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I 摘 要 具越来越多地应用于各种场合，在户外场合中的使用尤为明显。与传统照明灯具相比， 明灯具的光通量能在 20 年甚至更长的时间内维持最高光通量的 70%以上。 具不含汞元素，还可以通过优化 具的安装和光学设计精确地控制光照角度，以便减少光照污染。此外， 够为户内、户外场合创造一个更加舒适、更加安全的照明环境。 本文的主要任务是设计并完成一款高功率因素、适应宽输入电压的非隔离式大功率文的 内容有以下几个方面： 1、对 源的发展概况进行简单介绍，分析 电气特性了解 动电源的设计要求。 2、对 动电源拓扑结构进行阐述和对比，分析提高系统功率因数的方法，给出本设计的 3、对本设计的 基于 片的 出相关参数的具体计算。 4、对完成的 动电源进行总结，分析关键数据， 给出缺陷和改进方法， 并对本设计的工作进行总结。 关键词： 流驱动；功率因数；非隔离式 ED in in of 0 or in 0% of do be by ED to so as to of In to a of is to a to to of ED of as 1, ED of a of ED to ED 2, ED is of to of of ED 3, on of ED to of 4, of ED is of of is 1 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 1 概述 . 错误 !未定义书签。 题的研究背景 . 错误 !未定义书签。 题介绍 . 错误 !未定义书签。 动电源现状 . 错误 !未定义书签。 发展史 . 错误 !未定义书签。 动电源研究现状 . 错误 !未定义书签。 2 动电源 . 错误 !未定义书签。 特性 . 错误 !未定义书签。 动电源技术要求 . 错误 !未定义书签。 动原理 . 错误 !未定义书签。 载连接方式 . 错误 !未定义书签。 关型 动电路原理 . 错误 !未定义书签。 率因数矫正 . 错误 !未定义书签。 率因数的概念 . 错误 !未定义书签。 率因数校正电路 . 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 3 整体方案设计 . 错误 !未定义书签。 计目标 . 错误 !未定义书签。 统结构 . 错误 !未定义书签。 涌保护电路的设计 . 错误 !未定义书签。 涌保护电路的原理 . 错误 !未定义书签。 涌保护电路的选择和参数计算 . 错误 !未定义书签。 波电路的设计 . 错误 !未定义书签。 波电路的原理 . 错误 !未定义书签。 波电路的选择和参数计算 . 错误 !未定义书签。 路的设计 . 错误 !未定义书签。 2 流驱动电路的设计 . 错误 !未定义书签。 片 介 . 错误 !未定义书签。 于 恒流驱动电路和参数计算 . 错误 !未定义书签。 4W 的 动镇流器硬件调试 . 错误 !未定义书签。 4 总结和展望 . 错误 !未定义书签。 谢 辞 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附 录 . 32 附录一 基于 24W 镇流器电路原理图 . 32 附录二 基于 24W 镇流器电路 . 33 附录三 基于 24W 镇流器实物图 . 34 附录四 元件清单 . 35 1 1 概述 题的研究背景 照明灯具作为基础设施，为人类的社会生产和生活提供了更为安全优越的环境。如今，照明应用已经成为全球排第二的能源消耗部门，达到全球所有能源消耗总量的19%。在我国，照明应用所占的能耗比例更大。据估计，户内照明用电量占到全国总用电量的 90%。随着能源危机在全球范围内蔓延，加之不断增长的能源需求，发展节能新技术已经成为当务之急。 仅具有节能、环保、显色性好、寿命长及结构紧凑等优点，而且与卤素灯、白炽灯相比还具有在照明 控制和调节光度上的优势。源应用前景举世瞩目，特别是其中的高亮度 是被誉为 21 世纪最有价值意义的光源。随着 阶段的大功率 家预期在 2030 年， 30白炽灯将会被 取代， 炽灯和日光灯。 动技术是 明中的核心技术。 具有负温度特性且特性敏感的半导体器件，在开发应用中需要使其具有稳定的工作状态和可靠的保护。 不像传统的白 炽灯一样可以直接连接在交流 220V 的市电上，它还需要一个能够提供其稳定工作的驱动电源。 驱动电路的设计使相当复杂的，而且不同用途的 要配置不同的驱动电源。在实际需求中，动电源寿命长、恒流精度高、转换效率和有效功率高等要求。 近些年来，大功率 动技术得到迅猛发展，性能优良的专用驱动芯片层出不穷。相比于以前由独立器件设计的 动电源，使用专用芯片可以简化系统电路，使驱动电源体积更加小型化，而且其性能不降反升。 术的发展大范围向户外照明、家庭照明、大型室内场所照明和应急照明等方面发展，逐步取代传统照明灯具。 题介绍 本课题的主要任务是设计一个大功率 题的宗旨在于对 涌电路、电磁兼容电路、 在研究的基础上加以实践。 大功率 过 压斩波电路实现驱动控制；对市电输入的浪涌冲击和噪声信号，分别使用抗 浪涌保护电路、 市电输入的交流电经 2 过全桥整波电路变为直流电路，配以 功率因数校正电路后进入 流驱动 在实际应用中，要求 流器的有较宽的输入电压，并能在大范围内实现输出电流的稳定，并具有优秀的幅度平坦度。 载保护、过载保护、短路保护、电磁隔离和必要的散热设计。实现这些指标需要严谨设计完美的驱动方案。 本课题要求实现的功能指标较为简单，但在已有的驱动方案的基础上可以对其性能进行改进，如将无源 设计为有源 非隔离输出为变压器隔离输出等，将使大功率 动电源现状 发展史 早在 1907年， 观测金刚砂电致发光的实验现象时，首次观察到无机半导体的发光现象。但是因为无机半导体发出的黄光亮度暗淡，他的研究很快便结束。 20世纪 20年代， 二次观察到这种现象，因为受到当时材料制造工艺和器件生产水平的限制没有被迅速发展。 直到 1962年， 司 光二极管。 6 年后的 1968 年，随着 发的 示灯和 1968年，科学家们通过 ，并出现了红色光以外的黄色光和橙色光。 1970 年头几年里，使用砷化铝镓制造的第一代高亮度 式诞生。直到此时，20世纪 90年代，日本东芝公司和美国 们的组合又被用来实现超高亮度红色、黄色、绿色的 90年代中期，超量蓝光 进入 21 世纪，高亮度的 到迅速发展。在 2003 年，高亮度 光效达到60。 2006 年 3 月，日亚生产的高亮度 效达到 100，之后的第 4 个月，30。在 2006年 11月，日亚生产的高光亮度 50，发光效率已经超过当时的节能灯，实现真正意义上的照明灯具。2007年， 57。目前 00的道路前进。 我国自主研制的第一个 从现在整体水平上看，我国的 导体产业技术水平与发达国家之间还有比较大的差距。我国的高亮度大功率 于高亮度大功率 “十一五”期间，国家投入 100 亿元资金用 3 于发展我国 明行业； 2003 年政府发启国家半导体照明工程计划； 2009 年科技部开展十成万盏半导体 用试点工程。在 2012 年，我国的传统的 白炽灯和荧光灯开始被 着一系列政策的实施，相信我国的 动电源研究现状 十几年来对 传统荧光灯的镇流器不一样， 时需要和 早期的研究完全是基于分立元件设计的 动电路，其缺点是元件数量比较多，电路原理复杂，稳定性、可靠性不高等。近些年，随着 动 出现， 其性能也有所提升。伴随着硅集成电路的需要的电源电压越来越低，其电源输出电压的范围也越来越多地满足 作电压的最佳值区间，大部分应用于为低压 片供电的技术也被应用到 动电路中，特别是在大功率 第一方面是根据 独有特点开发出一系列的恒压恒流控制电子电路，运用集成电路技术把流经每只 的大小。 第二方面是 负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制 第三方面是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。 第四方面是在目前 分发挥 发变色 C，针对直流 第一类是高压工艺生产的 C 至 0100V，恒流精度达 1%，将能满足所有直流 满足 第二类是 用成本低，通过 +功率因数矫正（ 扑结构驱动 第三类是功率因数矫正（ +脉宽调制（ 种平均电流模式控制器组成新的 C 驱动 们将新一代的 具显现其强大生命力，以充分发挥零电压开 4 关拓扑结构（ 优势 ，并满足 具对 益提高的要求，在较低的功率等级（如小于 50W）时能提高效率大于 90%。宽电压输入、短路和过功率保护、开路保护、较低的总谐波失真（ 最基本的要求。 5 2 动电源 特性 具是一种将电子能转换为光能的器件。所谓 是发光二极管（ 基本机构是将一块电致发光的半导体芯片封装在环氧成分的树脂中，并采用引脚支架连接到正负电极，同时起到支撑作用，如图 2。 图 2光二极管结构图 由外部给 外部注入的负电荷粒子和正电荷粒子相遇而产生复合时，负电荷粒子会跌落到较低的能阶，同时将多余的能量以光子的模式释放，从而把电能转换成光能。 在应用 要考虑它的电气特性。 （ 1） 安特性 安（ 性如图 2 图 2安特性曲线图 片 的电流随施加于 两端电压变化而变化的特性。它能反应出 为应用设计提供参考数据。 在图 2给 向电压需要达到开启电压(0)此后 电流会随着正向电压的增大而增大，并表现出指数特性。 6 图 2 开启电压(0) 超过开启电压之后 ， 电流随输入电压的增大迅速增大 ， 开始发光 。 额定电压期稳定工作的电压。 额定电流一般而言，由于 以一般会按照额定电流来设计驱动电路。 反向击穿电压 当反向电压超过 （ 2） 及除它之外的所有二极管都是电流型器件，它们电 压电流的关系是指数关系，而非线性关系。 电流模型（适用于其他二极管）如下： () I e（ 2 由式（ 2以得到 1( ) )F 2 其中，在上面两个公式中： I 为流过 k 和k 和在 室温下 ， 白色光、 = 在式（ 2可以看出 电流受电压的影响非常大。比如，对白色光 说，施加于其两端电压在 9将电压增加到 过的电流将达到 179电流增量达到了 3 倍。 向电压与电流的关系曲线如图 2示。 图 2 7 对式（ 2分析中，可以知道通过控制 电压来实现控制其工作状态的方法是行不通的。而式（ 2给出另一个答案：当向 加一个正向电流时， 现对应的电压。比如，对白色光 08正向电压为 对于 59流加倍后，电压仅仅增加了 幅非常小。 由以上分析可以得出 不是电压控制型器件。 ，即 光通量由 功率决定，由于 电压随着电流的变化而基本保持不变，所以可以说 动电源能够为 供一个稳定的电流是一个最基本和最重要的要求。 （ 3） 电压 虽然 电流控制型器件，其正向电压也会被近似成常数，但是实际工作时， 对于不同的 电流大小一定的情况下其两端的电压大小会不一样。此外，工作环境温度也是影响 温度与 于额定电流相同的 的封装越大散热性就越好，温度就不容易变高，但是会导致正向电压变得更高。如果希望得到更低的正向电压，可以选择统一封装类型里额定电流比较大的 就是说，两个额定电流为 35000额定电流时，它们的正向电压是相同的，当它们都工作在 350，后者的正向电压会比前者的低。 对于不同发光颜色的 色光和白色光 4V，而黄色光 色光 准的额定电压是电流为 350算 50所以 有较宽的正向电压范围，是因为 （ 4） 在 ， 向电压没有超过击穿电压 流过 反向电流很小 ， 但是达到击穿电压之后 ， 向 电流迅速增大 ， 使 对于 说，其反向击穿电压通常都比较低，在 5V 左右。 动电路中的任何小问题、噪声干扰或输入电源的跳动，有时候都足以使 几个微秒的时间内被击穿。所以在设计电路时，需要充分考虑防止 8 动电源技术要求 根据大功率高亮度 可以知道， 以需要用直流电流或者单向脉冲电流来驱动 时其正向供电电压需要达到正向导通电压时会进入正常工作状态。由于 具有负温度系数特点，为避免 电流因为温度升高而不断升高最终造成 以 算用电压源来驱动也需要采取必要的限流措施。 为了保证 全的工作环境， （ 1）提供合适的直流电压和电流 常地工作。在 点亮前，驱动电源的输出电压需要高于 正向导通电压以使 导通产生光亮。 光亮度与其正向电流近似成正比关系，这就决定了驱动电源在稳定工作时需要给 时， 此其输出的电气特性必要与 （ 2）具有高功率因数 根据 动电源的谐波含量和功率因数必须满足 规定的标准要求。 作直流电的变换，然而工频市电中通常含有较多的谐波含量，从而使开关变换电路的输入电流产生严重的波形畸变，并且还会产生谐波含量也相应变高而功率因数却低等缺点。为了使 动电源满足 准，在设计驱动电路时加入功率因数矫正电路是必不可少的。 （ 3）具有高效率 为节能的一款照明工具，所以其驱动电源也应当具有高效率以符合 能照明的设计目的。同时，国家也对 要求，如 4、 和能源之星等，这些条款也不仅是针对 明应用，而是规定了整个照明系统应该达到的要求。设计生产一款符合法规规定效率的动电源是很有意义的。此外， 动电源还应该满足 载在一定范围内变化时都能具有较高效率。 （ 4）具有必要的保护电路 在所有的电源系统中，合理的保护电路是不可或缺的。对于 般需要具备抗浪涌保护、短路保护、开路保护、过压保护、过流保护、过温保护这几种保护功能。其中抗浪涌保护电路可以保证 带来的干扰。对于 动电源的输出电流可能发生瞬间过电流， 9 这可能会损毁驱动电源和 此在 两个保护可以用同一个电路共同实现，它们实际上是利用将开关管关断或者改变其导通占空比来调节电感的放电时间，以达到降低输出电流或者不输出电流。对于 导致驱动电源产生一个高电压，这会增加系统的额外功耗，严重些会损毁芯片和其他元件，因此需要对其进行过压保护设计。开路保护是为了在不接 开关管关断避 免系统产生过多的功耗。过温保护则是保护驱动芯片和开关管避免在温度过高的情况下被烧毁，驱动芯片的内部会自带简易温度传感器，当芯片温度过高时会使输出端关断开关管。 （ 5）具有可靠性和易用性 常会面临诸多复杂的环境。环境的温度、湿度和其他环境都会对 动系统产生负面的影响，同时 于 明的特殊性，能够满足市面上常见的 时驱动电源的体积不应 太大而且方便安装。 动原理 载连接方式 排列方式和 源的规范决定驱动电源的应满足的基本要求。 排列有以下这 3中方式。 （ 1）串联排列方式 串联排列即是将所有 接法如图 2路连接方便， 是，当其中的某个 个串联通路都会处于断开状态，所有 以在每个 10 （ 2）并联排列方式 顾名思义，并联连接即是将每个 阳极相连，阴极也相连，形成并行排列的模式，接法如图 2路连接方便。由于是并联连接， 用恒流驱动电源时，任意通路的 电流都会平摊到其他 是就需要并联更多的 用恒压驱动电源时，能够保证 以在 般都会选用 恒压驱动电源。但是，无论是恒流电源还是恒压电源，在任意 现短路时，所有 且还可能烧毁驱动电源。 （ 3）混联排列方式 混联排列有先串后并、先并后串这两种方式。先串后并方式如图 2a）所示，需要保证每个串连电路上的 样分配到每串 出同样的亮度；先并后串方式如图 2b）所示，先将 联后再串联，同样每个并联电路里面需要保证拥有同样数量的 样才能保证每个 接法，可以保证其中某个 会严重影响整个 是是其中某个 统依然能够继续工作。 a） （ b） 图 2综上所诉， 联这两种连接方式中，都存在比较大的缺点，在实际使用中容易使整个 统停止工作。所以在实际使用时，混联是比较受欢迎的一种连接方式。 11 关型 动电路原理 由电流驱动的器件，其发光亮度与电流近似成比例关系。 动电路的目的就是使 过稳定的正向电 流，理论上说，可以采用带限流电阻的恒压源和恒流源来实现驱动电源。 采用带限流电阻的恒压源，首先需要根据 据 载系统计算出需要的驱动电压值，加入限流电阻来设计恒压源的电压和输出电流能力。采用这种方法时，由于温度和工艺的原因，每个 正向导通压降会存在微小差别，但是其微小的差别会造成每个 过的电流有很大差别；而且，限流电阻的存在会使整个驱动系统的功耗增加。在 动电源设计中，都不会把驱动电源设计成恒压源模式。 恒流源驱动电路能更好的配合 过 一型号的 以使每个 作在相同的状态，发光量均匀，同时由于其没有其他多余的功耗，可以保证整个系统获得更好的效率。为实现对电流的检测，会在 个电阻通常会非常小以减小功耗。 电流检测流驱动电路如上图所示，如果输入电压（ ）为直流电压，则可以直接输入，如果为工频市电则需要对市电进行整流后才输入到 驱动电路可以采用线性电源和开关电源两种方式实 现。由于线性电源的效率低，发热量大等缺点，在要求高效率的系统都不适用。开关电源的系统效率可以高达 98%甚至更好，而且由于其工作于高频状态，其电感电容的容量、体积更加小，可以设计出体积小、效率高的电源。 在目前， 流驱动电路都由 关变换电路来实现。 关变换电路有 应用于 a）所示。 换器即是降压斩波电路，适用于输出电压比输入电压低的场合。该电路结构简单，并且输出端不需要滤 波电容，可以减小体积和成本。通过调节 占空比或者频率，就可以调节输出电压的大小。在 动电路应用里，为了方便驱动开关器件，通常会把 换 12 器设计成图 2b）所示，即把开关器件放到接地端，开关器件的控制端只要提供一个相对 一些的驱动电压即可导通管子。在 路中，可以选择在其低压端接入一个检测 （ a）的 （ b）的开关管 方便系统检测 是，对于图（ b），接入感应电流 电阻之后，还需要设计一个电平移动电路来获取电源接地的信息，会使电路稍微复杂。 a）传统 （ b）改进后的 图 2换器 图 2名为升压斩波电路。 用将电感元件放于电源输入端使其持续获取输入端的能量能够将输出电压提升至比输入电压更高的值，该电路可以用于低输入电压时要求驱动高电压的 统的情况。传统 换器不需要进行改进，即可达到开关管控制简单的条件。与换器采集 流的方法一样，只需要在 极与 间串入感应电流电阻便可以将电流信号反馈回去调节 输出。 换器比 换器多了一个输出滤波电容，电路会稍复杂，更重要的是考虑到成本和体积的问题，电容的取值不易太大，这样的后果是 载上的电流可能会出现电流不连续的情况。通过设计合理的输出峰值电流与 空比可以得到比较平稳的 然可以实现在低电压输入下理想地恒流驱动 换器 图 2用于 动电路的 换器，又名为升压 （ a）为传统的 （ b）为经过改进后的 换器。该 13 电路的输出电压可以比输入电压低也可以比输入电压高，这也是该电路的优点，可以使用在输入电压变化较大或输出电压变化大的场合。该电路的缺点是蓄能电感和开关管上流通的电流比 载流通的电流要大出很多，在输出电压等于输入电压时，此电流能达到 倍，这会增加系统的功率而降低系统效率。 a）传统 （ b）改进后的 换器 图 2如果想要克服上述 换器的缺点，需要将升降压电路设计成由 4 个开关管控制的升压 图 2该电路中，靠近电源输入端的 2个开关管实现降压和功率放大，然后经过后部升压变换电路，可以调节输出电压的大小。通过控制 4 个开关管的通断可以控制输出电压的大小，一样可以实现降压或升压，而且蓄能电感和开关管上的电流和 载的电流相差不远，在输入、输出电压相等的情况下，其电流基本接近于 载电流，输出电流的文波也要比图 2要好。对于需要检测实现恒流输出的场合，在 2管 对于 输入电压始终比 扑电路；在输入电压有限且始终比 载系统的设定工作电压小的情况下选择 有在输入电压与 扑电路。虽然 扑电路可以满足上述三种情形的 载系统，但是一般能用 者 扑电路的时 14 候都不会选择用 扑电路，这是因为它不能同时兼具效率和成本上的优势。开关驱动电 源的优势便在于效率高、成本低和性能好。 率因数 矫正 率因数的概念 功率因数是负载消耗的实际功率（ P）与视在功率（ S）的比值，即： （ 2 其中实际功率 以对一个周期内的电压和电流的乘积进行积分得到其平均功率；视在功率则可以由输入电压的有效值和输入电流的的有效值之乘积求得。它们的计算公式如 下： 001= ( ) ( ) ( )v t p t d v t i t （ 2 I（ 2 与实际功率和实在功率相关的另一个功率是无功功率（ Q），即被损耗掉的功率，它们三者之间的关系为： 22S P Q （ 2 为了研究影响功率因数的原因，这里引入总谐波失真率（ 入电流中谐波总量占输入电流总量的百分比）和位移因数（ 入电压、电流间相位差的 ，它们的表达式为： 1100% d D I （ 2 1（ 2 其中11为输入电压 、 电流波形的相位差 。 经过数学模型分析（此处省略其分析过程），可以得到功率因数的另一种表达方式： 211P F D P D （ 2 由式（ 2（ 2（ 2可以看出，功率因数主要由输入电流的谐波含量（也称输入电流波形畸变程度）和输入电压、电流波形的相位差这两个因素来决定。只要克服这两因素带来的影响，就能使系统获得较高的功率因数。 15 率因数校正电路 功率因数校正电路的主要功能是是负载近似于电阻性。根据使用元件来分类，可以将功率因数矫正电路分为有源功率因数矫正和无源功率因数矫正两 种。 有源功率因数矫正电路由电容、电感储能器件、开关器件及其驱动控制电路组成。开关器件工作在高频状态，驱动控制电路需要通过检测输入、输出电压，并根据负载的功率需求来驱动控制开关器件的通断使储能器件适时地进行存储或释放能量，避免过度输入功率和改变输入电流波形的目的，从而提高系统功率因数。 应用 扑电路实现的有源功率因数矫正电路具有最优
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