60w反激式LED恒流驱动开关电源的设计

毕 业 设 计中文题目60W反激式LED恒流驱动开关电源的设计英文题目Design of 60W Flyback LED Constant Current Drive Switching Power Supply专业：电气工程及其自动化60W反激式LED恒流驱动开关电源的设计60w反激式LED恒流驱动开关电源的设计【摘 要】:如今，全世界资源稀缺，节能意识深入人心。随着LED的出现，全球的照明行业迎来了一场巨大的改革，LED的节能、轻便、小巧等优点使它广受欢迎。随着LED的发展，LED开关电源的重要性日益突出，因此，研究高效率的LED驱动电源的任务被提上了进程。本文设计的60w反激式LED恒流驱动开关电源，结合了电路的拓扑、EMI电路、钳位电路、整流电路、控制电路和反馈电路等电路进行了开关电源的设计。选用KBP206代替传统的整流桥，并且使用UC3842专用芯片进行控制电路的设计，通过阻容电路进行UC3842开关频率的设置，通过反馈电路调节输出电流，提高恒流精度。此外，RCD钳位电路还能起到吸收尖峰电压的作用，EMI电路起到平缓电压突变、消除干扰和滤波的作用。运用AP法进行变压器磁芯的选择，并且计算变压器的各个参数，包括:占空比、原边匝数、副边匝数、导线直径等。在实际中运用示波器检测开关电源的各个部分输出波形，进行理论与实际的比较，判断设计达到了设计目标。【关键词】：开关电源；反激式；LED驱动；恒流源Design of 60W Flyback LED Constant Current Drive Switching Power Supply【Abstract】:Nowadays, energy-saving consciousness is deeply rooted for the shortage of global energy, and the global lighting industry has ushered in a tremendous reform with the advent of LED. A large number of merits contribute to the popularity of LED, such as saving energy, being portable and compact, etc. With the development of LED, the importance of LED switching power supplies has become increasingly noticeable. Thus, the necessity of investigating high-efficiency LED driving power supplies has been put on the course.This paper aims at analyzing the design of a 60W flyback LED constant current drive switching power supply. It is designed based on circuit topology, EMI circuit, clamp circuit, rectifier circuit, control circuit and feedback circuit. The KBP206 is made used of rather than the traditional rectifier bridge, and a UC3842 dedicated chip is a microcircuit to design the control circuit. The UC3842 switching frequency is set by the RC circuit, and the output current is adjusted by the feedback circuit to improve the constant current accuracy. Whats more, the RCD clamp circuit canabsorb the spike voltage as well. The EMI circuit plays a part in smoothing the abrupt voltage change, eliminating interference, and filtering waves. It adopts AP method to select the transformer core, and calculate the various parameters of the transformer, containing duty cycle, the number of primary side turns, the number of secondary side turns as well as wire diameter.The oscilloscope is used for detecting the output waveforms of various parts of the switching power supply in practice, and a comparison between theory and practice is made to determine that the design target is reached.【Key words】: Switching power supply; flyback; The LED driver; Constant current source目录第一章 绪论11.1 研究背景及其意义11.2 开关电源的发展趋势21.3 开关电源的国内外发展现状21.4 课题主要研究工作2第二章 开关电源的基本拓扑及原理42.1 电路的主要拓扑结构42.1.1 降压电路42.1.2 升压电路52.1.3 升降压电路52.1.4 正激电路62.1.5 反激电路72.2 反激电路的适用性7第三章 反激开关电源的设计93.1 开关电源的性能指标和总体框架93.2 输入端保护电路与EMI电路的设计103.2.1 输入端保护电路103.2.2 EMI电路103.3 输入整流电路的设计113.4 控制电路设计113.4.1 开关管的选型113.4.2 控制芯片选择123.4.3 基于UC3842的脉冲控制电路123.5 钳位电路设计143.5.1 钳位保护电路基本类型143.5.2 钳位保护电路的设计153.6 变压器设计163.6.1 变压器磁芯的选择163.6.2 变压器的参数设计183.7反馈电路的设计与光耦的作用213.8 开关电源设计及测试223.8.1 开关电源的原理图及PCB板22第四章 仿真与实测244.1 开关电源测试平台搭建及成果展示244.2仿真电路与波形254.3 开关电源模块波形27第五章 总结30致谢31参考文献32IV第一章 绪论1.1 研究背景及其意义随着全球温室效应日益严重，全世界的能源总量越来越少，照明耗能也越来越多，传统的钨丝灯已经不能适应最新的生态环境。LED的使用寿命高、传输效率大和体积小，广泛应用在许多领域中。据资料统计，许多国家的电能占据总能量损耗的10%-20%1。发达国家的照明电量占据总电能的18%;在我国，这一比例也达到12%，而且还将逐年提高。显而易见，LED照明使用的电能总量越来越大。LED是科学家们的伟大结晶，它具有许多优点，是传统电源所不能比拟的。LED的应用领域十分广泛，且深受人们喜爱。LED的使用寿命与许多因素有关，开关电源无疑是最大的影响因素。研究开关电源对LED的发展十分重要。LED驱动开关电源的转换效率高、体积小，对于LED无疑是绝佳的电源。但是，开关电源的使用寿命的问题目前尚未解决。就目前而言，LED的使用寿命很大程度上受开关电源的影响。开关电源的的优化将会推动LED的发展。例如：Cree公司的Xlamp的系列产品，它的参数为3.5V/700mA2，当PN结温度为80时，51000h的系统散热系统，5OOOOh的芯片寿命，但是开关电源只能运作20000小时。因此，开关电源对LED的使用寿命中有着巨大的影响。传统开关电源中都配有整流电路、控制电路、滤波电路等电路。在控制电路中，往往都要用到大功率、高承受反向电压能力。图1-1为LED驱动电源的电子器件损坏概率图，电解电容的损坏率比其他电子器件高的多。因此，对于高电压、大电流、高效率的电子器件的研究对于开关电源的发展作用巨大。图1-1 3电子器件损坏概率图1.2 开关电源的发展趋势目前，国际大多使用开关电源。开关电源有利于节约能源损耗和利用效率高，但是开关电源的设计复杂，维修困难且噪声大，不适合运用于一些需要低噪音的场所。到目前为止，开关电源的发展趋势有五个方面：（1） 小型化、轻量化、高频化（2） 高使用寿命（3） 噪声低（4） 低输出技术（5） 计算机辅助设计随着科技的更新换代，开关电源技术也在一直成长。MOSFET、IGBT等元器件相继出现，对于开关电源的发展有着巨大贡献。1.3 开关电源的国内外发展现状随着智慧的提升，开关电源呈现集成化。在1997年的时候，国外研制出了一种脉宽调制电路，引起了国际的轰动。近些年，国外又发明了高达1MHZ频率的高速PWM型单片开关电源，例如意大利、法国半导体公司所研制的Viper系列，无疑对当时的国内电源业产生了巨大冲击。与国外的电源比起来，国内的发展就显得后劲不足了。但是随着国内工程师的不懈努力，国内的开关电源研发技术不断进步，越来越先进，进而扩大了生产规模。伴随着国内开关电源的日益兴旺，国外进口电源逐渐别国内电源所取代。开关电源的产生对人类的生活环境产生了巨大的影响，推动着事物朝着美好的方向发展。1.4 课题主要研究工作本文在60w反激式LED恒流驱动开关电源的设计中，基于开关电源的拓扑构造和控制电路，选用专门的电流控制芯片UC3842作为PWM电路的控制芯片，设计反激式电源的变换电路、控制电路、滤波电路和钳位电路等。考虑到实际与理论的偏差，我们重点研究了变压器的磁芯及各个参数设定。运用模电、数电、电路等原理，对开关电源的总体进行优化，通过实际去调整参数值，以便电源能够更好的克服外界因素，从而达到理想工作的状态。最后对开关电源的各个模块进行测试，验证实际指标。开关电源的主要研究包括以下几方面:（1）研究了开关电源的研究背景及其意义，了解了国内外发展现状和现今开关电源的发展趋势。（2）在了解开关电源的基本拓扑结构、工作原理及其基本公式，研究各个拓扑的优缺点，实事求是，探究使用合适的拓扑结构。（3）本文使用KBP206整流器件代替传统的4个二极管构成的整流桥，减少了元器件的占用空间，减少了电路复杂程度，之后使用EMI电路对整流后的电压进行除尖峰、滤波等。（4）在60w反激式LED恒流驱动开关电源的设计中，研究控制电路的控制芯片和开关管的选型。了解开关频率的设定与芯片外围电路的构建。（5）RCD钳位电路是反激式电路中不可缺少的一部分，有利于尖峰电压的吸收，保护电路元器件，保护变压器受到不必要的干扰，并且结合相关计算公式对RCD电路进行了R、C的参数计算。（6）EMI电路有平缓电压突变、消除干扰和滤波的作用，并且对钽电容和安规电容作了简要的说明，研究安规电容在EMI电路中的作用。（7）变压器是开关电源的关键部分，所以变压器的制造，变压器参数的计算十分重要。在本设计中，认真研究了磁芯的选择方法，设定变压器匝数比、变压器磁通是否饱和、变压器一次侧和二次侧绕组的匝数等参数。（8）使用电流反馈电路作为PWM控制电路的检测信号，通过对输出信号进行检测实现开关管的导通与关断。（9）通过示波器测试各个部分的输出波形，与理论相结合，分析开关电源的设计是否达到设计指标。第34页第二章 开关电源的基本拓扑及原理开关电源是新时代电源的代表者，主要是利用电力电子技术实现占空比的调节。开关电源主要包括PWM控制电路、EMI滤波电路、反馈电路及RCD钳位电路等。随着研发人员的不懈努力，开关电源的制作越来越精细。现在，开关电源发展目标主要是高频化和小型化，且广泛应用于电子设备中，促进着当今电子信息业的发展。2.1 电路的主要拓扑结构反激变压器主要运用于功率小于100W的开关电源，应用范围十分广泛。因此，我也将采用反激式拓扑结构来设计54w反激式LED恒流驱动开关电源。本章将介绍几种常见的拓扑结构并着重介绍反激式变压器。2.1.1 降压电路图2-1 降压斩波电路图2-1为降压斩波电路，降压斩波电路包括电源、控制开关V、电感L、二极管VD及电阻R。其中，开关器件为IGBT，控制导通与关断；二极管VD主要的运用单向导通性完成电感电流的续流。降压斩波电路的工作原理：开关管在t=0时导通，负载电流逐步变大，负载电压与电源电压相同。开关管V在t=t1时关断，二极管中流过电感电流，并且电感电流逐渐衰减至0。负载电压的平均值为UO=tonton+toffE=tonTE=E#2-1导通时间ton，关断的时间toff，开关周期T，占空比。则负载电流的平均值为Io=Uo-EmR#2-22.1.2 升压电路图2-2 升压斩波电路图2-2为升压斩波电路。在开关管V导通时，电源与电感L、V构成一个电流环路，供电流运转。当开关管V关断的时候，电源E、二极管VD、电容C与电阻R形成回路，电源向电容C充电，电阻R消耗能量。根据电感的伏秒特性，当升压斩波电路处于稳态时，有： EIo=Uo-EI1toff#2-3Uo=ton+tofftoffE=TtoffE#2-4上式中Uo为输出电压，Io为流经电感的电流，Io为流经二极管的电流。由于上式中toff1，所以称这个电路为升压斩波电路。2.1.3 升降压电路图2-3为升降压斩波电路。当V导通时，电源E、V及电感L构成回路，电容C中储存的能量被电阻R消耗。当V处于断开的时候，二极管VD、C、L和R构成一个电路，电感和电容C中的能量流向电阻R，并且被电阻R所消耗，此时的输出电压与电源电压的极性相反。根据伏秒特性，当电路处于稳态时，一个周期T内电感的能量有：0TuLdt=0#2-5图2-3 升降压斩波电路当V处于通态时，uL=E；当V处于断态时，uL=-u0。则Eton=Uotoff#2-6uL为电感L两端的电压，Uo为输出电压。则输出电压为：Uo=tontoffE=tonT-tonE=1-E#2-7随着占空比发生变化，升降压斩波电路的输出电压也随之变化。当012 时，此电路为降压电路；当121时，此电路为升压斩波电路。2.1.4 正激电路图2-4 正激电路的原理图当开关S闭合后， VD1导通，VD2关断。电感L的电流开始缓慢增大，变压器绕组W1和W2两端的电压极性相同。当S关断后，VD1关断，VD2导通。N3绕组和VD3为变压器的励磁电流提供通路。此时，开关S承受的电压为us=1+N1N3U1#2-82.1.5 反激电路图2-5 反激电路的原理图反激电路中，当开关S闭合后，电感储存的能量开始增加。此时，二级管VD关断，流经W1绕组的电流随之增大。当开关S处于断开状态后，电流不经过W1绕组，电流通过绕组W2和二级管并将磁能带到输出端，电压为：us=N1N2Uo#2-9当开关S导通后，电流不经过W2绕组，通过其它回路进行流通，此时，称开关管工作在电流连续状态。此时，输出输入电压关系为UoUi=N2N1tontoff#2-102.2 反激电路的适用性（1）反激式开关电源的优点是电路比较简单，体积比较小，反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多。反激式开关电源的优点是电路比较简单，比正激式开关电源少用了一个大的储能滤波电感，以及一个续流二极管，一次，反激式开关电源的体积要比正激式开关 电源的体积小，且成本也要低。此外，反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多，因此，反激式开关电源要求调控占空比的 误差信号幅度要比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也要较小。由于这些优点，目前，反激式开关电源在家电领域中还是被广泛的应用（2）反激式开关电源多用于功率较小的场合或是多路输出的场合。（3）反激式开关电源不需要加磁复位绕组。在反激式开关电源中，在开关管关断的时候，反激式变换器的变压器储能向负载释放，磁芯自然复位，不需要加磁复位措施。（4）在反激式开关电源中，电压器既具有储能的功能，有具有变压和隔离的功能。由于反激电路的各种特性，导致反激式电路拓扑常用于100w以下的小功率开关电源。因此，在60W的LED开关电源中将采用反激拓扑作为变换电路。第三章 反激开关电源的设计3.1 开关电源的性能指标和总体框架在设计开关电源之前，要明确所要设计的开关电源的性能要求。本文60w反激式LED恒流驱动开关电源的目标参数如下：（1） 标准输入电压：220VAC，50HZ（2） 输入电压范围：110V-265V（3） 工作频率：150KHZ（4） 输出电压：36V（5） 输出电流：1.5A（6） 工作温度：-25-80（7） 效率：90%开关电源的总体设计框架如图3-1所示图3-1 开关电源的设计框架3.2 输入端保护电路与EMI电路的设计图3-2 输入端保护电路与EMI电路的设计3.2.1 输入端保护电路图3-2中，P1是输入端的端子，用以三相电的输入，P1中的3、2、1分别是火线、地线和零线的接入端，为了安全起见，在火线上接入一个贴片管状保险丝。当电路处于异常运行状态的情况下，保险丝熔断，达到保护电路的作用，即保护了人体，又保护了器件，得到双赢的效果。由于在60w反激式LED恒流驱动开关电源设计中，电流理论设定为1.5A，所以管状保险丝F1采用的2A的保险丝。当电路发生故障时，电流大于2A，保险丝F1动作并断开，防止瞬时大电流对电路产生过大的影响。3.2.2 EMI电路图3-2中的C8采用的是0.22uF的贴片钽电容，归根到底就是利用电容的“隔直通交”的特性达到平缓电压突变、消除干扰和滤波的作用。图3-2中的C6和C10使用的是0.2uF的安规电容。在开关电源中运用安规电容是目的是：即便开关电源中的电容发生故障，故障电流也不会危及整块电路板及个人。一般来说，在使用安规电容的时候，要求它的承受电压要满足条件，这样就可以避免在某些环境下电容出现击穿现象，危及人身安全。通常，在反激式开关电源的输入端之后除了接一个整流电路之外我还要接一个EMI电流。在图3-1中，C6、C8、C10共同构成一个EMI电路。之所以C8用的是钽电容，C6和C10用的是安规电容是因为：安规电容能够抵消开关电路对电网的冲击。至于在两个安规电容的C6和C10之间接地是为了达到消噪，吸收高频噪声和干扰的作用。3.3 输入整流电路的设计通常，在60W反激式LED恒流驱动开关电源的设计中，EMI电路后需要接入一个整流电路。整流桥器件种类非常多，在本设计中选用的是KBP206整流元件。图3-3 KBP206整流桥原理图图3-3为KBP206元件的原理图。KBP206整流桥中的四个二极管通过一种连接方式形成一个单相桥式整流电路，其中2、3引脚为输入端，1、4引脚为输出端。输入端220V交流电经过保险丝、EMI电路之后，来到整流电路，对交流电进行整流，这样有利于电能的传输。3.4 控制电路设计开关电源的控制形式分为：电压控制模式和电流控制模式。由于UC3842的采用电流反馈作为检测变压，所以在60w反激式LED开挂电源的设计中，本文选择的是电流控制模式。本节详细说明开关管的选型和基于UC3842芯片形成的电流控制模式。3.4.1 开关管的选型在反激式开关电源的设计中，MOSFET管的选取至关重要。由于MOSFET最大漏极电压为VDSmax=Vpmax+Vor+Vz#3-1其中VDSmax为开关管承受电压，Vpmax为最大输入电压380V，Vor为反射电压，Vz为漏感电压，也是下次钳位电路中的电容电压，习惯上Vz选择为整流电压的一半，这里我们选择Vz为100V。由于VzVor=1.4为最佳点，且Vz=100V，所以得到Vor=71V。则最大漏极电压为：VDSmax=Vpmax+Vor+Vz=380+71+100=551V#3-2通常，反激式开关电源设计中，开关管的安全裕度要有50V3。因此，为了电路安全起见，本设计选取最大漏极电压为600V的MOSFET管作为开关管。此处，选用的是TOP-220封装的MOSFET 2N60型号的开关管，它的耐压为600V，25的温度下通过的额定电流为2A。3.4.2 控制芯片选择由于本设计的是60w反激式LED恒流驱动开关电源，所以控制模式选取为电流控制模式。UC3842能够通过输出直接控制MOSFET管或者IGBT等开关器件，具有良好的控制能力。具体UC3842的功能将在之后说明。3.4.3 基于UC3842的脉冲控制电路通常，UC3842应用在功率1004瓦以内的反激式开关电源中，且开关频率是由阻容网络决定的。UC3842芯片的最大占空比为100%，且稳定性较高，性能较好，能够直接控制一个全控型器件的开通与关断，而且UC3842的引脚少、装配方便，有利于成本的节约。UC3842内部器件包括：5V参考电源、误差放大器、功率放大器、振荡器、PWM锁存器、欠压保护电路、电流检测比较器。UC3842的8个引脚功能如下：（1）COMP：误差放大器输出端，用于外部回路补偿。（2）VFB：误差放大器的反向输入端，用于接收输出电压的反馈信号。（3）ISENSE：电流检测比较器输入端。该端接电压或电流检测信号，实现过电压和过电流保护。（4）RT/CT：振荡器定时元件接入端。通过时间电阻RT连接至参考引脚8以及电容CT 连接至地，使最大占空比和振荡频率可调。内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.72（RTCT）。（5）GND：信号地，该端与供电电源地端相连。（6）OUTPUT:输出端。输出端。该端通过一外接电阻与MOSFET的栅极相连，直接驱动功率MOSFET。（7）VCC：电源接入端(取值10-34V )。（8）Uref：为基准电源输出端，可提供稳定性极好的基准电压。最终，基于UC3842是脉冲控制电路如下所示，图3-4 基于UC3842的脉冲控制电路最终脉冲频率为：f=1.72R51C17=1.722.54.710-3=150KHZ#3-3UC3842使用SOP-8封装，它的的引脚分布如图3-5所示。图3-5 UC3842的引脚图3.5 钳位电路设计自MOSFET问世以来，其常常被运用在反激式开关电源的设计中。伴随着MOSFET导通与关断，尖峰电压往往会出现在变压器的一次侧绕组上，很容易损坏开关器件。一般来说，尖峰电压往往是由变压器存在漏感所导致的，因此，在反激式开关电源的设计中往往会加入钳位保护电路，以此来减少尖峰电压产生的破坏。3.5.1 钳位保护电路基本类型钳位保护电路主要有四种类型，如图3-6所示：图3-6 5钳位保护电路（a）TVS/VD型钳位电路；（b）RCD型钳位电路；（c）R、C、TVS、VD型钳位电路；（d）VDZ、R、C、VD型钳位电路图3-6是最常用的4中钳位保护电路，各有优劣。(a)钳位保护电路过于简单，无法起到很好的保护作用，运用范围比较少。（b）RCD钳位电路的传输功率较高，所需元器件的成本及数量少。（c）R、C、TVS、VD型钳位电路响应速度快，并且可以承受瞬间的高能量脉冲，最有利与保护电路。（d）与其它三个保护电路相比较为复杂，电路设计成本比较高。在此，本设计采用RCD型钳位电路。RCD型钳位电路的原理是：当MOSFET断开后，变压器中产生的漏感会被阻容电路所处理掉；当MOSFET导通后立马关断，电容C会在将存储的能量释放出去，有利于反激过程。3.5.2 钳位保护电路的设计变压器的漏感会被RCD钳位电路中电容C存储并消耗，根据能量守恒公式：12LrI1p2=12CV22-V12#3-4得：钳位电容为C=LrI1p2V22-V12#3-5其中Lr为变压器漏感，一般为初级电感的1%-3%6，此处有变压器的初级电感计算得变压器漏感为8uH；I1p为开关管的峰值电流，即1.5A；V2为钳位后的钳位电容两端的电压,为150V；钳位前的电容两端的电压V1，为100V。因此，钳位电容的最小值为C=LrI1p2V22-V12=81.51502-1002=0.00096uF=0.96nF1nF#3-6这里，本设计选用1nF的电解电容。由于钳位电路中的电流很高，需要很大的电压变化率,所以我们选择了1KV耐压值、1nF的电解电容。RCD钳位电路中的电阻有限流的作用，所以需要较大的电阻值。但是无论钳位电阻过大过小，钳位电路的电容两端的电压都会使电阻消耗的能量增加，这不利于功率的传输。所以，放大电阻的选择应该能满足钳位电路的需求，即Vz=Vor1-eRC#3-7则最小的放电电阻R为Rmin=1fminCln1+VzVor=1061501ln1+10071=7K#3-8经过现实中的调试及理论分析，选定钳位电路的电容参数为C=1nF,耐压值为1KV，放电电阻为150K。放电电阻的功率为PR=VOR2R+121+KvminF2KVminLrI1pmax2fsmin=712150103+121+1.20.2581.5215010-30.77W#3-9最终，RCD钳位电路的二极管选定为快恢复二极管，快恢复二极管的额定电流是工作电流的127。通过元件参数选定，最终本设计选择1N4148来作为RCD钳位保护电路中的二极管。3.6 变压器设计变压器相当于“开关电源”的心脏，承担着电能传递的作用，是开关电源中必不可少的一部分。在为开关电源制作变压器的时候，应当考虑变压器磁芯的选择、体积、匝数和变压器线径等。3.6.1 变压器磁芯的选择变压器的磁芯大部分是EE型或者EI型8。EE型磁芯的绕制有着诸多优点,例如：接线方便，工作频率高、热稳定性能优良。所以在60W反激式LED恒流驱动开关电源的设计中，选择了使用EE型磁芯。变压器的磁芯选择方法有两种：面积乘积法（AP法）和几何参数法，在这里，本设计选择了使用AP法对变压器的磁芯进行计算选择。AP法的计算公式为AP=AwAe#3-10其中，AP：磁芯窗口面积和有效截面积的乘积，单位为cm4。 Aw：磁芯窗口面积，单位为cm2，且Aw=0.5B-CF#3-11 Ae为磁芯有效截面积，单位为cm2，AeSJ=CD#3-12其中D为磁芯的厚度。设变压器的一次侧绕组的有效电压为U19,原边绕组的匝数为NP,原边侧电流的波形系数为Kf，交流磁通量为，交流磁通密度为EAC，开关管的周期和频率分别为T和f。根据电磁感应的计算公式得U1=NPddt=NPEACKfAeT104=NPEACKfAef104#3-13又有Kf=4kf，其中kf为波形因素，则NP=U1104EACKfAef=U11044kfEACAef#3-14副边绕组的有效电压值U2，副边绕组的匝数为Ns，得Ns=U2104EACKfAef=U21044kfEACAef#3-15让绕组的电流密度为J，单位是Acm2 ，则导线的截面积为S=IJ#3-16KwAw=NpI1J+NsI2J#3-17其中Kw为变压器的窗口面积利用系数，I1、I2分别为流过变压器原边及副边绕组的电流有效值，则Aw=NpKwI1J+NsKwI2J#3-18合并上述各式可得Aw=U11044KwEACKfAefI1J+U21044KwEACKfAefI2J=U1I1+U2I24JKwEACKfAef104#3-19最后可知AP=AwAe=U1I1+U2I24JKwEACKfAef104Ae=P1+P04JKwEACKfAef104#3-20由于开关电源传输的总功率S=P0+P1,且传输效率=P0P1所以S=1+P0#3-21则AP=AwAe=1+P04JKwEACKff104cm4#3-22将数据带入上述公式中，已经=80%，P0=60W，Kw的取值范围为0.2-0.410，取Kw=0.35，D=0.5。通常，反激式开关电源的BM值通常为0.2-0.311，电流密度J的取值范围为200-600Acm212，为了可靠，我们取平均值BM=0.25T，J=400Acm2，另外取f=150KHZ，Kf=0.7。则AP=AwAe=1+P0DJKwEACKff104cm4=0.4331+0.8600.80.350.5314000.250.7150103104=0.586cm4#3-23查找EE型磁芯参数表，可知各个磁芯的AP值，从而选择磁芯型号。由于0.85250.586，所以本设计选用EE2825磁芯。EE282514磁芯的参数如下表3-1所示。表3-1 磁芯EE2825的参数Type材料DimensionAp磁芯面积乘积Ae磁芯有效截面积Aw窗口面积AL单匝电感量Le磁芯的磁路长度EE2825PC402812.7510.60.852586.998.1330057.73.6.2 变压器的参数设计对于变压器的参数设计，应当计算初级线圈电感Lp、变压器匝数比n、磁芯的尺寸，计算初级和次级绕组的匝数，计算导线直径d等等。（1） 最大占空比最小输入交流电压的平均值为Umin=1101.414=156V#3-24输入功率为Pin=Pout0.8=600.8=68W#3-25理想占空比D=TonTon+Toff=VorVor+Vmin=0.37#3-26（2） 一次侧电感量L1MOS管在处于ON时，一次侧绕组的平均输入电流Iin=PinUmin=68156=0.44A#3-27次级平均电流为Io=PinU0=6036=1.56A#3-28对应初级腰线电流ILin=IinD=0.440.37=1.12A#3-29对应P1输出口腰线电流：ILO1=Io1-D=1.50.63=2.38A#3-30对应P2输出口腰线电流：ILO2=Io1-D=0.020.63=0.03A#3-31对应P3输出口腰线电流：ILO3=Io1-D=0.020.63=0.03A#3-32则电感的波纹率为r=IIL=0.5#3-33由于电感上的峰值电压Ipk=IL1+r2#3-34则ILOpk1=2.381.25=2.98A#3-35ILOpk1用来作为选择二极管的标准ILOpk2=0.031.25=0.04A#3-36ILOpk2用来作为选择二极管的标准。ILOpk3=0.031.25=0.04A#3-37ILOpk3用来作为选择二极管的标准。ILinpk=1.121.25=1.4A#3-38ILinpk作为选择MOS管的标准。最后，初级电感为L1=UminDrILinpkf=1560.370.51.4150000=0.55mH#3-39（3） 磁芯的体积磁芯的体积为V=0.72+r2rPinf=0.72+0.520.568150=3.97cm3#3-40（4） 变压器的匝数比Np=1+2rUonD2BpkAef#3-41对于PC40铁氧体来说，Bpk最高不会超过300015高斯，先用3000高斯来进行计算，则Np=1+2rUonD2BpkAef=1560.3720.30.869150103=36.9匝#3-42Ns1=NpN=36.92=18.45匝#3-43取Ns1=19匝，则根据匝数比得Np=NNs1=219=38匝#3-44Ns2=203619=11匝#3-45Ns3=123619=6匝#3-46（5） 验证磁通是否饱和Bpk=1+12UonD2NpAef=1500.3752380.869150000=0.291T#3-47由于0.291T0.3T，则满足条件。（6） 确定变压器线径d=1.13IJ#3-48其中I为电流平均值，J为电流密度，一般取3-5dp=1.13IJ=1.130.445=0.34#3-49ds1=1.13IJ=1.131.55=0.62#3-50ds2=1.13IJ=1.130.025=0.71#3-51最终确定绕组导线规格：变压器初级绕组使用0.4的漆包线绕制，次级绕组使用0.7的漆包线绕制，辅助绕组使用0.1的漆包线绕制。3.7反馈电路的设计与光耦的作用图3-7 反馈电路图上图为反馈电路，由比较器构成。根据虚短：同向输入端与反向输入端的电压相等。根据虚断：通过R37、 R41与C19的电流相等。通过R37的电流为i=0.12-0.05261000=0.0674mA#3-52其中0.0526为R39上端电位的电压值，0.12为R42右端的电位点。在控制模块与反馈模块之间，加入一个光耦合器PC817。由于光耦合器起着光隔离和电气隔离的作用，有着很强的抗干扰能力13，所以在反馈电路和控制电路之间加一个光耦合器PC817有利于控制电路的稳定运作。3.8 开关电源设计及测试3.8.1 开关电源的原理图及PCB板开关电源的原理图为：图3-8 开关电源总原理图开关电源PCB图：图3-9 开关电源的PCB最终焊制的PCB板为：图3-10 PCB板图（正面）图3-11 PCB板（背面）第四章 仿真与实测4.1 开关电源测试平台搭建及成果展示图4-1 开关电源的测试平台搭建图4-2 开关电源实现LED灯照明通过搭建实际开关电源测试平台，进行开关电源的性能验证。首先将交流220VAC接入交流调压器上，通过交流调压器调节输入交流电的电压，再将交流调压器接入60w反激式LED恒流驱动开关电源上，在此次设计中，我将负载设计为30个串并联的2w灯珠，输出36V直流电驱动灯珠工作，在此次平台的搭建中，我验证了负载正常工作时的输入电压的范围为90V-265V，并且灯珠的亮度没有明显的变化。4.2仿真电路与波形图4-3 仿真整流电路图4-4 仿真整流波形图4-5 仿真PWM波形图4-6 仿真变压器二次侧电路 图4-7 仿真输出电压波形图4-8 仿真总电路图4-3至图4-8为仿真电路及仿真波形，通过如图4-8的仿真总电路，研究设计的参数对于60w反激式LED恒流驱动开关电源的设计的结果，并进一步调节系统，使其达到所需要达到的目标。本仿真中整合了整流电路、PWM电路和变换电路。通过对整流后的波形进行测试，得到220V的直流电，从而得知整流效果明显；测试了PWM电路的波形，也到了UC3842芯片中最初所设计的150KHZ；最后通过对输出电压的测试，得到了36V是直流电，满足设计目标。4.3 开关电源模块波形交流电经过整流后的波形为：图4-9 开关电源整流波形Mos管DS波形：图4-10 MOS管DS极间波形MOS管GS极间波形：图4-11 MOS管GS极间波形输出电压波形：图4-12 输出电压波形图4-9到图4-13都是实际焊制的电路板测试波形，首先是图4-9所对应得到整流波形，整流电压在168-172VDC之间波动，说明整流效果存在偏差。图4-10和图4-11的MOS管DS极间电压和GS极间电压对应的波形，从波形中可以看出，MOS管的开关频率为153.4KHZ，与设计的150KHZ存在些许误差，不过不影响使用。图4-12是本设计开关电源的最终输出电压，经过实际测试得到输出电压稳定在直流28.8V，与仿真出来的36V存在误差，也许是焊接的问题或者是器件本身的影响。图4-13为反馈波形，可以看出反馈电压稳定在2V，此电压加在PC817光耦两端，导致光耦内的二极管导通，从而传递信号传达到UC3842控制芯片内，进行校正。反馈电路波形：图4-13 反馈电路波形第五章 总结如今，全世界资源稀缺，节能意识深入人心。随着LED的出现，全球的照明行业迎来了一场巨大的改革，LED的节能、轻便、小巧等优点使它广受欢迎。随着LED的发展，LED开关电源的重要性日益突出，因此，研究高效率的LED开关电源的任务被提上了进程。本文致力于60w反激式LED恒流驱动开关电源的设计，文中结合电路的拓扑、EMI电路、钳位电路、控制电路和反馈电路等电路进行了开关电源的设计。对于60w反激式LED恒流驱动开关电源的设计，主要的工作如下：（1）介绍开关电源的研究背景及其意义，比较国内外发展现状，介绍现今开关电源的发展趋势。（2）简单介绍了开关电源的基本拓扑结构、工作原理及其基本公式，并且详细介绍了反激式拓扑结构，说明本开关电源设计使用反激式拓扑的原因。（3）本文使用KBP206整流器件代替二极管整流桥，减少了元器件的占用空间，减少了电路复杂程度，之后使用EMI电路对整流后的电压进行除尖峰、滤波等。（4）在60w反激式LED恒流驱动开关电源的设计中，使用UC3842芯片作为PWM控制电路的主芯片，选择2N60 MOSFET管作为控制电路的开关器件，将控制电路的开关频率通过阻容电路设置成150KHZ，并且对