毕业设计论文-大功率LED照明镇流器装置研究.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页编号： 毕业设计说明书题 目： 大功率LED照明 镇流器装置研究 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2016 年 5 月 23 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘 要LED（Light emitting diode）灯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，LED照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。LED灯具不含汞元素，还可以通过优化LED灯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，LED灯具具有均匀的光分布性能，能够为户内、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LED恒流驱动电源。本文的内容有以下几个方面：1、对LED光源的发展概况进行简单介绍，分析LED的电气特性了解LED驱动电源的设计要求。2、对LED驱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LED驱动电源的电路框架。3、对本设计的基于AX2028芯片的LED驱动电源电路进行原理阐述，给出相关参数的具体计算。4、对完成的LED驱动电源进行总结，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：LED；恒流驱动；功率因数；非隔离式AbstractLED lamps and lanterns are more and more used in various occasions, especially in the use of outdoor occasions. Compared with the traditional lighting lamps, LED lighting lamp lumen volume in 20 years or even longer time in maintain more than 70% of the highest flux. LED lamps do not contain mercury elements, but also can be optimized by the installation of LED lamps and optical design to accurately control the light angle, so as to reduce the pollution of light. In addition, LED lamp has uniform light distribution performance, to create a more comfortable, more safety lighting environment for indoor and outdoor applications.The main task of this paper is to design and complete a high power factor, to adapt to the wide input voltage of the non isolated high power LED constant current drive power supply. The contents of this paper are as follows:1, the LED light source development overview of a brief introduction, analysis of the electrical characteristics of LED to understand the design requirements of LED drive power supply.2, the LED drive power topology is described and compared, analysis of the method to improve the power factor of the system, given the design of the LED driver circuit.3, based on the design of the AX2028 chip LED driver circuit to explain the principle, given the specific parameters of the calculation.4, the completion of the LED drive power supply is summarized, analysis of key data, give the defects and improvement methods, and the design of the work is summarized.Key Words: LED; constant current drive; power factor; non isolated typeII1 概述1.1 课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。LED光源作为第四代新型照明技术，不仅具有节能、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。LED光源应用前景举世瞩目，特别是其中的高亮度LED更是被誉为21世纪最有价值意义的光源。随着LED技术的不断成熟，现阶段的大功率LED已经符合国家法律法规所规定的灯具亮度水平和亮度均匀度。专家预期在2030年，30-40%的白炽灯将会被LED灯取代，LED迟早会取代传统的卤素灯、白炽灯和日光灯。LED驱动技术是LED照明中的核心技术。LED是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。LED灯具对驱动电源的要求十分严格，它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。LED灯具是低压驱动器件，其驱动电路的设计使相当复杂的，而且不同用途的LED灯要配置不同的驱动电源。在实际需求中，LED驱动电源还需要要满足电磁兼容性好、驱动电源寿命长、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LED驱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LED驱动电源，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。LED光源也随着驱动技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。1.2 课题介绍本课题的主要任务是设计一个大功率LED照明镇流器，LED镇流器主要实现LED恒流驱动电源的实现。课题的宗旨在于对LED的驱动原理、PWM稳压恒流、浪涌电路、电磁兼容电路、PFC电路和保护电路的研究，并在研究的基础上加以实践。大功率LED照明镇流器采用开关电源恒流驱动技术作为解决方案，通过LED驱动专用芯片配合外部DC-DC降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、EMI滤波电路来进行抑制清除；从市电输入的交流电经过全桥整波电路变为直流电路，配以PFC高功率因数校正电路后进入LED恒流驱动DC-DC开关电路。在实际应用中，要求LED镇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。LED镇流器的设计要求具有合理的电气保护设计、空载保护、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PFC电路设计为有源PFC电路、变非隔离输出为变压器隔离输出等，将使大功率LED照明镇流器的功能趋于完美。1.3 LED和LED驱动电源现状1.3.1LED的发展史早在1907年，Henry Joseph Round在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，O.W.Lossow在研究金刚砂检波器的时候，第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，GE公司Nick Holonyak负责的团队成功首次设计并演示出第一个红色发光GsAsP发光二极管。6年后的1968年，随着Monsanto研发的LED指示灯和IBM研发的LED电子显示屏正式面世，LED才正式实现商业化。在1968年，科学家们通过N掺杂工艺是LED的发光效率达到1lm/W，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LED正式诞生。直到此时，LED才具有实际照明价值。20世纪90年代，日本东芝公司和美国HP公司先后成功研发双抑制结构和多量子陷结构的橙光和黄光LED，它们的组合又被用来实现超高亮度红色、黄色、绿色的LED。到90年代中期，超量蓝光LED也研发成功。进入21世纪，高亮度的LED得到迅速发展。在2003年，高亮度LED的光效达到60lm/W。2006年3月，日亚生产的高亮度LED光效达到100lm/W，之后的第4个月，Gree公司的白光LED光效达到130lm/W。在2006年11月，日亚生产的高光亮度LED的光效突破150lm/W，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，Gree公司产生的LED更是达到157lm/W。目前LED的光效正朝着大于300lm/W的道路前进。我国自主研制的第一个LED与世界上的第一个LED同在一个年份，但从现在整体水平上看，我国的LED半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LED封装技术在全球内的竞争力不强，用于高亮度大功率LED的外延片和专用驱动芯片也还处在前期研发阶段。在“十一五”期间，国家投入100亿元资金用于发展我国LED照明行业；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LED应用试点工程。在2012年，我国的传统的白炽灯和荧光灯开始被LED照明取代，随着一系列政策的实施，相信我国的LED照明产业将会欣欣向荣。1.3.2LED驱动电源研究现状LED作为一种新的照明光源，近十几年来对LED驱动电源电路的研究方兴日盛。与传统荧光灯的镇流器不一样，LED驱动电源电路的核心任务是将交流电压转换成直流电压，同时需要和LED的工作电压和工作电流进行匹配。早期的研究完全是基于分立元件设计的LED驱动电路，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LED驱动IC的出现，LED驱动电源电路变得更加简单，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LED工作电压的最佳值区间，大部分应用于为低压IC芯片供电的技术也被应用到LED驱动电路中，特别是在大功率LED驱动电路中。LED驱动电源技术的发展趋势有以下几方面：第一方面是根据LED的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LED的电流控制在最佳值，使LED的电流能获得稳定和输出光通量产生最高值。LED驱动电路在环境温度和输入电压等因素发生变化的情况下最好能自动调节LED电流的大小。第二方面是LED驱动电路具有智能控制功能，使LED的电流在各种环境因素的影响下都能够稳定在预先设计的最佳值上。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。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LED光效和光通量有限的情况下，充分发挥LED色彩多样性的特点，开发变色LED灯饰的控制电路。LED驱动电路的核心一般是由驱动集成电路IC，针对直流LED驱动集成电路方面有三类驱动IC的发展趋势：第一类是高压工艺生产的DC/DC BUCK，Vin宽至DC 60100V，恒流精度达1%，将能满足所有直流LED灯具驱动的需求，可满足LED光源多串少并技术的需求。第二类是AC/DC的LED灯具需要的应用电路简洁，应用成本低，通过EMI、CE、UL的高效率谐振半桥（LLC）+功率因数矫正（PFC）拓扑结构驱动IC。第三类是功率因数矫正（PFC）+脉宽调制（PWM）两种平均电流模式控制器组成新的AC/DC驱动IC。它们将新一代的LED灯具显现其强大生命力，以充分发挥零电压开关拓扑结构（ZVS）的优势，并满足LED灯具对PFC日益提高的要求，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（THD）是最基本的要求。2 LED驱动电源2.1 LED的特性LED灯具是一种将电子能转换为光能的器件。所谓LED，就是发光二极管（Light Emitting Diode），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2-1所示。图2-1 发光二极管结构图由外部给PN结施加一个正向电压时，PN结的内部电场将被抵消。当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LED时，主要考虑它的电气特性。（1）LED伏-安特性LED的伏-安（I-V）特性如图2-2所示。图2-2 LED的伏-安特性曲线图LED伏-安特性是指流过LED芯片PN结的电流随施加于PN结两端电压变化而变化的特性。它能反应出LED的PN结性能的优劣，也为应用设计提供参考数据。在图2-2中可以看出，LED工作具有非线性特征。在给LED施加一个正向电压时，正向电压需要达到开启电压才会出现电流，此后LED的电流会随着正向电压的增大而增大，并表现出指数特性。图2-2中展现了以下几个LED比较重要的电气参数：开启电压：LED的电压在开启电压以下的时候几乎没有电流，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：LED长期稳定工作的电压。额定电流：LED工作在额定电压时对应的额定电流，一般而言，由于LED是电流型器件，所以一般会按照额定电流来设计驱动电路。反向击穿电压：LED能承受的最大反向电压，当反向电压超过时，LED被击穿反向电流迅速增大。（2）LED电流特性LED以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。LED的电流模型（适用于其他二极管）如下： （2-1）由式（2-1）可以得到LED的电压模型公式： （2-2）其中，在上面两个公式中：为LED的阳极和阴极之间的电压；为流过LED的电流；和分别决定了LED电压和电流的变化范围，和为常数，在室温下，白色光LED的、。在式（2-1）中可以看出LED的电流受电压的影响非常大。比如，对白色光LED来说，施加于其两端电压在2.7V时流过的电流为59mA，若将电压增加到3.0V，流过的电流将达到179mA，其电流增量达到了3倍。LED正向电压与电流的关系曲线如图2-3所示。图2-3 LED正向电压与电流的关系曲线对式（2-1）的分析中，可以知道通过控制LED的电压来实现控制其工作状态的方法是行不通的。而式（2-2）会给出另一个答案：当向LED施加一个正向电流时，LED两端也会相应的出现对应的电压。比如，对白色光LED施以108mA的电流时，其正向电压为2.822V，相对于59mA、2.7V状态而言，电流加倍后，电压仅仅增加了0.122V，增幅非常小。由以上分析可以得出LED属于电流控制型器件，而不是电压控制型器件。LED的光通量单位是lm/W，即LED的光通量由LED的功率决定，由于LED的电压随着电流的变化而基本保持不变，所以可以说LED的光通量基本由流过LED的电流决定。在LED驱动电源的设计中，驱动电源能够为LED提供一个稳定的电流是一个最基本和最重要的要求。（3）LED正向电压虽然LED是电流控制型器件，其正向电压也会被近似成常数，但是实际工作时，LED会随着电流的变化而稍微变化。对于不同的LED，在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LED正向电压的一个重要因素，而温度与LED封装结构有着紧密的联系。对于额定电流相同的LED，它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LED。也就是说，两个额定电流为350mA和700mA的LED工作在各自的额定电流时，它们的正向电压是相同的，当它们都工作在350mA时，后者的正向电压会比前者的低。对于不同发光颜色的LED，蓝色光和白色光LED的额定工作电压通常在34V，而黄色光LED会稍微高一些，红色光LED又会稍微低一些。在LED行业中，标准的额定电压是电流为350mA对应的电压，就算LED的载流能力比350mA大很多也是一样规定的。之所以LED不同于普通二极管，具有较宽的正向电压范围，是因为LED是使用能带隙各不相同的半导体材料制成的。（4）LED反向击穿在LED的阳极和阴极之间施加足够的反向电压，LED也会传到电流。反向电压没有超过击穿电压之前，流过LED的反向电流很小，但是达到击穿电压之后，LED的PN结被击穿，反向电流迅速增大，使LED造成无法挽救的损坏。对于LED来说，其反向击穿电压通常都比较低，在5V左右。LED驱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LED在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LED被反向击穿的保护电路。2.2 LED驱动电源技术要求根据大功率高亮度LED的电气特性，可以知道，LED为单向导电器件，所以需要用直流电流或者单向脉冲电流来驱动LED；同时其正向供电电压需要达到正向导通电压时LED才会进入正常工作状态。由于LED的PN结具有负温度系数特点，为避免LED的电流因为温度升高而不断升高最终造成LED损坏，所以LED也不能直接用电压源来驱动，就算用电压源来驱动也需要采取必要的限流措施。为了保证LED有一个稳定、安全的工作环境，LED驱动电源的设计一般需要满足一下几个要求。（1）提供合适的直流电压和电流LED驱动电源必须能给LED提供合适的直流电压和电流才能保证LED正常地工作。在LED被点亮前，驱动电源的输出电压需要高于LED的正向导通电压以使LED的PN结导通产生光亮。LED导通后，其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LED提供合适又稳定的电流以使LED工作在设定的亮度内并且不会出现亮度闪烁现象。同时，LED驱动电源也会影响LED的寿命，因此其输出的电气特性必要与LED的电气特性相一致。（2）具有高功率因数LED驱动电源的输入一般都是由工频市电提供，（根据IEC61000-3-2标准）驱动电源的谐波含量和功率因数必须满足规定的标准要求。LED驱动电源技术基本采用开关变换电路来实现市电到LED工作直流电的变换，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LED驱动电源满足IEC61000-3-2标准，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LED是当前为止发光效率最高、最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LED节能照明的设计目的。同时，国家也对LED照明应用设定使用条例和法规要求，如Title 24、Part L和能源之星等，这些条款也不仅是针对LED照明应用，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LED驱动电源是很有意义的。此外，LED驱动电源还应该满足LED负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LED驱动电源而言，一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LED照明系统不受工频市电的谐波和噪声带来的干扰。对于LED负载突然短路的情况下，驱动电源的输出电流可能发生瞬间过电流，这可能会损毁驱动电源和LED负载导致系统崩溃，因此在LED驱动电路中都会加入过流保护和短路保护。这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LED负载变轻或脱落的情况，会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LED负载时，将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LED照明应用使用于不同的环境中，通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LED驱动系统产生负面的影响，同时LED驱动器的使用寿命也应跟得上LED灯具的使用寿命，LED驱动电源的可靠性是必须的。由于LED照明的特殊性，LED驱动电源还需要满足其易用性，即能够满足市面上常见的LED灯具，同时驱动电源的体积不应太大而且方便安装。2.3 LED驱动原理2.3.1LED负载连接方式LED的排列方式和LED光源的规范决定驱动电源的应满足的基本要求。LED的排列有以下这3中方式。（1）串联排列方式串联排列即是将所有LED都连在一个通路上，其接法如图2-4所示。LED串联排列方式电路比较简单，电路连接方便，LED所得到的电流相同发光量也相同。但是，当其中的某个LED断路时，整个串联通路都会处于断开状态，所有LED都会不亮。可以在每个LED两端并接一个导通电压比LED高的齐纳二极管来解决上述问题。图2-4 LED串联接法（2）并联排列方式顾名思义，并联连接即是将每个LED的阳极相连，阴极也相连，形成并行排列的模式，接法如图2-5所示。LED并联方式的电路也比较简单，电路连接方便。由于是并联连接，LED驱动电源只需提供较小的电压便能驱动LED负载。采用恒流驱动电源时，任意通路的LED损坏，其电流都会平摊到其他LED通路上导致其他LED更容易损坏，这是就需要并联更多的LED来提高系统的可靠性；采用恒压驱动电源时，能够保证LED负载系统在任何情况下每个LED两端的电压维持恒定，所以在LED并联方式下，一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LED出现短路时，所有LED都不会亮，而且还可能烧毁驱动电源。图2-5 LED并联接法（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2-6（a）所示，需要保证每个串连电路上的LED数量相同，这样分配到每串LED上的电流才会相等，发出同样的亮度；先并后串方式如图2-6（b）所示，先将LED并联后再串联，同样每个并联电路里面需要保证拥有同样数量的LED，这样才能保证每个LED得到同样的电流发出同样的亮度。LED负载采用混联接法，可以保证其中某个LED损坏时，不会严重影响整个LED系统的工作，即是是其中某个LED短路，系统依然能够继续工作。（a） （b）图2-6 LED混联接法综上所诉，LED串联、并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LED系统停止工作。所以在实际使用时，混联是比较受欢迎的一种连接方式。2.3.2开关型LED驱动电路原理LED是由电流驱动的器件，其发光亮度与电流近似成比例关系。LED驱动电路的目的就是使LED流过稳定的正向电流，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LED的伏安特性曲线确定LED的工作电流和工作电压，根据LED负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LED的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LED流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LED驱动电源设计中，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LED工作。通过LED的电流相同时，同一型号的LED的两端电压也会基本相同，可以使每个LED工作在相同的状态，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LED通路中串联一个测流电阻，这个电阻通常会非常小以减小功耗。LED恒流驱动结构图如图2-7所示。图2-7 LED恒流驱动结构图如上图所示，如果输入电压（IN端）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LED恒流驱动电路。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，LED恒流驱动电路都由DC-DC开关变换电路来实现。DC-DC开关变换电路有BUCK 、BOOST、BUCK-BOOST三种基本电路拓扑。应用于LED驱动电路的传统BUCK变换器如图2-8（a）所示。BUCK变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PWM的占空比或者频率，就可以调节输出电压的大小。在LED驱动电路应用里，为了方便驱动开关器件，通常会把BUCK变换器设计成图2-8（b）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GND高一些的驱动电压即可导通管子。在BUCK电路中，可以选择在其低压端接入一个检测LED电流的电流感应电阻电阻（图（a）的LED负极和GND之间、图（b）的开关管s极和GND之间），方便系统检测LED电流反馈控制开关管的导通时间控制恒流输出。但是，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BUCK变换器 （b）改进后的BUCK变换器图2-8 LED驱动BUCK变换器图2-9为用于LED驱动电路的传统BOOST变换器，又名为升压斩波电路。BOOST变换器中，运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LED系统的情况。传统BOOST变换器不需要进行改进，即可达到开关管控制简单的条件。与BUCK变换器采集LED电流的方法一样，只需要在LED负极与GND之间串入感应电流电阻便可以将电流信号反馈回去调节PWM的输出。BOOST变换器比BUCK变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LED负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PWM的频率、占空比可以得到比较平稳的LED电流，仍然可以实现在低电压输入下理想地恒流驱动LED负载。图2-9 LED驱动BOOST变换器图2-10为用于LED驱动电路的BUCK-BOOST变换器，又名为升压-降压斩波电路。图（a）为传统的BUCK-BOOST变换器，图（b）为经过改进后的BUCK-BOOST变换器。该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LED负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LED电流的2倍，这会增加系统的功率而降低系统效率。 （a）传统BUCK-BOOST变换器 （b）改进后的BUCK-BOOST变换器图2-10 LED驱动BUCK-BOOST变换器如果想要克服上述BUCK-BOOST变换器的缺点，需要将升降压电路设计成由4个开关管控制的升压-降压电路，如图2-11所示。在该电路中，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LED负载的电流相差不远，在输入、输出电压相等的情况下，其电流基本接近于LED负载电流，输出电流的文波也要比图2-10的要好。对于需要检测实现恒流输出的场合，在LED负极与GND间串入一个电流检测电阻即可。图2-11 4管BUCK-BOOST变换器对于LED驱动电路中开关电路拓扑结构的选择，当输入电压始终比LED负载系统的的设定工作电压大的时候选择BUCK拓扑电路；在输入电压有限且始终比LED负载系统的设定工作电压小的情况下选择BOOST拓扑电路；只有在输入电压与LED负载系统的设定工作电压有交叉的时候才会选择BUCK-BOOST拓扑电路。虽然 BUCK-BOOST拓扑电路可以满足上述三种情形的LED负载系统，但是一般能用BUCK或者BOOST拓扑电路的时候都不会选择用BUCK-BOOST拓扑电路，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。2.4 功率因数矫正2.4.1功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： （2-3）其中实际功率P也称为平均功率，可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： （2-4） （2-5）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： （2-6）为了研究影响功率因数的原因，这里引入总谐波失真率（THD，输入电流中谐波总量占输入电流总量的百分比）和位移因数（DPF，输入电压、电流间相位差的），它们的表达式为： （2-7） （2-8）其中为输入电流总谐波量，为输入电流的基波；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： （2-9）由式（2-7）、（2-8）、（2-9）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。2.4.2功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。BUCK、BOOST、BUCK-BOOST等拓扑电路都常出现在有源功率因数矫正电路中。而应用BOOST拓扑电路实现的有源功率因数矫正电路具有最优秀的特性，它能实现很高的功率因数和很低的总谐波失真率，在同等输出功率下相比其他的拓扑电路可以使用更小的储能电容，由于其开关管可以放到电源的低端，其驱动控制电路也会更加简单且有利于串入感应电流电阻。无源功率因数矫正电路则是由电容、电感储能器件和二极管组成。相对于有源功率因数矫正电路，其少了开关器件的相关电路，其矫正电路也相应简单不少。无源功率因数矫正电路是利用电容的电压相位超前和电感的电流相位落后的特性来改变输入电流进入储能电容的时间和路径以达到改善电压与电流间相位、输入电流的波形。无源功率因数矫正电路因其无法改变输出电流的频率、控制电压与电流间相位和输入电流的波形也不如有源功率因数矫正电路精确等原因，其改善后的功率因数还是无法获取较好的效果。只有在设计巧妙的电路结构和精妙的电路参数情况下才能达到较好的功率因数。（1）基于BOOST拓扑电路的PFC电路基于BOOST拓扑电路的PFC电路其实就是将BOOST拓扑电路接在全桥电路之后，开关管的PWM驱动电路需要根据全桥整流后的电压值、PFC电路输出电压、输入电流进行比较计算出PWM的通断时间，使其输入电流波形呈现完整的正弦波并与输入电压波形的相位相同，通过减小输入电压、电流的相位差来提高功率因数。PWM驱动电路通常由专用的PWM驱动芯片来完成，这样做的好处是可以减少驱动电路的元器件数，减小PFC电路的体积和成本。图2-12 BOOST-PFC电路原理图（2）填谷式PFC电路近些年来，出现了一个能匹敌有源功率因数矫正电路的无源功率因数矫正电路，它就是填谷式无源功率因数矫正电路。其电路如图2-12所示。填谷PFC电路的输入电源通常为交流电经过整流桥后的电源。正弦交流电经过整流桥后，由于整流二极管存在导通压降的缘故，导致整流后的电流波形存在一段空白的谷底。填谷电路可以增加整流二极管的导通角，设置合适的参数可以将谷底填平，这样做的好处就是使整流后的电流波形呈现出完整的正电流半正弦波，输入电流波形的尖脉冲也会得到改善，从而降低总谐波失真将功率因数提高到90%及以上。与传统的无源功率因数矫正电路相比，填谷式PFC电路更加简单，且能达到更好的功率因数。如图2-12（a）所示，填谷电路由2个极性电容和3个二极管组成。工程使用时，电容和二极管的极性是不允许接反，接反将导致电路无法工作乃至损坏整个系统。填谷电路有严谨的充放电路径，如图2-12（b）所示，红色的走线为充电电流路径、蓝色的走线为放电电流路径。电路充电时，直接在一条路径上对2个电容进行充电；放电时，一个电容占用一条路径独立放电；即是说，填谷PFC电路工作于串联充电、并联放电的模式。（a）填谷电路 （b）充放电电流走向图2-12 填谷式PFC电路在实际应用中，通常会在中间二极管的通路上串入一个限流电阻，如图2-13所示。该电阻具有限制电流和浪涌缓冲的功能，在电路充电时限制流过2个电容的电流，同时平滑输入电流的尖峰。该电阻的加入，可以改善填谷PFC电路的THD，从而提高功率因数。图2-13 带电阻的填谷式PFC电路2.5 本章小结本章详细分析了LED驱动电源的各个重要组成电路的原理，对其中的各个电路方案给出工作过程和评价。本章介绍了LED驱动电源的LED负载系统内部LED的连接方式，给出各种连接方式的优缺点，还通过分析LED的电气特性提出LED驱动电源电路的设计要求；对用于LED驱动电源的几种开关拓扑电路进行了详细分析和评价，给出各种开关拓扑电路的应用场合；最后还分析了功率因数矫正电路，详细分析功率因数的影响因素，并对如何提高功率因数给出答案。通过本章的学习，可以对LED驱动系统的关键点有一个很好的理解。3 整体方案设计本设计是基于LED专用驱动芯片AX2028设计的LED驱动电源。系统由交流市电供电，设计了浪涌保护电路、EMI滤波电路、功率因数矫正电路、开关型恒流驱动电路以及多种保护电路。设计将实现24W的LED负载系统恒流驱动，同时具有抗浪涌保护、温度保护、LED开路保护、LED短路保护等保护功能。3.1 设计目标设计目标参数如下：（1）交流供电电压范围：180Vac264Vac；（2）系统功率因数：PF0.95；（3）保护功能：浪涌保护、过压保护、过流保护、开路保护、短路保护；（4）系统效率：90%；（5）输出电流纹波系数：=5%；（6）LED负载：20个1W的LED串联。其中1W的LED为暖白色大功率LED，流过电流为=350mA时，电压=3.153.4V。由此可以计算LED驱动电源的输出电流、输出电压和输出功率： （3-1） （3-2） （3-3）3.2 系统结构LED驱动电源基本结构如图3-1所示。系统交流电源输入端提供浪涌保护，经过EMI滤波后再进行全桥整流，紧随全桥整流后加入提高功率因数的PFC电路，至此，进入基于AX2028的LED恒流驱动电路，最后输出给LED负载系统。本章往下后章节将会对各个电路模块进行详细设计和器件参数的计算。图3-1 LED驱动电源结构框图3.3 浪涌保护电路的设计3.3.1浪涌保护电路的原理浪涌保护电路是指根据电路系统的要求去设计的一种具有防止输入电压、输入电流超出系统需求的保护电路。浪涌保护电路可以提高电路系统的可靠性。浪涌保护电路由过压保护器件和过流保护器件组成，可以进行多级防护设计，过流保护器件串联在电源输入端，过压保护器件则是并联在电源输入端。在实际应用中，设计的浪涌保护电路通常不会超过二级保护，因为二级保护已经能起到很好的保护效果，再继续增加保护级显得没多大意义，通常所说的多级保护就是指二级保护电路。在多级保护电路中，第一级保护采用大通流器件，第二级采用精确的钳位器件，第一级保护电路和第二级保护电路之间需要增加缓冲电路以保证浪涌保护电路的动作时序。多级保护电路应用于对电源质量有很高要求的系统中，对于对电源质量要求不是很高的电路中，一般只需要用单级保护电路就可以，如本设计的驱动电源系统。过流保护由电流保险丝执行，只要选择合适规格参数的保险丝便可。保险丝有熔断电流和工作电压两个重要参数，熔断电流决定了输入电流能流入系统的最高电流，工作电压则是指保险丝在工作时所承受的最大电压。常用的玻璃管保险丝如图3-2所示，分为直插和无引脚两种形式。图3-2 玻璃管保险丝过压保护可以选择气体放电管（GDT）、金属氧化物压敏电阻（MOV）、电压瞬变抑制二极管（TVS）来执行，选择时需要考虑器件击穿电压、响应时间、通流能力等参数，表3-1给出了以上三种器件的一些参数对比。表3-1 GDT、MOV、TVS参数比较类型响应时间流通能力残压续流现象价格GDT慢亚毫秒级别大高有便宜MOV较快25ns较大较低无便宜TVS快1ns较小低无较贵在多级保护电路中，第一级通常采用MOV来执行，有时也会用GDT来执行，第二级也采用MOV或TVS来执行；在单级保护电路中，只选择MOV来执行过压保护。3.3.2浪涌保护电路的选择和参数计算LED驱动电源中AX2028恒流驱动电路可以实现较大范围的输入电压，并且工作于带电流反馈的开关状态，所以其对输入电源的要求也不是十分严格。在满足系统要求下为减小开发成本，本设计选择单级浪涌保护电路作为LED驱动电源的抗浪涌保护，其电路如图3-3所示。图3-3 浪涌保护电路原理图图中的L、N是交流电源的输入端。器件选型如下：（1）保险丝FUSE1的选取计算FUSE1的额定电流： （3-4）式中的数据在