（电路与系统专业论文）120w+led驱动器的设计.pdf

杭州电子科技大学硕十学位论文 摘要 随着能源成本的攀升、更为严格的全球能源法规出台和实施，以及高亮度l e d 发光效 率的提高，l e d 照明日益成为白炽灯和荧光灯的理想替代产品。l e d 以其高效、节能、长 寿命、环保、安全可靠的优势逐步进入通用照明领域。l e d 驱动器影响l e d 发光效果、效 率及整机的稳定性，l e d 技术日新月异，对l e d 驱动的研究也成为热点。 本文针对l e d 在照明领域的实际需求，设计了一款1 2 0 w l e d 驱动器。通过对不同方 案的比较，最终确定采用p f c + d c d c 的两级方案。首先，对功率因数校正技术进行了简 要介绍，详细分析了p f c 的三种工作模式，介绍了临界导通模式功率因数校正器的基本原 理，确定了采用临界导通模式( c r m ) 的b o o s tp f c 电路，进而对主电路的关键参数及基于 l 6 5 6 2 的控制电路进行了详细设计。其次，对传统的单端正激变换器做了简要介绍，讨论了 几种不同的复位方式，详细分析了采用有源钳位复位的正激变换器的工作原理，继而完成 了对电路元器件参数及控制电路的设计，分析了主电路关键技术，并提出了改善措施。后 期，针对有源钳位正激变换器存在的问题，提出了双管正激的拓扑结构，并完成了电路的 设计。最后，介绍了驱动器的电磁兼容及可靠性问题，分析了电磁干扰产生的原因和抑制 电磁干扰的措施，并着重讲解了e m i 滤波器的设计原理及设计原则，为了使滤除噪声的效 果更佳，本文给出了采用两级复合式e m i 滤波器电路，给出了具体电路结构。 结合以上提出的方案，研制出了1 2 0 w l e d 驱动器样机，给出了实验结果，验证了设 计方案的合理性及可行性。 关键词：l e d 驱动，p f c ，有源钳位正激，双管正激，电磁兼容 杭州电子科技人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o s t so fe n e r g yr i s i n g , m u c hm o r es t r i n g e n tg l o b a le n e r g yl a w sp r o m u l g a t e da n d i m p l e m e n t a t e da n dh i g hb r i g h t n e s sl e d l u m i n o u se f f i c i e n c yi n p r o v e d l e dl i g h t i n gb e c o m e st h e i d e a ls u b s t i t u t ep r o d u c t so ft h ei n c a n d e s c e n ta n df l u o r e s c e n tl a m p d u et ot h ea d v a n t a g e so fh i g h e f f i e i e n c y , l o n g l i f e ，p o l l u t i o n f r e ea n ds a f e t y , w h i t el e db e c o m e sp o p u l a ri nt h ef i l e do fg e n e r a l i l l u m i n a t i o n l e dd r i v e rh a v ee f f e c to nl e ds h i n ee f f e c t ，e f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo ft h e m a c h i n e ，l e dt e c h n o l o g yc h a n g er a p i d l y , t h el e d d r i v e rh a v eb e c o m et h es t u d yh o t s p o t i nt h i sp a p e r , a12 0 wl e dd r i v e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n ti nt h e l i g h t i n ga r e a t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n ts c h e m e s ，if i n a l l yd e t e r m i n e dt ou s e p f c + d c d ct w ol e v e ls c h e m e f i r s to fa l l ，t h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) t e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d ，t h r e eo p e r a t i n gm o d e so ft h ep f ch a v eb e e nd e t a i l e da n a l y z e d ，i n t r o d u c e dt h eb a s i c p r i n c i p l e so ft h ec r i t i c a lc o n d u c t i o nm o d e ( c r m ) p f c ，d e t e r m i n e du s i n gt h eb o o s tp f cc i r c u i t w o r k i n gi nc r i t i c a lc o n d u c t i o nm o d e a n dt h e ng i v i n gt h ek e yp a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i ta n d t h ed e t a i l e dd e s i g n i n go fc o n t r o lc i r c u i tb a s e do nl 6 5 6 2 s e c o n d l y , t h et r a d i t i o n a ls i n g l e e n d e d f o r w a r dc o n v e r t e ri si n t r o d u c e db r i e f l y , d i s c u s s e ds e v e r a ld i f f e r e n tr e s e tm e t h o d s ，p r e s e n t e dt h e p r i n c i p l e s o ft h e a c t i v e - c l a m pf o r w a r dc o n v e r t e r , c o m p l e t e d t h ec a l c u l a t i o no ft h ec i r c u i t c o m p o n e n t sp a r a m e t e r s f u t u r em o r e ，a n a l y z e dk e yt e c h n o l o g yo fm a i nc i r c u i ta n dp u tf o r w a r d i m p r o v em e a s u r e l a t e r , i nr e s p o n s et ot h ee x i s t e n c ep r o b l e mo ft h ea c t i v ec l a m p e df o r w a r d c o n v e r t e r , p u t f o r w a r dt w o s w i t c hf o r w a r d t o p o l o g ys t r u c t u r e ， c o m p l e t e d c i r c u i t d e s i g n i n g , f i n a l l y , i n t r o d u c e dt h ed r i v e r se 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 ya n dr e l i a b i l i t yp r o b l e m s ， t h ef a c t o r sl e a d i n gt oe m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r r u p t i o n ) a n ds u p p r e s s i o nm e a s u r e sf o re m ia r e a n a l y z e d ，a l s of o c u s e do nt h ee m if i l t e rd e s i g np r i n c i p l ea n dd e s i g np r i n c i p l e s i no r d e rt om a k e t h en o i s er e d u c t i o ne f f e c tb e t t e r , t h i sp a p e rg a v eat w ol e v e lh y b r i de m if i l t e rc i r c u i t ，a n dt h e s p e c i f i cc i r c u i ts t r u c t u r e i sp r o v i d e a d o p t i n gt h ep r o p o s e ds e h e m e ，a12 0 wl e dd r i v e rp r o t o t y p ei sd e s i g n e d t h ep r o t o t y p ei s b u i l ta n dt e s t e d ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l tv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e d a p p r o a c h k e y w o r d s ：l e dd r i v e r , p f c ，a c t i v e - c l a m pf o r w a r d ，t w o - s w i t c hf o r w a r d ，e m c n 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论弟一旱三百下匕 1 1 课题研究的目的及意义 l e d 是人类照明史上的又一次革命，和以前的荧光灯、白炽灯相比有着本质区别，l e d 的发光机理是当有电流流过固体时有光子辐射出来，其发光效率是荧光灯的两倍，是白炽 灯的十倍。高亮l e d 具有发光效率高、寿命长( 理论寿命可达1 0 万小时) 、反应速度快( 纳 秒级) 、防振动、安全性好、不易破碎及可调光等优点，同时非常环保，若能以l e d 取代 传统低效率、高耗能的照明灯具，将缓解能源短缺和环境恶化情况。 随着技术的不断进步，发光效率进一步提高，和单位成本持续下降，l e d 的应用领 域不断拓宽。目前，白光l e d 主要用于路灯、交通信号灯、汽车照明、装饰照明和l c d 背光照明等场合。市场前景非常广阔。在l e d 大放异彩的同时，l e d 驱动器则是l e d 产 业链发展的保障，l e d 驱动器的品质直接制约了l e d 产品的可靠性，因此，在l e d 产业 链逐步完善的今日，l e d 驱动器设计技术至关重要。 但是在当前市场背景下，l e d 产品质量良莠不齐，对驱动器的要求混乱，就l e d 驱动 器生产厂家而言，以下几个问题需要解决。 ( 1 ) 驱动器应具有升压及降压功能。尤其是对于白光l e d ，在市电情况下，其驱动器必 须具有降压作用，以保证白光l e d 得到合适的稳定工作电压 ( 2 ) 高功率转换效率和低功耗 ( 3 ) 电流匹配和亮度调节。对于l e d 阵列，要保证其电流的一致性。另外驱动器要有 亮度可调的作用，以应对在不同环境下对亮度的要求 ( 4 ) 要有完善的保护电路 ( 5 ) 实现噪声小、抗干扰能力强 ( 6 产品要有合理封装、成本低、使用方便。 当前形势下，对l e d 驱动器的诸多需求催生了大功率l e d 驱动器，尤其是l e d 照明 行业将为大功率l e d 驱动器的发展提供巨大的动力。面对对l e d 驱动器设计要求提出的 新的挑战，实现l e d 驱动器的小型化，高效率，高性能、高可靠性将对整个l e d 产品市 场产生巨大的变革作用。 因此，研发高效的l e d 驱动器，对半导体行业、社会环保及人民生活质量的提高等 方面具有重要的意义。 1 2l e d 介绍 1 2 1l e d 的发光原理 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 一发光二极管，其由p 型和n 型半导体组成。要实现发光 杭州电子科技大学硕士学位论文 必须满足三个要素：在正向偏置电压下注入载流子、复合辐射、传输光能。发光过程具体 如下：当加正向偏置电压时，因外电场的作用，使电子由n 区注入到p 区，而空穴则由p 区注入到n 区。进入对方区域的少数载流子( 少子) 将部分和多数载流子( 多子) 复合。 这个过程就会有能量以辐射光子的形式转化为光能；当加的是反向电压时，p n 结空间电荷 区变宽，由于电场力作用，少数载流子很难注入，当然也就不会有电子与空穴的复合，因 此l e d 不发光l l j 。 n 区结区p 区 图1 1l e d 发光原理 1 2 2l e d 特点 l e d 的内在特征决定了它具有很多优点如下： 1 ) 体积小。一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面即构成了l e d ，体积小，重量轻。 2 ) 耗能低。 3 ) 寿命长。在光通量衰减到8 0 时，其寿命达到了2 5 0 0 0 小时。 4 ) 环保。l e d 光源不含有害金属汞，l e d 也可以回收再利用，不像高压钠灯或金属 卤化物灯在报废时对环境造成污染。光谱中无紫外线及红外线之类，无辐射，眩光较小， 对眼睛不会造成大的视力影响，另外可以用手触摸，l e d 也因此被称为绿色照明光源。 5 ) 结构较坚固。用环氧树脂对其四周封装，保护内部的芯线，抗震性能非常好。 6 _ ) 亮度可调。l e d 工作范围较大，其光输出和工作电流成正比。因此通过调整工作电 流，即可改变发光强度。 1 2 3l e d 连接形式 基于上述l e d 的优点，l e d 在照明系统和灯饰装修中得到了广泛应用。在实际应用系 统中，都是采用l e d 驱动电路加l e d 负载的形式。l e d 作为负载，一般并不是单颗的l e d ， 而是以一定数量的l e d 组成的阵列作为负载。不同的阵列对其本身的可靠性及工作特性有 不同的影响【2 1 。在此，我介绍以下几种常见l e d 连接形式。 1 、l e d 串联形式 l e d 串联形式顾名思义就是将多个l e d 串联在一块，如下图1 2 所示： 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 i：i!：!：liili醉iili编 图1 2l e d 串联 这种连接方式优点是：电路中各处电流相等，保证了每个l e d 发光强度的一致性。但 缺点是由于l e d 的负温度特性，必须在电路中串联电阻以限制电流，这就增加了电路中的 损耗。另外由于多个l e d 串联其电压总和较大，要求l e d 驱动器输出较高的电压，从另 一个角度讲，对于特定的输出电压的驱动器，限制了所驱动的l e d 的数量。 2 、l e d 并联形式 l e d 并联形式如下图1 3 所示。该连接方式使每个l e d 承受的工作电压相等，但由于 l e d 的电流驱动特性，要保持发光一致性，必须使每个l e d 通过的电流相等。实际中，由 于每个l e d 的制作工艺的微小差别，使每个l e d 的性能不可能完全一样即很难保证每个 l e d 发光的一致性。另外l e d 并联，需要l e d 驱动器输出较高的电流保证各支路能正常 工作，这样就会增加驱动器的成本。 图1 3l e d 并联 3 、l e d 串并混联形式一 通过对上面两种l e d 的连接方式分析可知，其存在很大缺陷，为了解决其存在的问题， 我们采用混联连接方式，该方式又分为两种即先串后并及先并后串。其连接方式如下图1 4 及图1 5 所示： 门 一 l e dl e d 哆 乃 d 2 1u r o l l d 2 2 刀 一 l e dl e d 乃乃 d n l u - j d r y 2 l 匕l l b ul e l jle工)leul e l l 图1 4l e d 先串联后并联的混联方式图l - 5l e d 先并联后串联的混联方式 a ) 先串联后并联的的混联方式 如图1 4 所示，这种方式既保证了电路的可靠性( 每一个串联支路的故障不会影响其他 支路l e d 的正常发光) ，又保证了驱动电路的电压匹配，比单纯的串联形式的可靠性高得 多。由于分配给每个支路的电压相等，每个支路上的电流基本一致，所以l e d 亮度基本一 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 致。当串联支路有l e d 短路时，由于整个支路电流增大，将最终导致该支路断开。当电路 采用恒压驱动，则只是驱动器输出电流减小，而其他支路l e d 仍能正常工作；当电路采用 恒流方式驱动时，则一支路断开后，其他支路承担的电流将增大，易使其他支路也受到损 坏，但是如果并联的支路数量很多，这样其他支路增加的电流将很小，影响就会基本不大。 b ) l e d 先并联后串联的混联方式 如图1 5 所示，这种方式提高了每组l e d 工作的可靠性。当有某个l e d 出现短路现 象时，不管什么驱动方式，改组l e d 将会都不亮。当采用恒流方式驱动时，除了有故障这 一组l e d 外，其他都能正常工作。假定驱动器的输出电流较大且每组并联的l e d 数量较 多，则当某颗l e d 短路后，因为通过的电流很大很容易造成短路，这样电流就会从并联的 其他l e d 上通过，又因为并联的数量较多，电流流入每个l e d 的电流就会变化不大，所 以能实现正常工作。 1 3l e d 驱动器的发展现状与趋势 l e d 经济性主要体现在其具有更好的节能效果、照度效率的优势。在全球环保意识高 涨下，l e d 已成为各国力推的政策，其中l e d 灯泡将成为众多国家推动的照明计划中优先 导入产品之一。今年全球l e d 照明渗透率基本突破1 0 左右，吸引日亚、欧司朗、飞利浦 及科锐等大企业的竞逐商机。我国政府藉由奖励方案，推动大陆内部对l e d 自给自足的能 力。地方政府也提出降低税率、加速设备汰旧换新、以及免费用地等措施，另外来自台湾 和韩国的厂商也透过合资方式进入中国，这些都成为推动中国l e d 产能增加的重要因素， 并反映了l e d 照明的海量市场已经具备激活条件【3 】。 我国在封装方面已发展为重要基地，海内外的一些企业在中国这个巨大市场不断投资。 半导体照明的工程实施以来，国内的l e d 产业也迅速发展。近年来，我国为提高国际竞争 力及产业的技术水平而不断努力着。目前台湾地区l e d 业主要是向全彩化，高亮度与大型 化方向发展。 由于白光l e d 作为新一代光源具有极好的市场前景。使其对电源稳定性要求比较苛刻， 需要一些特定的驱动电路。l e d 的迅速发展带动了其驱动产业的蓬勃发展。目前做l e d 驱 动器的厂家很多，其中做好的比较好的厂家如：台湾明纬，飞利浦等。在l e d 驱动器的带 动下，使作为l e d 驱动器核心的l e d 驱动芯片迅猛发展。使得美国国家半导体公司、意 法半导体、安森美、美信、德州仪器、凌特等这些大厂商纷纷加入。并且各公司都有主推 的l e d 驱动器样品，产品涉及到从低功率到大功率的。目前我国大陆及台湾也成为l e d 驱动的重要供应商，涌现了一批l e d 驱动器生产厂商。如茂达、立镝、迅杰、华润、国微 等等。当然我国l e d 驱动器设计水平和国际一些大厂商相比还有一定差距，我们要抓住机 遇，不断接受新的挑战。使我国的l e d 驱动技术达到国际先进领域【4 j 。 针对当前应用需求的激增及驱动器解决方案的多样化，l e d 驱动器设计者将面临如何 进行从优选择的问题。从目前的发展形势看，应用于闪光灯、照明灯等领域的中功率及大 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 功率l e d 驱动器起步时间较短，发展空间很大。另外，应用于该领域的驱动器一般直接由 市电供电，因此提高市电供电效率也是一个新课题。总之未来l e d 驱动器将向高可靠性、 高效率、高功率因数、可调光以及体积小等方面迅速发展。 1 4 本研究课题的主要内容 本课题的目的是根据白光l e d 的特性，同时考虑l e d 灯具的具体使用情况，研发 出一款高效、实用的1 2 0 w 高亮度白光l e d 驱动器，所要求达到的性能指标： 1 工作电压范围： a c8 5 - - 2 6 5 v 2 系统效率：大于9 0 3 输出电压电流：3 6 v 3 3 a 4 负载调整率：小于5 5 安全指标：符合国家规定 6 电磁兼容：符合国标要求 1 5 论文结构安排 本课题主要是设计一台市电范围输入、1 2 0 w 输出的白光l e d 驱动电源，选取多级驱 动方案，即p f c + 有源钳位及p f c + 双管正激两级式结构；第一章主要简要介绍了l e d 的特 点、发光原理等，论述了l e d 驱动器的发展现状及趋势；第二章主要分析了功率因数校正 技术，并完成b o o s tp f c 电路的设计；第三章主要介绍有源钳位正激式及双管正激式电路 的工作原理、参数设计与优化；第四章主要是介绍电源的电磁干扰及可靠性分析；第五章 给出了实验结果，并对结果进行比较和分析；最后，第六章对该方案进行了总结和展望。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章功率因数校正的分析与设计 2 1 功率因数校正技术简介 随着社会的发展，家用电器已进入千家万户，工业电气自动化不断提高，社会对电力 的需求不断增长，虽然建设了很多电厂，但是用电质量很低，电能未能充分利用，导致每 年仍有电力供应不足的问题。因此为了提高用电质量，必须提高电器设备等产品的用电效 率或功率因数，同时要抑制谐波对电网的污染。目前欧盟和美国对电气设备的功率因数这 项技术提出了严格要求，要求功率因数技术指标应满足欧洲技术标准e n 6 1 0 0 0 3 2 的有关 要求。 各种程序控制电动机、显示器等既有阻性负载、感性负载、又有容性负载。由于受到 电抗的作用，发电机发出的交流电流往往滞后于交流电压一定角度，即相位角不为零，就 是说发电机发出的电能不能完全被所有的用电设备利用，只有一部分电能被利用，而相当 一部分电能以电磁场的形式在发电机和用电设备之间往返变换而不能被释放。这就是我们 所说的“功率因数”，用数学表达式描述为有功功率和视在功率相比即 p f ：旦：坠螋：i i - c o s p ：y c o sp( 2 1 ) s 巧k 、 上式中p f 代表功率因数，p 表示有功功率，s 表示视在功率，i l 为输入市电基波电流的 有效值；i 一为交流输入市电电流的有效值；夕= i l i 腓为输入市电电流的波形失真系数 6 1 7 1 ； c o s 矽为输入市电基波电压和基波电流的相移因数。 视在功率等于有效电压和有效电流k 的乘积： s - 、，鹏i 腿 理想的功率因数p f 等于1 ，是指供电电路电压和电流无波形畸变，均为标准的正弦波。 对于理想的正弦波有两种情况，一是用电负载是电阻性的，输入电压和电流都会保持正弦 波，并且相位差为零，这种情况功率因数p f = i ，功率全部消耗在负载上；另一种情况是负 载是容性负载供电电压和电流均呈正弦波，但是输入电压和电流之间存在相位滞后。 功率因数校正技术能使输入电流的波形跟随输入电压波形，从而使得电流波形呈正弦 波，且相位和电压相同，此时可将整流器的负载等效为纯电阻形式。 2 1 2 功率因数与总谐波含量的关系 在开关电源中，对于产生畸变的正弦波输入电流，可以通过傅里叶级数描述。根据傅 旱叶级数的原理，瞬时电流可以表示为： 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 f ( f ) = s i n ( n w t ) + b c o s ( n w t ) ( 2 2 ) 2 亨要”“。s i n c 甩w 。d c w f l ( 2 3 ， 吃= 砸) c o 咖w t ) d ( w t ) 一 i 删= 去属可 ( 2 4 ) i t o t a l 2 0 k h z 满足设计要求。 b 、磁芯的选择【1 8 】 p f c 电感即a p f c 调整器的升压电感，起峰值电流传递与升压作用。为避免电感在较强 基波电流作用下饱和，必须对p f c 电感磁芯材料有一定的要求。另外还要考虑到在高频基 波电流下不要使磁芯有过高的功率损耗。所以，设计中要选择有效磁导率p e 低、饱和磁感 应强度b s 大、功率损耗小的磁性材料。由于在现有的磁性材料中，铁氧体材料具有温度特 性极其良好( 相对于温度变化的磁导率的变化率小) 、品质因数高、强度高等特点，此种 材料非常适合用于p f c 的电感匹配。其中铁氧体磁材中的p q 型号磁芯有效截面积大、 几何形状紧凑，对要求的相同的电感量能使绕组匝数减少，另外，其表面积大，有利 于热辐射能力的提高，从而减少温升。 实际应用中，磁芯尺寸的确定要根据电感传递的功率、自身损耗、工作频率等进 行选择。计算公式如下： a e 2 1 2 再 ( 2 2 5 ) 式中4 ( m m 2 ) 为磁芯的有效截面积；为p f c 电路的额定输出功率； p f c 电路效率，一般取r = 0 9 5 ； 由上式( 2 2 5 ) 可得： 删木- 再彬t 恶圳s s m 所2 因此本设计选择p c 4 4 材质的p q 3 2 2 0 磁芯，其磁- 心- i - t - 截面积4 = 1 7 0 m m 2 。 c 、主绕组匝数计算 主绕组匝数计算公式： m = 卷 r 为预估的 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 式中l 为p f c 电路电感量；k 为升压电感峰值电流；吃为工作磁通密度，为减少损 耗，一般选择吃为饱和磁感应忍的7 0 。p c 4 4 材质的饱和磁感应色= 3 9 0 r o t , 所以 吃= 7 0 忍= 2 7 3 m t ，本设计中取巩= o 2 5 t 。 经计算得到： 坼= 尝= 器0 2 5 t1 7 0 m m _ 4 6 1 ( 匝) ( 2 - 2 8 ) ”p 4 玩 2 u p 7 取。= 4 8 匝，采用线直径为0 3 1 r a m 的漆包线3 股并绕。 1 4 杭州电子科技人学硕士学位论文 d 、副主绕组匝数计算 副主绕组有2 个作用，一是控制芯片z c d 脚上的零电流检测信号；二是控制芯片v c c 脚的电源。副主绕组的匝数计算公式如下： v a u x - = 一n p u a u x ( 匝v ) ( 2 2 9 ) 一o - v a c r m x ) ( 2 2 9 ) 式中心暇为辅助绕组匝数；唧为辅助绕组提供o g t 作电压，一般叽皤, 1 5 v ； 经计算可得： n a u x - 瓦n p u a 时= i 石1 蕊5 x 4 8 5 ( 匝) ( 2 3 0 ) 由于辅助绕组流过的电流较小，所以采用单股o 3 1 m m 漆包线绕制即可。 ( 4 ) 开关管的选择 由于开关管的损耗主要由漏源极导通电阻r d s ( o b ) 决定，所以对开关管的选择时，要充分 考虑其r d 驯的大小。本设计中，p f c 电路中开关管的耐压主要由输出电压和特定的过压值 决定。一般留出2 0 的电压裕量。所以本设计中所选开关管的耐压值 v 矗 ( 1 + 2 0 ) v r 伽t = 4 8 0 v 。 开关管的有效值电流计算式为： i ，一。= i 嗡 ( 2 3 1 ) 一般选择的开关管的漏极电流，d 约3 倍于流过开关管的有效值电流，即 厶3 0 。= 5 8 8 a 。 在此基于临界导通模式的1 5 0 w p f c 电路中，我选择意法半导体公司的s t p l 2 m 5 0 ， 其耐压值v d s = 5 5 0 v , 额定电流i d = 12 a ，导通电阻r d s ( 伽) = 0 3 q 。 ( 5 ) 升压二极管的选择 和选择m o s f e t 的规则相似，选择输出整流二极管也要从耐压和额定电流着手。并且 升压二极管必须选超快速恢复二极管，反向恢复时间不得大于l o o n s 。对于升压二极管所能 承受的最小反向电压应该为输出电压和过压值之和，处于安全考虑应留出2 0 的电压裕量。 所以选取的升压二极管最低耐压值应为4 8 0 v ：而对于升压二极管额定电流参数的确定要满 足选择的二极管的额定电流为输出电流的3 倍即大于1 2 a 。设计中选择意法半导体公司的 超快速恢复二极管s t t h 5 l 0 6 ，其能承受的最大反向电压为v r 且m = 6 0 0 v ，额定电流i f = 5 a ， 最大正向导通压降v & 一) = 1 0 5 v ，最大反向恢复时间值t 一一) = 9 5 n s 。 ( 6 ) 输出滤波电容选定【1 9 】 输出电容用于滤除输出电压的脉动交流部分，使电压平直。其容值要根据输出电压、 输出电压纹波、保持时间及输出功率而定。本设计中设定保持时间f w 。= 1 0 m s ，电压纹波的 杭州电子科技大学硕士学位论文 大小取决于电容阻抗和电容上的峰值电流，其值已由上文给出：= 2 0 v 。 如下图2 7 所示，输入功率与输出功率关系表达式为： 圪= 厶( 。) ( 棚) ( 1 一c o s ( 2 c o t ) ) = l ( 2 3 2 ) 图2 7 电路输入功率与输出功率关系图 由上式( 2 3 2 ) 可得： 厶= 半( 1 一c 。s ( 2 刎) ) = l ( 1 一c o s ( 2 研) ) ( 2 3 3 ) 所以电容上通过的最大电流值即为输出电流值的大小。 a 圪叫 一一 图2 8 输出电容电压纹波波形 输出电容电压波形如上图2 8 所示，纹波电压大小为： = 2 j 叫 ( 2 3 4 ) 式中，e s r 为电容的等效串联电阻值，力为市电频率。 对于低e s r 的电容，可以忽略e s r 对纹波的影响，但是在考虑功率损耗时不得不考虑 进去，此时计算输出电容可由下式得出： ! ： 曼 ：! ! q 竺：5 9 6 订 35)co i o u t -rout(235 瓦历瓦2 石2 n 两- 瓦2 丽面5 0 h = z x 4 l 0 0 v x 2 0 v 2 石订 2 万石 石圪叫 2 万 为了满足保持时间方面的要求，必须要对电容的计算值进行调整。考虑到最小的输出电 压和特定的保持时间，此时输出电容的值可由下式( 2 3 6 ) 得出： cd=瓦面2p兀o“,thold2 丽2 再x 1 5 丽o w x 面l o m 研s = 5 5 l uf ( 2 3 6 ) 1 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 为了得到更合理的电容尺寸，以及电容本身的误差，一般留有2 0 的裕量。所以输出 电容应满足： c o , 丽c o = 羔卵6 9 u f 在此选c 。= 1 0 0 9 f 4 5 0 v 的电解电容。 此时可得保持时间： 疆=鱼! 坠二掣1 7 0 u t ) 2 - - 一5 5 _ 1 6 8 0 8 0 2 2 - 1 5 0 ( 2 3 7 ) = 1 8 m s ( 2 3 8 ) ( 7 ) 控制电路设计 电路中使用了意法半导体公司生产的l 6 5 6 2 a 作为p f c 电路的电流模式控制芯片。其 结构框图如下图29 所示： 图2 9l 6 5 6 2 a 结构框图 其具有如下特点： 一为满足最小t h d 进行的独有的乘法器设计 精确可调的输出过压保护 一极低的启动电流( 3 0 - t a ) 一较低的静态电流( 2 5 m a ) _ 内部参考电压于2 5 时只有1 以内的误差率 零电流侦测功能 一具有图腾柱输出级 基于以上这些特点可以将l 6 5 6 2 a 应用于p f c 电路中并对芯片外围电路设计如下。 1 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 a 、启动及供电电路设计 如上图2 4 所示，启动电路元件包括r 、足、g 。在输入脉动电压的作用下，由于一 次侧升压电感的存在，是在二次绕组中感应出电流，升压变换电路二次绕组两端电 压为1 4 v ，此电压通过日、g 和c 4 整流滤波后向l 6 5 6 2 a 的8 脚提供约1 3 v 的直流电压， 为防止电压过高损坏芯片，应在辅助绕组输出加稳压管对其电压钳位。由于l 6 5 6 2 的启动 电压为1 2 5 v ，故稳压管稳压值应在1 2 5 v 2 2 v 之间，设计中选用1 8 v 稳压管1 n 5 2 4 8 b 。q 选用快速恢复二极管1 n 4 1 4 8 。足是限流电阻不应太大，否则会引起损耗，使供给芯片的电 流不足，可选用1 0 0 欧姆电阻。c 5 起一个微分作用，也就是用脉冲方式给c 3 供电，也可 以认为是个高阻，然后绕组的供电就是个恒流源，所以需要d 2 。启动电阻r 、r 应保证 在最低输入电压圪下，为i c 提供足够大的启动电流。 兄+ 足 1 2 v a t ( r a i n ) 。 跚( 一) ( 2 3 9 ) 式中为i c 的启动电流，为3 0 1 x a ；咖= 1 2 0 v 。由上式可得： r + 足 2 v a c ( m i n ) ：堑善q ：4 0 0 0 k q 3 l 豫 3 0 x 1 旷 实际中取r 4 = r 5 = 2 7 0 k 串联作为启动电阻。 启动电容的c 3 和c 4 的选用原则是：电容的放电时间必须大于来自变压器二次侧的自举 电压达到i c 的8 脚启动门限电压的时间。设计中取启动电容c 3 = 2 2 u f 2 5 v 的电解电容。 b 、z c d 电路设计 在p f c 电路中，z c d 管脚通过一个限流电阻和升压电感的辅助绕组相连。z c d 电路是 负向边沿触发，当z c d 管脚电压低于o 7 v 时，激发p w m 脉冲从而使m o s f e t 导通。在 降到o 7 v 之前，此管脚电压必须大于1 4 v ，计算时要留1 5 的裕量。另外在m o s f e t 关 断期间，升压电感主辅绕组匝数比刀一决定了此脚电压的高低，这个电压对z c d 电路是相 当重要的。最大主辅绕组之比可由下式计算： 刀：n p r i m a r y ：堡竺二! 兰：丝! 竺! ：4 0 0 - , f 2 2 6 5 ：1 5 7( 2 4 0 ) 2 细，2 可而丽2 1 丽刮六7 【z _ w 芯片手册中要求z c d 引脚的灌电流应小于2 5 m a ，假设= 1 3 5 m a ，同时取吃皤= 6 匝。则限流电阻应满足： 笠一瑚4 0 0 v 一5 7 1 57 v丛一瑚一 尼旦唑一：鱼一：4 5 2 七q f 2 4 1 ) l i z c d 1 3 5 m a 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 鱼监越一, 4 t 2 2 6 5 v o 矿 恐丝艺z c d 一= 丧而一= 4 6 m q ( 2 4 2 ) r1o c - j 、7 l i j j n l 2 i 式中，v z c l 瑚= 5 7 v 和v r z c d l = 0 v 分别为l 6 5 6 2 的z c d 引脚钳位电压的上限和下限值。 为更好的限流，选择r i 、r 2 中较大的r 2 ，实际中取r z c d = 4 7 k f 2 。 c 、检测电阻的选取 黜与l 6 5 6 2 芯片的c s 管脚相连，该引脚与芯片中的比较器反向输入端相连，比较器 的同相输入端是乘法器输出端。利用电阻r s 检测电感中的瞬态电流，它和乘法器输出电压 进行比较，当电压与乘法器的输出电压相等时就会触发芯片内部而使开关管关断。 为了避免主电路过流，l 6 5 6 2 具有设置的过电流保护功能，c s 脚的钳位电压为 曲2 1 0 v ，为使电路正常工作，采样电阻足应满足： 足 _ 1 0 ( c g d + c g s ) ，c 1 = c 2 = 0 1 1g f ，我实际选用的是：c i = i 心， c 2 = 0 1g f 。电路中其它器件参数为：d i = d 2 为1 n 4 1 4 8 ，钳位脉冲电压的稳压管d 3 为1 2 v 的稳压管，r 2 = 1 0 k q ，0 1 为9 0 1 2 。 b 、脉冲变压器的基本制作【3 5 】【3 6 】 脉冲变压器和普通的功率变压器不一样，它既不变换正弦电压，也不变换交流方波， 而是变换一种接近矩形的单极性脉冲。大多数小型脉冲变压器是用来改变脉冲的幅值，以 及匹配、隔离等。在驱动电路中，脉冲变压器是驱动电路的核心，起到了电气隔离的作用。 由于开关管的损耗和驱动信号有很大关系，驱动信号波形的上升沿和下降沿的陡峭程 度，对开关管的损耗大小就显得格外重要。为了减小开关管的功率损耗，除了选择速度高， 导通电阻小的大功率开关管外，还必须是驱动波形的上升沿和下降沿尽量陡。因此，本文 从脉冲变压器与p w m 控制器、开关管的关系着手，对脉冲变压器进行了如下设计。 1 、磁芯的选择 一般在小型的脉冲变压器中，常选用铁镍合金铁心及铁氧体磁芯。铁镍合金铁心静态参 数高于铁氧体，i ：l 女n 磁通密度摆幅a b 及温度温度性都比铁氧体磁芯高，但是铁镍合金铁心 制作工艺复杂，成本高，损耗电阻小，不适合于高频窄脉冲。在窄脉冲时，贴镍合金铁心 3 0 杭州电子科技人学硕士学位论文 有效脉冲磁导率要比其平均脉冲磁导率低很多，因此本文在特定的脉冲宽度及温度范围内 选择了有效磁导率及磁通增量都较大的铁氧体磁芯材料。其中磁通密度摆幅选择： a b = 0 2 t ，磁芯截面积a 。可通过a p 法确定p ，但在实际中，可从磁芯尺寸的小型化方向 入手，因为磁芯直径越小，脉冲变压器的参数越好。又因为变压器的寄生参数和匝数平方 成正比，所以在达到要求的前提下，磁芯截面积略大一些为好。本设计中选择了e e l 0 磁芯， a 。= 1 2 1 m m 2 。 2 、匝比的确定 由于正常工作时p w m 控制器的驱动输出电压删也就1 0 v 左右，其负载开关管为 f q p f 9 n 9 0 c ，漏源电压3 名3 0 ，因此选择匝比n = i 。 1 ) 初次匝数的确定 初级匝数按下式( 3 1 1 ) 中计算： 坼2 石面v p w m 万d 麟( 3 1 1 ) 本设计中选取咋删= 1 5 v ，又因为衄= o 2 t ，4 = 1 2 1 m m 2 ，石矿= 1 5 0 k h z ，d m a x = 0 5 2 代入上式计算可得：p = 2 1 匝= 麒。根据实际情况匝数可小范围上下调整，匝数增加虽然 能增大励磁电感量，但同时漏感也会增加，使损耗增加，这样对电路稳定性就会造成影响。 因此要从综合考虑，选择一个合适的匝数即可。我在实际中选取了p = 。= 1 9 匝。 2 ) 绕制及测量 在确定了变压器匝数后，就要选择变压器的绕制方式及所用线径大小。不同的绕制方 式，对变压器参数的影响都是不一样的。采用胶合线绕制绕组可以减小漏感；采用绝缘层 较厚的导线可以减小分布电容；将绕组分多段绕制，可以大大减小分布电容，但是漏感就 会显著增加；如果采用初次级分段交替绕制就会能实现同时将分布电容和漏感减小的效果。 选择线径要根据具体要求而定：如果励磁电流很大，而采用很细的线就会使变压器温升很 高，同时导线越细，漏感越小，动态电容越大，变压器可靠性减低，另外这容易使变压器 绕组发生短路。但是如果采用的线很粗的话，虽然绕组电阻大大减小，但是漏感和变压器 绕组的体积将很大。因此在设计小型脉冲变压器时，要从多因素综合考虑。本设计中，我 采用了单股0 3 2 m m 细线绕制的，初级在里层，次级在外层。绕完测量电感为：厶= 3 5 5 p h ， 岛= 3 5 4 , u h 。 5 、输出滤波器设计 电源中采用了有源钳位正激式拓扑结构，则输出滤波器宜使用电感、电容组成的倒l 型滤波2 甜。正激变换器通常设计为电流连续模式【3 7 1 ，其中滤波电感值主要与输出电流的纹 波大小有关，纹波电流峰峰值这里取最大输出电流的1 5 ，则计算的电感值为： 3 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 幻2 而焉基石。一) ( 3 j 2 ) o 1 5 幸而m a ) 【幸疋。、 一7 、 其中i o m a x 为最大输出电流 工。= 面而而v o (1一)=而万(1-04715331 5 01 0 ) = 2 5 7 锕 o 1 5 木如m a ) 【宰石矿、 “7 o 幸木 宰” 则电感纹波电流： 虬。= 瓦v o ( 1 一见护丽而芸赢( 1 - 0 4 7 ) o 5 彳( 3 1 3 ) 输出电容的选择基于许多实用要求，诸如成本、尺寸及可靠性等。当驱动器的工作频率 处于5 0 0 k h z 以下时，可以将输出端滤波电容的等效串联的电阻加以考虑，而忽略其等效关 联的电感器，因此驱动器输出e g 玉, 纹波只由输出电容e 及其等效的串联电阻如来决定。 本设计中要求最小输出纹波电压