（电路与系统专业论文）有源钳位正激式LED路灯驱动电源的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 节能环保是当今社会发展的客观要求。l e d 作为一种绿色照明光源，近年来在各行 各业中得以快速发展，l e d 驱动电源也成为关注的热点。通常，驱动电源根据l e d 的使 用条件、使用需求和使用功能不同，种类也是多种多样的。本文中驱动对象是大电流串 联连接的l e d 路灯，因此，需要设计一款输出电流、功率足够大的离线式( a c d c ) 开 关电源。同时，为了实现l e d 节能的优点，要求电源具有较高的转换效率。基于此，本 文采用有源钳位正激式拓扑结构，设计了一款用于l e d 路灯驱动的高效率开关电源。这 种拓扑结构能够实现零电压软开关工作模式，减小开关器件的损耗。同时，本文还采用 了小型、高效率、低电磁辐射的平面变压器来辅助提高开关电源的效率，进而达到设计 一款高效率的l e d 路灯驱动电源的目标。 首先，分析了l e d 光源的各种连接、驱动方式，确定采用有源钳位正激式拓扑结构 来进行设计；其次，在对有源钳位正激变换器工作原理分析的基础上，设计了电源的主 电路、控制电路和反馈电路，并对电路中器件参数进行计算确定；然后，使用p s p i c e 仿真软件对电路进行了器件建模和开环、闭环仿真和扰动仿真，并通过仿真分析最终确 定了电源电路的可行性；最后，设计了p c b 板图、制作出电源样机并进行测试。通过对 样机进行一系列的测试，结果表明：电源基本能够满足设计要求；有源钳位正激式拓扑 结构能够有效的提高电源效率。 关键词：l e d 驱动；开关电源；有源钳位正激；p s p i c e 仿真 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no fa c t i v ec l a m pf o r w a r d t y p ed r i v e rp o w e rs u p p l yo fl e ds t r e e t l a m p a b s t r a c t e n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i sa l l o b j e c t i v er e q u i r e m e n t f o r t h e d e v e l o p m e n to ft o d a y ss o c i e t y a sag r e e nl i g h ts o u r c e ，l e di sr a p i dd e v e l o p e di na l lw a l k s o fl i f ei nr e c e n ty e a r s l e dl i g h t i n g - d r i v e np o w e rb e c o m e st h ef o c u so fa t t e n t i o n t y p i c a l l y , a c c o r d i n gt oc o n d i t i o n s ，d e m a n d sa n df u n c t i o n s ，t h et y p eo fd r i v ep o w e ra r ev a r i e d t h e r e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e ri sh i g h - c u r r e n ts e r i e s - c o n n e c t e dl e dl a m p s t h e r e f o r e ，ah i g h o u t p u tc u r r e n ta n dl a r g ep o w e rs u p p l yw i t ho f f - l i n e ( a c - d c ) s w i t c h i n gi sn e e d e d a tt h e s a m et i m e , i no r d e rt oa c h i e v et h ea d v a n t a g e so fl e de n e r g y - s a v i n g , h i g hp o w e rc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yi sa l s or e q u i r e d f o rt h i sr e a s o n , t h i sp a p e rd e s i g n sah i g h e f f i c i e n c yl e dl i g h t s p o w e r e ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw i t ha na c t i v e - c l a m pf o r w a r dt o p o l o g y t h i st o p o l o g yc a l l a c h i e v ez e r o - v o l t a g es o f t s w i t c h i n go p e r a t i o nm o d e ，r e d u c i n gt h el o s so fs w i t c h i n gd e v i c e s a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt od e s i g nah i g he f f i c i e n c yl e dl a m pd r i v ep o w e r , t h i sp a p e ra l s o u s e sac o m p a c t ，h i g he f f i c i e n c y , l o we l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np l a n a rt r a n s f o r m e rt oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c ys u b s i d i a r y f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h el e dl i g h ts o u r c ew i n lav a r i e t yo fc o n n e c t i o n s ，d r i v i n g m e t h o da n dd e t e r m i n e st om a k eu s eo fa c t i v e - c l a m pf o r w a r d t y p et o p o l o g yf o rt h ed e s i g n s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ea c t i v e - c l a m pf o r w a r dc o n v e r t e r ，t h em a i nc i r c u i t p o w e rs u p p l y , c o n t r o lc i r c u i ta n df e e d b a c kc i r c u i ta r ed e s i g n e d m e a n w h i l e ，t h ep a r a m e t e r so f t h ec k c m ta r ec a l c u l a t e d t h i r d l y , w i t ht h eu s a g eo fp s p i e ec i r c m ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h e d e v i c em o d e l i i l g ，o p e n - l o o p ，c l o s e d - l o o pa n dp e r t u r b a t i o ns i m u l a t i o na r eg i v e n , a n di t i s d e t e r m i n e dt h a tt h ed e s i g no ft h ep o w e rs u p p l yc i r c u i ti sf e a s i b i l i t yb yt h es i m u l a t i o na n a l y s i s o ft h ec i r c u i t f i n a l l y , t h ep c bb o a r di sp r o d u c e da n dt h et e s to ft h eb o a r dh a sb e e nd o n e t h r o u g hal o to f t e s ti nt h ep r o t o t y p e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e rs u p p l yc a nb a s i c a l l y m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o di nt h i sp a p e ri n d i c a t e st h a tt h e a c t i v ec l a m pf o r w a r dt o p o l o g yc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep o w e re f f i c i e n c y k e yw o r d s ：l e dd d v i n g ；s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；a c t i v ec l a m pf o r w a r d ； p s p l c es i m u l a t i o n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：刍巡焦垂激忒比坠盎塑塑麴垃幽潋 作者签名：鱼丛生 日期： 2 鲤!年垃月j 生日 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 作者签名 导师签名 日期：趔旦年陛月j 生日 日期：厶哆年2 月z 1 日 大连理工大学硕士学位论文 己i 吉 】l目 目前，随着能源问题的进一步加深，节能已经成为了全世界共同关注的话题。在人 类生活中，用于照明的能源消耗是必不可少的。然而，在一般家庭中所广泛使用的白炽 灯，荧光灯等照明设备的效率通常都很低，它们所消耗的能源中真正用于照明的部分相 当少，这就造成了能源的极大浪费，因此人们开始不断的寻找绿色节能的照明光源，l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，发光二极管) 就是这样一种光源，通过半导体p n 结将电能 转换成可供人们使用的光能，并发出很少的热量，不像白炽灯那样浪费太多热量，也不 像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体，而且还具有较长的寿命。目前，l e d 已被 公认为新一代环保型高科技光源。 l e d 自1 9 6 8 年进入市场以来，随着新材料的开发和工艺的不断改进，逐渐趋于高 亮度化和全色化，使得l e d 的应用领域也在逐渐扩大。目前，l e d 的主要应用领域包 括建筑物外观照明、景观照明、标识与指示性照明、室内照明、视频屏幕、仪器仪表等 f 1 1 。随着l e d 的应用越来越广泛，l e d 的驱动方式的种类也是多种多样的。传统的l e d 光源通常可采用电阻限流、线性调节器、开关电源等驱动方式。本文中要求电源的驱动 对象为大电流串联的l e d 路灯，由于前两种驱动方式只适用于效率要求低，光色要求 不高的非照明系统，因此应选择开关电源作为l e d 路灯的驱动电源。这种驱动电源是 目前效率最高的能量变换方式，特别适用于路灯等大功率l e d 照明设备的驱动电源。 在我国，开关电源的研究起源于7 0 年代末期。到8 0 年代中期，当时的开关电源产 品频率还不到2 0k h z ，其效率只能达到6 0 - 。7 0 。经过后来2 0 多年的不断发展以及新 型功率器件的研发，使用功率m o s f e t 和i g b t 等高速功率器件能够使开关电源工作频 率达到1m h z ( d c d c ) 。近年来，随着软开关技术、平面变压器、同步整流技术等的出 现，实现了开关电源的高频化和小型化，不仅减少了电源的体积和重量，而且能够提高 开关电源的效率仁j 。 目前，开关电源的发展方向可概括为： ( 1 ) 提高开关电源频率，也是减小体积的重要途径。 ( 2 ) 减小变压器、电感、电容体积，以使开关电源小型化。 ( 3 ) 减少电路热能消耗，提高开关电源效率，实现高功率密度【3 】。 ( 4 ) 利用计算机软件对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板以及 可靠性等进行辅助设计，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关 电源具有最佳电路结构与最佳工作状况【4 】。 有源钳位正激式l e d 路灯驱动电源的设计 开关电源变换器拓扑结构根据是否含有变压器分为隔离型和非隔离型两种，其中非 隔离型开关电源分为降压、升压、升降压等类型，而隔离型开关电源又可分为正激式、 反激式、推挽式、半桥式、全桥式等类型。 。 在隔离型变换器中，正激式变换器由于拓扑的简单性，在中小功率电源中的应用相 当广泛。尽管传统的正激变换器有诸多优点，如电路结构简单、元件数量少、输出纹波 小等；但它也有缺点，如晶体管的工作方式为硬开关，导致开关频率难以提高。同时还 需要磁复位电路，且磁芯只工作在第一象限。目前，开关电源的发展方向为高频率、高 功率密度和高效率，传统的正激式变换器很难适应这一发展趋势。因此，必须找到一种 新型的拓扑结构，有源钳位正激变换器能够很好的实现软开关和磁芯自动复位等功能， 实现电源的高效率【5 1 。 本文的主要工作和论文结构： 本课题设计了一款采用有源钳位正激式拓扑结构的高效率的l e d 路灯驱动电源， 其性能指标如下： 。 输入电压：a c 2 2 0 1 0 v 输出电压：d c l 0 0 v 输出电流：0 6 a 输出功率：6 0 w 效率：i 9 0 输出电压纹波：5 v 输出电流纹波：0 0 6 2 a 开关频率：1 5 0 k h z 主要研究工作包括：电路设计，元器件参数计算及选择，p c b 板图绘制，电路仿真 和样机实现与测试。主要分为以下几个章节： 第一章：l e d 基本工作原理及驱动方法。主要介绍了l e d 的发光原理，伏安特性 以及l e d 的不同驱动电路等。 第二章：开关电源变换器的基本电路。简要介绍各种变换器工作原理和应用范围， 并从中选择有源钳位正激变换器为电源的拓扑结构。 第三章：电源主要电路的设计。介绍了有源钳位正激变换器的工作原理并对电路中 各元器件参数进行计算及选择，同时还介绍了控制电路，m o s f e t 驱动电路和反馈电路 的设计原理，并且论文中还对有源钳位正激变换器进行了小信号模型分析。 大连理工大学硕十学位论文 第四章：电源电路仿真分析。主要给出了电源的开环、闭环和扰动仿真电路图以及 相关仿真波形图，并根据波形图对电源工作稳定性进行分析同时根据分析结果对电源参 数进行优化。 。 第五章：电源测试结果分析。给出了电源测试过程中得到的数据及各点波形图，并 根据数据和波形图对电源的工作情况进行分析，并分析了电路的改进方法。 有源钳位正激式l e d 路灯驱动电源的设计 1l e d 基本工作原理及驱动方法 1 1 l e d 发光原理 l e d 是由p 型和n 型半导体组成的二极管。它的发光过程包括3 部分：正向偏压 下的载流子注入、复合辐射和光能传输。当加上正向偏压时，在外电场作用下，电子和 空穴分别注入p 区和n 区，构成少数载流子的注入，从而在p n 结附近产生非平衡少数 载流子与多数载流子的复合，此时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能( 如 图1 1 所示) 。电子和空穴之间的能量越大，产生的光子能量就越高【6 】。 图1 1l e d 发光原理示意图 f i g 1 1 l e di l l u m i n a t i o np r i n c i p l es c h e m a t i cd r a w i n g 1 2l e d 伏安特性 由于l e d 的核心是p n 结，因此，l e d 具有一般p n 结的伏安特性。当加在l e d 两端的电压小于阈值电压时，l e d 中电流较小或没有电流流过；当大于阈值电压时， l e d 中电流将随电压增大而急剧增大。其发光亮度可以通过工作电流大小来调节，在很 宽的工作电流范围内，工作电流与工作电压近似成线性关系【_ 7 1 ，如图1 2 所示。l e d 伏 安特性曲线可分为四个区域： 大连理! r 大学硕士学位论文 图1 2l e d 伏安特性曲线 f i g 1 2 c u r v eo f l e dv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c ( 1 ) 正向死区( 图1 2 中的o a 段) 。a 点电压为阈值电压，当v v a 时，外 加电场尚未克服少数载流子扩散而形成势垒电场，此时l e d 正向电阻值很大。该阈值 电压对于不同的l e d 值不同。 ( 2 ) 正向工作区( 图1 2 中的a b 段) 。工作电流易与外加电压的关系式： q r _ _ k f = 0 肼- 1 ) ( 1 1 ) 式中：尽为反向饱和电流。在胗乃的正向工作区，后随琢的增大呈指数规律上升。 正向工作电流后是指l e d 正常发光时的正向电流值，在实际使用中应根据需要选 择历在0 6 ( 为正向工作电流最大值) 以下。正向工作电压吩一般是在1 f = 2 0 m a 时测得。l e d 的正向工作电压为1 4 3 v 。 根据伏安特性曲线可知l e d 在正向导通后其正向电压的细小变动将会引起电流的 很大变化，因此可以说l e d 属于电流控制型半导体器件，其发光亮度三与正向工作电 流知近似成正比： 工= k 。” ( 1 2 ) 式中：k 为比例系数。在小电流范围内( i f = i 1 0 m a ) ，m = 1 3 1 5 。当胗1 0 m a 时，m = l 。则式( 1 2 ) 可简化为 l = 灯f ( 1 3 ) 即l e d 的发光亮度与正向电流成正比。 ( 3 ) 反向死区( 图1 2 中的o c 段) 。v 0 时，p n 结加反向偏压，l e d 反向电阻 有源钳位正激式l e d 路灯驱动电源的设计 很大，反向漏电流很小。 ( 4 ) 反向击穿区( 图1 2 中的c d 段) 。当伙比时，l e d 处于反向击穿区，比 称为反向击穿电压，与比对应的电流尼为反向漏电流。当反向偏压歇- 比时，尼将突 然增加而出现击穿现象【i 】。 1 3l e d 连接形式 目前，l e d 已经广泛应用于照明、装饰等各类灯具中，在设计l e d 照明系统时， 需要考虑l e d 驱动电路的种类，以及l e d 作为负载采用的连接方式，只有合理的配合 设计才能保证l e d 正常稳定工作。通常l e d 作为负载，都是将几十个甚至上百个l e d 组合在一起，构成一个照明器件。因此，l e d 负载的连接形式将直接关系到其可靠性和 使用寿命【8 】。下面介绍几种较常用的l e d 连接方式： ( 1 ) 串联：就是将多个l e d 的i f 极与负极连接成串( 如图1 3 所示) ，这种连接 方式的优点是使每个l e d 的工作电流相等而保证l e d 串发光强度及亮度的一致性。但 由于l e d 的负温度特性需在电路中串联限流电阻，以防止电流过大而烧坏l e d 。缺点 是这种电路需要电源提供较高的电压。 图1 3l e d 串联 f i g 1 3 l e ds e r i e sc o n n e c t i o n 图1 4l e d 并联 f i g 1 4 l e dp a r a l l e lc o n n e c t i o n ( 2 ) 并联：就是将多个l e d 的正极与正极、负极与负极相连的并联连接方式( 如 图1 4 所示) ，它的特点是每个l e d 的工作电压一样，但是根据l e d 的恒流驱动特性， 为了保证每个l e d 的工作电流昂一致，需要每个l e d 的正向电压一致。但由于每个 l e d 的性能不可能完全相同，因此很难实现在并联方式下每个l e d 的工作电流一致。 同时这种电路还需要驱动电源能提供较高的电流使各并联支路能够稳定工作。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 串并混联：就是在多个l e d 中既有串联又有并联的连接形式，它最大的好 处是在个别l e d 出现开路或短路时照明器件仍能够保证照明，但这种电路对驱动电源 电压和电流的要求都比较高。 由以上分析在本论文中采用了l e d 串联连接驱动方式，直接将市电通过驱动电路 转换为恒流电源为l e d 供电，以满足照明器件发光强度一致，亮度均匀的要求。 1 4l e d 的驱动方式 传统的l e d 驱动方式有电阻限流、线性调节器、开关电源等驱动方式。 ( 1 ) 电阻限流驱动 电阻限流驱动是l e d 最基本的驱动方式，如图1 5 所示，图中r 为限流电阻，珞 为l e d 的正向电压，后为正向电流。它们满足关系式： i f = ( v d d 一) 尺 。 ( 1 4 ) 由图1 5 可知这种驱动电路简单。但是，在输入电压波动时，通过l e d 的电流也会 跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻r 的接入会引入功率损耗，电路效率比较 低。 图1 5 电阻限流驱动电路 f i g 1 5d r i v i n gc i r c u i to fr e s i s t a n c ec u r r e n tl i m i t i n g ( 2 ) 线性调节器驱动 线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率管作为一动态可调电阻来控制负载 两端电压( 电流) 的稳定。线性调节器分为并联型和串联型两种。 图1 6 ( a ) 所示为并联型线性调节器又称为分流调节器，将功率管与l e d 并联， 当输入电压增大或者负载减少时，通过功率管的电流将会增大，这将会增大限流电阻r 有源钳位正激式l e d 路灯驱动电源的设计 上的压降，以使通过l e d 的电流保持恒定。由于分流调节器需要串联一个限流电阻， 所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。 图1 6 ( b ) 所示为串联型调节器，当输入电压增大时，反馈作用将调节并使动态电 阻增大，以保持l e d 上的电压( 电流) 恒定。 ( a ) 并联型线性调节器( b ) 串联型线性调节器 ( a ) p a r a l l e ll i n e a rr e g u l a t o r( b ) s e r i e sl i n e a rr e g u l a t o r 图1 6 线性调节器驱动电路 f i g 1 6 l i n e a rr e g u l a t o rd r i v i n gc i r c u i t 由于功率管都有一个饱和导通电压，因此，要求输入的最小电压必须大于该饱和导 通电压与负载电压之和，电路才能够工作。这种线性调节器驱动电路尽管电路结构简单， 稳压性能好，但是由于电路中功率管工作在线性区，热损耗较大将使电路效率降低【9 】。 ( 3 ) 开关电源驱动 上述两种驱动方式在用于低功率的普通l e d 驱动时，由于电流只有几毫安到几十 毫安，因此电路损耗不明显，当用于驱动电流有几百毫安甚至更高的高亮大功率l e d 时，驱动电路的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换电路中效率最高 的，一般在8 0 0 0 - 9 0 范围内。因此，对于大功率的l e d 驱动需要采用开关电源驱动方 式，以获得高效率。对于开关电源的工作原理及分类将在下一章中进行介绍。 人连理t 大学硕十学位论文 2 开关电源变换器的基本电路 2 1 开关电源的控制方式 开关电源的控制方式大致有以下三种： ( 1 ) 脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 式。它是在固定开关频率 下，通过改变脉冲宽度来调节占空比的。它的稳压原理是：当输出电压圪升高时，控 制芯片通过电压电流采样比较调节输出脉冲信号的周期不变而脉冲宽度减小，使占空比 减小，圪降低。目前，大多数开关电源均采用p w m 方式。 ( 2 ) 脉频调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，缩写为p f m ) 式。它是将脉冲宽度 固定，通过改变开关频率来调节占空比的。其稳压原理是：当输出电压圪升高时，控 制芯片通过电压电流采样比较后调节输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，即减小频 率，使占空比减小，圪降低。 p w m 方式和p f m 方式的调制波形分别如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示，扫表示脉冲宽 度( 即开关管的导通时间) ，r 表示周期。从图中很容易看出二者的区别。但它们也 有共同之处：均采用时间比率控制稳压原理，无论是改变t p 还是乃最终调节的都是 脉冲占空比。当负载由轻变重，或者输入电压从高变低，分别通过增加脉冲宽度、升 高频率的方法，使输出电压保持稳定。 ( 3 ) 混合调制式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，在调节过程中这两者都会 改变的方式，它属于p w m 和p f m 的混合方式【l 们。 刖恤呷肌椰 i 卅h幽闯 止= 一- 夕七二二 ( a ) p v b 方式 ( a ) p w m m o d e 圪e - 夕e ( b ) p f m 方式 c o ) p f m m o d e 图2 1 两种控制方式的调制波形 f i g 2 1 w a v e f o r mo ft w oc o n t r o lm o d u l a t i o n s 2 。2 开关电源的工作原理 开关电源的基本原理如图2 2 所示： 有源钳位正激式l e d 路灯驱动电源的设计 【 z 乃 s 图2 2p w m 式开关电源基本原理 f 追。2 2 p w m s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb a s i cs c h e m a t i cd i a g r a m 对于p w m 式来说，其直流平均电压圪取决于脉冲的宽度，脉冲越宽，直流平均电 压值就越高。由图1 可知直流平均电压圪为： -， v o = 圪 ( 2 1 ) 式中一脉冲最大电压值； 丁脉冲周期； 一脉冲宽度。 从式( 2 1 ) 可以看出，当与丁不变时，直流平均电压圪与脉冲宽度成正比。 这样只要设法使脉冲宽度随输出电压的增高而变窄，就能够达到稳定电压( 电流) 的目 的。 2 3 开关电源的工作模式与p w m 控制模式 开关电源变换器根据电感电流是否连续有两种工作模式： ( 1 ) 连续导电模式( c o m i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，简称为c c m ) ，是指变换器 中储能电感在工作过程中电流连续且不为零。在本文后面的分析中均是在c c m 下。 ( 2 ) 不连续导电模式( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，简称为d c m ) ，是指变 换器中储能电感在工作过程中电流不连续，在一个周期内会出现电流为零的情况。 开关电源的控制模式大体上可分为电压控制模式和电流控制模式。 电压控制模式是随着开关电源的产生而最早被使用的控制模式。如图2 3 所示为电 压控制模式原理图，图中输出电压经过采样电路输入到误差放大器的反向端与基准电压 厂进行比较后得到误差信号圪，此误差信号与锯齿波振荡器产生的幅值固定的锯齿波 进行比较，由p w m 电压比较器输出占空比随输出电压变化的脉冲波信号来驱动开关管 的导通与关断，最终使输出电压( 电流) 稳定。这种电压控制模式是属于单环控制，稳 大连理j t ：大学硕十学位论文 压响应速度慢，系统很难得到满意的动态性能。而双环的电流控制模式则能够克服这一 缺点，因此得到发展。 v r e f 图2 3 电压控制模式原理图 f i g 2 3v o l t a g ec o n t r o lp a t t e r ns c h e m a t i cd i a g r a m 电流控制模式通常是指峰值电流控制模式( 如图2 4 所示) ，它包括了电压外环和 电流内环。利用采样电阻对初级电流采样，再将采样电压输入到p w m 电压比较的反向 端与误差放大器的输出信号进行比较，实现对脉冲占空比的控制，而达到稳定电压( 电 流) 的目的。这种控制方式可以有效地改善开关电源的电压调整率和电流调整率，具有 很好的动态响应【1 1 1 。 图2 4 电流控制模式原理图 f i g 2 4 c u r r e n tc o n t r o lp a t t e r ns c h e m a t i cd i a g r a m 有源钳位正激式l e d 路灯驱动电源的设计 2 4 开关电源变换器的分类 开关电源变换器可以根据是否含有变压器而分为非隔离型和隔离型两种。非隔离型 变换器又分为：b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c 、z e t a 等。而隔离型变换器分 为：正激、反激、推挽、半桥、全桥等。其中b u c k 变换器和b o o s t 变换器是最基本的 变换器，其他种类的变换器都是由这两种变换器演化派生出来的。因此在本节中介绍 b u c k 、b o o s t 这两种非隔离型变换器以及应用较广的两种隔离型变换器的工作原理，并 通过比较各种隔离型变换器的性能确定了电源拓扑结构。 ( 1 ) b u c k 变换器 如图2 5 所示为b u c k 变换器电路图，它的工作过程大致如下：在一个开关周期内， 开关管的开关过程将直流输入电压珞进行斩波，形成脉冲宽度为的方波( 为开关 管导通时间) 。当开关管q ? 导通时，续流二极管见关断，输入直流电源通过开关管将 能量传送到负载，并使电感储能；当开关管q ，关断时，续流二极管仍导通，电感上储 存的能量向负载释放。在稳态工作时，电感两端电压在开关管导通和关断时间内应满足 伏秒积平衡原理，即： 妒名一v o 夕。= v o t o g ( 2 2 ) 其中，为开关管导通时间，协为开关管关断时间，圪为输出电压。将上式整理 可得到输出与输入电压之间关系为： 圪= 。r = d ( 2 3 ) 其中，丁为开关周期，d 为占空比。由于d 总小于1 ，因此b u c k 变换器被称为降 压变换器。 l v g 丫 。2上a r 一 t1 ( 2 ) b o o s t 变换器 = 图2 5b u c k 变换器电路 f i g 2 5 c i r c u i to fb u c kc o n v e r t e r 大连理t 大学硕十学位论文 如图2 6 所示为b o o s t 变换器电路图，工作过程大致如下：当开关管q ，导通时，电 源电压珞全部加在电感l ，上，电感电流上升。此时，二极管仍关断，负载由滤波电容 9 供电。当开关管q ，关断时，电源电压和电感匆上的储能共同向负载供电，同时也 为电容c ，充电。在稳态工作时，电感在开关周期内的充放电满足伏秒积平衡，即： 圪f 。= 忆一圪k ( 2 4 ) 整理可得 v o v g = 1 ( 1 一d ) ( 2 5 ) 由于d 总小于1 ，b o o s t 变换器又称为升压变换器【1 2 】。 = = 图2 6b o o s t 变换器电路 f i g 2 6 c i r c u i to fb o o s tc o n v e r t e r ( 3 ) 隔离型变换器分析 隔离型变换器是利用高频变压器将电源的输入和输出回路隔离开，输入和输出不共 地，使电源输出端具有安全性。而非隔离型变换器如b u c k 和b o o s t 变换器的输入和输 出是共地的。因此非隔离型变换器通常应用于低压便携式产品电源的设计中，而隔离型 变换器可直接由市电供电，用于道路照明，装饰，景观照明等较大型的用电设备中。几 种隔离型变换器结构比较见下表2 1 。 表2 1隔离型变换器拓扑结构比较【1 3 】 t a b 2 1 c o m p a r i s o na b o u tt o p o l o g yo fi s o l a t i o nt y p ec o n v e r t e r 有源钳位正激式l e d 路灯驱动电源的设计 根据表2 1 的比较可知，适用于本课题电源的拓扑结构有两种：正激式和反激式。 正激式变换器的电路如图2 7 所示，其中三，为变压器乃中的复位绕组，匝数与初级绕 组相同，同名端如图所示。当开关管q ，导通时，输入电压通过变压器的作用传输到次 级，且由同名端方向可知变压器次级为上正下负，则整流二极管d ，导通，能量传递给 电感三，储能同时为负载供电。当开关管关断时，由于电感电流不能突变，电流将通过续 流二极管仍为负载供电释放能量。而由复位绕组和二极管胁组成的复位回路在开关管 导通时，二极管d 3 截止，回路中没有电流流过，此时变压器从原始状态被励磁。当开 关管关断时，二极管历导通，回路产生电流使磁芯去磁，当励磁电流下降到零时，磁 芯复位到原始状态，以便下一个周期磁芯重复励磁。如果没有复位回路，几个开关周期 后，磁芯不断被励磁并逐渐进入饱和状态，变换器将不能正常工作。 。2上c t 一 tj 图2 7 正激式变换器电路 f i g 2 7 c i r c u i to ff o r w a r dg o n v a t c r 反激变换器电路如图2 8 所示，当开关管q ，导通时，变压器初级绕组两端电压为上 正下负。由同名端位置不同，变压器次级电压为上负下正，则此时，负载由滤波电容 c ，供电，而高频变压器由于次级断路，变压器初级存储了一定的能量。当开关管关断时， 变压器初级电压极性反转，次级电压变为上正下负，则整流二极管d ，导通，变压器存 储的能量得到释放【1 4 1 。 反激式变换器由于不需要滤波电感所以输出电压纹波大，负载调整精度不高使其应 用范围受限。在本文中选择正激式的拓扑结构。在正激变换器中，变压器的磁复位技术 有辅助绕组法、r c d 钳位技术、l c d 缓冲网络技术和有源钳位技术等【1 5 】。其中带有源 钳位的正激变换器电路如图2 9 所示，有源钳位技术可以实现变压器铁心的自动磁复位， 无须另加辅助绕组等；并可以使励磁电流正、负方向流通，使铁心在磁化曲线的一、三 象限运行，提高铁心的利用率。同时这种有源钳位正激式变换器还可以实现零电压开关， 大连理i = 人学硕士学位论文 使电