（电路与系统专业论文）200w+led驱动电源的设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用l e d 半导体照明被认为是一种 新型环保节能的途径。l e d 作为商用是出现在2 0 世纪6 0 年代，是一种新型半导体固态的光 源，具有长寿命、低功耗等特点。l e d 的电气特性对l e d 驱动器也提出了诸多要求，如小体 积、高效率、高功率因数、低e m c 、电路保护等，并且需要驱动器有限压恒流的特点，驱动 器性能的好坏直接关系到整个l e d 应用系统的安全性和可靠性。 论文分析了l e d 的特点以及对驱动的要求，对l e d 驱动器的现状和发展做了分析总结。 在此理论基础上，以连续电流模式( c c m ) 的功率因数校正( p f c ) 和l l c 半桥谐振主电路 设计了一款2 0 0 w 的l e d 恒流限压驱动电源。 功率因数校正电路采用n c p l 6 5 3 a 作为控制芯片，分析了校正电路的原理与方法，设计 了连续模式的主电路和控制电路以及外围器件的选择，并针对这款芯片的布线问题上做了简 要总结说明。 选取n c p l 3 9 6 a 做为芯片以l l c 半桥谐振电路拓扑设计了d c d c 部分的主电路。分析 了l l c 的主要工作原理，对其参数设计做了说明，反馈电路采用双运放的恒流方式。 对驱动电源的整体做了分析考虑，主要包括效率、电磁兼容性以及可靠性方面。 对各级和整机做了实验分析，对实验结果和数据波形进行分析总结。 设计了一款功率为2 0 0 w 、输出电压为3 6 v 的l e d 驱动电源，对电源的性能和安规要求 等方面进行了实验，并对实验结果和波形做了分析总结。电源性能稳定，效率超过9 0 ，功 率因数超过0 9 5 ，符合e m c 要求。 关键词：2 0 0 w ，l e d ，驱动，p f c ，l l c 杭州电子科技大学硕上学位论文 a b s t r a c t i nt h ec a s et h a tt h eg l o b a le n e r g yi sb e c o m i n gt i g h ta n dt h ee n v i r o n m e n t a lp r e s s u r ei sg r o w i n g h a r dd a yb yd a y , u s i n gl e ds e m i c o n d u c t o r 嬲i l l u m i n a t i o ni sc o n s i d e r e dt ob ean e we c o - f r i e n d l y w a y l e da p p e a r e di nb u s i n e s sa sn e wt y p eo fs e m i c o n d u c t o rs o l i d - s t a t el i g h ts o u r c ed u r i n gt h e 19 6 0 s ，i nc h a r a c t e ro fl o n gl i f ea n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl e d a l s op r o p o s ean u m b e ro fr e q u i r e m e n t st ol e dd r i v e r ss u c ha ss m a l ls i z e , h i g h e f f i c i e n c y , h i g h p o w e rf a c t o r , l o we m c ，c i r c u i tp r o t e c t i o na n ds oo n a tt h es a m et i m e ，t h ed r i v e r ss h o u l dh a v et h e c h a r a c t e ro fl i m i t e dv o l t a g ea n dc o n s t a n tc u r r e n t t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed r i v e r si m p a c t so nt h e s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ee n t i r el e d a p p l i c a t i o ns y s t e md i r e c t l y t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el e da n dt h ed r i v e r sr e q u i r e m e n t s ，a n dm a d ea s u m m a r yo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n ta b o u tl e dd r i v e r s o nt h eb a s i so ft h i st h e o r y , a 2 0 0 wl e dd r i v es u p p l yw a sd e v i s e di n c l u d i n gp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) o fc o n t i n u o u sc u r r e n t m o d e ( c c m ) a n d t h em a i nc i r c u i to fl l ch a l f - b r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e r s n c p 16 5 3 aw a sc h o s e na st h ec o n t r o lc h i po ft h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t t h ep r i n c i p l e a n dm e t h o d so fc o r r e c t i o nc i r c u i tw e r ea n a l y z e d t h em a i nc i r c u i to fc o n t i n u o u sm o d ea n dt h e c o n t r o lc i r c u i tw e r ed e v i s e d t h ec h o i c eo fp e r i p h e r a ld e v i c e sw a si l l u s t r a t e db r i e f l ya n dab r i e f s u m m a r yw a sd e s c r i b e da g a i n s tt h el a y o u tp r o b l e m so f t h ec h i p n c p13 9 6 aw a ss e l e c ta st h ec h i pt od e v i s et h ed c d cp a r to ft h em a i nc i r c u i tw h i c hu s e da c i r c u i tt o p o l o g yo fl l ch a l f - b r i d g er e s o n a n t t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fl l cw a sa n a l y z e da n dt h e p a r a m e t e r so ft h ed e s i g nw e r ed e s c r i b e d t h ef e e d b a c kc i r c u i ti n t r o d u c e dc o n s t a n tc u r r e n tm o d eo f d u a lo p a m p t h et o t a lc o n s i d e r a t i o no ft h ed r i v es u p p l ew a sa n a l y z e da n dt h o u g h to v e ri n c l u d i n ge f f i c i e n c y , 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 ya n dr e l i a b i l i t y e v e r yp a r ta n dt h ew h o l ed e v i c ew e r em a d eae x p e r i m e n ta n da n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dw a v e f o r m sw e r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d a p o w e rs u p p l yo f 2 0 0 ww h i c ho u t p u ta tv o l t a g eo f 3 6 vw a sd e v i s e d t h ep e r f o r m a n c e ，s a f e t y r e q u i r e m e n t sa n do t h e ra s p e c t so ft h ep o w e rs u p p l yw e r et e s t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d w a v e f o r m sw e r es u m m a r i z e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o w e r s u p p l yw a ss t a b l e t h ee f f i c i e n c yo f i t w a sm o r et h a n9 0 0 , 6 t h ep o w e rf a c t o ro fi ts u r p a s s e d9 5 t h ed e v i s em e e tt h er e q u i r e m e n t so f e m c k e yw o r d s ：2 0 0 w , l e d ，d r i v e r , p f c ，l l c l i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 能源是人类赖以生存和发展的物质基础，在目前全球能源紧张的大环境下，节能减排是 当前国内外共同探讨的焦点。据最新统计，在我国照明耗能已占全国总发电量的1 2 ，并正 以年均5 的速度增长，而我国目前的照明依旧是以低效照明为主。可见，照明节能意义深远。 在l e d 出现之前的照明技术有一定的弊端，比如发光效率比较低、耗电量比较大、使用 寿命也比较短，况且这些光源所发出的光线中含有对人体有害的紫外线和红外线辐射，这些 照明灯具所使用的供电方式一般是交流驱动，交流驱动的一项缺陷是会产生频闪而对人的视 力造成损害，我们平时所使用的普通节能灯里都会有电子镇流器，这就不可避免地会产生电 磁干扰，而且荧光灯为了达到所需要的亮度，一般会使用大量的重金属，比如汞和铅等，这 些重金属很难全部回收，那么就会造成对人体的伤害和环境污染等问题。由于生产和生活的 不断发展，传统的照明技术终究要被高效、污染小、无公害的照明技术所取代。近些年以来， 经过科学技术的不断发展、工艺的不断改进以及科研人员和厂家的不断努力，一种叫做l e d 的新型光源技术正在趋于成熟。并且逐渐进驻市场。 l e d 的全称是“l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e ”，也就是发光二极管，它是一种用半导体材料作 为发光材料制成的固体发光器件。在半导体中的电子和空穴等“载流子”发生复合时会放出 能量，其中有些能量可以引发光子的发射，可以发出各种颜色甚至是白色的光线。l e d 照明 产品就是利用l e d 作为光源制造出来的照明器具。l e d 技术始于上世纪五、六十年代，已经 广泛应用于工业生产和家庭生活，例如电子表、数字式万用表、l e d 液显电视机、微机液晶 显示器、交通信号灯等，应用实例举不胜举。现在科技人员研制出的大功率l e d 照明光源系 列产品通过鉴定，填补了国内此类产品的空白，并以此打开了局面，开始向产业化发展【i 】。 与传统光源相比，l e d 照明技术具有以下特点： 高效节能。l e d 采用直流驱动，具有电压低、电流小、亮度高的特性。产生同样的照明 效果，l e d 的耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一。1 0 0 0h 仅耗lk w h 电( 普通 白炽灯1 7h 耗l 娴v 1 1 电，普通节能灯1 0 0h 耗l 电) ； 超长寿命。l e d 的理论使用寿命长达1 0 万小时。而一般白炽灯的寿命仅约l 千小时，荧 光灯、金卤灯的寿命不超过1 万小时，高压钠灯的寿命也不超过2 万小时； 光线健康。光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射： 绿色环保。l e d 是固态发光体，耐震、抗冲击、无热辐射，属于冷光源，且不含汞、钠 等可能危害健康的物质，没有污染。并且是低压直流驱动，安全可靠； 保护视力。直流驱动，无频闪； 杭州电子科技大学硕士学位论文 光效率高。传统光源辐射能量中可见光所占比例并不高，导致实际光效很低，而l e d 光 谱窄，几乎全部集中在可见光频段，可达8 0 乡扣9 0 ； 安全系数高。驱动电压低、工作电流较小，发热较少，不产生安全隐患，可用于矿场等 危险场所； 响应时间短。气体放电光源从启动至光辐射稳定输出，需要几十秒至几分钟的时间，这 是由气体放电光源的发光机理决定的。而l e d 的响应时间只有几十纳秒。因此在一些需要快 速响应的场合，l e d 光源是最佳的选择； 市场潜力大。低压、直流供电，电池、太阳能供电即可，可用于边远山区及野外照明等 缺电、少电场所。 经科技人员的努力探索研究，现已推出大功率照明l e d 专用驱动器，体积小、成本低、 便于安装，且采用市电2 2 0v 输入或直流8 - - 4 5 0 v 输入，稳压大电流恒流( 可调范围1 0 0 1 0 0 0 m a ) 输出供电，非常稳定。可驱动1 0 个以上1w 、3w 、5w 大功率l e d 。用于台灯可实 现手动调光、遥控调光等功能【2 j 。 近年来，l e d 在颜色种类、亮度和功率方面都有了极大的提高，以其令人惊叹而欣喜的 应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟的作用。l e d 寿命最长可达1 0 万小时， 意味着每天工作8 小时，可以有3 5 年免维护的理论保障。低压运行，几乎可达到1 0 0 的光 输出，调光时低到近乎零输出，可以组合出成千上万种光色，而发光面积可以很小。经过二 次光学设计，照明灯具达到理想的光强分布。快速发展的l e d 技术将为照明设计与应用带来 新的发展，这是许多传统光源所不可能实现的。如今l e d 照明在娱乐、建筑物室内外、城市 美化、景观照明中应用也越来越广泛。 建筑物外观照明。由于l e d 光源小而薄，线性投射灯具的研发无疑成为l e d 投射灯具 的一大亮点，因为许多建筑物根本没有地方放置传统的投光灯。l e d 的安装便捷，可以水平 也可以垂直方向安装，能与建筑物表面更好地结合，拓展了设计师的创作空间。并将对现代 建筑和历史建筑的照明手法产生影响。 景观照明。由于l e d 不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家具很好的有 机结合，可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。对于花卉 或低矮的灌木，可以使用l e d 作为光源进行照明。l e d 隐藏式的投光灯具会特别受到青睐， 固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度，方便进行调节【3 j 。 标识与指示性照明。需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏 步的局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的l e d 自发光埋地灯或嵌在垂 直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯，以及购物中心内楼层 的引导灯等。另外，l e d 与霓虹灯相比，由于是低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作中弯 曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。 随着能源短缺和全球变暖现象的加剧，环保意识也已成为消费者的共识，人们越来越关 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 注小尺寸、多功能、节能省电等问题。对于高能效电源而言，既要充分利用电能，又要尽可 能地减少不必要的电能消耗或损耗，这种符合环保要求的电源设计才是消费者乐于接受的。 在今天，各国政府也都在大力倡导能源的可持续发展，提出了各种环保指令。在能效规 范和环保意识的推动下，电源市场正在发生巨大的变化。据最新调查指出，最大的需求来自 计算机电源，其次是液晶电视、电子镇流器、适配器电源。随着计算机、液晶电视、笔记本 电脑市场的持续发展，对于这些产品的高能效电源的需求也在与日俱增。 理论上，l e d 的使用寿命在l o 万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设 计及驱动方式选择不当，使l e d 极易损坏。随着l e d 的应用日益广泛，l e d 驱动电源的性 能将越来越适合l e d 的要求1 4 j 。 伴随着l e d 市场的慢慢完善，制造高品质的l e d 驱动电源，已是行业的发展需要。l e d 器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，国际市场国外客户对l e d 驱动电源的转换效率、恒流精 度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高。在国内市场l e d 产品如火如荼的发展态势下，对 l e d 驱动电源的电流输出方面的技术要求提出了挑战。为了延长l e d 照明灯具的使用寿命， 常用集成电路电源，因此要设计恒流源电路供电的方式，大电流驱动时，要配大功率管或可 控硅器件，另加保护电路，这样大大地限制了l e d 驱动电源的发展。 在2 0 0 9 年，1 0 0 w 左右大功率电源市场的增幅有很大提升，在市场发展激增的情况下， 各个l e d 驱动企业，也不断加宽自己前进的步伐。从半导体芯片设计到相关产品的特许代理 分销以及完整的l e d 驱动电源都有所发展。 目前l e d 驱动电源的发展趋向于：提供优质的有竞争力的半导体芯片；提供完整的可供 生产的解决方案；提供成熟稳定的低成本的专业电源成品；按客户需求来设计与开发产品， 最短时间提供客户化的产品【5 j 。 在l e d 市场还不成熟的今天，最好的l e d 驱动i c 在整个l e d 灯具的成本只占6 不到。 在产品还不成熟的时候，一味的做低品质、低可靠性、低成本、没有创新理念的产品，也许 能在最短的时间内得到一些回馈，但最终是被人淘汰走向灭亡的结局。现如今，小功率l e d 驱动技术差不多了，但是也要用较好的元器件，如果有一个不行，整个驱动电源的质量就不 行。大功率的驱动电源备受关注。 1 2l e d 简介 l e d 的中文名称为发光二级管，是英文“l i g h te m i t t i n gd i o d e 的简称。是一种可以将 电能转化成光能并且具有二极管的特点的电子器件。 1 2 1l e d 产生与发展状况 照明设备与我们的生活、生产息息相关，从白炽灯到荧光灯，以及之后出现了汞灯、钠 灯、金属卤化物灯、高频无极荧光灯。但是好像都有一定的缺点，比如钨丝耗电比较多，玻 璃的灯泡易碎，贡有害于人类和环境等等。所以，l e d 由于结构和材料的不同，与传统光源 相比较，具有小、轻、坚固、寿命长等特点，引发了照明技术的质变 6 1 。 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 0 世纪初，有人在碳化硅里发现电致发光现象，但是发出的光很暗，并不适合实际中的 应用，研究被放弃。到2 0 世纪3 0 年代，电致发光作为术语出现在一篇关于硫化锌粉末的报 告里。到2 0 世纪5 0 年代，一名英国科学家用半导体砷化镓做电致发光实验时，发明了具有 现实意义的第一个l e d 。 2 0 世纪6 0 年代，磷化物被用于砷化镓上，这使得l e d 更亮更高效。1 9 6 5 年，第一款商 用的l e d 诞生，但是性能比较差，发光效率很低，而且只有红色光。比普通的白炽灯的光效 率还要低。到了1 9 6 8 年，将氮化物掺杂到磷化物里制成l e d ，效率有明显进展，并且能够 发出橙色光和黄色光。 2 0 世纪7 0 年代，l e d 被大量应用于家庭和办公设备，其产品也相应有所拓展，此后在 数字显示屏上也有所应用。到了2 0 世纪8 0 年代，l e d 的红光效率可提高到1 0 1 1 1 1 w ( 光通 量f 是表征l e d 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。f 为l e d 向各个方向发光 的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，l e d 光通量随之增大。可见光l e d 的 光通量单位为流明“l m ) ，比l e d 刚出现时提高了近百倍。发光颜色也延伸到绿色。 2 0 世纪9 0 年代，l e d 发光效率己提升至2 5 1 m w ，由l e d 组成的阵列已被制成汽车上 的停车灯、红色交通信号灯等单色的信号标志灯。这个时期的l e d 能够发出蓝光、绿光还有 蓝紫色的光，已经准备用于广告显示屏，因为这样的显示屏可以显示运动、真彩的图像。 早期的l e d 只能用于显示屏、指示灯等领域，现如今，l e d 不仅可用于大型广告显示屏、 建筑、和交通照明、城市重点建筑的夜景照明，而且l e d 照明正在迅速地成为汽车的标准配 置，白光l e d 已经成为便携电子产品显示屏的主要光源，并向通用照明应用的方向发展。 2 0 1 0 国内l e d 产业呈爆发式增长。随着各地节能减排的财政投入，l e d 路灯成为业界 公开看好的第一大蛋糕。在l e d 产业先觉者的财富示范效应下，在国家和地方诸如“十城万 盏、“千里十万 等l e d 政策推广下，越来越多的各路资本蜂拥入局。 据统计2 0 1 1 年中国的l e d 市场规模预计将达到1 5 0 0 亿元。其中，上游产业约为7 5 亿 元，中游产业( l e d 封装等) 为2 8 5 亿元，下游产业( 设备等应用) 为1 2 1 0 亿元。另外， 下游产业中出口占大部分，约七成为出口。 中国如今发生了l e d 企业泛滥等现象，正在与其它国家一样进行淘汰整合。但世界前十 的l e d 企业纷纷强化在中国市场上的营销，中国的l e d 市场可以说依然活跃。 海外企业正在中国为中游产品和下游产品生产厂选址。另外，中国大陆的l e d 市场上有 大量的台湾企业进入，其市场地位正在提高。 从全球范围来看，2 0 1 2 年都将是传统照明退出市场，新照明技术全面普及的关键一年。 发改委预计，中国将在未来不到l o 年的时间内禁售白炽灯，目前也已经到了大力推广的阶段， 如广东省政府发布的广东省l e d 产业发展规划提出，将于“十二五”期间推广3 0 0 0 万 只室内l e d 灯，并在社区建设中，将按照3 0 - 5 0 的比例提供补贴，引导居民购买l e d 灯。 为了在2 0 1 2 年达到既有目标，产业链从芯片厂商、元器件配套厂商、灯具制造商到分销 4 杭州电予科技大学硕士学位论文 渠道都在积极推出产品。这一现象也将在2 0 1 1 年得到非常明显的体现。有报道指出，2 0 1 1 年全球l e d 照明产值比重将达1 0 ，无疑将会给l e d 照明相关产业提供多层次的商业机会。 美国通用电气公司预计未来几年，l e d 产业将会得到快速发展，而目前的传统照明，如 白炽灯将会完全被l e d 照明所替代。 通用电气照明事业部负责人的m a r y r o s es y l v e s t e r 近日在纽约接受采访时说，“l e d 进入 室内普通照明已经引发越来越多的关注，到2 0 2 0 年，l e d 将开启约7 0 至8 0 的通用照明 市场。 西门子旗下子公司欧司朗光电半导体，飞利浦以及g e 的传统对手，都做出了类似的增 长率预测。新法规出台加上l e d 价格下降，使得l e d 照明系统对个人消费者和商业买家的 吸引力大大增加。 m a r y r o s es y l v e s t e r 表示，为占得市场先机，过去五年里，g e 照明在l e d 技术研究和开 发方面的支出增加了一倍。但他并没有给出具体的数字是多少。 总部位于慕尼黑的西门子公司预计到2 0 1 3 年l e d 市场将增长至1 3 0 亿美元( 约9 8 亿 欧元) ，到2 0 1 6 年，将再增长4 4 。9 月份预测的基础上，位于阿姆斯特丹的飞利浦则在9 月预计，到2 0 1 5 年，l e d 将占据4 5 的照明市场份额。 1 2 2l e d 发光机理 l e d 器件的制造目的是为了得到光。l e d 在内部结构上有和普通半导体二极管相似的p 区和n 区，p 区和n 区相交的界面形成p n 结( 如图1 1 所示) 。l e d 与半导体二极管相同是 一种允许电流单向导通的器件。l e d 的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。 根据加在二极管两端的电压大小利用通过l e d 的电流最终使p n 结发光。 p 区 发光n 区 图1 1l e d 的p 1 1 结 p 区带有大量的正电荷( 一般称为空穴) ，1 3 区带有大量的负电荷( 一般称为电子) ，当正 向导通的电压加在这个半导体材料的p n 结上时，电子就会从n 区向p 区移动，在p 区和n 区 的交界处空穴和电子发生复合，能量在复合过程中以光的形式从l e d 发射出来。 电子和空穴的复合分为两类：一种是伴随着光的辐射；还有一种是不伴随着光的辐射。 前者是由空穴和电子的复合以光的形式辐射能量，这是发光的主要机理，而后者复合不伴随 光的辐射，是以热的形式辐射出来【7 j 。 1 2 3 白光l e d 的发光机理 根据不同的结构和材料，l e d 发出的光的颜色也不同，这由组成的半导体材料决定，通 s 杭州电子科技大学硕士学位论文 常是采用两种有细微差异的材料组成n 区和p 区；n 区和p 区交界处形成的p n 结组成发光层。 照明领域使用的l e d 基本有两大类：一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金( a 1 g a l n p 或a i l n g a p ) ，可以做成红色、橙色和黄色的l e d ；另一类是氮化铟和氮化镓的合金( i n g a n ) ， 可以做成绿色、蓝色和白色的l e d 。 所谓白光，其实是由多种颜色混合而成的光，人们用肉眼能看见的白光形式也至少是两 种颜色的光混合而成。 在技术方面，白光的l e d 主要有两种发光方式。一种是在蓝光晶粒上涂一层荧光物质， 用蓝光照射此荧光物质产生黄光，再将蓝光和黄光混合，可得到白光；另一种是以z n s e 为材 料的l e d ，也可产生白色光，但是发光的效率比较差。 1 2 4l e d 的特点 l e d 通过p n 结实现电光转换，有以下特点： 一 非线性和单向导电性。外加负偏压时表现为高电阻，反之为低电阻。如图1 2 所示： l 。 i v f v ov 图1 2i o n 结的单向导电性 在v o 右边是l e d 的正向工作区，工作电流随电压的增大成指数关系，当然电压不能超 过l e d 所能承受的最大电压，否则p n 结将损坏；当反向电压超过v f 时，l e d 将被反向击穿； 在v f 和v o 之间，为l e d 的死区时间。 节能。l e d 的能耗较小，随着技术的进步，它已经成为一种新型的节能照明光源。目前 白光l e d 的发光效率已经超过1 5 0 1 m w ，远超过了普通白炽灯的水平。如果按现在的l e d 技术发展的速度预测，到2 0 1 5 年，白光l e d 的发光效率有可能达到1 8 0 - - 2 0 0l m w ，远远超 过了其他照明光源的发光效率。 结构牢固。l e d 是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃、灯丝等易损坏的不 见。l e d 是一种固体结构，因此能够经受住震动、冲击而不致引起损坏。 寿命长。普通白炽灯的寿命约为1 0 0 0 小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不会超过l 万 小时，而l e d 目前的使用寿命可长达数万小时。 环保。现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中都含有危害人体健康的汞，这些光源的生 产过程和废弃的灯管都会对环境造成污染。l e d 却没有这些问题，其发光颜色纯正，不含有 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 紫外和红外的辐射，它是一种“清洁”的光源。 变幻多。l e d 利用红、绿、蓝( r g b ) - - 原色原理，可使3 种颜色具备8 3 = 2 5 6 级灰度并可 任意混合，即2 5 6 3 = 1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色，可形成不同光色的组合，实现丰富多彩的图像及动态 变化效果。 快速响应。l e d 的响应时间很短，可实现一个光源的不同区域或者是多个光源之间的切 换。采用专用的驱动给l e d 供电时，在1 0 m s 内即可达到最大的照明强度。 成本低。l e d 的制作成本和维护成本都比传统光源低。从长远角度来看，l e d 比较经济 实用。 安全性高。l e d 的发光稳定，没有交流电供电时的频闪现象。采用低压驱动，发热量低， 能精确控制发光角度。 高新技术。l e d 光源与传统的光源的效果相比，l e d 是低压的微电子产品，成功融入了 计算机技术、图像处理技术、网络通信技术和嵌入式控制技术。l e d 的封装方便也有所革新， 包括用高传导率的金属作为基底和裸盘浇铸式引线框等，可设计出低热阻的高功率的器件， 而且发光效率更高。 除此之外，l e d 作为照明用光源还有一些重要的优点。例如，发光体接近电光源，便于 灯具设计；发光响应时间快，是交通信号灯的最好光源；易于做成薄型灯具，节省安装空间， 等等。 1 3l e d 驱动电源 1 3 1l e d 驱动电源的发展状况研究 l e d 优点众多，除了能耗低、寿命长之外，应用也非常灵活，可以做成点、线、面等多 种形式的产品。l e d 环保效益佳，属于典型的绿色照明能源。l e d 技术的发展引起国内外光 源界的普遍关注，近年来随着城市建筑和电子信息产业的高速发展，人们对光源的需求与日 俱增，l e d 产品的开发研制生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。随着l e d 技术的广泛 应用及潜在的市场，l e d 显示出了强大的发展潜力【8 】。 l e d 的应用都离不开可靠的电源，电源性能的优劣直接影响到l e d 应用系统的安全性和 可靠性。l e d 的最新应用技术是大功率、小型化和低成本化，使l e d 驱动电源以小体积、高 效率为主要发展方向，这就要求l e d 驱动电源的性能进一步优化，集成度更高，功率损耗更 低，电路更加简洁，工作更加可靠。 驱动电源要适合l e d 的工作特性。大功率l e d 是低电压大电流的驱动器件，当l e d 电 压变化很少时，通过大功率l e d 的电流变化很大。而l e d 发光的强度由通过的电流决定， 电流过强会引起l e d 的衰减，电流过小会影响l e d 的发光强度，因此l e d 驱动要提供恒流 电源，以保证大功率l e d 使用安全，发光稳定。 就l e d 驱动电源企业而言，未来将面临挑战。 ( 1 ) 降低成本，目前在功率较小( 1 s w ) 的应用场合，l e d 恒流驱动电源成本所占的 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 比重已经接近三分之一，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。 ( 2 ) l e d 驱动电源将挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率l e d 时更是如此，因 为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率过低会影响l e d 节能效果的发挥。 ( 3 ) 以增大调光比高效率地对l e d 调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性稳定。 ( 4 ) l e d 驱动电路整体寿命，比如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。 l e d 在具体的使时，要注意驱动电路的选用。l e d 驱动电路除了要满足安全要求外，另 外的基本功能应有两个方面： 一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生1 5 的变动时，仍应能保持输出电流 在1 0 的范围内变动；二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使l e d 的系统效率 保持在较高水平。 l e d 驱动电源行业发展至今，困难重重，然而前景远大，l e d 照明产业市场的火热必将 带来相关配套产业的火热，l e d 驱动电源作为其心脏一般重要的配件，必将迎来全新的春天 【9 】 o 1 3 2l e d 驱动电源的要求 目前l e d 灯具出现的质量问题，大部分与驱动器有关，l e d 的寿命是几万小时，但是驱 动器的寿命只有一二万小时。驱动器损坏必然要导致l e d 不能正常工作【l o 】。实际分析都是驱 动器方面出了问题，才引起l e d 的损坏，所以对l e d 驱动器要有更高的要求，并在整个l e d 灯具设计时对驱动器进行保护。 驱动器与l e d 连接时，有可能发生开路或短路情况，应当对驱动器的输出电流进行恒定 电流的控制，所以需要开路保护和短路保护；当温度过高时l e d 及其驱动器的输出特性严重 受影响，而且驱动器可能因温度过高而损坏内部元器件，所以需要过温保护；在实际应用中， 雷电的浪涌电压会通过电线传导到驱动器内，所以设计时需加上浪涌保护；整个灯具都是由 市电作为电源的，无论市电是1 1 0 v 或2 2 0 v 都属于高压电，所以在灯具设计时要考虑对人体 的安全，所以驱动器还需要隔离保护。 随着l e d 的发展，功率因数的指标也被l e d 电源驱动行业提上议题。目前基本上所有 的电源都有功率因数指标。功率因数是在负载上的电压和电流波形之间的相余弦( 若电压波 形和电流波形的相角差为q ，则c 0 跚就是电源的功率因数) ，加在负载上的电压和电流波形 之间存在相位差，导致的结果之一就是供电效率降低，即产生所要求的电力需要输入更大的 电力。另一个更严重的结果是电压和电流的波形产生过多的高次谐波，大量的高次谐波反馈 到输入线，造成电网被高次谐波污染，成为恶性事故的隐患。总之，功率因数也是驱动器的 一项重要指标。 驱动器需要高效率。用开关电源做成的驱动器来点亮大功率l e d 效率可达8 0 以上，如 果多个l e d 串并联使用，效率能达9 0 以上。 由于l e d 是半导体器件，如果驱动器符合它的要求，寿命可达5 万小时以上，但是l e d 8 杭州电子科技人学硕上学位论文 做成灯具以后，驱动器元件出问题就影响整个灯具的寿命，所以对驱动器要求长寿命是合理的。 l e d 的驱动器一定要设计成恒流方式，电流稳定了，产生的热量也稳定，若能保持散热 通道顺畅，温度也就稳定，这样l e d 发出光的相对色温、光强的均匀度，色温的均匀度都不 会变化，整个照明灯具系统就比较稳定，整个灯具寿命也就会延长。 整个灯具驱动电路工作时，应对其他电路的正常工作干扰小，以满足相关的电磁兼容性 的要求。 1 3 3l e d 驱动电源的拓扑结构 l e d 驱动电源的方式主要有两大类，即恒流式和稳压式。恒流式是l e d 驱动的理想方式， 驱动电流恒定不变，驱动电压随负载的变化而变化。恒压式是固定电压，电流随负载变化， 恒压式的负载不能短路。 恒流驱动的电路结构分为常规变压器降压、电子变压器降压、电容降压、电阻降压、r c c 降压式开关电源和p w m 控制式开关电源。l e d 的驱动方法有低电压驱动、过渡电压驱动、 高电压驱动和市电驱动。 l e d 驱动电源的拓扑结构主要包括电阻限流电路、线性调节器和开关调节器3 个方面。 ( 1 ) 电阻限流电路如图1 3 所示，由低频变压器、整流器和滤波电容组成，其中r p 作 为限流电阻，限制负载电流的通过。这种电路结构优点是电路结构比较简单，成本比较低； 缺点是体积比较大，采用的是电压模式，不是恒流式，不能提供恒流输出，负载l e d 的亮度 随电压的变化而改变。一旦变压器的匝数比确定之后，在相同亮度的情况下，负载l e d 的数 目不易改变。 图1 3 电阻限流电路 ( 2 ) 线性调节器是利用功率三极管或m o s f e t 作为动态可调电阻( 工作在线性区) 来 控制负载。线性调节器主要有并联型和串联型两种。 图1 4 是并联型线性调节器，当l e d 数量减少或输入电压增大时，通过负载的电流将会 增大，同时限流电阻r l 上的压降也会增大，从而使l e d 的通过电流保持恒定。 9 t 杭州电子科技大学硕士学位论文 l e d r 1 图1 4 并联线性调节器 由于在负载上要串联一个电阻以控制电流，所以效率会下降，并且很难做到恒定调节。 图1 5 所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻，以保持l e d 负载的电 流恒定。 图1 5 串联型调节器 由于功率三极管或者m o s f e t 都有一个饱和导通电压，所以，输入的最小电压必须大于 该饱和电压与负载电压之和，电路才能正常导通。 ( 3 ) 开关调节器。电阻限流电路和线性调节器都受输入电压范围的限制，而且效率也不 高。当驱动大功率的l e d 时，电路损耗比较严重。开关电源是目前变换器中效率最高的，可 以达到9 0 以上。开关电源的技术已经比较成熟，比较容易实现恒流的输出，输入电流谐波 失真( t h d ) 比较小。图1 6 为基于开关电源的恒流驱动电路。 a c 产一 r 、j i i - i 争 开关电源 ( 恒流) l e d 5 i 一 n t t 图1 6 基于开关电源的恒流驱动电路 常见的开关电源的调节模式有p f m 、p w m 、c h a r g ep u m p ( 电荷泵) 和p f m p w m 混合 方式。p f m 是脉冲频率调制，即通过调节开关管的工作频率来实现稳压输出。这种方式受输 出功率的限制，只能提供比较小的电流。p w m 是通过反馈来调节开关器件的脉冲宽度，它的 开关频率是固定值，所以比较容易滤波，但是反馈速度受限，比较难用于恒流控制。电荷泵 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 解决方案是利用分立电容将电源从输入端送至输出端，整个过程不需要使用任何电感，缺点 是提供有限的电压输出范围，适用于输入、输出相差不大的应用场合。 开关电源的拓扑一般分为非隔离型和隔离型两种。非隔离型是指在工作过程中，输入部 分和输出部分共用一个电流通路。隔离型的是通过磁性元件( 变压器) 来实现能量的转换， 从输入到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的通路。 非隔离型的变换器一般有降压变换器、升压变换器、逆向变换器和c u k ( 丘克) 变换器。 降压变换器的输出电压( v o ) 比输入电压( v i n ) 要低，它们之间的关系( d 为占空比) 为： v o v , n = d ( v k v o ) ( 1 1 ) 升压变换器的输出电压比输入电压要高，它们之间关系为： v o n 心= i ( 1 一d ) ( v m i v 0 1 ) ( 1 3 ) c u k ( 丘克) 变换器的输出电压可以比输入电压低，也可以比输入电压高，其值取决于 占空比的大小： v o 一d ( 1 一d ) ( i v 州l l v o l ，1 3 l v 0 1 ) ( 1 4 ) 隔离开关变换器比较常用的是逆向隔离变换器、正向隔离变换器和推挽式隔离变换器。 输入与负载之间的能量变换是通过变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。逆向隔离变换的 输出电压跟变压器匝数比有关，输出与输入电压之间的关系( n 为变压器匝数比) 为： v o 2 d i n ( i - d ) ( 1 5 ) 正向隔离变换器的输出一输入关系式为： v o 2 d n ( 1 6 ) 推挽式隔离变换器的输出电压比输入电压要低： v o = 2 d n ( v o ) ( 1 7 ) 1 3 4 课题中驱动电源电路的选择 驱动电源的拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入输出负载特性等因素决定的。 常用的d c d c 变换器有如下几种： ( 1 ) b u c k ( 降压式) 变换器。如图1 7 ： 杭州电子科技大学硕士学位论文 已 图1 7i 绎压式燹抉器 在输出端接上l 和c 起到降低纹波的作用。输出电压v o 的平均值总小于输入电压v 琳。 当v t l 导通时，有： - v 0 = l ( i o m | x - i o m i n ) t 锄= l 木a i 。t 。 ( 1 8 ) 其中t o n 是v t l 的导通时间，i o l l l 瓠是输出电流最大值，i o m i n 是输出电流最小值，i o n 是 v 1 l 导通时的电流的变化量。 当v t l 截止时，有： v r 0 2 l ( i o m a x - i o m i 。) t o f f = l 幸a i o f f t o f r ( 1 9 ) 其中t o f f 是v t l 的截止时间，i o 仃是截止过程中输出的电流分量。 ( 2 ) b o o s t ( 升压式) 变换器。如图1 8 ： l 图1 8 升压式变换器 当v t l 导通时，电感中电流增大，感应电动势左正右负，存储电能，负载由电容c 供电： 当v t l 截止时，电感电流减小，释放电能，感应电动势左负右正，与输入电压一起经v d 给 负载供电，同时给c 充电。在占空比d 从0 到l 变化时，v o 从v 矾趋于无穷大。 ( 3 ) 单端正激变换器。电路结构如图1 9 所示： 图1 9 单端正激变换器 t l 的既有传输能量又有隔离的作用，l o 称为续流电感，可以存储和传递能量，v d l 是整 1 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 流二