（电路与系统专业论文）150w+led驱动器设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 能源危机和全球变暖问题越来越受到人们的关注，而我国又是全球第二大能源消费国和 原油进口国，更要在节能减排上下足功夫。2 0 1 1 年1 1 月4 日国家正式发布了白炽灯淘汰路 线图。这就给下一代l e d 照明光源带来了极大的发展空间和市场前景。目前，l e d 均采用直 流驱动，所以不能使用交流市电直接驱动，需要在两者之间加电源转换适配器，即l e d 驱动 电源。它的功能就是把交流市电转换成可供l e d 使用的直流电。l e d 素以节能环保长寿命著 称，那么驱动电源的性能也必须非常优良，否则将直接影响l e d 的寿命和整个灯具的效率。 因此，对l e d 驱动电源进行仔细研究具有重要意义。 论文以l e d 的发光特性为切入点，描述了驱动电源所应该具备的特性，并对其发展现状 和趋势进行了总结。对驱动电源设计过程当中所应用到的技术：抗电磁干扰、功率因数校正、 d c d c 变换电路等进行了详细的分析和研究，并在此基础上制作了一款基于p l c 810 p g 的 1 5 0 wl e d 驱动电源。该方案通过升压式有源功率因数校正电路迫使输入电流跟随输入电压， 并转换成稳定的3 8 5 v 直流输出；再由半桥l l c 谐振变换器进行d c d c 变换，以实现目标 电流电压的输出。为了使驱动电源的输出更加符合l e d 发光特性，采用了集成双运放的 a p 4 3 1 0 进行恒流限压双环反馈控制。软开关技术更是实现了功率m o s f e t 的零电压导通和 输出整流二极管的零电流关断，从而减小了损耗，提高了能量转换效率。针对l e d 驱动电源 产生电磁干扰的机理进行了仔细分析，提出了行之有效的解决方法，使其符合国家标准。最 后针对电路设计、变压器设计和布线过程中需要注意的问题给出了相应建议，以便更好的应 对恶劣的工作环境，提高驱动电源可靠性。 对所制作的1 5 0 wl e d 驱动电源样机进行了相关测试。测试结果显示，该驱动电源能够 正常实现1 5 0 w 恒流输出，e m c 达标，功率因数大于0 9 8 ，整机效率达到9 0 。因此，较好 的实现了设计目标，验证了相关理论的正确性。 关键词：l e d ，驱动电源，功率因数校正，半桥l l c 谐振，p l c 8 1 0 p g ，e m c 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hi n c r e a s 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 yc o n s e r v a t i o n h a sb e c o m eat o p i co fc o m m o nc o n c e l t l c h i n ai st h ew o r l d ss e c o n d l a r g e s te n e r g yc o n s u m e ra n d n e ti m p o r t e ro fc r u d eo i la f t e rt h eu n i t e ds t a t e s n o v e m b e r4 ，2 0 11 ，t h ec h i n e s eg o v e r n m e n t o f f i c i a l l yr e l e a s e dt h ei n c a n d e s c e n tp h a s e - o u tr o a dm a p t h i sg i v e st h en e x tg e n e r a t i o no fl e d l i g h t i n gh a sb r o u g h tg r e a td e v e l o p m e n ta n dm a r k e tp r o s p e c t s l e dn e e dt ou s et h ep o w e ra d a p t e r c o n v e r t sa ci n t od c ，t h el e dd r i v e r l e dd r i v e r sd i r e c t l ya f f e c tt h el i f eo fl e da n de f f i c i e n c yo f t h el a m p s ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fl e dd r i v e r si sn e c e s s a r y t i l i sp a p e rs y n o p s i si n t r o d u c e dt h el e d sv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el e dd r i v e r c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e nr e c a l l e dt h el e dd r i v e rd e v e l o p m e n ti nt h ep a s ta n dp r o s p e c t e df u t u r e t r e n d w ep r o p o s eat w o s t a g ep r o g r a m ，t h ef o r m e rr a n ko fp f cc l a s s ，a f t e rc l a s sf o rt h ed c - d c l e v e l n l ei n t r o d u c t i o no fp f ci n d u c t o rc u r r e n tc c mb o o s tc o n v e r t e r , d c d c l e v e lm o d e lu s i n g h a l f - b r i d g el l c r e s o n a n tc o n v e r t e r a c c o r d i n gt ot h et h e o r y , al e dd r i v e rb a s e do np l c 810 p gi s d e s i g n e d l l cr e s o n a n ts o f ts w i t c hc i r c u i tc a l la c h i e v ez e r ov o l t a g es w i t c h i n g ( z v s ) o v e rt h ee n t i r e o p e r a t i n gr a n g e ，t h em a g n e t i cc o m p o n e n t sc a nb ei n t e g r a t e di n t oat r a n s f o r m e ra n da l le s s e n t i a l p a r a s i t i ce l e m e n t s ，i n c l u d i n gj u n c t i o nc a p a c i t a n c e so fa l ls e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，a r eu t i l i z e dt o a c h i e v ez v s l l cr e s o n a n ts o f ts w i t c hc i r c u i tc a na c h i e v ez v st u r n - o na n dz c st u r n - o f fo f m o s f e t sa n dd i o d er e c t i f i e r so v e rt h ee n t i r eo p e r a t i n gr a n g e ，t h em a g n e t i cc o m p o n e n t sc a nb e i n t e g r a t e di n t oat r a n s f o r m e ra n da l le s s e n t i a lp a r a s i t i cd e m e n t s ，i n c l u d i n gj u n c t i o nc a p a c i t a n c e so f a l ls e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，a r eu t i l i z e dt oa c h i e v ez v s t h eh a r m o n i cc u r r e n t sm u s tc o i n c i d ew i t h t h es t a n d a r d s t h ep a p e rd e v e l o p e da15 0 wl e dd r i v e r t e s tr e s u l t ss h o wt h a ti tc a na c h i e v e15 0 wc o n s t a n t c u r r e n to u t p u t , e m cq u a l i f i e d ，p o w e rf a c t o rh i g h e rt h a n0 9 8 ，g r e a t e rt h a n9 0 o v e r a l le f f i c i e n c y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dp r o g r a m k e y w o r d s ：l e d ，p o w e rs u p p l y ，p f c ，h a l f - b r i d g el l cr e s o n a n t ，p l c 8 1 0 p g ，e m c h 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 在全球能源紧缺的背景下，节约能源已成为大势所趋，我国政府为此也大力倡导节能减 排。2 0 0 8 年北京奥运会上“奥运五环、“梦幻鸟巢”、“多彩水立方”等大规模应用l e d ， 使l e d 大放异彩；2 0 1 0 年上海世博会更是以绿色节能为主题，成为全球最大的l e d 照明示 范区，使用了7 3 亿个l e d 芯片，9 8 的场馆使用了l e d 。2 0 1 1 年1 1 月，国家发改委又下 发了关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告，五年后全面淘汰白炽灯。这些重大 举措给l e d 照明产业的发展创造了前所未有的历史机遇，激发了市场热情。由于大功率l e d 具有高光效、低功耗、寿命长、稳定性高、光色纯、安全性好、可控性强等优点，正在逐步 取代传统的光源，现阶段主要用于背光、装饰、路灯、景观照明等方面i l j 。 1 1 1l e d 的发展历程 人类照明光源的演进还需要追溯到h u m p h r yd a v y 于1 8 0 9 年首次通过电来产生光； 1 8 7 9 - 1 8 8 0 年，t h o m a se d i s o n 发明了第一只可以实用的白炽灯；1 9 3 8 年，美国g e 公司的伊 曼发明了荧光灯。之后，陆续出现了其他各种气体放电灯：钠灯、汞灯、金卤灯等1 2 j 。 g e 公司的h o l o n y a k 于1 9 6 2 年在德国研制出第一个发红色可见光的l e d ，采用的是磷 砷化镓( g a a s p ) ；1 9 6 5 年又诞生了第一款可作商用的l e d ( 红外光) ；二十世纪六十年代， h p 和m o n s a n t o 开发了g a a s p 商用化红色l e d ，但其效率大约仅为0 1 l m w ，远远小于一 般6 0 1 0 0 w 白炽灯的1 5 l m w ；1 9 6 8 年，氮掺杂工艺使g a a s p 器件的效率提升到了l i 脚脚； 二十世纪七十年代黄光、绿光l e d 相继研发成功；到了八十年代，红光l e d ( a i g a p ) 的发 光效率提高到了1 0 l m w 。虽然由于颜色，光效等方面的原因l e d 不能用作照明，但它已能 广泛用于数字、文字、信号的显示；1 9 9 6 年，日本中村修二在g a n 基片上研制出了第一只蓝 色光二极管：2 0 0 0 年，研制出了通过蓝光激发y a g 荧光粉产生白光的l e d ：而2 0 0 8 年以后， l e d 的发光效率已经达到2 0 l m w ，而且颜色多样，单管功率已超过l w ( 大功率) ，使其进 入照明领域成为可能。随着l e d 光效的逐年提高，目前在实验室内已达到2 3 1 l m w ( c r e e ， 2 0 1 1 5 ) ，商用的l e d 也已普遍达到1 3 0 l m w 【3 j 。 1 1 2l e d 的优点和市场需求 l e d 之所以受到极大的关注是因为l e d 有很多优点。与白炽灯相比较而言，l e d 的能 耗仅为其2 0 左右，且具有5 0 0 0 0 小时以上的平均工作寿命。另外，低电压工作条件使其更 加安全，而不像荧光灯那样会产生电火花；无汞封装更是避免了有害金属污染。l e d 芯片通 常为3 - 5 r a m 的正方形，几乎可以制作成任何形状嵌入到所需要的地方，能较好的隐藏其自身， 减少占用空间。在响应时间方面，白炽灯为毫秒级，而l e d 灯则为纳秒级，远远快于白炽灯。 杭州电子科技大学硕士学位论文 l e d 寿命亦与开关次数没有关联，可以通过多种控制模式来调节占空比，轻松实现颜色与亮 度的调节。l e d 采用全固态封装、无紫外辐射、不含汞、环保性好1 4 。因此，l e d 是照明行 业节能环保的利器。 目前应用l e d 照明技术的领域相当多，其中就包括景观照明、交通信息显示、道路桥梁 照明、室内照明、大屏幕显示、汽车照明、l e d 背光源( 如手机、液晶电视) 等【5 】。 l e d 具有巨大的市场需求。目前国内城市亮化工程发展迅速、市场巨大。我国照明产业 在2 0 0 9 年达到了2 0 1 1 亿元，出口1 4 3 亿美元，成为世界第一大照明电器生产国和出口国， 占全球市场份额的1 8 。l e d 照明颜色丰富、控制灵活、体积小易隐蔽，在城市景观照明中 有独特优势。近几年已经呈现高速发展态势，美国c i r 预测，全球l e d 市场规模年均增长率 超过3 0 。目前l e d 尚在不断拓展新应用领域，如白光、生物照明、医疗照明等，显示出巨 大的市场潜力。 1 1 3l e d 在世界各国的地位 如今，世界各国都将l e d 照明提升到了国家战略的高度，通过国家战略参与全球竞争。 这里列举部分国家大力推进l e d 照明产业的促进计划：1 9 9 8 年，日本实施“2 1 世纪照明计 划 ，2 0 0 8 年又宣布三年内停止生产和销售白炽灯【q ；2 0 0 0 年美国公布了“下一代照明计划”， 计划在2 0 1 4 年1 月禁止3 1 0 2 6 0 0 l m 的白炽灯( 4 0 - 1 5 0 w ) 1 7 】；欧盟也在2 0 0 0 年公布了“彩 虹计划 ，其中包括白炽灯禁令，于2 0 0 9 年9 月1 日起禁磨沙灯泡和1 0 0 w 以上白炽灯，2 0 1 0 年9 月1 日禁7 5 w 以上白炽灯，2 0 1 1 年9 月1 日禁6 0 w 以上白炽灯，2 0 1 2 年9 月1 日完全 禁止；韩国则在2 0 0 4 年宣布了“固态照明计划 ，2 0 1 5 年l e d 满足3 0 照明需求【8 】。这样 l e d 照明产业已经形成美、亚、欧三足鼎立的局面。 我国在推进l e d 照明产业上也不遗余力。2 0 0 3 年正式启动了“国家半导体照明工程”【9 】。 设立了七个半导体照明工程产业化基地，其中包括：上海、厦门、南昌、大连、深圳、扬州、 石家庄。通过科技专项、重大工程来推动产业发展。2 0 0 9 2 0 1 2 年计划在2 1 个城市进行“十 城万盏”半导体照明应用工程试点工作，将1 0 0 万盏l e d 灯推广，有效地拉动了l e d 产业 发展【1 0 1 。 2 0 0 8 年我国半导体照明总产值近7 0 0 亿元，其中芯片1 9 亿，封装1 8 5 亿元，应用产品 4 5 0 亿元。l e d 企业超过3 0 0 0 家，7 0 处于下游产业，国产外延、芯片以中低档为主，8 0 以上的功率型l e d 芯片、器件需要进口。我国2 0 1 0 年l e d 产业产值约为1 5 0 0 亿，就业人 员近百万【l 。现在的目标是，到2 0 1 5 年，半导体照明产业产值年增长3 0 ；产品市场占有 率逐年提高，其中功能性照明为2 0 ，液晶背光源为5 0 ，景观装饰等为7 0 。 在全球能源紧张、环境恶化的大背景下，节能减排是全球主旋律。照明是主要的电能消 耗领域，照明用电占发电总量的比例在发达国家为1 9 ，我国为1 2 ，因此照明节能已是刻 不容缓。l e d 的性能如今已能够满足照明领域的要求，如果用l e d 取代现在全部的白炽灯和 部分荧光灯，将节电约1 0 0 0 亿千瓦时年，超过三峡电站2 0 1 0 年发电总量8 4 0 亿千瓦时。 2 杭州电子科技大学硕十学位论文 1 2l e d 驱动电源 1 2 1l e d 发光特性 l e d ( 发光二极管) 是由v 族化合物半导体制成的，其核心是p n 纠1 2 】。所以，它具 有普通二极管的电学特性。如图1 1 所示的是l e d 的i v 特性曲线，v - i 呈非线性关系。其 中，圪。是发光二极管的开启电压。l e d 的光通量与驱动电流成正比，微小的电流波动也会对 l e d 的寿命与光衰产生极大影响。以绿色5 m m 的l e d 为例：电压3 5 v 时，l e d 电流为额 定的2 0 m a ，正常工作；当电压3 8 v 时，l e d 电流为5 0 m a ，已超过l e d 的正常使用标准， 其寿命及光衰会大幅恶化；当电压4 2 v 时，l e d 电流为l1 0 m a ，l e d 将很快损坏。由此可 以得出，电压增加1 0 ，电流增加1 0 0 以 。因此，采用恒流驱动器较适合l e d 的发光特 性。 ij l i f i il | 一l|l 一 曩 一ll l | | l iiiii10一彳。一 v r i ， 一一 一i 矿一 。， 旨穿区一曩星一 一 7l” ， 一正向 ； 正向 一死区。 工作区 图1 1l e d 的i v 特性曲线 1 2 2l e d 驱动电源的重要性 l e d 驱动电源的重要性。l e d 需要恒流驱动，如果驱动器精度不高、性能不稳定，这将 导致l e d 灯光衰和失效，甚至损坏。我国的市电是2 2 0 v 的交流电，丽l e d 光源属半导体光 源，通常使用直流低电压供电，这就要求在灯具中或灯具外部设计a c - d c 转换电路，有的还 需要d c d c 功率变换电路，以适应l e d 的恒流驱动特性【1 3 1 。 驱动电源是大功率l e d 灯具工作的必须部件。目前l e d 灯具故障中约8 0 源于驱动可 靠性问题，使整个灯具寿命远低于l e d 器件的5 万小时寿命。光效是l e d 最主要的指标， 驱动环节效率不高将会影响整个灯具的光效，目前驱动环节的效率一般在8 0 - - 9 2 ，业界已有 企业宣称其产品最高效率可以达蓟9 5 。因此，电源驱动器是影响l e d 光源可靠性和适应性 的一个重要组成部分，必须作重点考虑。 1 2 3l e d 驱动电源的典型结构 用l e d 作照明光源虽然优点众多，却不能像普通的光源一样直接使用交流市电，它必须 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 配备专用的电压转换设备，满足l e d 额定的电压和电流要求，才能使l e d 正常工作，也就 所谓的l e d 驱动电源。 根据供电方式的不同，l e d 驱动电源可分为直流供电电源和交流供电电源。直流供电电 源通常由电池、电瓶等供电；交流供电电源可直接接入市电，经过e m i 滤波，再经功率因数 校正，再由d c d c 变换器得到恒定电压或电流【1 4 】。目前主流的l e d 驱动电源均采用高频开 关方式实现，这种方式容易引起电磁兼容问题。 根据驱动方式的不同，l e d 电源可分为恒压驱动电源和恒流驱动电源两种。采用恒流方 式驱动l e d 有两方面的优势：一是可防止超过l e d 的最大额定工作电流，以免l e d 可靠性 下降；二是可较好地保证每个l e d 色度和亮度的一致性【1 5 1 。在驱动大功率l e d 时一般采用 恒流方式，这样有利于保证l e d 的安全使用，并且便于控制发光强度【1 6 】。目前市场上的l e d 照明产品中，以采用恒流驱动电源为主。 我们目前常见的l e d 恒流驱动方案典型结构如图1 2 所示。它主要包括：e m i 滤波器、 整流滤波电路、功率变换电路、功率变换电路、控制电路、输出整流滤波电路和输出反馈电 路。 交 图1 2l e d 驱动电源的典型结构 1 3l e d 驱动电源的关键技术 1 3 1 电源的寿命 虽然l e d 的寿命在5 万小时以上，但其应用时必须搭配驱动电源，故l e d 照明灯具整 体寿命必须从整机应用来考虑。对于照明用l e d ，电源驱动器的寿命必须超过5 万小时，否 则就会成为半导体照明系统的瓶颈因素。在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本，电源 驱动器的成本通常不宜超过整个照明系统总成本的三分之一。在半导体照明灯具产品发展的 初期，必须平衡好电源寿命与成本的关系。 其中，电解电容是l e d 电源驱动器中必不可少的器件。电源驱动器所使用的电解电容的 寿命几乎决定了电源的工作寿命，然而电解电容的寿命又取决于电解电容本身的寿命和所在 工作环境的温度。通常情况下，电解电容的寿命只有8 0 0 0 小时，而且在不同的温度下，电解 电容的工作寿命差异又很大。据统计，温度每上升1 0 ( 2 ，其寿命就会减半【1 7 1 。在极端恶劣环 境下，电解电容的工作环境温度会大于9 5 1 2 ，其寿命也就变得很短。由此可见，电解电容将 成为交流供电型l e d 电源驱动器的主要限制因素。所以说使用了长寿命的电解电容也不一定 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 就能保证电源寿命，提高电源寿命需要从多方面来改善，如：使用较长寿命的电解电容、减 小纹波电流、优化电源的散热设计和降低周边环境温度，从而延长电解电容的寿命，达到增 加电源驱动器寿命的最终目的。 1 3 2 电源的效率 由于高效节能是l e d 照明得以推广的重要原因，所以要求l e d 电源也必须有较高的效 率表现。理想的l e d 驱动器既要保证恒流输出，又要有较高的电能转换效率，否则就无法发 挥出l e d 节能的优点【埔】。目前与之匹配的商业化电源效率在8 5 左右，而作为半导体照明使 用的电源，其转换效率仍有进一步提升的空间。 目前，国内外已对l e d 驱动电源的效率做了相关的要求，如“能源之星”2 0 版外部电 源规范要求电源标准工作模式下，最低效率达到8 7 ，功率因数不得低于o 9 ；待机时，功耗 不超过5 0 0 m wl 憎j 。 为了使l e d 电源驱动器有较高的效率，通常可根据不同的功率等级、电流稳定性、瞬态 过冲以及安全性、可靠性的需求对拓扑结构进行综合选择。在实际应用中，功率范围在1 w 到7 5 w 的交流输入可采用硬开关反激式拓扑，而1 0 0 w 左右的电源可选用双管正激拓扑。在 小功率l e d 照明应用中，传统反激变换器仍有相当的应用，而准谐振反激式电源具有广阔的 应用前景。在1 5 0 w - 5 0 0 w 场合，半桥l l c 谐振变换器可以实现比准谐振反激变换器更高的 效率，达到9 0 以上1 2 0 l ，因此也得到了大量应用。 反激变换器的主要优点是不需要输出滤波电感，因为反激变压器具有变压器和电感的双 重功能，有利于减小变换器体积、降低成本。正激变换器通过高频变压器将能量传递到负载 端，由于输出端和输入端直流隔离，因此可以实现多路输出。桥式拓扑的开关管电压应力等 于直流输入电压，这就可以节省器件成本；另外，它能将变压器初级侧的漏感电压尖峰钳位 于直流母线电压，并将漏感储存的能量回馈到输入母线，而不是损耗在有损缓冲电路的电阻 元件上，对提高效率很有帮助1 2 1 1 。 1 3 3 亮度可调 一般来说，大功率l e d 的功率至少为l w ，现正朝着大电流( 3 0 0 m a - - - 1 4 a ) 、高效率( 6 0 1 3 0 1 m w ) 、亮度可调的方向发展。在许多情况下，利用p w m 方式可以非常方便地调节流过 l e d 的平均电流，通过控制脉冲宽度来调节灯的亮度。这种调节方法的优点在于能够保持光 谱不变，克服了采用调节电流幅度时，光谱会因随着流过l e d 电流的变化而改变，从而影响 发光效率的弊病。 p w m 调光电路的效率比线性l e d 调光电路更高。比如在路灯照明设计中，一般需要在半 夜某时将路灯照度降低一半，以节能降耗【2 2 1 。可在电路中间增加定时器，到达设定时间后， 使p w m 占空比减小到原先的5 0 即可功率减半。 1 3 4 精确的电流控制 l e d 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过l e d 的电流，而无论输入 杭州电子科技大学硕士学位论文 及输出电压如何变化。另外，由于工艺上造成的不同批次l e d 的正向压降会有所不同、环境 温度和驱动电流的变化、l e d 连接方式的不同( 并联或串联) 、都会造成l e d 发光亮度及色 点的波动。因此，恒定流过l e d 的电流是l e d 电源驱动器设计过程中一个比较关键的技术。 1 4l e d 驱动电源发展现状 l e d 驱动器的质量有问题或者用户的使用不当等原因都会造成驱动器损坏，所以驱动器 厂家一般都会采取相应的防护措施以防止电源和l e d 照明系统遭到破坏。电磁兼容、自恢复 重启，已成为驱动器是否具备高可靠性的重要标志。此外，根据灯具的安装场所和类型，提 供不同等级的防护，例如电源驱动器的结构防潮防水、外壳耐晒。目前的防水电源大多是以 环氧树脂作为防水密封填充材料，只有少数厂家采用了其他的防水填充材料。最重要的是驱 动器要能经得起高温、冷冻、雨水以及一些腐蚀性物质的反复浸袭，尤其是路灯电源驱动器 还需要能够防雷、防浪涌【2 引。 用l e d 作照明光源的一个显著特点就是在低驱动电流条件下依然能保持其流明效率。在 城市景观亮化照明应用方面，l e d 光源能够在微处理器控制下按不同的设定模式实现变化， 形成绚丽多姿的动态效果。因此，l e d 相对于其它光源所具备的独特竞争优势将被发挥的淋 漓尽致。 目前，市场上已有数千款大功率l e d 恒流驱动的专用控制芯片，国内有广鹏( a d d t e k ) 、 点晶( s l t i ) 、宏晶( s c t ) 和华润矽威( p t ) 等，国外有美国的超科( s u p e r t e x ) 、德州仪器 ( t i ) 、美信( m a x i m ) 、国家半导体( n i ) 和英国的捷特科( z e t e x ) 等知名厂家。采用这些 i c 设计的l e d 电源驱动器通常具有智能控制功能，使流过l e d 的电流能够在各种因素的影 响下仍然能保持在预先设定的水平上。当i c 检测到负载电流意外产生变化之后将重新使负载 电流回到初始设计的值上。此外，这些i c 一般都还会附带一些其他功能，例如内置过压欠 压保护、开路短路保护和温度保护等，使驱动器更加稳定、安全、耐用。 l e d 对驱动器的要求较高，需要设计复杂的功率变换电路来适配。因此，作为l e d 照明 的保障，对l e d 驱动器的需求量也与日俱增。由于l e d 电源也是开关电源的一种，所以不 仅有照明企业在大力发展l e d 驱动电源，许多开关电源厂家也投入大量人力物力成立了l e d 驱动电源研发部门，以便跟踪研究l e d 驱动器的开发设计。随着大功率l e d 光源不断地推 陈出新，相应的驱动电源也在不断地被开发出来。因此，电源的效率得到了大幅提升，且不 仅仅只是提高了满载时的工作效率，主要还包括【2 4 l ： 1 ) 降低待机空载能耗。包括采用准谐振( 谷底开关) 、适时关闭p f c 级，采用软跳周期、 高压自举等新技术。 2 ) 提升电源工作效率。使用性能更加优良的器件，如反向恢复时间更短的二极管，尺w 。、 更低的功率开关管等；使用更好的拓扑结构，如反激准谐振、半桥谐振等软开关技术；以及 其他一些新技术，如同步整流等。 3 ) 功率因数校正。将p f c 控制器与l l c 控制器集成到一个i c 中，避免了脉冲边缘冲突； 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 优化p f c 控制模式，如非连续导通模式( d c m ) 、临界导通模式( c r m ) 和连续导通模式 ( c c m ) ，在不同的功率等级恰当的运用，以符合电磁兼容的要求。 l e d 的光效还在不断提高，与之匹配的驱动电源也势必要向着更高效率的方向发展。目 前，国外许多著名的i c 厂家都在大力开发低功耗、节能型开关电源集成电路。 总之，l e d 驱动器正朝着高效、节能、小型化的方向发展，各种新技术、新工艺和新器 件如雨后春笋，不断问世，为其发展提供了广阔的空间。但是如此巨大的l e d 驱动器市场， 参与其中的研发人员虽多，只有为数不多的人才真真够专业。究其原因是技术人员对l e d 驱 动电源的了解不够，开发的驱动器基于对工业开关电源的认识，通常仅能在理想条件下高效 工作，环境恶劣时存在一定的安全隐患，尤其是l e d 路灯驱动电源。其次是当前关于l e d 驱动电源的规格标准没有完善统一，大部分设计人员都是以开关电源和电子整流器标准作为 参考，所设计的驱动器外形大小各式各样。因此，l e d 驱动器在标准化方面还有很长的路要 走阿。 眼下节能减排已成为世界范围内产业升级的强劲动力，随着2 0 1 2 年世界各国白炽灯禁令 生效日期的日益临近，l e d 照明市场即将进入爆发式增长期，l e d 驱动器作为l e d 照明设 备关键部件亦将迎来广阔的发展空间。 1 5l e d 驱动电源的技术指标 普通的小功率l e d 工作电流仅为2 0 m a 左右，而照明用大功率l e d 的工作电流则从 3 5 0 m a 、7 0 0 m a 到几十安不等，功率亦可达到1 w 、3 w 甚至是数十瓦。l e d 驱动电源通常 是引起l e d 照明灯具损坏的主因。低品质l e d 驱动器的各种保护功能不够完善、恒流精度 较低，导致电流波动起伏大，进而对l e d 芯片的造成损坏。当前的l e d 芯片设计生产和制 造工艺已相当成熟，由l e d 自身引起的故障主要是色漂移和光衰，严重故障则非常罕见。所 以，在设计l e d 驱动器时如何做到高效、稳定、可靠，对推广具有重要意义。 l e d 驱动电源主要要求：恒流( 或至少恒压) 、高效率、高可靠性、良好的电磁兼容e m c 、 电器安全性好等。 大功率l e d 是电流驱动型的功率负载，要最大程度的发挥它的高发光率和长寿命，如前 所述必须采用恒流型驱动电源驱动才能达到最好的效果，所以本课题所要设计的1 5 0 w l e d 驱动器的具体参数和指标如下： 1 较宽输入电压：1 3 0 2 6 5 v a c ； 2 输出功率：1 5 0 w ； 3 输出电压和电流：3 6 v d c ，4 1 7 a ； 4 效率：刁i 0 9 4 输出电流误差：l o m a ； 5 输出电压误差：5 ； 6 功率因数：p f o 9 ； 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 7 输入输出端隔离； 8 符合e m c 和安规要求； 根据e n 6 1 0 0 0 3 2 【2 6 】对谐波的要求，如表1 1 所示。对输入功率的等级，有相应的不同要 求，若输入功率大于2 5 w ，须符合c l a s sc 要求，小于2 5 w 则只要符合c l a s sd 要求即可。 本课题要设计的15 0 w l e d 驱动电源，输入功率远超过2 5 w ，因此有必要对功率因数进 行校正，以降低总谐波失真度来满足e n 6 1 0 0 0 3 2 c l a s sc 标准中对谐波电流规定的要求。 表1 1e n 6 1 0 0 0 - 3 - 2 c l a s sc 对谐波的的要求 谐波次数1 1基波频率下输入电流百分数表示的 最大允许谐波电流( ) 22 33 0 兄 51 0 77 9 5 1 1 3 93 名是电路功率因数 1 6 本课题的主要研究内容 本课题介绍简单了l e d 的发展历史和当前的市场需求，从l e d 的发光特性入手，阐述 了l e d 驱动器的重要性，并详细介绍了l e d 驱动电源的关键技术和发展现状。经过仔细分 析所要设计的驱动器的规格，综合成本等因素加以考虑，对设计方案进行对比和筛选。最终 确定采用集成p f c 和l l c 控制器的p l c 8 1 0 p g 进行设计的方案。该方案采用升压式有源功 率校正以满足e n 6 1 0 0 0 3 2 c l a s sc 的要求；后接半桥l l c 谐振变换器进行d c d c 变换；输 出端则利用反馈电路，良好的实现了恒流驱动。功率因数校正电路使驱动器满足了高功率因 数的要求；谐振软开关技术降低了功率开关管的开启损耗和输出整流二极管的反向恢复损耗， 有效提高了驱动器的转换效率；另外，在电路设计时考虑到了电磁干扰方面的问题，使得驱 动电源符合g b l 7 7 4 3 标准的要求 2 r l 。 本文的主要内容包括以下几个方面： 第一章对l e d 的发展历程、市场前景、发光特性和驱动方式进行了介绍，论述了l e d 驱动器的重要性，介绍了驱动器的典型结构、关键技术和发展中遇到的瓶颈，以及当前的发 展状况。 第二章详细介绍了功率因数的定义及总谐波失真系数与它的关系，对比了有源功率校正 常用的三种方案的特点及使用场合，并确定了本课题所选用的a p f c 模式。 第三章简单介绍了软开关技术，论述了半桥l l c 谐振变换器的设计方法，使用基本近似、 等效的方法，推导出了增益方程，并且考虑到了在变压器次级侧的漏感。 第四章介绍了p l c 8 1 0 p g 的特点，并以它作为主控芯片进行了驱动电源的详细设计，通 过对反馈电路的仔细分析和设计来提高驱动电源的稳定性。 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 第五章分析了l e d 驱动器产生电磁干扰的机理，并有针对性的给出了参考解决方法，对 驱动器的可靠性进行了分析和设计，并对布板注意事项加以强调。 第六章给出了样机实测图和主要测试波形，并对测试结果进行了分析。 第七章对全文进行了总结，并对设计方案提出了改进措施。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章有源功率因数校正的设计 2 1 功率因数 2 1 1 功率因数的定义 当电压和电流均为直流时，玎之积就是功率。在交流输入时，r m s ( 有效值) 的意义是 任意的电压或电流波形通过电阻所产生的热量与直流电压或电流通过该电阻所产生的热量相 等。然而对于交流输入来说，输入电压有效值k 和输入电流有效值之积k j ，为视在功率， 仅当负载为纯电阻时，它才是有功功率。 功率因数一词来源于基本的交流电路原理。当正弦交流电源给感性负载或容性负载供电 时，负载电流也是正弦波，但是与输入的电压相比滞后或超前一定的相位x 。实际传递给负 载的功率仅为k c o s x 。其中，输入电流分量( i i c o s x ) 与负载两端的电压同相位，向负载 输出功率；输出电流分量( 1 t s i n x ) 与负载两端电压相位垂直，没有对负载输出功率，称之 为无功功率。这部分功率从输入端被抽取后暂时存储在负载的感性器件内，随后将这部分存 储的能量回馈到输入端。然而，这部分没有向负载提供功率的电流也会消耗功率，主要是在 输入电源的内部和输入电路的电阻上。 定义功率因数( p o w e r f a c t o r ，p f ) 为交流输入时有功功率( p ) 与视在功率( s ) 之比【2 8 1 ， 如下式所示： pf2等孚=寺啪sx=ys c o s 工 亿， 巧kk 7 其中，厶为输入电流基波电流有效值；k 为输入电流有效值；y = z , k 为输入电流的波形 失真系数【2 9 1 ；c , 0 8 x 为输入基波电压和基波电流的相移因数。 从式( 2 1 ) 可以得出，功率因数( p f ) 也可以定义为波形失真系数( ，) 和相移因数( c o s x ) 之积。由于负载通常呈感性或容性而非纯电阻，相位会产生一定的漂移。如图2 1 所示，只 要交流输入的电流波形出现失真或相位与输入电压波形出现不一致时，功率因数就会因此而 降低。 k ， m 仃八 h 叫u uw 一 图2 1 市电交流输入电压和电流相移工时的电压、电流波形 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 - g o 视在功率与功率因数之积即为有功功率 3 0 l ，输入电流的无功分量和有功分量如图2 2 所 r i = r l i , l c o s x 圪= 砒 图2 2 输入电流的无功分量和有功分量 在交流电路中，输入电压与输入电流之间的相角的余弦值决定了功率因数。当电流与电 压之间存在相位差，无论滞后还是超前，为负载提供功率的仅为与负载电压同相位的输入电 流分量。唯有纯电阻性负载，输入电压和输入电流之间才没有相位漂移，功率因数是1 。一 般而言，功率因数应尽可能的保持接近于1 ，也就是说，要使交流输入电流为正弦波并且和 正弦交流电压相位保持一致。通常将这种能够实现功率因数接近l 的方法称为功率因数校正 技术。 2 1 2 功率因数与总谐波失真系数的关系 工程中常定义所有谐波分量的有效值与基波分量有效值之比定义为总谐波失真系数( t h e t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) ，也可以用下式表示： 册= 其中，为输入电流的基波有效值，l 为n 次谐波电流有效值。 由式( 2 1 ) 与式( 2 2 ) 可得功率因数为： 可知： p f ：玉生c o s 工：生c o s x ： 巧k 1 2 y 2 h + ( t o o ) 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 因此，功率因数与总谐波失真系数之间的关系可以写成下式： 尸! f = i i c o s x = ；芒c o s x ：厂c o s 石 ( 2 5 i r 4 1 + t h d 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 由式( 2 5 ) 可知，电流波形失真系数( y ) 与总谐波失真系数( t h d ) 有关，那么功率因 数自然也会受其影响。经换算可得到上述二者的关系为： 册= f - 7 2 一- 1 c 2 回 当市电输入的电流和电压没有相位差时，即x = 0 ，c o s x = l ，那么： 即可2 赢 q j ) l 十1 n u 因此，降低谐波含量不仅仅能够减小对电网的污染，还有助于提高驱动电源的功率因数。 通常，对于商业和工业应用的电子镇流器而言，在额定输入和额定输出条件下，功率因数要 求大于0 9 。在本设计中，需要尽可能减小t h d 和输入电流、电压之间的相位差，且功率较 大，所以采用了有源功率校正。 2 2 驱动电源的功率因数校正 交流输入电流、电压相位不同或输入电流具有谐波，都将会降低功率因数，导致电能利 用率降低。输入电流分量i ；s i n x 与负载两端的电压相位垂直，不但没有向负载输出功率，还 会在输入端内部和输入电路的阻抗上消耗功率。 对于桥式整流器后直接连接电容作滤波器的电源驱动器而言，输入电流是边沿很陡的脉 冲，而且这些电流的脉冲较窄，所以电流有效值变得很高，不但消耗的功率大并且还会产生 r f i e m i 问题【3 。为了消除这些电流尖峰，使输入电流成为正弦波并且和输入电压相位一致， 就需要使用功率因数校正电路，从而得到稳定的直流输出电压，且该电压比输入电压幅值高。 由图2 3 可知，如果没有滤波电容c 0 ，直接给纯电阻负载供电，那么电压k 将是a b x c d y e f 所示的正弦半波波形。输入电流和输入电压都是正弦波且相位相同，功率因数为1 。此时输 入电压和输入电流的有效值若为k 和j ，则输入功率可表示为k ，。但这种正弦半波型的输 出电压的可应用场合很少，而桥式整流器后连接电容c o 就可以获得应用广泛且纹波较小的直 流电压，如a b c d e f 所示的波形。该纹波的峰峰值为a 、b 两点的电压差值。所有整流器二极 管在6 、c 和d 、e 期间被反偏，交流电无法通过，此时负载电流完全由电容e 维持。整流二 极管在a 、c 、p 时刻正向导通，此时输入电压大于整流二极管阴极电压，为负载供电的同时给 电容c 0 充电，以便二极管截止时维持负载所需电流。 当滤波电容选用恰当时，通过桥式整流器的电流波形如图2 3 ( b ) 下侧所示，它由一连 串的电流窄脉冲组成。脉冲宽度与滤波电容容值有关，容值越大，输入电流脉冲上升和下降 边沿越陡，峰值也越高，有效值越大。 为了消除这些又窄又陡的电流脉冲，就有必要使用功率校正电路了。因为边沿陡峭的大 电流会引起r f i 问题；而且过大的尖峰脉冲电流严重危害直流侧的滤波电容；整流二极管的 正向压降增加，导致功耗增加；e m i 滤元件因承受高峰值电流脉冲，需要提高参数指标，无 疑又增加了成本。 1 2 杭州电子科技人学硕士学位论文 匕c 图2 3 桥式整流滤波电路的电压电流波形 2 3 校正功率因数的基