（电路与系统专业论文）90w+led驱动器的设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 l e d 作为最新的照明产品，具有广阔的发展空间。由于l e d 的发光性能和使用寿命受驱 动器品质及使用环境的影响，因此需要开发高效可靠的l e d 驱动器与之配套。目前l e d 驱 动器存在效率不高、功率因数低、可靠性较差、电磁兼容不达标等问题，因此研制高效率和 高性能l e d 驱动器具有很强的实用价值。 论文在简要介绍l e d 的工作原理、电气特性和其驱动方式的基础上，深入研究了功率因 数校正电路、准谐振反激电路、恒流电路和电路的电磁干扰问题，在理论分析的基础上设计 了一款9 0 w 的l e d 驱动器。驱动器的设计选取了三级模式电路结构，前级采用临界模式升 压拓扑功率因数校正电路，中级为准谐振反激电路拓扑结构，后级为采用双运放反馈的恒流 控制部分。驱动器以恩智浦( n x p ) 公司的t e a l 7 5 1 为主控芯片，t e a l 7 5 1 将功率因数校正 控制器和反激控制器集成在一起，它的优点是集成度高，外接元件少，因而使驱动器设计的 成本低而效率高。具体完成的工作归纳如下：1 介绍了l e d 的发光原理、电特性及几种l e d 驱动电路的拓扑结构。2 分析了临界模式功率因数校正电路的基本原理，设计了功率因数校 正电路的电路参数。3 分析了准谐振反激电路的工作原理，介绍了钳位吸收电路的几种形式， 设计了准谐振反激电路的电路参数。4 分析了双运放反馈电路的基本原理，给出了用芯片 a p 4 3 1 0 做恒流反馈电路的参数设计过程。5 分析了电路的电磁干扰问题。 结合以上设计方案，本文设计了一款宽电压输入、3 6 v 2 5 a 输出的9 0 wl e d 驱动器。对 驱动器样机进行了测试，测试中驱动器工作正常，输出特性稳定，功率因数值0 9 以上，整 机效率可以达到8 7 ，e m c 测试完全符合国家电磁兼容标准。 关键词：l e d ，功率因数校正，准谐振，电磁干扰，t e a l 7 5 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h el a t e s tl i g h t i n gp r o d u c t ，l e dw i l lh a v eag r e a td e v e l o p m e n t i t sl i g h t i n gp e r f o r m a n c ea n d u s a g el i f ei si n f l u e n c e db yd r i v eq u a l i t ya n do p e r a t i n ge n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pl e ds p e c i f i cd r i v e ro fh i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yt ow o r kw i t hi t t h ec u r r e n tl e d d r i v e ri sc h a r a c t e r i z e db yl o we f f i c i e n c y , l o wp o w e rf a c t o r , l o wl i a b i l i t ya n ds u b s t a n d a r d e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , s o ，c a r r y i n go u tt h er e s e a r c ho fh i g he f f i c i e n c ya n dh i g h - p e r f o r m a n c e l e dd r i v e rh a sah i g hp r a c t i c a lv a l u e b a s e do nb r i e f l yi n t r o d u c i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed r i v e s y s t e mo fl e d ，t h i st h e s i ss t u d i e sp o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t ，t h eq u a s i - r e s o n a n tf l y b a c kc i r c u i t ， t h ec o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i ta n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo fc i r c u i t b e s i d e s ，t h i st h e s i s d e s i g n s a9 0 wl e dd r i v e rb a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i s t h ed e s i g no ft h ed r i v e rc h o o s e s t h r e e l e v e lm o d e lc i r c u i t t h ef r o n t - e n da d o p t sb o o s tt o p o l o g yp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i tu n d e r t h ec r i t i c a lm o d e ，t h em i d e n di st h eq u a s i - r e s o n a n tf l y b a c kc i r c u i tt o p o l o g ya n dt h eb a c k e n d a d o p t sc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o lo fd u a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h ed r i v e rw o u l dt a k et e a l 7 51o f n x p 鹤i t sc o n t r o lc h i p ，a n dt e a l7 51w o u l dc o m b i n ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o n t r o l l e ra n d f l y b a c kt y p es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l l e rt o g e t h e r i t sa d v a n t a g ei sh i g hi n t e g r a t i o nd e n s i t y , l e s se x t e r n a lc o m p o n e n t s ，t h u sm a k i n gp o w e rs u p p l yd e s i g nl o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y s p e c i f i c w o r k sc o m p l e t e da r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：t h ef i r s ts e c t i o ni n t r o d u c e st h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c a n dt h et o p o l o g yo fs e v e r a ll e dd r i v ec i r c u i t s t h es e c o n ds e c t i o ni n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i tu n d e rt h ec r i t i c a lm o d ea n dd e s i g n st h ec i r c u i tp a r a m e t e ro fp o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t t h e 1 i r ds e c t i o na n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fq u a s i - r e s o n a n t f l y b a c kc i r c u i t ，i n t r o d u c e s s e v e r a lf o r m so fc l a m p i n gs n u b b e rc i r c u i ta n dd e s i g n st h ec i r c u i t p a r a m e t e ro fq u 嬲i r e s o n a n tf l y b a c kc i r c u i t t h ef o u r t h s e c t i o na n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fd u a l o p e r a t i o n a la m p l i f i e rf e e d b a c kc i r c u i ta n dp r o v i d e st h ed e s i g np r o c e s so fp a r a m e t e r s ，i nw h i c ht h e c h i pa p 4 3 10i su s e dt om a k ec o n s t a n tc u r r e n tf e e d b a c k t h ef i f t hs e c t i o na n a l y z e st h e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo f c i r c u i t b a s e do nt h es a i dd e s i g np r o p o s a l s ，t h i st h e s i sd e s i g n sa9 0 wl e dd r i v e rw i t hw i d ei n p u t v o l t a g ea n dt h eo u t p u t3 6 v 2 5 a t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i ci ss t a b l e ，t h ep o w e rf a c t o ri sa b o v e0 9 ， t h eo v e r a l le f f i c i e n c yc o u l dr e a c h8 7 ，a n de m ct e s tc o m p l e t e l ym e e t st h en a t i o n a lc o m p a t i b i l i t y s t a n d a r db yt e s t i n gt h ed e v e l o p e dd r i v e rp r o t o k e yw o r d s ：l e d ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，q u a s i r e s o n a n t ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，t e a l 7 5 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 当今全球，无论是工业、农业，还是第三产业服务业，甚至是现代的高新技术产业，都 处在一个前所未有的高速发展阶段。社会的发展在提高人们生活水平、加强社会生产力的同 时，对能源( 如煤、天然气、油、核能) 的使用和需求也大幅提高，由此引发的能源消耗巨 大、环境污染和破坏等问题也越来越严重，已经引起世界范围内的广泛关注，因此节能减排 成了世界各国经济发展的要求和趋势n 1 。照明耗电是人类能源消耗的一个重要方面，照明用 电随着社会的发展已占总发电量的2 0 左右。照明用电的迅速增加，不但在发电过程中产生 大量的污染，而且还会增加大量的电力投资，牵制国民经济的发展。 众多照明产品中，白炽灯的光效仅有8 - - , 2 5 流明瓦，开发高效率的照明产品则成了人类 的共识，长寿命、高效率、高可靠性的l e d 将是未来最理想的照明产品。l e d 作为新兴的固 体照明器件，寿命长达5 1 0 万小时，它不仅耗电少、亮度高，而且体积小、抗振动，各种白 色、红色、蓝色、绿色、黄色的半导体l e d 发光二级管产品如雨后春笋纷纷问世，它的创新 技术一日千里。 目前l e d 以其冷光源、省电、耐震动、响应速度快、寿命长等特点，主要应用于信号指 示灯、装饰照明、景观照明、家居照明、汽车用灯等照明领域醢1 。我国城市很多，给指示灯 的市场提供了广阔的前景，仅在北京需要用l e d 替换的交通灯数目将近两万。l e d 照明目前 主要的应用市场是装饰照明及景观照明，在我国已经有城市采用l e d 照明产品来实现城市的 亮化：在北京奥运会、上海世博会城市建设和场馆建设中，都大量采用l e d 照明灯具。我国 有3 亿家庭，如果家居照明普遍采用l e d 照明产品，这个市场将会非常巨大。汽车用灯l e d 化也是一个大的市场，国外的高档汽车已经部分开始采用l e d 照明；随着中国摩托车、汽车 产业的迅速发展，其需要的配套产品摩托车灯及汽车灯的数量也会飞速上升。到2 0 1 1 年，据 预测，我国l e d 产业的产值可达到1 2 6 亿美元，整的l e d 与其相关的应用产业可形成3 6 0 0 亿元的产值。对于l e d 产业的火热发展我国政府也给予大力支持，政府在不断的想方设法推 动l e d 产业的发展，比如在2 0 0 9 年初科技部推出的“十城万盏”半导体照明应用示范城市 方案，虽然在初期各地反应不太好，但后来提出由财政部和科技部规划对示范城市进行财政 补贴且加码到“五十城二百万盏”。在最近的国家中长期科学和技术发展规划纲要中将 高效节能、长寿命的半导体照明产品列入“重点领域及其优先主题”的第一优先主题1 。在 各个省市对于超市、宾馆、商场等公共场合使用l e d 灯具都出台了相应的补贴政策来推动 l e d 产业的发展。 毫无疑问，l e d 照明是未来的发展方向，然而l e d 是低压驱动器件，加之对电流的要求， 杭州电子科技大学硕士学位论文 因此必须设计较复杂的变换电路，才能应用在市电供电的普通照明场合。而且不同用途的l e d 灯，需要配备不同的电源适配器。由于l e d 对驱动器在电压和电流的匹配方面要求很高，所 以驱动器的品质是l e d 长寿、高效、可靠的关键保障。相比l e d 的长寿命，l e d 驱动器成 为“木桶原理最短的那一截，l e d 理论寿命是1 0 万小时，但l e d 驱动器寿命最多也只有 3 万小时，其中电解电容的寿命严重限制了驱动器的寿命。l e d 灯具市场混乱，存在很多问 题，没有统一的标准，特别是l e d 日光灯，在一些标准中甚至没有它的定位，这使得质量检 测无从谈起。目前市场上的驱动器生产厂商较多且技术水平良莠不齐，严重影响l e d 产业的 发展引。 l e d 产业作为最新一代的光源产业正在蓬勃发展，在全球能源紧张的局势下发展l e d 产 业不仅可以缓解能源紧张的局面而且还可以提高人们的照明质量。因此，大力研究l e d 照明 技术具有深远的经济效益和社会意义。 1 2l e d 的介绍 l e d 即发光二极管，英文全称是：l i g h te m i t t i n gd i o d e ，其核心l e d 晶片附在一个支架 上，支架一端接电源正极，另一端是负极，晶片四周用透明的环氧树脂密封陆1 。环氧树脂一 方面用来保护l e d 内部芯线，另一方面是增大散热面积，为l e d 芯片散热。由于环氧树脂 是固体，所以l e d 的抗震性能非常好。晶片由p 型半导体( 空穴占主导地位) 和n 型半导 体( 电子占主导地位) 组成，这两个半导体间有一个过渡层，称为p n 结。 图1 1l e d 结构图 晶片 极杼 线架 1 2 1l e d 的发展历程 1 9 0 7 年，h e n r yj o s e p hr o u n d 观察到在碳化硅里有电致发光的现象，但其发出的光太暗， 实际应用不合适。2 0 年代晚期，在德国b e r n h a r dg u d d e n 和r o b e r tw i c h a r d 用从铜与锌硫化 物中提炼出的黄磷发光，但其发出的光依然很暗。1 9 3 6 年，g e o r g ed e s t i a u 出版了一篇有关 硫化锌粉末能发射光的报告，随着对电流的广泛认识，出现了术语“电致发光 1 。1 9 6 4 年 在美国通用电气( g e ) 、孟山都( m o n s a n t o ) 和国际商用机器( i b m ) 公司的联合研发实验 室用磷砷化镓成功研制了发红光的l e d ，使得l e d 走到应用层面。1 9 6 8 年人们利用氮掺杂 工艺使l e d 的发光效率有了突破性进展，达到1 流明瓦并且可以发出红橙黄三种光。7 0 年 代中期引入元素氮及铟，l e d 可以产生黄、绿及橙色光，发光效率约为1 流明瓦。8 0 年代 初，出现了砷铝化镓( g a a l a s ) 的l e d 光源，红色l e d 的发光效率可以达到1 0 流明瓦， 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 l e d 开始在指示领域大量应用。9 0 年代初，随着镓铝铟磷( g a a i i n p ) 和氮铟镓( g a i n n ) 两种材料的成功开发，l e d 的光效得到大幅提高。2 0 0 0 年，g a a i i n p 做成的l e d 在红、橙 区的发光效率达到1 0 0 流明瓦，g a i n n 做成的l e d 在绿区的发光效率可以达到5 0 流明瓦。 近年来，随着新材料的开发和制造工艺的不断进步，出现了超高亮度l e d ，l e d 开始在高效 照明领域应用。超高亮度l e d 将是继白炽灯后，人类又一伟大的发明。 1 2 2l e d 的发光原理 l e d 的发光晶片是由元素周期表里i i i 、族元素( 如g a 、a s 、p ) 化合制成的半导体材 料，其核心是由这些半导体材料构成的p n 结。因此它也具有一般二极管p n 结的伏安特性， 即正向导通、反向截止和击穿特性。但构成l e d 晶片的p n 结还有一个更重要的特点，就是 它能在一定的条件下发光。 n 区结区 p 区 图1 2 l e d 的发光原理图 l e d 的发光原理如图1 2 所示。当p n 结加正向电压时，两区多数载流子向对方扩散， 进入对方区域的少子与多子复合就会发出光。由于电子的能量状态是不连续的，晶体的能带 分为价带、禁带和导带。被原子束缚的电子处在低能量状态称为价带；自由电子处在高能量 状态称为导带；具有晶体对称性的材料通常在价带和导带之间不存在电子状态称为禁带。实 践证明光的波长九与禁带宽度e g ( 单位为电子伏特e v ) 有关口1 ： 五= 1 2 4 0 e 。( n m ) ( 1 1 ) 若产生可见光，则波长应在3 8 0 n m ( 紫光) 7 6 0 n m ( g e 光) 之间，代入式( 1 1 ) 禁带宽 度应在3 2 6 e v , - , 1 6 3 e v 问。现在市场上有红、黄、绿及蓝光l e d ，但蓝光l e d 价格较高【8 】。 1 3l e d 的电特性 ( 1 ) 伏安特性 l e d 本质上来说也是二极管，只不过它会发光。它的一些电学特性和普通的二极管基本 一样，包括正向电压、正向电流、反向电流、反向击穿电压、结电容等。它的伏安特性曲线 分为四个工作区间：正向工作区、正向死区、反向死区和击穿区，如图1 3 所示。不同种类 的l e d ，甚至是同一批次的l e d 的伏安特性曲线都不同。在正向区电压较小的时候外部电压 不足以克服内部电场，扩散运动处在受抑制状态正向电流很小。随着电压的增大外部电压克 服内部电场，扩散运动活跃，正向电流迅速增加，其正向电流值可表示为： 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 q vf if = i s ( e n k t 一1 ) ( 1 2 ) 其中i s 为反向饱和电流：q 为电子所带的电荷量；k 为波尔兹曼常数；t 为热力学温度， 即单位为k ；n 取常数。当正向电压为零点几伏时指数项远远大于1 ，l e d 的正向工作电流 i f 与正向工作电压v f 成指数规律上升，如图1 4 所示。 ijl l f一 ： i 形 m i i _liilio- 以iii v g ，一 一一iv f v 旨穿区 反向 一汪向一： i l z f 司 ； 死区 一死区i 工作区 ：| ： i r 图1 3l e d 的伏安特性曲线 v t u m o nv f 图1 4l e d 的正向伏安特性曲线 ( 2 ) 响应时间 l e d 响应时间是指从l e d 有电流流过到发出光所需要的时间，是标志l e d 反应速度的 一个重要参数1 。l e d 的发光时间是指有电流流过l e d 开始到发光强度达到预期值的9 0 所 需要的时间，l e d 熄灭时间是指l e d 从正常发光状态到亮度减小到正常值的1 0 所需要的 时间。其响应时间图如图1 5 所示。 相l 对 亮 度 图1 5l e d 的响应时间 1 4l e d 驱动电路 根据l e d 正向伏安特性曲线图1 4 可以看出，如果l e d 采用普通的恒压源驱动，电压稍 有变动，电流变化很大，很容易出现过流现象而烧毁l e d 。再者l e d 的电流直接影响光参数， 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 电流的变化导致光参数远离预定值，所以l e d 需要采用恒流方式进行驱动。l e d 本身过热会 增加光衰并且有永久性损坏的可能性，所以l e d 驱动器要随时检测l e d 本身温度，在温度 达到上限之前切断供电电源保护l e d 。驱动器本身要有限压功能，在输出开路情况下输出端 电压不能无限高，其限压值应低于l e d 所能承受的反向电压值，防止驱动器输出端反接情况 下击穿l e d 。在一些需要调光的场合要求驱动器可以调节输出电流以实现调光阳1 。 1 4 1l e d 的驱动方案 电源给l e d 供电有四种驱动方式：低压驱动、高压驱动、过渡电压驱动和市电驱动n0 l 。 ( 1 ) 低压驱动：用低于l e d 正向导通管压降的电压值给l e d 供电。节能台灯、l e d 手 电简、l e d 应急灯等低功耗照明器件，就是使用低压驱动。低压驱动l e d 需要把供电电压提 高到使l e d 充分导通的电压值，有可能需要5 号电池配合工作。受单节电池容量和体积的限 制，一般低压驱动不需要较大的功率，但变换效率必须较高，成本要最低。 ( 2 ) 高压驱动：用高于l e d 正向导通管压降的电压值给l e d 供电。机动车的灯光系统、 太阳能庭院灯、太阳能草坪灯就是使用高压驱动。高压驱动工作电路需要对供电电压进行降 压。高压驱动一般是由蓄电池供电，所以需要较大的功率。 ( 3 ) 过渡电压驱动：用在l e d 正向导通管压降附近变动的电压值来驱动l e d 。过渡电 压驱动工作电路需要解决升压及降压问题，有可能需要锂电池配合工作。受锂电池容量和体 积的限制，也要求体积尽可能小及成本尽量低。 ( 4 ) 市电驱动：市电驱动是l e d 照明应用中最有价值的供电方式。市电驱动l e d 要解 决降压、整流，高变换效率，小体积，低成本，安全隔离，电磁干扰及功率因数等问题。 1 4 2l e d 的驱动形式 l e d 的驱动按其驱动方式可恒流驱动和恒压驱动n 。 ( 1 ) 恒流驱动：恒流驱动器输出的电流是恒定的。恒流驱动是驱动l e d 的理想方式， 它能保证每个l e d 亮度、色度的一致，并能有效控制输出电流值。恒流电路一般严禁负载完 全开路，但实际使用的l e d 恒流驱动电路一般均具有反馈调节功能来限压恒流。因此，即便 负载完全开路也不会对驱动器造成影响。 如图1 6 所示，如果设置i r 在2 0 m a ，波动时就可能会大于2 0 m a ，这对l e d 的工作效 率和寿命都有影响。所以设置在1 7 1 8 m a 时，不会对亮度产生影响，而且对提高l e d 的工 作效率与寿命很有好处。 b r。s 厂d 气 d 3 厂1 i6 0 m a l 图1 6 l e d 的恒流驱动( 串联)图1 7 l e d 的恒流驱动( 并联) 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 如图1 7 所示，i r 供应恒定电流6 0 m a ，但通过d l 、d 2 、d 3 的电流都不是恒定电流，要 根据三只l e d 的正向电压和伏安特性来判断具体的电流大小。 如果经过挑选测试，三只l e d 的伏安特性一样，那么有可能保证每只l e d 的通过电流 都是2 0m a 。但如果伏安特性不一样，就可能在工作一段时间后，流经各l e d 的电流差异越 来越大，最终导致l e d 连续损坏。所以采用恒定电流驱动的时候，多个l e d 串联排列有利 于利用。 ( 2 ) 恒压驱动：恒压驱动器的输出电压是固定的。用恒压方式驱动l e d ，为了保证亮 度的均匀，必须要在每串l e d 上串联限流电阻。这种驱动方式通常应用在小功率的l e d 模 组方面，不适合中高功率应用。而且这种驱动方式的效率也不高，功耗比较大。l e d 的恒压 源串联驱动如图1 8 所示。 选用恒压源驱动时，v c c 值不变，当d l 、d 2 、d 3 通电工作，刚开始d l 、d 2 、d 3 的正向 压降都会下降( 约降0 2 0 3 v ) 。如果不串接一电阻，d 卜d 2 、d 3 的电压会降0 9 v ，导致流 过l e d 的电流变大并超过2 0 m a ，这时l e d 的p n 结会发热，温度升高，会影响其光效与使 用寿命。串联电阻r 后，若电流变大，r 两端的压降会变大，可以控制电流不会增大过多， 以确保不会因为电流无限增大而使l e d 温度升高并损坏。这个保护电阻的大小由式( 1 , 3 ) 决定t r = ( v c c 一3 o 3 ) i = ( v c c 一9 ) 2 0 ( 1 3 )、 rd 1d 2d 3 图1 8l e d 的恒定电压源串联驱动图1 9l e d 的恒定电压源并联驱动 如图1 9 所示，v c c 是恒定电压源，三只l e d ( d l 、d 2 、d 3 ) 分别与v c c 并联。根据三 只l e d 的伏安特性，选定r l 、r 2 、r 3 ，这三个电阻的阻值由式( 1 4 ) 求出t r l = ( k v d 。) i d 。( 1 4 ) 式中，v d l 为d l 的正向电压；i d l 为d l 的正向电流。如果正向电流选定为2 0 m a ，正向 电压为3 v ，那么i d i = 2 0 m a ，r l 就可以求出，其他的电阻r 2 和r 3 也可以根据这个公式求得。 1 4 3l e d 的连接方式 目前应用比较广泛的l e d 连接形式主要有：串联、并联、串联并联组合、交叉阵列等n 列。 ( 1 ) l e d 串联连接：l e d 串联就是将多个l e d 的正极对负极连接成串，工作时流过 l e d 的电流相等。虽然l e d 在生产过程中产生的个体差异和批次差异的问题，导致串联电路 中每个l e d 的正向压降可能有微小的差异，但l e d 是电流型器件，因此能保持l e d 的亮度 基本一致。但当其中一个l e d 开路，将造成剩下的l e d 不再工作，影响了驱动电路的可靠 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 性，在l e d 的大量应用时不宜采用串联连接n 。l e d 串联连接如图1 1 0 所示。 图1 1 0 l e d 串联电路图1 1 ll e d 并联电路 ( 2 ) l e d 并联：l e d 并联就是将多个l e d 的正极与正极、负极与负极并联连接，每个 l e d 的工作电压一样。从图1 4 可以看出，l e d 的正向电压的微小变化，都会引起工作电流 的较大变化。此外不同l e d 可能会因为散热条件的差别，引起工作电流的变化，若不能及时 散热，会造成l e d 工作电流上升，而工作电流上升又会加剧l e d 的温升，如此恶性循环会 导致l e d 因电流过大、温度过高寿命锐减，甚至损坏n 引。l e d 并联连接电路简单，但可靠性 不高，在l e d 数量较多应用时也不宜采用。l e d 并联连接如图1 1 1 所示。 ( 3 ) l e d 串并联：在使用数量较多的l e d 产品中，如果串联所有的l e d ，则要求驱动 器输出较高的电压；如果并联所有的l e d ，则要求驱动器输出较大的电流。无论是串联还是 并联，都会限制l e d 的使用量，而且故障率也较高，难维护n 5 1 。最好的解决办法是采用混联 方式，其中典型的混联方式主要有两种：先串联后并联和先并联后串联，如图1 1 2 所示。串 并联的l e d 连接比l e d 串( 并) 联连接提高了电路的可靠性，结构简单、连接方便、效率 高。 。囊： 专， d 1 n d 幺n ( a ) l e d 先串联后并联( b ) l e d 先并联后串联 图1 1 2 l e d 串并联 ( 4 ) l e d 交叉阵列 交叉阵列形式是为了提高可靠性，降低熄灯几率。主要结构形式是：每串以若干个l e d 7 磁 踢 杭州电子科技大学硕士学位论文 为一组，其共同输入电流来源于a 、b 、c 串，输出也同样分别连接至a 、b 、c 串。这种交叉 连接方式的目的是，即使个别l e d 开路或短路，也不会造成发光组件整体失效，这种连接方 式大大提高了每组l e d 工作的可靠性。l e d 交叉阵列如图1 1 3 所示。 v 针 ii d l a - i 、 ，d l a - 21 卜一o - 1 li 匕p 13 警2 爿i 心 i l 匕d m a - i 、 咿2 爿 i 潦 一 心 l 。v b 十 il 匕p 肛l3 2 1 睨j l 心溥l l 守爿 匕p 1 1 i 心 i 守爿 匕咻1 弋 n 一 v b v c + - l l 艮纠) 2 t 越爿 心 i i i 繁a 掣爿 心i ll 譬。1 寻 p d 心 i 图i 1 3l e d 交叉阵列 1 5l e d 驱动器发展现状 随着发光晶片结温的升高，l e d 正向压降会变小，离散性会变大，其电学参数也不稳定。 因此，l e d 对与之匹配的驱动器提出了严格的要求：性能好、效率高、成本低、体积小、寿 命长、可靠性高等，性能好的驱动器是保证l e d 发光品质及整体性能的关键，根据l e d 电 学特性，驱动器一般采用恒流方式来驱动l e d 发光阵列，恒流驱动常用的方法有电阻限流、 电容式电荷泵、线性控制调节、开关变换器控制等副。从l e d 驱动器供电方式可以将驱动器 分成直流直流和交流直流两类。直湔直流驱动器一般由蓄电池、稳压源供电，主要应用于 便携式电子产品，汽车等设备；交流直流驱动器直接由交流市电供电，现阶段主要用于装饰、 交通信号灯、路灯、景观、大屏幕液晶背光照明等领域，家用照明、装饰灯也开始量产。目 前国内大功率l e d 驱动器的效率一般在9 0 左右，像台达、铭伟、英飞特、茂硕等一些大的 厂商效率做到9 0 以上的产品不在少数，而其他一些较小的厂商一般都做到8 5 - - 9 0 之间。 有很多产品是通过提高输出电压来减小输出电流从而提高效率的n 引。 近几年，l e d 驱动器发展迅速，但市场上现有的l e d 驱动器存在问题较多，其稳定性差， 寿命难于跟光源匹配，电磁干扰问题严重，电流总谐波较大。据不完全统计，当今l e d 灯具 产品所产生的故障8 0 左右来自于驱动器，这几年l e d 光源产品封装技术的不断提高和散热 技术的不断发展，光源的稳定性已经达到比较好的水平，相对来说驱动器的故障问题要严重 的多n 8 1 。因此，研制高效、可靠、寿命长的驱动器对l e d 照明的推广具有现实意义。 1 6 设计指标 要最大程度的发挥l e d 的高发光效率和长寿命，必须采用恒流驱动。本课题设计的驱动 器输入有功功率大于2 5 w ，因此必须要进行功率因数校正，以此来降低总谐波失真。所以本 课题要设计的9 0 wl e d 驱动器的具体参数和要求如下： 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 宽输入电压：9 0 , - , 2 6 5 v ； 2 输出功率：9 0 w ； 3 输出电压和电流：3 6 v ，2 5 a ，限压、恒流输出； 4 效率：幢8 5 ； 5 输出电压精度：士1 0 ； 6 输出电流精度：士2 0 m a ； 7 功率因数：p f _ 0 9 ； 8 原、副边隔离； 9 符合e m c 要求以及安规要求； 1 0 满足i p 防护等级。 1 7 论文的主要研究内容 本课题通过介绍l e d 的发展历史和电特性以及l e d 的驱动电路的基本拓扑结构，设计 了一款9 0 w 的l e d 驱动器，研究的内容主要包括： 第一章介绍了l e d 发展历史、发光原理、一些相关特性以及驱动电路的方式。 第二章分析比较了现有几种l e d 驱动器的电路拓扑结构，通过对各种拓扑结构的分析和 比较确定本课题的电路拓扑方案。 第三章设计了电路的主体部分，确定了电路关键部分的参数，对电路反馈环路部分作了 详细介绍，给出了设计结果。 第四章阐述了驱动器的电磁干扰问题。 第五章给出了样机的整体图片和测试结果，简要分析了测试波形。 第六章总结了本课题所作的工作，对未完成的工作做了进一步的分析和展望。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章l e d 驱动电路的基本拓扑结构 进行任何开关电源的设计之前，首先要选择合适的电路拓扑结构，这是进行开关电源设 计之前必须要做的也是非常关键的一步n 引。l e d 驱动电路一般是交流输入直流输出，但其核 心单元是直流输入直流输出( d c d c ) 转换电路。d c d c 转换电路将功率因数校正电路的直 流输出电压转换成需要的直流电压，其拓扑结构有很多种，本章将介绍几种常用的d c d c 电 路拓扑结构，分析这几种拓扑的工作原理，其他很多种拓扑结构都可以在这几种拓扑结构基 础上作变换。 2 1 反激式变换器 反激式变换器也称回扫式变换器，是l e d 驱动电路中最基本的一个拓扑结构，常应用在 1 0 0 w 以下的l e d 驱动电路中。凡是在功率开关管截止期间向负载输出能量的变换器统称为 反激式变换器n 引，它是降压升压式变换器的一个隔离版本，如图2 1 所示。 t 图2 1 反激式变换器的原理图 2 1 1 基本工作原理 图2 1 中u i 为输入的直流电压，u o 为输出的直流电压，t 为高频变压器，n p 为变压器的 一次绕组，n s 为变压器二次绕组。q 为功率开关管，其栅极接脉宽宽度调制信号( p w m ) ，p w m 信号控制开关管的导通与关断。d 为输出整流二极管，c o 为输出滤波电容。当功率开关管q 导通时，输入电压加在励磁电感上，一次侧有电流流过并逐渐增大，能量存储在励磁电感中。 由于高频变压器的同名端相反，输出电压u o 的极性上负下正，输出整流二极管d 反向截止， 电容c o 向负载提供能量；当功率开关管q 关断时，由于励磁电感电流不能突变，根据电磁感 应定理，会在变压器的二次绕组上感应出上正下负的电压，输出整流二极管d 正向导通，此 时储存在一次绕组中的能量传递到二次侧，其中一部分能量直接供给负载，另一部分能量给 电容c o 充电。通过控制开关管的导通与关断，可维持输出电压基本恒定。 2 1 2 反激式变换器的工作模式 反激式变换器的工作模式由变压器的初级电感和输出负载电流决定，有连续工作模式 l o 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( c c m ) 和断续工作模式( d c m ) 两种啪1 。 在功率开关管再次导通前，二次绕组仍然维持有电流，这种工作模式称为连续工作模式。 在功率开关管再次导通之前，二次绕组电流下降到零，变压器初级电感储存的能量在功率开 关管再次导通之前已全部传递到负载端，这种工作模式称为断续工作模式。两种工作模式下 变换器的电流波形如图2 2 、2 3 所示。p w m 为脉宽调制波形，i p 为变压器一次侧电流，i s 为 变压器二次侧电流，t 为开关管导通时间，t 为开关周期。 p i p i s p w ，p 刀 卅卅 图2 2c c模式下变换器工作时的电流波形图模式下变换器工作时的电流波形 2 1 3 反激式变m 换器的特点 2 3d c m ( 1 ) 当功率开关管q 导通时，变压器存储能量，当功率开关管q 截止时，变压器释放 能量给二次侧。所以反激式变换器的高频功率变压器不仅起到输入输出隔离的作用，而且还 兼备储能电感的作用。 ( 2 ) 变压器绕组的极性及输出整流二极管的接法决定了输出电压是正是负。 ( 3 ) 变压器的匝数比决定了输出电压是高于或低于输入电压。 ( 4 ) 不需要滤波电感，电路简单。使用的元器件数量也比较少，成本低，能达到较高的 电源转换效率。 2 2 正激式变换器 正激式变换器是在功率开关管导通期间向负载输出能量的一类变换器，通常应用在输出 功率比较大的场合，它是降压式变换器的一个隔离版本，如图2 4 所示乜。 u it l厂i p 辛。 2 n s 1 图2 4 正激式变换器的原理图 l l 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 1 正激式变换器的工作原理 图2 4 中u i 为输入的直流电压，u o 为输出的直流电压，t 为高频变压器，n p 为变压器一 次绕组，n s 为变压器二次绕组，q 为功率开关管m o s f e t ，d j 为输出整流二极管，d 2 为续 流二极管，l 为具有储存电能作用的滤波电感，c o 为输出电容。当功率开关管导通时，由于 正激式变换器高频变压器的同名端相同，d 1 导通，除向负载供电外，还有一部分能量储存在 l 和c o 中，此时d 2 截止；当功率开关管关断时，d l 截止，d 2 导通，储存在l 和c o 中的电 能通过由d 2 构成的回路继续向负载供电，维持输出电压基本恒定。 正激式变换器的电流波形如图2 5 所示，p w m 为脉宽调制波形，i p 为变压器一次侧电流， i s 为变压器二次侧电流，i f 为整流二极管的正向电流，t 为开关管导通时间，t 为开关周期。 p 图2 5 正激式变换器工作时的电流波形 2 2 2 正激式变换器的特点 ( 1 ) 当功率开关管导通时变压器传送能量，变压器基本不存储能量。 ( 2 ) 电感l 除了具有滤波作用，还能储能，因此l 也称为储能电感。 ( 3 ) 正激式变换器适合大电流低压输出场合。 ( 4 ) 由于变压器基本不储存能量，一次绕组必须要有足够大的电感量，以便减小励磁电 流，这样可以减少尖峰电压吸收回路的能量消耗。当正激式变换器初级电感量较小时，通 常需要加一个复位绕组，复位绕组电流使变压器磁芯去磁，故复位绕组也称为去磁绕组。励 磁电流下降到零时，磁芯复位到原始磁状态，以利下一开关周期磁芯重复励磁。若无磁复位 措施，几个开关周期后，磁芯不断被励磁，逐渐进入饱和状态，变换器不能正常工作。 2 3 推挽式变换器 推挽式变换器实际上属于正激式变换器，电路由两只交替导通的功率开关管实现转换的， 如图2 6 所示。 1 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 6 推挽式变换器的原理图 2 3 1 推挽式变换器的工作原理 图2 6 中u i 为输入的直流电压，u o 为输出的直流电压。t 为高频变压器，两个绕组都有 中心抽头。v t l 和v t 2 为功率开关管，d 1 和d 2 为输出整流二极管，l 为输出滤波电感，c o 为滤波电容，p w m 产生两路控制信号s l 和s 2 分别控制两个功率开关管，使其交替工作。当 s l 为高电平、s 2 为低电平时，v t l 导通，上半部分的一次绕组的电压极性是上负下正。由于 高频变压器的同名端相同，下半部分的二次绕组电压极性是上负下正，d 2 导通，d 1 反向截 止，此时二次侧电流通过d 2 给滤波电容c o 及负载供电。反之，当s 2 为高电平、s 1 为低电 平时，二次侧电流通过d 1 给滤波电容及负载供电。 推挽式变换器的电流波形如图2 7 所示，其中i c l 为v t l 集电极电流，i f 为整流二极管的 正向电流，i l 为滤波电感电流。 p - 卜th 一 。 i 二，一 一 i r _ 。 一 ： ii r 。， 图2 7 推挽式变换器工作时的电流波形 2 3 2 推挽式变换器的特点 ( 1 ) 设计多个二次绕组能产生多路输出电压( 可正可负) 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 变压器的磁芯很容易饱和，因此要求功率开关管1 、v r r 2 的开关时间要严格一 致，这很难达到，所以很少采用推挽式电路。 2 4 半桥式变换器 半桥式变换器是在推挽式变换器的基础上构成的，它用两只功率开关管构成半桥，适合 输出功率为1 0 0 w 一5 0 0 w 的隔离式开关电源。半桥式变换器的原理图如图所示