湖南省大学生研究学习和创新实验项目：一种新的LED路灯恒流驱动电源的设计与实现.doc

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划 项 目 申 报 表项目名称: 一种新的LED路灯恒流驱动电源的设计与实现学校名称XXXXXXX学生姓名专 业性 别入 学 年 份罗民杰电子信息工程技术男2012.09邓集德嵌入式系统工程男2012.09李福成嵌入式系统工程男2012.09李浩电子信息工程技术男2013.09李群电子信息工程技术男2013.09 指导教师XXXX 职称讲师学科专业电子 指导教师XXXX职称讲师学科专业 电子学生曾经参与科研的情况：1.参与可调稳压电源的设计与制作；2.参与数字频率计的设计与制作；3.参与PFC电路拓扑的分析研究；指导教师承担科研课题情况1.XXXX 教育厅课题：低压电力线窄带载波通信路由算法研究，已结题；2.XXXX 教育厅课题：TiO2纳米线的干法制备、表面修饰及光伏特性研究，在研。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题 一、项目研究和实验目的 LED是Light Emitting Diode(发光二极管)的简称,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转变为光,具有突出的节能、环保、长寿命的优点。无论从我国节能减排战略还是从光源、灯具业界发展战略上看,都需极力发展半导体照明。 LED电源是LED照明产品的“心脏”,为整个LED灯具提供动力,对LED行业的发展起到了重要的作用，由于LED是特性敏感的半导体器件,又具有负温度特性,LED器件对驱动电源的要求近乎苛刻。现有LED 光源普遍采用多颗LED，通过串联或并联组成LED 模组来进行照明，为了达到最佳的工作性能，必须要设计合适的LED 驱动电源，使其在恒定电流的条件下工作。为了保证LED 的优势，针对不同的LED照明产品和应用要求，必须选择合适的驱动电路拓扑结构，使LED 驱动电源达到高效率、高可靠性、高功率因数、低成本的要求。对于30 W75 W 的中小功率LED模组照明，通常选用结构简单、成本低、调试简单的反激拓扑结构。为了达到环保节能的要求，LED 驱动电源通要求PF （功率因素）值大于0.9， 因此普通反激电源前端通常还要加入功率因数校正环节，不仅增加了成本，而且体积也难以小型化，效率也不高。而单级PFC（功率因数校正）反激电路，将功率因数校正与反激电路合二为一，不仅可以得到较高用于中小功率LED 模组照明。 本项目拟设计了一种基于单级带PFC功能的隔离反激式LED路灯恒流驱动电路,取代由PFC升压变换器和DC/DC变换器构成的二级电路,并结合LED故障检测电路，保证其它LED灯工作在安全范围之内,延长LED使用寿命精简了电路结构、提高了效率。 二、项目的内容 1.对LED驱动电源的工作原理进行研究,并给出了相应高效LED驱动电源的功能和技术指标； 2.给出具有基于单级带PFC功能的隔离反激式LED路灯恒流驱动电路硬件框图； 3.基于硬件框图设计原理图并进行软件仿真调整关键器件参数； 4.制作电路板、焊接和装配电子元器件、形成简易实验产品； 5.板级调试和对整个系统性能进行分析； 三、项目主要解决的问题 本项目主要解决的问题是： 1.解决传统驱动电源的PFC控制加DC/DC变换二级电路结构，电路结构、提高了效率； 2.解决目前单一LED发颗粒颗粒故障引起整个LED灯具损坏的问题；国内外研究现状和发展动态 从拓扑结构上划分，有源功率因数校正电路可分为两级PFC变换器与单级PFC变换器两种，两级式PFC变换器功率因数校正效果好，输出特性好,但使用两级变换器分别完成PFC与DC/DC变换，所需元器件较多，成本较高,电路较为复杂，功率密度低，损耗较大。单级APFC使用一级电路同时完成PFC和DC/DC变换的功能，成本较低、结构简单，在体积和效率方面具有一定的优势。 20 世纪90年代，美国学者Erickson等提出了单级 PFC 变换器，自此，单级PFC技术就向着减少电子元器件，降低成本，提高效率和优化控制等方向发展。目前，现有的单级PFC的电路拓扑还停留在小功率应用的场合。为实现较大功率场合的应用，日本学者K.Hirachi等提出的全桥结构，哈尔滨工业大学的刘宇等提出的新型ZVZCS单级全桥PFC变换器拓扑融合了软开关技术，这些都为单级PFC的中大功率应用实现进行了验证。但是，单级PFC技术仍有很多问题有待研究，如THD（总谐波失真）偏大，典型值为25%左右；PF不高，典型值为0.8左右；功率应用较低等等。这些方面与传统的两级 PFC 技术相比优势还不明显，所以，如何优化单级 PFC 技术在中大功率级应用场合下在的应用是当下的一个研究热点。电流型隔离全桥拓扑适合中大功率场合，具有很多优势：可实现多路输出以及输出电压等级的调节；输入、输出侧具有电气隔离；输入电流波形易于控制；不存在桥臂直通、短路的问题；功率开关管可实现软开关。然而，由于变压器原边存在漏感，导致该拓扑存在着电压尖峰大的问题，降低了电路的可靠性，限制了该拓扑的进一步发展。 本文基于上述研究背景，在开关电源的设计过程中，运用单级PFC技术，并融入软开关技术，结合全桥架构，探索开关电源在较高功率应用场合下单级PFC技术的工程设计，并优化开关电源性能。 本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩 学生已经修完电路原理、电子技术、信号检测、传感器技术、电力电子技术、DXP设计等主修课程，对无源PFC和有源式PFC的工作原理有了详细的了解，并能将这两种功率因数校正形式运用到一些简单的典型电路中。同时在单片机课程上通过软件和开发板完成了很多实验项目，已经能够熟练使用Quartus II、multisim、Keil C、Proteus等电子设计开发工具。熟练掌握汇编、C语言、VHDL语言的编程。初次参加过全国大学生电子设计大赛，获湖南省三等奖。参加两届全国机器人设计大赛，均获一等奖。从硬件电路的设计-软件的编写-系统的仿真-电路板的绘制-系统的安装、调试等等都具有很强的实战经验。本项目是学生在查阅了大量的资料，充分考虑过项目的可行性，经理论分析其可行性很高。项目的创新点和特色： 对于应用于城市道路照明的LED路灯驱动电源,要求电源驱动电路效率高达85%,功率因素超过95%,输入电压在220V士10%的范围内仍能正常工作。针对这些问题,本文设计了一款新型高效智能型LED路灯驱动电源,满足了设计要求。本文的主要创新点如下: 1.设计了一种单级带PFC功能的隔离反激式LED路灯恒流驱动电路,取代了由PFC升压变换器和DC/DC变换器构成的二级电路,精简了电路结构、提高了效率。 2.设计了一个LED故障检测电路,只要有任何一个LED灯烧掉,电路可以在一百毫秒内检测出来并将输出电流降下来,保证其它LED灯工作在安全范围之内,延长LED使用寿命。项目的技术路线、进度安排及预期成果 （一）项目的技术路线以智能化、系统化、速度快、稳定性高作为系统主要技术路线。采用单级反激PFC控制器作其主控芯片，有效提高了PF值， 大大缩减电源系统的BOM器件数量和尺寸，提升了系统的可靠性和效率，也降低了系统的成本。（二）进度安排 1.准备阶段（2014年02-12月）： 首先要为课题做足理论知识储备，对隔离的反激式驱动电路的工作原理进行重点研究学习，对相应的隔离保护电路、整流滤波电路、DC-DC转换电路、升降压电路、PWM调制技术、单级PFC功能模块、EDA仿真等相应知识进行补充和加强。 2.设计阶段（2015年1月-2015年10月）：本阶段要完成的任务：（1） 设计方案的论证和合理选择。（2） PFC控制器的选型、电路的设计。（3） 电路原理图和PCB的设计。 3.制作阶段（2015年11月-2016年2月）：本阶段的任务：（1） 购买需要的电子元器件等；（2） PCB版的加工制作；（3） 制作简易的LED驱动电源实验装置和产品； 4.优化阶段（2016年3月-2016年6月）： （1）对系统进行安装和调试； （2）提出系统优化解决方案； （3）制作优化后的设备； （4）对未来隔离反激式LED路灯恒流驱动电路的发展方向进行了展望； （三）预期成果 1.研究报告； 2.发表论文一篇；3.研制出具有稳定性和精度高的隔离反激式LE