保的解决方案。LED最初的商业应用出现在上世纪七十年代，但因其光输出极低，应用范围也仅限于指示灯和计算器显示屏等领域。如今，能够产生白光的高功率LED在效率方面不断得以提升，价格也在逐年下降，因此它已成为主流照明应用值得考虑的选择之一。预计随着LED技术的发展，到2012年其发光效率将达到150流明/瓦，1000流明的成本将不足5美元，届时LED有望成为室内照明的主要来源。2008年的北京奥运会通过众多具体的产品形态和新技术的应用为绿色奥运、科技奥运、人文奥运等理念做了完美诠释。LED显示产品，在2008年北京奥运会的广泛应用，更是光芒闪烁，为2008北京奥运会增添了绚烂异。: w. L( x) d# B! F 近几届奥运会中，LED显示幕都是奥运比赛场馆不可或缺的主要设施。2008年北京奥运会新建和改建的体育场馆数量众多，规模空前，奥运场馆均采用了大量LED显示幕作为比赛实况播放和计分显示的设备，显示幕产品以全彩色、高解析度、数位化等为主。可以说，2008年北京奥运会所采用的LED显示产品从数量到技术水准以及应用方面都达到了一个新的里程碑，这其中众多国内LED显示产品制造企业担当了重要的角色。通过全球LED技术领导厂商对材料、工艺和封装技术的努力改进，高亮度LED的发光效率和性能得到了显著提升，除了传统的背光和显示面板市场外，高亮度LED开始走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交通灯等全新应用。这些都预示着LED驱动电源将有一个广阔的应用前景。1.3.2 LED驱动电源面临的问题在LED大放异彩的同时，LED驱动电源器则是LED产业链的发展的保障，LED电源的品质直接制约了LED产品的可靠性，因此，在LED产业链逐步完善的今日，LED驱动电源的成熟也至关重要。就LED电源企业而言，2009年100W左右大功率电源市场的增幅将会有很大的提升。源于100W左右的LED光源与传统照明光源相比有着更突出的性价比，以及很快形成产业规模的LED路灯和景观照明市场。由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是23伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数，因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。2009年，虽然金融危机对世界经济的影响很大，但是欧美等国际市场对大功率LED电源的需求量还是很大，相应的高端LED产品的出口量受金融危机影响较小。2008年中国LED应用产品产值已超过450亿元RMB，LED示范应用路灯、LED全彩显示屏显示器件、太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等应用仍然是主要应用领域。$ & U+ m5 a E2 e+ M; f$ |+ d# n7 1 h但是在市场一片繁荣的背景下，LED产品质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱，市场上LED产品如火如荼的发展态势下，就LED驱动电源企业而言，目前面临几个挑战。首先是驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。其次是LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥。第三，以大调光比高效率地对LED调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。同时要降低成本，目前在功率较小(15W)的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。1.3.3 LED驱动电源的展望从目前市场了解来看，LED日光灯管式结构应用会较好发展。从家居照明来看，合适的照明强度还是需要10W以上节能灯具产品。荧光灯大多在715W功率，节能型日光灯在2040W功率。如果用LED集中设计10W以上的功率，散热会令我们很头痛，也是影响成本的重要因数,显然像灯泡结构式的产品很不适合LED应用。像射灯这样产品不大可能规模量产民用。日光灯管式结构符合LED散热要求，也符合现有灯具接口方式。厂商从成本考量，大多设计功率在20W以内的LED灯管，从不断增长的LED亮度来说20W符合未来LED照明光源发展要求，待LM值达到150LM/W时，才是LED照明大呼节能辉煌时代！未来的方式是，先恒压，再线性恒流整合方式。电压保证在一定范围内适应负载需要，按LED有不同的Vf值33.6V之间，那按LED实际数量乘于3V计算出最低值，再按3.6V电压乘于数量计算出最大可能电压值，最终确定电源部分需要调整的电压范围。再线性恒流源后端恒流，可以多路恒流源并联使用，也可以单路多个恒流源增加电流使用。前端电压源部分采样检测恒流源压差，调整合适负载需求电压，从而达到高效、灵活的驱动线路需求。 恒流源需要低压差线性恒流器件，线性恒流源有着很好的电流误差，也会有很好的灰度表现。在小电流时可以有13V的压差，在大电流方面必须要200300mV低压差，才会有较高的效率，那样线性恒流源需要另外供电。总之，随着技术的不断完善，我们的日常生活会因LED而变得多姿多彩。1.4研究内容及安排本文主要工作是分析、设计一种电流模式控制PWM型开关电源电路的整体结构，以及对其整体电路的仿真与分析。论文的内容安排如下：第一章介绍了选题背景及意义，LED的应用发展及其基本电气特性、光学特性、热学特性，并对本论文的章节进行安排。第二章阐述了大功率LED驱动电路原理，LED驱动电路现状介绍，主电路选型以及控制电路原理。第三章阐述了主电路以及控制电路的拓扑设计，控制芯片的选择,主要元器件的参数计算。第四章设计整体电路，系统电路仿真与结果分析。第五章是论文结论。1.5本章小结本章详细介绍了本论文的选题背景和意义，通过对LED电气特性、光学特性以及热学特性的分析得出LED灯照明的优势以及发展前景。同时对大功率LED驱动的使用现状，面临的问题以及发展前景进行了详细的介绍。 2大功率LED驱动电路原理2.1 LED恒流驱动由绪论分析可知LED驱动应采用恒流驱动。LED的光亮度强弱由流过LED芯片的电流大小来决定，一般小功率LED的工作电流为20mA。当达到LED的额定电流时，若正向电压上升0.1V，则正向电流急剧增加，其伏安特性呈指数规律变化。LED正向电流的改变，不但使其光亮度发生变化，而且波长也发生变化，将影响LED的使用寿命，基于LED的这种特性，在使用时最好给LED提供恒定的工作电流，以保证其各项参数的稳定。首先LED是二极管，它的特性曲线和普通二极管基本相同，当外加电压达到二极管导通电压后，外加电压的微变可以引起二极管电流的巨变。LED电源驱动采用恒流就是为了保证LED中的电流不变，无论电压如何变化，流过LED的电流不变，保证LED的寿命与光衰。影响LED寿命的关键是温度，当LED温度升高时，其结电阻减小也就是导通电压减小，在相同电压下，温度升高将促使LED电流增大，电流增大又使温度进一步提高，这样恶性循环将会烧毁LED，而且LED的光衰也与温度有关，温度升高时光衰加剧，出现明而不亮的现象。究其原因，LED温度的升高，引起的原因有二，一个是质量问题，就是在LED封装时其导热能力差，LED管芯中的温度传递不到表面（内热外凉），即便我们加了散热装置也不能把内部热量散发出去，再就是有些抵挡产品不加散热装置。二是电源引起的温升，也就是电流引起的温升，当LED导通时，由于它的非线性，电源微弱的变化就会引起LED电流急剧变化，从而导致温度的升高。采用恒流源就是为了克服上述问题。2.2现阶段主要LED驱动方案分析2.2.1阻容降压式电路电容降压式简易电源的基本电路如图2.1，C1为降压电容器，D2为半波整流二极管，D1在市电的负半周时给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。在实际应用时常常采用的是图2.2的所示的电路。当需要向负载提供较大的电流时，可采用图2.3所示的桥式整流电路。电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，再接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色5。图2.1阻容降压式简易电源图2.2阻容降压式电路实际应用图2.3较大电流桥式整流电路一般地，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的很少。 使用这种电路时，需要注意以下事项：1、未和220V交流高压隔离，请注意安全，严防触电；2、限流电容须接于火线，耐压要足够大（大于400V），并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻。 3、注意齐纳管功耗，严禁齐纳管断开运行。2.2.2变压器降压电路变压器降压电路原理如图2.4所示。交流电源通过降压变压器降压，桥式整流滤波后，通过电阻限流来使3只LED稳定工作。这种电路的缺点是：R1上的有功损耗直接影响了系统的效率。再加上变压器损耗，系统效率低。当电源电压在lO的范围内变动时，流过LED的电流变化将25，LED上的功率变化将达到30。当R1分压较大时，在电源电压在10的范围内变动时，虽然能使输出到LED的功率变化减少，但系统效率将更低6。图2.4变压器降压电路原理图2.2.3开关电源电路开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和开关器件（MOSFET、BJT等）构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源按其拓扑结构可分为ACDC和DCDC两大类。DCDC变换器现己实现模块化；但ACDC变换器因其自身特性，使得在模块化的进程中遇到较复杂的技术和工艺制造问题。以下对DCDC开关电源作简要地介绍7。2.2.3.1非隔离型开关电源电路DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式TS不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变TS（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：1、Buck电路降压电路电路原理如图2.5所示，该电路是以占空比D工作的晶体管S、二极管D1、电感L、电容C组成的Buck变换器电路。电路完成把直流电压VS转换成直流电压V0的功能。输出电压V0=DVS，故称Buck电路为降压电路8。图2.5 Buck电路原理图2、Boost电路升压电路电路原理如图2.6所示，该电路由开关S、电感L、电容C组成。完成把电压VS升压到V0的功能。输出电压V0=VS(1-D)，又D1，故Boost为升压电路8。图2.6 Boost电路原理图3、Buck-Boost电路升降压电路电路原理如图2.7所示，该电路是可升降压的DC-DC直流开关变换电路，通过控制开关管S的PWM信号中的占空比，便可达到升降压的目的。输出电压V0=DVS(1-D)。Buck-Boost电路可实现很宽的升降压比例，适合输入电压波动范围大的场合8。图2.7 BuckBoost电路原理图2.2.3.2隔离型开关电源电路1、单端反激式开关电源单端反激式开关电源的典型电路如图2.8所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1 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VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容滤波后向负载输出。图 2.8 单端反激式开关电源原理图单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20-200，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20-200kHz之间9。2、单端正激式开关电源单端正激式开关电源的典型电路如图2.9所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感储存能量；当开关管VT1截止时，电感通过续流二极管VD2 继续向负载释放能量。图2.9单端正激式开关电源原理图在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50-200的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少9。3、自激式开关稳压电源自激式开关稳压电源的典型电路如图2.10所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。图2.10自激式开关稳压电源原理图当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流IC在L1中线性增长，在L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1 很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，IC开始减小，在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压，使VT1 迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输入电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器的次级绕组向负载输出所需要的电压。 自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源9。4、推挽式开关电源推挽式开关电源的典型电路如图2.11所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。图2.11推挽式开关电源原理图这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500范围内9。2.3主电路选型及其原理LED路灯驱动电源所需的输出功率较大，需要较高的转换效率，且需要较好的调节性和较小的纹波，由于考虑到需要将LED照明装置与电网隔离，以提高安全性，所以采用单端反激式DC-DC变换器，这种隔离式的D