（电气工程专业论文）led驱动电源研究.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t hi n 蝴i n g l ys e r i o u se n e r g yc r i s i sa n dt h ei s s u eo fc l i m a t ec h a n g e ，e n e r g y c o n s e x v a t i o nh a sb c c o m cat o p i co fc o m m o nc o n c c m v a r i o n sm e a l 丝a ms o u g h tn e w e n e r g y - e f f i c i e n tm a n n e r s l i g h t i n gt h a t i sa b o u t2 0 o ft h ew o r l d st o t a le n e r g y c o n s u m p t i o ni s8 ni m p o r t a n ta s p e c to fe n e r g yc o n s u m p t i o n , s ot h em o r ca n dm o r c a t t c m l o nt 0 g r e e ne n e r g y - e f f i c i e n tl i g h t i n g b e c a u s eg r e e nl e d ，l o n gl i f e ，h i g h e f f i c i e n c yp h o t o e l e c t r i cm a n ya d v a n t a g e s ，i th a sb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o nf o rt h e f i e l do fl i g h t i n ga n dd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s i fl e dl i g h t i n gt or e p l a c et h e c u r r e n tt r a d i t i o n a ll i g h t i n gw i t hl o we f f i c i e n c y , u n d o u b t e d l yi tw i l lp l a ya p i v o t a lr o l et o e 雠t h ec u r r e n te n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o n l e di sc o l dl i g h ts o u i - c ed r i v e nb yl o w - v o l t a g ea n di t sp e r f o r m a n c ei si n f l u e n c e d b yt h ee n v i r o n m e n ta n dp e r f o r m a n c eo f t h ed r i v e r s t os o l v et h i sp r o b l e mt h a tt h ep o w e r s u p p l y sf o rl e d a r ec o s t ，n l a i n l yt h ef o l l o w i n gw o r ka b o u tt h ep o w e rs u p p l yf o rl e d h a sb e e nd o n ei ns u c ho c c a s i o n sw i t ha c v o l t a g ei n p u t a tf i r s t , t h ed e s i g nw i t h o u tt h ei s o l a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r dt ot h el e dr e a d m g l a m pa n dw a l ll a m p t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c eo f t h ec i r c u i ti sa n a l y z e d ， a n dt h ep a r a m e t e r so ft h ec i r c u i ti sa n a l y z e da n ds i m u l a t i o n t om e e tt h eh i g h e ro u t p u t a c c u r a c y , at w os t e p - - d o w np r o g r a mi sb r o u g h tf o r w a r da n t it h ec i r c u i ti se n a l y z e d , s i m u l a t e da n de x p e r i m e n t e d s e c o n d l y , t h es e l f - o s c i l l a t i i n gc i r c u i ti sb r o u g h tr r w a f dt od e s i g nt h el e dd r i v e r w i t hi s o l a t i o n ad e t a i l e da n a l y s i so ft h ep r i n c i p l ea n das m a l ls i g n u la n a l y s i sa n d m o d e l i n go fs e l f - n s c i l l a t i n gc i r c u i ti sd o n e t h ep r i n c i p l e so f q u a s i - r e s o n a n tz e r ov o l t a g e o p e n i n go ft h es e l f - o s c i l l a t i n gc i r c u i tb yu s i n gi t sc h a r a c t e r i s t i c so fs e m o s c i l l a t i o ni s d e s c r i b e d t h ec o n d i t i o n so fr e a l i z i n gq u a s i - r e s o n a n tz v sa n dt h em 啪so fd e s i g n i n g p a r a m e t e r si sd e d u c e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta 托u s e dt ov e r i f yt h ec o r r e , c l n e s so f t h et h e o r y t om e e tr e q u i r e m e n t so f t h el e dd r i v e rf o rt h eh a r m o n i cs t a n d a r d , ap r o j e c to f a w i n d i n gv o l t a g ef e e d b a c ks i n g l e - s t a g ep f cc i r c u i tw a sm a d eo nt h eb a s eo fs u m m i i l i g u pt h ec u r r e n ts t a t u so f t h es i n g l e s t a g ep f cc i r c u i ts t u d ya n da u l y z m ga n dc o m p a r j n g t h es e v e r a lt y p i c a ls i n g l e - s t a g ep f cc i r c u i t s t h ea n a l y s i s ，s i m u l a t i o n , m o d e l i n ga n da d e t a i l i e d d e s i g no ft h ep a r a m e t e r s f o rt h e s i n g l e - s t a g e p f cc i r c u i ti s p r o v i d e d m e a n w h i l e ac i r c u i to f p a s s i v ea b s o r p t i o n ( l c d ) i nt h ea p p l i c a t i o no fa n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 s i n g l e s t a g ep f ci ss t u d i e d f i n a l l y , t h ea n a l y s i s a n ds i m u l a t i o na b o u tan e w d o u b l e - w i n d i n gv o l t a g ef e e d b a c ks i n g l e - s t a g ep f c c i r c u i ti sd o n e k e yw o r d s ：l e d ，c h o p p e rc i r c u i t , s e l f - o s c i l l a t i o n , r i n g l n gc h o k ec o n v e r t e r + s i n g l e s 姆 p f c ，p a s s i v eb u f f e rc i r c u i t h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 签字日期： 努平 i 导师签名： 1 虱硝t 乍 年厂月髟日 签字日期：沙7 年歹月a 矽日 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 近年来，随着能源短缺现象越来越严重，节能成为全世界共同关注的话题和 衡量各项技术的关键指标。照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达 国家照明用电占发电总量的比例是1 9 ，我国也达到1 0 。随着经济发展，我国 的照明用电将有大比例的提高。因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。据统 计，若使用固体l e d 光源代替传统的白炽灯和荧光灯照明，将节约全球照明能耗 的5 0 以上，无疑对缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题起到举足轻重的作用。 与现行照明设备比较，l e d 照明有众多突出优点 1 ) 发光效率高，耗能少，l e d 的光效预计可达到2 0 0 1 m w 以上，而且光的 单色性好、光谱窄在同样的照明效果下，l e d 的耗电量是白炽灯泡的八分之一， 荧光灯管的二分之一 2 ) 使用寿命长，l e d 的使用寿命可以长达近十万小时，而白炽灯一般为1 0 0 0 2 0 0 0 小时，荧光灯为6 0 0 0 8 0 0 0 小时。 3 ) 安全环保，l e d 为全固态发光体，耐震、耐冲击，而且发热量低，无热辐 射，无污染。 4 ) 启动时间短，l e d 的响应时间只有几十纳秒，因此适合用在一些需要快速 响应的场合。 5 ) 体积小，l e d 具有小型化，平面化，可设计性强的特点，可以使我们从传 统的点，线光源局限中解放出来，实现照明的随意布置 l e d 技术发展迅速，现在自光l e d 的发光效率已突破1 0 0 l m ，w ，其应用领域 从原来的背光源，指示灯照明，逐渐进入汽车照明，路灯，景观灯，以及室内装 潢照明等领域，市场前景越来越广阔。l e d 市场销售额从1 9 9 5 年的1 0 0 万美元剧 增到2 0 0 5 年的3 5 亿美元，并预计到2 0 0 8 年将达到5 3 亿美元的佳绩。随着l e d 单价继续下降以及单颗功率和亮度的提高，到2 0 1 0 年左右，白光l e d 照明将逐 步取代白炽灯和荧光灯，成为主流的照明光源。当前国际照明巨头在中国大力开 拓l e d 新光源市场的同时，我国已将上海、大连、厦门、南昌等4 个城市设立 为国家半导体照明产业化基地。i l 】【噼】【3 】 1 2 l e d 电气特性 l e d 是低压驱动的冷光源，它的性能受到使用条件和驱动器性能的制约，高 亮度l e d 一般的导通电压在3 0 4 3 v ，其电流一电压关系为： 重庆大学硕士学位论文l 绪论 ( a ) 图1 3c a ) l e d 驱动特性曲线 f i g 1 3 ( a ) t h ed r i v ec b m a c 蜊s t i cc u n 他o f l e d 是 ( ” ( b ) l e d 的近似仿真模型 ( b ) t h es i m u l a t i n gm o d e lo f l e d 1 3l e d 驱动电源设计要点 在l e d 驱动器的设计中，有各自重要的设计要求。例如电池供电的l e d 驱动 器需有升压功能，以满足l 3 节充电电池或1 节锂离子电池供电的要求，并要求 工作到电池放电终止。静态电流必须要小，并且有关闭功率，在关闭状态时一般 耗电小于l u a 在显示屏背光源照明中。要求l e d 亮度均匀，并可多级调节亮度。 汽车照明的l e d 驱动器必须能够适应条件相当苛刻的汽车电源总线。汽车采用的 是1 2 v 的电池，典型的工作电压范围是9 v 1 6 v ，在冷车发动时电池可能降至4 v , 并且存在3 6 v 的瞬态电压。但下面几个设计指标是大部分驱动电源都要考虑的。 1 ) 提高转换效率，减少功耗，特别是在电池和电瓶供电场合，这样不但可以 延长一次充电的使用时问，而且可以减少系统发热量，降低工作温度。 2 ) 提高电路的可靠性，电路必须有过压、欠压、过流等保护电路，不能因为 电路故障而造成l e d 的损坏。 3 ) 必须尽量降低成本，减小变换器体积。 在l e d 驱动器设计过程中，下面几个问题是设计者需要解决的，它是影响l e d 性能发挥的重要原因。 1 ) l e d 并联驱动均流 l e d 采用串联驱动，实现恒流控制较为容易，但是要求的驱动电压也较高， 在驱动多个l e d 时，有时必需采用并联驱动。现在l e d 并联驱动均流主要有三种 解决方案嘲。 乱每路l e d 都用功率开关独立调节流过的电流( 图1 4 ( a ) ) 这种方法可以获 得较高的电流精度，但增加了控制电路设计的难道和系统功耗，它主要用在电感型 d c 仍c 驱动电路( b o o s t , b u c k - b o o s t 等基于电感的电路) 上，特别是大功率l e d 的驱动上。 b 调节电源输出电压，在每路l e d 串入限流电阻，依靠l e d 的一致性和串联 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 电阻使电流匹配( 图1 4 ( b ) ) 。电路简单，但电流稳定度不好。 c 调节流过一个l e d 的电流，依靠l e d 的一致性和串联电阻使其余的l e d 电流匹配( 图1 4 ( c ) ) ，这种方法原理和l 相似。 图1 4 三种并联均流的框图 f i g 1 4t h ed i a g r a mo f a v g r a g i n gc 嘲n 2 ) 浪涌电压的限制 电源的浪涌电压以及接通电路时开机过冲电压的冲击波形对l e d 芯片损伤严 重，在设计时，特别是大功率l e d 驱动器，应该引起足够的重视。 3 ) 大功率l e d 的散热 l e d 照明系统的热源基本就是l e d 灯本身。所以建议l e d 灯采用铝基板散 热，功率器件均匀箨布，尽可能避免将l e d 驱动电路与散热部分贴近设计；减少 封装至印刷电路基板的热阻抗；提高l e d 芯片的散热畅顺性以降低系统工作温度。 1 4l e d 驱动电源研究现状 从l e d 驱动器供电可以将其分成d c d c 和a c d c 两类。d c d c 驱动器一般 由电池，电瓶或稳压电源供电，主要用于便携式电子产品、矿灯、汽车等用电设 备。a c d c 驱动器直接由市电供电，现阶段主要用于装饰，景观照明的l e d 灯。 当前，d c d c 驱动器主要有两种设计方案：电容式电荷泵电路和电感式d o d c 电 路。a c d c 驱动器有工频变压降压，电容降压，b u c k 降压电路以及单片开关电路 几个设计方案。 1 4 1 电荷泵电路 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压变换， 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电荷泵电路可以组成升压式或降压式结构 6 1 0 3 。如图1 5 ( a ) 为二倍升压电路。当 开关状态如图所示时，吆通过s 、s 对g 充电；反之，圪和c i 串联向c 0 充电， 开关高频工作时，p 乙= 2 圪 图1 5 ( 4 ) 2 倍电荷泵电路， f 培1 5 ( a ) t h ed o u b l ed w g ep u m pc i r c u i t ( b ) i 2 倍压电荷泵电路 ( b ) t h ei l a l f c h a r g ep u m pc i r c u i t 图1 5 ( b ) 是l 2 倍降压电路，当开关状态如图所示时，向串联的c i 、c 0 充电，反之，c l 、c 0 并联向输出供电，高频开关状态下，p 0 = 2 ( c l = c 0 ) 电荷泵电路输出功率较小，电压变换范围一般在i 2 2 倍之间，多用于手机 等电池供电设备的l e d 驱动，电荷泵电路输出电压纹波和电荷泵容量受到使用的 电容类型和电容值影响，应选择低e s r 的电容。提高输出电容容量可以减小输出 电压纹波，但会延长启动时间和增大浪涌电流。当电池电压波动时，输出电压会 不稳，为了稳定输出电压，需加线性稳压电源( l d o ) ，不过会降低电源效率。 当前，采用电荷泵电路的l e d 驱动芯片有数十种之多，例如m a x i m 公司的 m a x l 5 7 6 7 系列，l i n e a r t e c h n o l o g y 的l t c 3 2 1 6 系列，s i p e x 的s p 6 6 8 5 系列等。 芯片多采用并联驱动电路，可以根据电池电压自动调整工作状态，实现分段调压。 1 4 2 电感式d c 仍c 电路 在电感式l e d 驱动器的设计中，使用最多的拓扑结构是b o o s t 和b u c k - b o o s t 。 如图6 所示是b o o s t 升压变换的基本电路。电路工作在连续电感电流模式( c c l i ) 时，输出电压= ( 1 - d ) - 电路的输出纹波a v = k d t s 2 c o 。其中d 为占 空比，为开关周期。 b o o s t 电路结构简单，上面的式子可以看出，b o o s t 电路可以实现较高的升压 比，它在电池供电的l e d 驱动中使用广泛，常用的芯片有m a x i m 的m a x i m l 5 7 6 ， l i n e a rt e c h n o l o g y 的l t c l 6 1 8 等，文献 4 列出了部分常用型号。 5 重庆大学硕士学位论文l 绪论 图1 6c a ) b o o s t 驱动电路 f 弛1 6 ( a ) t h e b o o s t d d v i 呜c i r c u i t p 卢制中广憾 ( b ) b u c k - b o o s t 驱动电路 ( b ) t h eb u c k - b o o s td r i v i l l gc i r c u i t 图1 6 ( b ) 是个b u c k - b o o s t 驱动电路( c c m ) ，输出电压为p 0 = d ( 1 一d ) 输出电压纹波：a v = n r d 1 2 c ，b u c k - b o o s t 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，例如汽车照明这类电瓶供电的场合大功率l e d 驱 动芯片l t c 3 7 8 3 就是采用这种电路，主要用于汽车尾灯，可以驱动6 至1 0 个3 w 红光l e d ，并且可以实现2 0 ：l 的调光比。 电感式d c d c 驱动器的输出电容和电感大小与开关频率成反比，为了减小驱 动器体积，应该提高开关频率但是，开关损耗随着开关频率增加，平衡输出纹波，开 关损耗和变换器体积，是设计的关键i s 】1 9 l 。 电荷泵电路和电感型d c d c 电路各有优缺点，要根据具体的要求和关键参数 来选择设计方案，下面对它们三个主要性能做了比较。 1 ) 电荷泵型使用外围器件少，成本低，电感型所用外接电感、肖特基二极管 占空间大，成本高，特别是变换器高度不能做的很低，一般高于l m m 。 2 ) 电感型开关数量少，而且开关电阻小，效率较高，可以做到9 0 ，电荷泵 型不但开关数量多，而且冲击电流较大，效率相对更低，一般在7 0 左右 3 ) 电感型可实现更高的升压( 电荷泵一般在1 2 2 倍) ，并且升压增益可连 续调节，更容易实现串联恒流驱动。 1 4 3 工频变压器降压a c d c 电路 电路由工颏交压器、桥式整流器和滤波电容c 组成，r 1 为l e d 限流电阻，如图 1 7 。“”电路结构简单，但工频变压器体积较大，同时没有电流调节能力，为了实 现输出稳流，可以加入线性稳流器，这样可提供约5 的电流调整率，但效率会明 显下降。 6 重庆大学硕士学位论文i 绪论 图1 7 工频变压器降压电路 f 培1 7t h es t e p d o w mc i r c u i tw i t hp o w e rf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r 1 4 4 电容降压电路 图1 8 ( a ) 为半波电容降压电路，输出电流的有效值由式( 6 ) 决定： k 。笔。去2 砜 。2 ， ，为输入交流电压频率，匕。输出电容。c 0 决定输出电压纹波的大小可以根 据设计要求选择，一般要求e 。 1 0 c m 。【1 5 】【1 6 】 图1 8c a ) 半波电容降压电路 f i g 1 8 ( a ) t h eh a l f w a v es t c p - d o w nc i r c u i t w i t hc a p a c i t a n c e ( b ) 全波电容降压电路 ( b ) 1 1 ”f u l lw a v es t 咿d o w nc i r c u i t w i t hc a p a c i t m l c e 图1 8 ( b ) 为全波降压电路，其输出电流j 。= 4 2 瞩匕。电容降压电路结 构简单，也能提供较好的电流稳定度，输出电流由输入交流电容决定，因当前高压 交流电容体积还很大，所以不适合大电流l e d 驱动，效率也不高，只有约6 0 而且如果电路启动时输入刚好为交流电压峰值，电流会出现较大的过冲现象，将 对l e d 造成损坏，使其寿命减少。 图1 9 ( a ) 所示交流电容降压并列驱动电路，利用串联电容实现均流。流过电 容的电流平均值k = 2 ，啦，k ，二极管的电流为每个降压电容的一半。如图1 9 ( b ) 所示是推挽并联驱动电路，从式( 1 2 ) 可以看出，开关频率越高，电容c 可以越小，因此大幅度减少了驱动器体积和成本。但因流过l e d 的电流波形为交 流半波，l e d 的使用寿命会有影响。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一曙隧 图1 9 ( a ) 交流并联驱动电路 f i g 1 9 ( a ) t h ep a r a l l e le x c h a n g e sd r i v ec i r c u i t ( b ) 推挽并联驱动电路 ( b ) 1 1 kp u s h - p u l lp a r a l l e ld r i v ec i r c u i t 1 4 5 市电输入b u c k 降压驱动电路 图1 1 0 是用s u p e r t e x 公司的h v 9 9 2 1 实现的交流输入b u c k 恒流降压驱动电路， 内部采用电感电流峰值控制，电流纹波：虬= v o r 谚当加入输出滤波电容c o 时， 电流纹波将进一步下降。 图1 1 0h v 9 9 2 1 实现的b u c k 降压电路 f i g 1 1 0t h eb u c ks t e p - d o w nc i r c u i tw i t hh v 9 9 2 1 电路外围元件少，转换效率与输入电压有关，一般可达70 80 ，但输 出电压不宜过低，否则开关管利用率很低。当前，a a l d c 驱动芯片较少，常见的 有s u p e r t e x 公司的h v 9 9 1 0 2 1 2 2 3 l 等芯片，其中h v 9 9 3 1 是降压型单级p f c 驱 动芯片 1 4 6 单片开关电路 现在单片开关电源芯片很多，例如1 1 的t o p s w i t c h ，t i n y s w i t c h ，s t 的v i p e r 系列，图l l l 是用t o p s w i t c h 实现的a c d c 电路。1 1 7 1 0 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 1 1t o p s w i t c h 单片开关电路 f i g 1 1 1t h es w i 埘l i l ，gc i r c u i t sw i t ht o p s w i t c h 单片开关电路容易设计，输出稳定度好，同时工作频率可以设计的较高，体 积小如果采用功能较少的v i p e r 系列芯片，成本还可以下降。 1 5 多路输出均流技术 当前高亮度l e d 的价格都很昂贵，提高驱动电源的驱动性能和安全性，从而 延长l e d 的实用寿命，成为l e d 驱动电源设计的关键。对于多个l e d 同时驱动 对，最好的办法是采用多个串联再并联，为了保证一路有l e d 损坏时，其余的安 全工作，应该用多路输出来驱动每组l e d ，为了保证多路输出的稳定性，需要采 用多路输出调整技术。 早期的多路输出变换器，通常是由多绕组变压器提供多路输出，只对其中的 一个主要输出进行闭环控制，多采用反激式电路，结构简单、成本低。但由于其 非主要输出的误差较大，从7 0 年代末开始，人们逐渐采用了耦合输出电感调整技 术，其输出不仅由变压器调节，而且还受到每组输出耦合电感的影响。也就是说 变压器和耦合电感共同完成对输出的调节。这种变换器的优点主要是对非主要输 出的调节有了一定改善，尤其在动态响应速度方面有了较大的提高；缺点主要是 由于变压器与耦合电感的漏感和绕组电阻的存在，除主输出之外的各输出支路仍 存在较大的交叉调节误差。此外，主输出不能太低，一般为2 0 v 左右。 为了使交换器的各输出支路都得到一定程度的调节，可以对变换器的输出支 路进行加权反馈控制，我们可以通过迭代的方法寻找合适的加权系数，使每一路 输出电压都处于一定范围之内。电压加权馈式多路输出变换器的优点主要是变换 器输出支路的整体稳压精度有所提高，电路结构比较简单输出电压最低可达到 5 v 左右；缺点主要是由于反馈信号是每路输出的加权和，因此所有支路的输出均 无法得到准确调节，只是通过控制量的加权系数改变输出误差在各支路的分配比 例，而不能消除误差。 随着高频磁性材料的发展，磁放大器经常作为多路输出开关电源中的输出调 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 节器，特别是用于输出电流比较大的场合。磁放大器实际上是矩形系数较好的铁 心，在电路中起到“可控磁开关”的作用，用以调节变压器次级的脉冲前沿的延迟时 间，达到稳压的目的。主输出采用p w m 方式稳压控制，其余输出利用磁放大器 进行二次稳压。 1 6 课题的研究意义和内容 由于l e d 独特的电气特性，l e d 的普遍使用必定伴随着开关电源的广泛应用。 当前，直流输入l e d 驱动电源已经发展了较长的段时间，电路已比较成熟。而刚 刚出现不久的l e d 普通照明，驱动电源的性价比普遍很低。价格高是l e d 照明实 现产业化的障碍之一，因此，对l e d 驱动系统的成本控制将十分严格，研究合适 的低成本电路是本课题的难点。l e d 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l e d 的使 用寿命理论上长达1 1 年，这要求驱动电源的可靠性很高。 本课题按重庆市科技攻关重点项目的要求，以降低电源成本，提高效率和可 靠性，研究便于产业化推广的l e d 驱动电源电路为目的，做了以下几方面的工作： 1 ) 论文首先针对台灯，壁灯这类小型l e d 灯具的特点和要求，提出了无隔离 斩波降压的设计方案，分析了电路的工作原理和性能，并对电路的参数进行了详 细的分析和仿真。为了满足更高的输出稳定精度，提出了两级降压的方案，对电 路进行了分析，仿真和实验。 2 ) 其次，对于要求隔离的l e d 驱动场合，提出了自激振荡电路的设计方案。 论文详细分析了自激振荡电路的工作原理，并进行了小信号分析和建模。阐述了 利用自激振荡电路自激振荡的特点实现零电压准谐振开通的原理。并推导出了零 电压开通实现的条件和参数设计方法，通过仿真和实验验证了理论的正确性。 3 ) 为了满足谐波限制标准对l e d 驱动电源要求，在总结了单级p f c 电路研 究的现状和对当前几类典型的单级p f c 电路进行分析和比较的基础上，论文提出 了一种绕组反馈电压型单级p f c 电路的设计方案。论文对此单级p f c 电路进行了 分析，建模和仿真，对电路参数设计作了详细的阐述。同时，分析了无源吸收网 络( l c d ) 在单级p f c 电路中的应用。最后，提出一种新的双绕组反馈电压单级 p f c 电路，并对电路进行了分析和仿真。 重庆大学硕士学位论文2 无隔离斩波降压l e d 驱动电源 2 无隔离斩波降压l e d 驱动电源 当前，在普通照明中，l e d 台灯，壁灯应用越来越广泛，他们的功率主要集 中在几瓦至十几瓦。灯具一般由数十颗2 0 m a 高亮度l e d 串联或者数颗数百毫安 的大功率u d 组成。为了降低成本，市场上这类电源设计多采用1 4 3 ，1 4 4 节 所述的工频变压器降压和交流电容降压电路，输出稳定性较差，效率低，体积大， 特别开机的冲击电流峰值的存在使l e d 灯具损坏率高，实际寿命大幅度下降。针 对这类运用场合，本文提出用无隔离斩波降压驱动的设计方案。 2 1 工频斩波降压电路工作原理 如图2 1 所示的工频斩波降压电路主要包括d l d 4 组成的整流桥，蜀、岛、 垦、u l 组成的输入电压采样检测电路，廓，2 - d 组成的驱动电路，玛、q 2 组成 的过流保护电路。电路的工作分为以下5 个阶段。 j【d ij d 2 jl 叁 ， 。| 一 ： 2 码 ： 一 冠； z d 3 、c 2 弛2 p ，其中p 鲁通过采样电阻焉、焉、马的设定，调节可调 电阻是可以控制输出电压，从而调节亮度。三端稳压器u 导通，由于限流电阻蜀 阻值较小，功率开关管q 的驱动电压下降，从而关断。 阶段3 ( r 2 一t 4 ) ，输出电流由输出电容c l 提供，输出电容c 1 电压下降，按式 ( 2 1 ) 。到，3 时刻，h ，r 2 ，所以圪s 试国( f + ) ) v k s i n ( d o ( t + g 一力) ，输入电流从时 刻逐渐下降，直到t 5 时刻，l = 0 ，从中可以得出的值。 对式( 2 2 ) 进行化解，得：= c e & c z ，将f 2 时刻初始值= 坼2 代a 得至0 t z f 时刻的输出电压v 。= k 2 e 将毛初始值v 。= v f 5 代入得到f ，一气时刻的输出电压 = e ，屯a 。从图2 2 可以看出，当圪较大时，输出电压的最大纹波为 v = b 2 一，圪较少时，最大纹波为a v = e 2 一，可以通过近似计算( 由于输出 电压变化较小，可以认为输出功率一定) ，即： 三c i c v 2 t 2 - - v 2 “，= p o ( t 一乞，j c j = ；鲁筹= 兰j 管三i c 2 8 ， 当输出功率和输出电压确定时，根据要求的输出电压纹波，可以确定输出电 容c l 。从式( 2 5 ) 和( 2 7 ) 可以看出输入电流的峰值在时刻出现， 厶一= ( 圪s i n ( 仞) 一v , 4 ) l 矗0 ( 2 9 ) 由于功率管额定电流的选择依据流过电流的有效值确定，而其瞬时峰值电流 一般为额定值的5 倍左右。所以功率管q l 在取安全系数的情况下，可以依据 ( 1 3 - 1 2 ) 厶一来选择。当其他参数确定时，调节驱动电阻耳，可以调节q 导通 延时的时间。从而调节峰值电流。以在一个工频半波内，输入电流在输出电压峰 值的两侧呈现出峰值基本相等的两部分为准。这样一来，就能达到降低输入电流 谐波，提高功率因数的作用。如下图2 3 ( a ) 所示为耳变化时，q 导通电压p k ， 输入电流的仿真波形。从图中可以看出电阻彤越大，g 的导通延时f 一，3 越长， 重庆大学硕士学位论文2 无隔离斩波降压l e d 驱动电源 毛峰值电流越小。 霹0 m翻4 m霸5 m翻6 m t t m ) 图2 3 ( a ) k 、厶的仿真波形 f i g 2 3 ( 8 ) 1 1 ”s h n u a t i o nw a v e f o r m o f 、( c 1 3 ) 从电路结构上看，电路的功率损耗大部分在g 上，电路的功耗为： p i = 吾r ”k ( f ) 。( f ) 出= 吾( f 1 1 ，：。瓦，o ) 毋+ r | 2 e ：x ( o d o ( 2 1 0 ) 其中她= ，2 一 ，她= ，- t 4 。可以看出效率，7 与( + ) 成正比关系。当其 他参数不变时，g 越大，妒越大，y 矗就越大。图2 3 ( b ) 为c l 由大到小变化时， 输入电流l 和。的仿真波形，很好说明了这点，所以在满足输出纹波要求下，减 少输出电容c 不但有利于减少变换器体积，而且可以提高效率。表2 1 为输入电容 c l 和输出功率变化时，电路的输出电压纹波和效率表在输出功率较少时，由于 肼消耗的功率占很大比例，所以效率在7 0 左右，当输出功率到6 w 时，效率可 以达到，功率到1 0 w 以上时，效率可以到8 5 。在输出电压降低和输出电 流增大时，如果维持输出电压纹波不变，输入峰值电流会加大，电路的损耗会加 大，所以电路适合于驱动串联的小电流的l e d 灯具。 1 4 重庆大学硕士学位论文2 无隔离斩波降压l e d 驱动电源 表2 i 电路效率表 输入功率开关损耗输出功率 输出电压效率输出电容其他仿真 ( w )( w )p o ( w )p o ( v ) 玎( ) o ( u f )条件 4 2 10 6 8 62 8 6 1 4 1 26 7 94 7 q l ： 3 9 9o - 4 2 72 8 51 4 1 2 87 1 43 3r i _ p 1 n 5 0 8 1 3 9 00 - 3 2 02 8 l1 4 0 4 27 2 02 2躺q 3 7 70 2 1 72 7 9 1 3 6 8 77 4 0 l l r 产3 0 0 k q 6 4 90 5 1 85 1 41 3 9 3 77 9 14 7 6 4 0o 2 9 25 0 81 3 4 - i - 8 87 9 32 2 1 8 8 1 2 3 1 5 7 91 3 4 9 08 4 04 7 9 ：i r f 4 2 1 1 6 4 2o 71 3 9 01 3 1 - 1 - 1 7 5s 4 62 2躺q 1 5 - 3 70 8 2 01 2 8 51 2 5 2 58 3 6 1 5r 产1 0 0 k q 2 7 82 1 82 3 印1 2 3 士2 2 58 4 8 3 3 2 3 设计举例与试验 以所设计的输入：1 6 0 v a c 2 6 0 、，a c ，输出最大电压为1 4 0 + 3 v ，输出电流 2 0 m a l e d 台灯驱动电源为例。 首先用式( 2 8 ) 估算c l = 3 3 越f ，然后代入式( 2 4 ) 可以得出，= 1 4 7 v ， 而且当电压在1 1 0 v - 1 4 3 v 之间调节时，输出电流在0 - 2 0 m a 之间变化，通过电阻尼 调节。然后用式( 2 9 ) 确定功率管最大电流为2 a ，电阻风的选择不仅要考虑到 f 4 的延时，同时要考虑其自身的功率损耗，在此取垦= 3 0 0 k o ，所选的功率管的 ( k 约为5 0 p f ，所以延时，4 一r 3 s o 1 8 m s 。电阻瓜电阻值为0 5 f l 。在计算时，先 可以通过9 的最大电流来初步确定j 乙，然后在后面的计算中再作一定的调整。因 电路的参数之间相互影响。使得参数要精确确定比较难，如果结合s a b e r 仿真分 析，就能很好的解决这个问题。实验电路如图2 4 ，如图2 5 所示为输出电压波形， 其伏值为1 3 4 v ，其输出电压纹波不到3 v ，满足了设计要求。 重庆大学硕士学位论文 2 无隔离斩波降压l e d 驱动电源 ： 2lz d l 一ll d id 2 5 0 v l n 删 ；r 1 5 6 0 k 3广 2lz d 2= = * e 3 3 l l u l ；r 85 0 v 2 a 1 1 3 i d 嗣p 3 3 弧 l 蠼 q 2 固 0 5 时，存在右半平面的极点，系统将不稳定，如果要 工作在d 0 5 的区域，就需要加入斜波补偿。 当电流检测电阻足与功率管串联时，电流波形的前沿有一个尖峰出现，其原 因是输出整流二极管的恢复时间和功率交换器内部绕组存在的电容值。如果不消 弱这个尖峰，它会提起终止输出脉冲。一方面可以在输出快恢复二极管两端并联 个电阻和电容串联的吸收网络，另一方面可以加入图2 1 2 中g 、置组成的滤波 网络，其时间常数应和尖峰持续时间大致相等。 当功率管截至时，噪声尖峰耦合在振荡器r t c t 端，一个大的尖峰可能提前 触发振荡器，为了减少噪声，在允许的死区时间内，应尽可能选用大的c r 。噪声 尖峰出现常常是由于u c 3 8 4 2 输出脚在截至时被外部器件拉成低电平造成的，在地 线和输出脚之间加一个肖特基二极管就能防止这种噪声传递到内部振荡器上。 u c 3 8 4 2 的启动电压为1 6 v ，而工作电压要求大于9 6 v ，故将辅助电压定 在1 7 v ，在电路启动时，通过置( 图2 6 ) 提供启动电压，当达到1 6 v 后，u c 3 8 4 2 启动，电路进入工作状态【2 1 1 2 6 参数设计与仿真 以输入2 2 0 v a c + 2 0 输出电压3 0 v ，输出电流4 0 0 ( 1 5 ) m a 的壁灯为 例选择参数。对于4 0 0 m a 输出的壁灯采用两级降压，前一级输出电容输出电压取 i o o v 一1 5 0 v ，可以得到c l = 1 5 u f ，电阻足= 1 0 0 k f l 当输出电压精度为2 时， 输出电流可以满足要求。考虑到输出滤波电容的存在，令，d = 2 0 0 m d 得到电感l 扛v o ( i 虬- d ) t s 。儿= 器j = 3 0 x ( 1 - r 0 2 ) x 1 0 - 5 - 1 2 m h 重庆大学硕士学位论文 2 无隔离斩波降压l e d 驱动电源 同时利h j 屹= 虬五8 e 和考虑到输入电压波动司以选取电容c l2 3 3 u f - 玛= 2 q ，= 2 5 v ，h c s ) = 2 5 3 0 = 1 1 2 ，得到= o 8 8 ，k = 2 6 7 x 1 0 4 ，得 到： 已o ) = 孬雨矿五可8 8 鬲矿而丽 ( 2 2 2 ) 其波特图如图2 1 1 。选择正= 1 0 k h z ，计算补偿函数为： o c c s ) = 1 0 。霄l + 2 厩4 4 茹x 1 0 万- 5 s ( 2 2 3 ) 1 + 7 9 6 1 0 叫j 补偿后传递函数r 0 ) = 乙0 ) g c ( 力。如式( 2 2 3 ) 所示的补偿环节。其传递函数