（微电子学与固体电子学专业论文）基于原边控制的led驱动电源的设计.pdf

摘要 在能源危机和气候变暖问题越来越严重的今天，节能与环保已成为社会焦 点议题。在照明方面，l e d 作为一利绿色照明光源，以其高效、节能、环保、 寿命长、可靠性高等优点正逐步取代传统的白炽灯、荧光灯，成为新一代照明 光源，但l e d 高效节能要求高可靠性的驱动电源来匹配，以尽量发挥l e d 照明 的节能潜力。日前市电供电的l e d 驱动电源有着质量参差不齐、效率和可靠性 较低、p f ( 功率因数) 不达标等缺点，因此研究适合市电照明的l e d 驱动电源 实现l e d 的通用照明具有很强的理论意义与现实意义。本文针对传统驱动电源 基于副边控制技术的情况，设汁了一种基于p s r ( 原边控制) 技术的l e d 驱动 电路，为了提高其功率因数值还增加了一个功率因数校正电路。 本文设计的l e d 驱动电路分为两个模块：功率因数校正模块和原边控制模 块。对于p f c 模块，在对l e d 驱动电路的基本拓扑结构进行了详细的分析后， 确定了由b o o s t 拓扑结构和土控芯片l 6 5 6 l 构成完整的功率因数校正模块。并 对电路中的器件参数进行计算确定。对于原边控制模块，首先分析了原边控制 技术相对于传统副边控制技术的优点和其主要拓扑结构即反激式转换结构的工 作方式，然后结合主控芯片a p 3 7 0 6 对利用原边控制技术来达到恒流输出的原理 进行了详细的分析，最后设计了完整的原边控制模块。 论文最后对整个驱动电路进行了测试，得到了关键的测试波形和实验数据， 结果表明整个l e d 驱动电路能够实现2 4 v 3 5 0 m a 输出，电源转换效率7 5 以 上，能通过锉刀测试并且功率因数达到了0 9 。实验结果表明所设计的驱动电源 基本满足设计要求。 关键词：l e d 驱动；功率因数校正；原边控制；反激变换器 a b s t r a c t n o w a d a y st h ee n e 唱yc r i s i sa n dg i o b a lw a r m i n gp r o b l e mi sg e t t i n gw o r s e ， e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a ip r o t e c t i o nh a sb e c o m et h ef o c u so ft h e c o n c e m i nt e r m so fl i g h t i n g ，a sag r e e nl i g h ts o u r c e ，t h ea d v a n t a g e so fl e d si n c l u d e h i g he f n c i e n c y ，e n v i r o n m e n t 仔i e n d l y ，l o n g l i f ea n dh i g hr e i i a b i l i t y s o ，t h e ya r e g r a d u a l l yr e p i a c i n gt h et r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c e s ，s u c ha si n c a n d e s c e n ta n dn u o r e s c e n t ， b e c o m i n gt ob ean e wg e n e r a t i o no fi i g h t i n gs o u r c e h o w e v e r ，ah i g h l ye f n c i e n c y d r i v e rw i t he n t i r el o a dr a n g em u s tm a t c ht h el eds t r e e tl a m p ，i no r d e rt om a x i mi z e t h el i g h t i n g sp o t e n t i a io fe n e r g ys a v i n g c u r r e n t i y t h el e dd r i v e rp o w e rs u p p l i e sa r e s u 仟e r e d b ys e v e r a ip r o b l e m ss u c h a si n c o n s j s t e n tq u a l i t y l o we 仟i c i e n c y i o w r e l i a b i i i t ya n dp f ( p o w e r 角c t o r ) p e r f o n n a n c e f o rt h el o n gr u n ，h i g he f n c i e n c y ，h i g h r e l i a b i l i t y ，s m a s 泣ea n dp r e c i s ec o n t r o ia r et h ei n e v i t a b l er e q u i r e m e n to fl e d s d r i v e ri nt h e 如t u r e r e s e a r c ha n dd e v e i o p m e n to fl e d sd r i v e r s ，c o m p a t b i ew i t h c i v i ie i e c t r i c a is y s t e m ，h a sas t r o n gt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sd r i v e ri sm a d eu po ft 、v op a r t s ：p f cm o d u i ea n dp r m a r vs i d ec o n t r o lf p s r ) m o d u l e f o rt h ep f cm o d u l e ，f i r s t l y b a s i ct o p o l o g i c a ls t r u c t u r e so ft h el e dd r i v e rw e r e a n a i y z e d t h e n ，b o o s tt o p o l o g i c a is t l l j c t u r ea n dp r i n c i p a lc o n t i o l l i n gc h i p ( l 6 5 6 1 ) w e r es e i e c t e dt oc o n s t i t u t et h ew h o i em o d u l ea n dc o n f i r mt h ed e v i c cp a r a m e t e r sa ti a s t f o r p s rm o d u l e ， f i r s t l y ，c o m p a r e dw i t ht h es e c o n d a r ys i d ec o n t r o lt e c h n i q u e ，t h e a d v a n t a g eo fp r i m a r ys i d e c o n t r o l t e c h n i q u e i s a n a l y z e d m e a n w h i l e ， f l y b a c k c o n v e n e rs t r u c t u r ew h i c hi st h em a i nt o p o l o g ys t r u c t u r ei sd i s c u s s e d t h e n ，t h e p r i n c i p l ew h i c hu s e s ”i m a r ys i d ec o n t r o l t e c h n i q u et or e c e i v ec o n s t a n tc u l l r e n tb a s e d o na p 3 7 0 6i ss t u d i e d f i n a l l y ；t h ei n t e g r a t e dp r i m a 呵s i d ec o n t i o lm o d u l ei s c o m p l e t e d t h et e s tw a v ef o r ma n dd a t ao ft h ew h o l ed r i v i n gc i r c u i ti ss h o w na tt h ee n do f t h i sp a p e r t h ed e s i g n e dd r i v i n gc i r c u i ti so u t p u t t i n gt h ec o n s t a n t2 4 v 3 5 0 n 1 _ a ，t h e e 币ci e n c vi su pt o7 5 哆缸a tt h es a m et i m e ，t h ed r i v i n gc i r c u i tc a np a s st h ef i l et e s t 绷d p o w e r 白c t o rr e a c h e s0 9 s ot h er e s u l tp r o v e st h a tt h ed r i v e nc i r c u i ts a t i s f i e st h e r e q u e s to f d e s i g n k e yw o r d s ：l e dd r i v e r ；p o w e r 蟊l c t o rc o r r e c t i o n ；p r i m a r ys i d ec o n t r o l ；f l y b a c k c o n v e r t e r 学位论文的主要创新点 一、采用了原边控制技术，在初级电路中加入采样电阻，把采样信号反馈到 p w m 控制器中，从而实现稳定的d c 输出。这种方法减少了传统副边控制 技术中光耦器件及与其配套的一些元器件，从而减少了成本，提高可靠性。 二、添加r c d 吸收电路，以降低功率器件关断时电压的上升速度，用于吸收关 断尖峰脉冲电压，从而进一步减小电磁干扰。 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 在社会不断发展的同时，人类对能源的消耗也愈来愈大，随之而来的便是 能源危机加重，这迫使各行各业不得不考虑节能，低污染、低功耗成为了衡量 各项技术的关键指标。照明在人类能源消耗中占有很大一部分比例，据国际照 明委员会的统计，目前在电力的消耗巾，如果按照比例来算，欧美发达国家大 约占了两成，我国也达到了一成的比例。如今我国经济飞速发展，照明用电比 例也在不断的提高，因此“绿色照明”并逐步进入公众的视野中。 “绿色照明”是国际上对具有节约电能、保护环境功能的照明系统的彤象 件说法。最早在1 9 9 1 年由美国提出，当时，由于经历了2 0 世纪7 0 8 0 年代连 续的两次世界性的能源危机之后，节能、高效等词汇并引起了全世界的广泛关 注。为缓解电力资源短缺、减少冈发电而造成的大量有害气体的排放，美国环 保局( e p a ) 创新性地提出一项节能环保计划，此计划就足人们说的“绿色照明 计划 ，它的目的是即减少排放有害气体又提高照明用电的效率。该计划得到了 世界各个国家的普遍认同，包括英法在内的许多发达国家和部分发展t f - 国家都 相继出台了相关政策，使得“绿色照明”计划得到了广泛的推广。我国也不甘 落后，早在9 6 年就就在国家经济贸易委员会的牵头下正式启动实施“中国绿 色照明工程”实施方案，2 0 0 1 年得到联合国开发计划署( u n d p ) 和全球环境 基金( g e f ) 的支持，实施“中国绿色照明工程促进项日”。经过十多年的年绿 色照明的宣传和推广，强化了人们的节能和环保意识，有力地推进了中国绿色 照明工程进展，为和谐社会主义的可持续发展奠定了坚实的基础。 1 9 7 9 年，爱迪生发明的白炽灯点亮了人类的生活，从此，f 1 炽灯代表着第 一代的电光源，此后的第二和第二代的电光源分别由荧光灯和高强度气体放电 灯代表。如今，白光l e d 灯以其无可代替的优越性迅速发展壮大，将成为人类 第四代光源的代表性产品，逐渐淘汰前三代电光源。 第一代电光源：白炽灯( 卤钨灯) ；它是人类最早使用的电光源，它有很多 优点，比如成本低、体积小、不j 玎配备专门的驱动电路等，因此在整个2 0 世纪 乃至2 1 世纪初期都足家用照明的首选，当今国内市场上白炽灯仍占据一定的份 额。但是白炽灯在使用时大部分电能都变成热能消耗掉，装换成光能的电能只 有1 0 爹一点，效率排名垫底，而且它寿命短、易损坏。澳大利于2 0 0 7 年率 天津t 业人学硕：卜学位论文 先宣布，全面实施淘汰白炽灯计划【2 】，这一计划得到世界各国的积极响应，相继 出台相关的法律法规，实施淘汰白炽灯计划。截止2 0 1 0 年年底，澳大利亚、法 国、新西兰、意大利、阿根廷、菲律宾已经生效了白炽灯禁川法律，2 0 l1 年底 将在英国、芬兰和荷兰生效，2 0 1 2 年将在日本和加拿人生效，2 0 1 4 年将在美国 生效。 l | j 国在2 0 1 1 年1 1 月1 日，由国家发展改革委、商务部、海关总署、国家工 商总局、国家质检总局联合印发关于逐步禁止进口和销售普通照明 ，i 炽灯的 公告1 2 j ，决定从2 0 1 2 年1 0 月1 日起，按功率大小分阶段逐步禁止进口和销售 普通照明白炽灯，公告明确，中国为五个阶段来淘汰白炽灯：2 0 1 1 年1 1 月1 日至2 0 1 2 年9 月3 0 曰为过渡期；2 0 1 2 年l0 月1 日起禁止进口和销售1 0 0 瓦及 以上普通照明白炽灯；2 0 1 4 年1 0 月l 口起禁l 卜进口和销售6 0 瓦及以上普通照 明白炽灯：2 0 1 5 年1 0 月1 日至2 0 1 6 年9 月3 0 日为l f l 期评估期；2 0 l6 年1 0 月 1 日起禁止进口和销售1 5 瓦及以上普通照明白炽灯，或幸见中期评估结果进行调 整；通过实施路线图，将有力促进中国照明电器行业健康发展，取得良好的节 能减排效果，预计可新增照明电器行业产值约8 0 亿元( 人民币) 、新增就业岗 位约1 5 万个，并且能到达每年节省4 8 0 亿千瓦时的电能和减少4 8 0 0 万吨的c 0 2 排放。 第二代电光源：荧光灯( 日光灯、节能灯) ；它是。利- 热阴极低压汞蒸汽放 电灯。发光原理足由电子流激发汞原子并使其发出紫外线，然后通过激发期问 中加入的荧光粉转换成可见光的光源。由于它把电能转换为光能的效率比较高， 因此至今仍是气体放电灯巾使川最广泛的灯之一。但是它存在使j j 寿命短、易 碎且含有有毒物质汞等缺点，不符合世界节能环保理念，因此最终要被淘汰。 第三代电光源：高强度气体放电灯( h l d ) ：h i d ( h i g hi n t e n s i t yd i s e h a r s e l a m p ) 是高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯的总称。这几种灯发光原理基本 相同，高压汞灯获得可见光是因为在器件两端加了高压，使其产生汞的蒸汽， 再放点放电；高压钠灯也类似，只是产生了钠蒸汽；金属卤化物灯则是利用卤 化物代替了贡个钠，不是产生蒸汽，而是利j f j 电离激发。相比之下，对于显色 性和效率来说前两者灯比较低，后者灯种的比较高，后者的发光也更集中，现 仍广泛应用于机场、车站、港口及泛光照明和景观照明，但其对使用环境要求 严格，成本较高，口前还不是民用领域的主流照明设备。 第四代电光源：l e d ( l i 曲te m i t t i n gd i o d e ) ；发光二极管( l e d ) ，足一种 能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，从 根本上改变了光源发光机理，它的出现是照明界的又一次全新革命与突破。如 今的半导体技术已经越发完善，如今的l e d 能发出各种人们所需要的光，包括 第。章绪论 人们最需要的白光。并且l e d 所具有的无污染、光效高、尺寸小等优点符合绿 色环保理念，通过在照明方而节约能源，减少污染，有利于和谐社会的建设， 因此当今努力研发l e d 照明技术无论对于经济潜力的开发和社会贡献来说有具 有深远的意义。 1 2l e d 发展历程及其特性 1 2 1 发展历程 南于庞大的市场和先进技术的不断发展，l e d 的发展史可谓成绩傲人。第 一次电致发光现象是于1 9 0 7 年在s i c 里观察到的；2 0 世纪5 0 年代，发明了第 一个具有现代意义的l e d ( g a a s ) ；2 0 世纪6 0 年代，发明第一个可见红光l e d ( g a a s p ) ，早期l e d 性能相当差，工作电流2 0 m a 光能量只有千分之几流明， 那时候只有一种红颜色的光，波长是6 5 0 n m ，其发光效率为o 1 l m w 。到了七十 年代，技术发展可谓迅速，颜色有了红绿蓝三种，发光效率也提高了1 0 倍，达 到了1 l m w 十年代g a a l a s 红光l e d 光效提高到1 0l m w ；2 0 世纪9 0 年代， 人类发明了第一只蓝光l e d ，随即就发明了白光l e d 。只用了4 0 多年的时间， l e d 就发展到了如今让世人瞩| _ 】的程度，包括光效各方面在内的特性都在不断 提高。 1 9 9 8 到9 9 年两年的时问白光l e d 的光效从5l m w 飞跃到了1 5i m w ，已 经与一般白炽灯的亮度相当。2 0 0 0 年，日本日弧半导体( n i c h i a ) 公司的试验样 品的光效为2 5l m w 。标志着半导体照明开始进入普通照明领域( 1 0 0l m w ) 是 在2 0 0 6 年6 月n i c h i a 公司生产了光效为10 0l m w 的白光l e d 。同年1 2 月韩同 首尔半导体公司推出光效为1 0 0i m w 的单芯片白光l e d p 4 ，在最大驱动电流 下的光通量为2 4 0l m 。传统l e d 可南多颗芯片实现1 0 0l m 以上的光通量，但该 l e d 仪凭单颗：卷片达到2 4 0l m 。2 0 0 8 年1 0 月，美国科瑞( c r e e ) 公司宣布：将 大批量的生产1 0 2 l m w 的白光l e d ，并且在其实验审的测试- l 白光l e d 达到 了1 5 7l m w 。2 0 1 0 年2 月c r c e 公司的大功率白光l e d 芯片光效突破2 0 0l m w ， 达到2 0 8l m w ，而投入量产的商业产品的光效达到1 3 2l m w 。随着新型半导体 材料的开发和工艺的不断改进，到2 0 1 5 年，光效可望达到2 0 0l m w p 。5 j 。 1 2 2l e d 的电学特性 l e d 作为照明光源，它具有光学特性、电学特性和热学特性，这里主要涉 及到驱动电源的研究，就着重分析下l e d 的电学特性。 天津丁业大学硕f 二学位论文 1 伏安特性 流过极管的电流l d 与加于二极管两端的电压u d 之间的关系或曲线就构 成了伏安特性曲线，用逐点测量的方法测绘出来或州晶体管图示仪显示出来的 u i 曲线，称二极管的伏安特性曲线。作为表示p n 结性能的主要参数，非线 性和单向导电性是它的两个主要特性，这指的就是在外加正向电压时表现为低 电阻，外加方向电压时表现为高电阻，如图1 1 所示。 i l i f一| 一| 一| 一| 一 l - - - 。d一。 n 【| 一：v f 髟 妻 反向 一正向：正向工 基 死区 二死区j 作区 ， k 图l 一1l e d 伏安特性曲线 图l - l 中右上方为正向伏安特性，左下方为反向伏安特性。当外加正向电压 时，随着电压u 的逐渐增加，电流i 也增加。但在开始的一段，由于外加电压 很低，外电场刁i 能克服p n 结的内电场，半导体中的多数载流子小能顺利通过阻 挡层，所以这h 寸的正向电流极小，见图正向死区线段：当外加电压超过死区电 压以后，外电场强于p n 结的内电场，多数载流子大量通过阻挡层，使正向电流 随电压很快增长，即进入正向工作区；当外加反向电压时，所加的反向电压加 强了内电场对多数载流子的阻挡，所以极管中儿乎没有电流通过，但是这时 的外电场能促使少数载流子漂移，所以少数载流子形成很小的反向电流；当反 向偏压增大到某一临界点以后，反向电流会突然增大，这就是所谓的反向击穿， 这时二极管失去单向导电性。所以一般二极管在电路中工作时，其反向电压任 何时候都必须小于其反向击穿时的电压。可用以下式子表示t 作电流i f 与外加 电压的关系： 里生 = t 耵一1 ) ( 1 - 1 ) 式中，l s 为反向饱和电流。l f 代表正常发光时的导通电流值。 1 最大允许功耗p l e d 的功耗为p = v f i f ，其中i f 为流过l e d 的电流，v f 为管压降。当外 加电压使l e d 工作时，有一部分电能用来促使载流子复合发出光，另外一部分 第一章绪论 电能转换为热能，会导致结温升高。这里用t a 来表示外界温度，用t i 表示p n 结结温，则当t i t a 时，由l e d 内部产生的大于外界温度的那部分热量是通过 外部的底座释放，这个功率可表示为： 尸= 巧( 一一瓦) ( 1 2 ) 式中，b 为热阻。 3 响应时间 l e d 灯中表示速度的快慢的一个重要参数就是它的响应时间，在脉冲驱动 或电压调制时情况下就显得尤为重要。响应时间指的是l e d 完全点亮和完全熄 灭所要延迟时间，即图1 2 中的t ，、t f 。l e d 的点亮时间：上升时间t ，是指从接 通电源使发光亮度达到正常值的1 0 开始，一直到发光亮度达到正常值的9 0 所经历的时间。l e d 熄灭时间：下降时间t f 是指从正常发光到发光亮度减弱至 原来的1 0 所经历的时间。器件的结电容、载流子的寿命以及电路p 兀抗等都影 响着响应时吲引。 图1 2l e d 响应时间特中e 图 1 3l e d 驱动电源研究现状 通过对l e d 的电学特性进行分析，我们知道它具有较强的离散性，同时它 的电学参数的温度特性也不稳定，因此如果要保汪l e d 灯具有优良的性能，必 须要有优良的l e d 驱动匹配。从l e d 驱动器供电方面可以将其分成d c d c 和 a c d c 两类。对于一些便携式电子产品、矿灯、汽车等用电设备，主要由蓄电 池给d c d c 驱动器供电。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 驱动器丰要有两种设计方案：电容式电 荷泵电路和电感式d c 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 降压电路等设计方梨。 天津t 业大学硕l j 学位论文 1 3 1 变压器降压电路 传统的变压器降压电路如图1 3 所示。市电经过变压器降压后、桥式滤波器 滤波后进入负载，在负载路线上必须加入电阻r 1 ，这就是它的致命缺点，因为 r i 的存在会消耗很多的能量，i 司时结合变压器上消耗的能量，将会大大降低整 体电路的效率引。 1 3 2 电荷泵电路 l 卜 1 人 c l -=l e d y - j r l f i = 图1 3 变压器降压电路图 图1 4 显示了电荷泵变换器的基本工作原理，采用的是倍压电荷泵的结构。 它由一个基准、比较、转换和控制电路组成。它由振荡器、反相器及四个模拟 开关组成，外接两个电容c l 、c z 构成电荷泵电压转换翻转电路。 这种倍压电荷泵在t 作时分两个阶段：先充电后放电。当s i s 3 闭合( 导通) ， s 2 s 4 打开( 关断) 时，输入电压v i n 对快速电容c l 进行充电并储存能量，一 直到c l 两端的电压达到v i n ，储存的能量将在下一个放电阶段被转移。储能电 容c 2 ，在上一个放电周期就已经被从c 1 转移过来的能量充电到2 v i n 电压，并 提供负载电流。 当开关s l s 3 打开，s 2 s 4 闭合时，就进入了放电阶段。电容c l 上的电平被 上移了v i n ，而由于c l 在刚刚充电阶段的时候就已经充电至v i n ，因此c 2 两端 的总电压现在成为2 v i n ( 这也足“倍压 电荷泵名称的由来) 。接着电容c l 放 电将充电阶段存储的能量转移到c 2 ，并且提供负载电流。 由于电荷泵电路仅外接两个电容，冈此电路简单转换效率高。但其电路输 出功率较小，电压的变化范围的一般在倍数变化的范围内，所以应用受到比较 大的局限性一j 。 。 第一章绪论 1 3 3 开关电源电路 图1 4 电荷泵电路图 随着电力电子器件、开关频率技术的不断发展，开关电源技术也在不断的 发展，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻小、 低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展l l 。开关电源按其拓扑结构可分为a c d c 和d c d c 两大类。d c d c 变换器现已实现模块化；但a c d c 变换器冈其自身 特性，使得在模块化的进程中遇到较复杂的技术和工艺制造问题。开关电源电 路一般可以分为b u c k 、b o o s t 、b u c k b 0 0 s t 三种，在第二章中将对这三种电路进 行具体介绍。 1 4l e d 驱动电源的设计要点 在l e d 驱动电源的设计中，每个工程师对于不同应用的电路都会有各自 不同的侧重点。例如用于手机屏幕、电脑液晶显示器，用于工业用途的照明， 用于民用的照明等，所要求的性能是不一样的。当用于液晶显示时，特别需要 注意l e d 亮度的均匀性，并且还需要有调光功能。汽车照明的l e d 驱动电源必 须能够适应条件相当苛刻的汽车电源总线。但下面几个设计指标是大部分驱动 电源都要考虑的i l i 1 2j 。 1 提高转换效率，减少功耗，这样可以在使用电池和电瓶供电的场合卜延 长一次充电的使川时问，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、抗雷击浪涌等保护 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。同时也需要积极配合国家政策， 尽量实现节能减排的目标。 1 5 课题研究的背景和意义 如今，通过全世界的l e d 生厂商在材料、技术上的不断研发突破，使得l e d 在各领域得到了广泛的应用。在2 0 0 8 年第二十九届北京奥运会期问，开幕式上 瞬间出现的巨型五环、转动的巨型画卷、水立方漂亮的夜景照明以及赛场外硕 大的显示屏，这场充满高科技的奥运会撼动了仝世界人们的心，其l + l 的第一功 臣就是l e d 技术。l 一样是在2 0 0 8 年，国内市场上采用l e d 作为背光源的笔记 本电脑、液晶显示器得到了前所未有的广泛应用，在色彩、功耗和环保等各方 天津t 业人学硕i j 学位论文 面击败传统的冷阴级荧光管( c c f l ) 背光源，将取代c c f l 成为末来行业发展 的主流，在此后的2 0 l o 上海t h = 博会、广州亚运会、2 0 1 1 年第2 6 届 址界大学生 运动会上都大量使用了l e d 灯。除了传统的背光和液晶显示市场外，普通室内 照明、路灯照明、汽车大灯等对l e d 的使用量也越来越多，有力的推动了中国 半导体照明产业的发展。 在l e d 照明行业中，驱动电源足一个关键部分，有了它才能发挥如要发挥 l e d 的各种优势。要足没有可靠驱动电源的配套使用，就算足用了l e d 作为照 明，它的寿命、安全等特性都会降低，相对于其他照明就没有优势了。因此说 要保证l e d 产业链健康的发展，就必须配备相应的可靠的驱动电源，其重要性 不言而喻。就目前而言，由于行业中对于驱动电源的标准没有做统一标准，导 致了如今的市场上的驱动产品也是有好有坏，因此，一项迫在眉睫的任务就是 要保证开发出的l e d 驱动电源要具有高可靠性、高效率并且还要低成本，本课 题的研究意义也在于此。 1 6 本课题研究的主要内容 本文的口的是研究。种基十原边控制的l e d 驱动电源，为了此l e d 驱动电 源能够达到高的功率因数值加入了功率因数校正模块。 本论文共分六章： 第一章：主要讲述了l e d 发展历程及其电学特性，分析了l e d 驱动电源的 研究现状以及设计要点。 第_ 章：详细介绍了开关电源几种基本的拓扑结构。 第三章：构思了整个系统的规划方案，指出论文的框架结构和设计的指标 参数。 第四章：概述了功率因数校正的概念及意义，并设计了功率因数校正电路 模块。 第五章：对原边控制技术进行了详细分析并设计了此模块，然后结合功率 因数校正模块设计了整个l e d 驱动系统。 第六章：先对原边控制模块进行了测试，再对整个l e d 驱动电源进行测试。 第七章：总结与展望。对沦文完成的工作进行了总结，提出了不足之处。 第_ 二章开关电源的基木原理 第二章开关电源基本原理 l e d 驱动电源变换器按其输入与输出是否进行电气隔离分为非隔离式和隔离 式变换器，后者除了变压功能之外还具有一定的保护安全功能。从拓扑结构来说， l e d 的驱动电源变换器有多种结构，但足最基本的就足b u c k 、b o o s t 和b u c k b o o s j 种变换器，其他的变换器结构如z e t a 、s e p i e 和c u k 等结构都可以由这两种基本 结构变化得到。下面我们介绍下这三种基本的拓扑结构。 2 1 降压型( b u c k ) 变换器 b u c k 变压器也称为降压变压器，其电路如图2 1 所示，由开关管v t 、二极管 v d 、变换电感l 和蓄能滤波电容c 组成。它是d c d c 变换器q j 最常用，输出电压 等于或小于输入电压的非隔离型变压电路【1 3 】。 v 图2 1b u c k 变换器电路图 + r - b u c k 变换器有两种基本工作模式：( 1 ) 电感电流连续模式；( 2 ) 电感电流断续 模式。另外，电感l 在v t 导通期问储能，在v t 截止期间正好经二极管v d 、负载 r 把能量释放完，这时的工作模式称为临界连续模式。b u c k 这三种模式的等效电路 图如图2 2 所示。 + r 忙一丫v i 。 v i 市 ( a ) v t 导通( b ) v t 关断( c ) v t 关断后电感电流为零 图2 2b u c kj 种工作状态等效电路( 图中虚线表示相关同路断开) 天津工业大学硕士学位论文 1 电感电流连续工作模式：此时开关管v t 导通，等效电路图如图2 2 ( a ) 、 ( b ) 所示。假设v t 、v d 、l 、c 均为理想器件，开通关断时间和导通压降均为零， 电感电容也无储能损耗，输入电压v i n 在开关周期t 内保持不变。v t 开通时间为 t o n ，关断时间为t o f f ，则占空比d = t o n ( t o t o f f ) = t o n t s ，t s 为丌关周期。 在仁0 时刻，电路刚供电，v t 导通，电感l 一卜的电压为v i n - v o ，由于输出电 压v o 为常数且v o o ，则必须要求l o 满足： 矿 l 晋( 1 一d ) b = k ( 2 - 1 3 ) 二上。 式2 - 1 3 就是保证b u c k 变换器工作在电感电流连续工作模式的必要条件。与临 界电流相对应的b u c k 变换器的临界电感为： ，：匕! ! 二盟 ( 2 1 4 ) ” 2 ，；z 通常，在重负载的情况下要把b u c k 变换器没计在电感电流连续工作模式，在 轻负载下则设计成电感电流断续工作模式。 2 2 升压型( b o o s t ) 变换器 b o o s t 变换器电路图如图2 4 所示，由开关管v t 、整流二极管v d 、储能电感l 和储能滤波电容c 构成。与b u c k 的区别在于：只有在v t 截i ：的时候才有向电容c 的充电电流。在此拓扑结构中输出电压大于输入电压，且常用丁功率因数校正。 v ；一三 图2 - 4b o o s t 电路图 和b u c k 变换器一样，b o o s t 变换器也存在电感电流连续工作模式，电感电流断 续工作模式和临界工作模式，共三种工作状态，它们的等效电路图如图2 5 所示13 1 。 v 舒珀 ( a ) v t 导通 v 杆 _ 硅 ( b ) 截i ： + r p ( c ) v t 关断电感电流为0 图2 - 5b 0 0 s t 三种工作状态等效电路( 图中虚线表示相关| 1 路断开) 第_ 章开关电源的基本原理 1 电感电流连续工作模式：与前面介绍的b u c k 变换器一样，开通时间为t o n 、 关断时间为t o f f 开关周期为t s ，变换器损耗为零。在t = o 时刻，电源供电，v t 导通，电感l 的电流线性增长，同时电容c 放点向负载r 提供输出电流i o ，在t o n 时刻电感电流达到最大值i l 啮。，因此电感电流的变化量为： 她+ = 争= 半d 五 ( 2 - 1 5 ) 在t = t o n 时刻v t 截止，此时电源v i n 和电感储存的能量向储能滤波电容c 和负 载r 提供能量，其中c 储存的能量在下一周期开关管导通时给负载提供能量。在截 止时加在电感西端的电压为v o - v i n 在t = t o f f 时电感电流的变化量为： 越l 一= 等t t ) f f l ri ，r r ：竖当( 1 一d ) 瓦 ( 2 - 1 6 ) 稳态时，电感电流的变化最在v t 导通期问和截止期问应该一样，即式2 1 5 与 2 1 6 相等，通过计算可以得到b o o s t 变换器的输出电压表达式为： 2 高吃 q 。1 7 由于占空比d v i n ，同时由式2 1 7 可知，b o o s t 变换器的占空比不 能为l ，这与b u c k 变换器是不同的，此外，在开关管截止期间储能电感会通过二极 管形成释放同路，若不接负载则会引起输出电压升高以至于损坏变换器，这也是不 同于b u c k 变换器的地方。 2 电感电流断续工作模式：与b u c k 变换器不同，b o o s t 变换器在开关截止期 间输入电源功率和电感向输f l j 传递能量。开关导通刚输出功率p o n = v 2 i n t o n l ；开关 截止时功率p o f f = v i 。( v o - v i 。) t o f b ，l 。将两者分别在t = 0 - r r o n 和t = o t o f f 期间内积 分再去平均值为： k 志r r 孚砌+ r 8 鼍掣础， 协 化简可得： k 赤c 鲁严洲+ 鲁彘严删， ( 2 - 1 9 ) 由于先前我们假设了变换器的损耗为o ，所以输出功率应等于输入功率，即 p a v g = p o 。经过化简运算可以得到输出电压的表达式为： 圪= 吃+ 净 天津工业大学硕士学位论文 ：矿+ 型 ( 2 - 2 0 ) l 2 l i o f s 二上“n ，o 由式2 2 0 可以知道，在电感电流断续t 作模式下，输出电j k 不仪与输入电乐有 关，还与占空比，负载电流和工作频率有关。若输入电压恒定，义要保持输出电压 不变，那么应该随着负载电流的变化随时调节占空比，且成正比关系。若保持负载 电流恒定，输入电压变化，要想维持输出电压恒定，同样需要调节占空比的大小。 3 电感电流临界工作模式的条件：如图2 6 所示，临i 界点就是 乜感电流下降为 o 的时刻正好是开关截止期间的终点t s 。 v 图2 6 临界模式电感电流 忙扛= 等五= 筹 由于电感电流最小值i l m i n - 0 ，可以得到输入电流i i 为： i l ，豳= i i 一之l j j 矗毛虬= 吉t 一= 篆。五2 2 “。“2 三 6 要想电感电流保持连续的工作模式状态，则应满足i l m i 。 o ，即： 易警= 式中t o g 为临界负载电流，与之对应的临界电感为： = 鼍 要想满足电感电流连续条件，电感应为： ， 学：k ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) 第一二章开关电源的基本原理 2 3 极性反转升降压( b u c k b o o s t ) 变换器 b u c k b o o s t 变换器也称极性反转升降胜变换器，其电路图如图2 7 所示。主电 路由丌关管v t 、储能电感l ，整流二极管v d 和储能滤波电容c 组成，此电路的功 能结合了b u c k 变换器和b o o s t 变换器的功能，既能降压又能升压，取决于p w m 驱 动脉冲的占窄比d 。由于输出电压的极性与输入电压相反，所以称之为反极性变换 器【13 1 。 v 图2 7b u c k b o o s t 变换器电路图 b u c k b 0 0 s t 变换器同样也具有三种工作状态，其等效电路图如图2 - 8 所示。 v 凸r _ 匝 ( a ) v t 导通 r _ 衍h 一苗 lo 、 v i 订l j ( b ) v t 截止 ( c ) v t 关断时的电感电流为o 图2 8b u c k b o o s t 变换器- 三种状态等效电路图( 图l f i 虚线表示相关回路断开) 1 电感电流连续工作模式：此模式的等效电路如图2 - 8 ( a ) 、( b ) 所示。设定 开通时问t o n ，开关周期t s ，占空比d ，且变换器无损耗。在t = o 时刻v t 导通， 电感l 的电流线性增加，并且在t = t o n 时刻达到最大值，期间的变化量为： 矿矿 虬+ = 半= 半d 瓦 ( 2 - 2 6 ) ll 在开关管v t 截止时刻，由于电感电流的4 i 能突变性，电感电流将经过负载和 二极管对电容充电，把导通时存储的能量释放给输出同路，这时候的电感电流开始 线性下降，此期间的电感电流变化量为： 天津工业大学硕士学位论文 虬一= 睾，= 孚( - 一。爆 c 2 掰， 虬一2 詈f 2 詈( 1 一d ) 不 q 乏7 由于一个周期稳态时，开关导通与截，j 卜时电感电流的变化量相等，因此： 孚( 1 圳不= 等d 乃 协2 8 ， 由式2 2 8 可以求出输出电压与输入电压之问的关系式，即： 吃= 南 协2 9 ， 由式2 2 9 可知，当d = o 5 ，即导通时问等于截止时问时，输出电压等于输入电 压；当d v i n ，实现升压功能。同时需要注意，无论哪种情况 输 h 电压与输入电压的极性都相反。 2 电感电流断续工作模式：在导通期问的状态与连续_ t 作模式下相同，电感电 流呈线性变化，其值为v i 。t l ，期问储存的能量为： p = r 争砌 ( 2 3 。) 则平均功率p a v g 为： 只哪= 丢r 争础 = 警 协3 ， 2 三l 因为假设变换器无损耗，则有： 雩：圪乇 ( 2 - 3 2 ) 2 r “ 由式2 3 2 可以得到输出电压为： = 筹 协3 3 ， 由此可知，空比、输入电压和负载电流都会影响着输出电压。 3 电感电流临界工作模式的条件：与前面的b u c k 和b 0 0 s t 结构一样，临界点 就是在开关截| | 期间的终点t o 处，电感电流正好下降为0 。如图2 - 9 所示。 第章开关电源的基本原理 v l l 图2 9 临界模式电感电流 t 。i l l = ，脚一札 ( 2 - 3 4 ) 由于i l m i n = 0 ，叮以求得电感电流临界工作模式下的平均电流为： t g = 晋( 1 一d ) 五 ( 2 3 5 ) 同甲均电感电流相应的输出负载电流i o g 为： k = 晋( 1 一d ) d 五 ( 2 3 6 ) 如果要想存电感电流连续模式下工作，输出负载电流必须满足： d 轰( 1 _ d 腿= 差( 1 _ d ) 2 瓦 ( 2 - 3 7 ) 厶 盖( 1 一d ) d 五2 兹( 1 一d ) 2 瓦 ( 2 。3 7 相对应的临界电感为： k 2 老”d ) d 五= 老”硝五 ( 2 - 3 8 ) 由式2 3 8 可知，增大储能电感l 的电感量，在其他条件不变的情况下，可使临 界负载电流i o g 的值下降，扩大轻载时的电感电流连续工作范围1 3 j 。 2 4 本章小结 本章介绍了开关电源经常用到的降压型变换器( b u c k ) 、升压型( b o o s t ) 变换 器以及极性反转型( b u c k b 0 0 s t ) 变换器的三种基本拓扑结构，在分别分析它们工 作原理的基础上，给 i 了这三种变换器的相关参数的表达式，为后面设计一种基于 原边控制的l e d 驱动电源奠定了理论基础。 天津工业大学硕士学位沦文 第三幸电源驱动系统的电路设计 第三章电源驱动系统的电路设计 3 1 系统电路的实现要求 随着l e d 绿色照明时代的到来，l e d 照明会逐渐取代传统照明。这时一款高 效的l e d 开犬电源的设计就演得尤为重要。本文设计一款基于原边摔制的l e d 驱 动电源系统，土要作为p a r 3 88 u p 系列灯具的驱动电源，可取代传统的p a r 3 8 卤素 灯，适合家居及公共场所照明与装饰，广泛应用于别墅、高梢宾馆、酒店、会议室、 展厅、商场、柜台等作为高档灯具的光。该开关电源系统具有效率较高，功率冈数 较大，耐高压，对照明电网和其他功率设备的影响小，以及系统稳定等优点。设计 出来驱动电源系统，它的电路可满足以下