大功率LED照明镇流器研究.doc

桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 1 页 共 40 页 引言 当今 高新技术的飞速发展 开关电源技术的应用已经渗透到我们的日常 生产生活当中 其优点有体积小 高度集成化 性价比高 兼容性强 现在 只要在一块几平方厘米的集成芯片上 加入简单的外围芯片 就可以以简单电 路的实现以前复杂模拟电路的才能实现的功能 相当方便 以开关电源为技术 背景的集成数字芯片技术 不管是在工作还是生活中 都会给我们带来意想不 到的惊喜 LED 在我们生活中随处可见 它给我们的生活增添了光彩 使我们不再黑 暗中 即使是夜晚我们的生活也是丰富多彩的 所以 LED 的研究是很有价值的 及其对电源的利用也是必不可少的 自从 LED 被人们利用在生活中以后 LED 的驱动电源也在不断变化创新中 人们节约能源的思想在不断进行中 大功率 LED 作为第四代电光源 赋有 绿色照明光源 之称 它具有体积 小 耗电小 发热量小 响应速度快 寿命较长 电能转换效率高等等优良特 性 必将代替传统的白炽灯 荧光灯而成为 21 世纪的新一代节能光源 LED 的 驱动光源作为 LED 光源必不可少的一部分 在迅速增长的市场 LED 电源具有 很好的发展前景 1 绪论 1 1 LED 灯在照明领域的发展和研究的意义 随着社会的发展 人们开始关注能源问题 其中电能的合理利用尤其受到 人们的关注 电光源的节约是人们关注的重点 因为电光源的发明改变了人们 的生活 人们再也没有黑夜 当今 LED 灯是具有 绿色照明 之称 具有体积 小 耗电少 发热小 响应速度快 发光度高 本低特性 是人们着重研究的 对象 如今 节能减排已经成为全世界共同关注的话题 受到各国政府的高度重 视和大力推进 而 LED 具有 绿色照明 之称 因此得以广范的利用 已引起 世界各国 特别是欧美发达国家的高度重视 发达国家和发展中的国家都推出 LED 照明计划 很多发达国家都来抢夺 LED 技术和产业的制高点 而中国是世 界照明生产 消费和出口的大国 照明用电量占总用电量的百分之十三 传统 光源能源利用率比较低 因此推广 LED 节能照明势在必行 如果使用 LED 照明 取代了传统的照明 则每年中国可以节约三分之一的照明用电 这对中国是一 个诱惑 我国在半导体照明领域已具备一定技术和产业基础 但是与微电子相比 中国在半导体发光器件领域与国外的差距还是比较小的 我国自主研制的第一 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 2 页 共 40 页 个发光二极管 LED 比世界上第一个发光二极管仅仅晚了几个月而已 据我 国相关专家称 目前我国半导体发光二极管照明产业的技术水平与发达国家仅 仅相差三年 现在全国从事半导体发光二极管器件及其照明系统生产的规模以 上的企业有几百多家 产品封装在国际市场上已占有相当大的份额 这对我国 的发展有很大的帮助 同时发展半导体照明产业能够发挥我国比较大的优势 半导体照明产业 特别是位于产业链下游的芯片封装和照明系统产业 是一个 技术密集型产业 同时又是一个劳动密集型产业 其难度和风险都大大低于微 电子产业 而且利润比微电子产业远远高出好几倍 发展半导体照明产业 能 够充分发挥我国的人力资源优势 带动相关产业 增加出口 吸纳就业 全面 打动社会的进步 LED 在中国的发展 1960 1970 年中国科学院开展发光科学的研究 1980 2000 年 LED 开始从研究走向生产 早期引进管芯进行封装 技术门槛相当低低 九十代技术比较成熟时就引进外延片进行加工 进而开展技术含量很高的外延 片的研发与小批量生产 2002 年初具生产规模 2003 年产值 100 亿元 产量超 过 200 亿只 其中超高亮度的几十亿只 上海 大连 南昌 厦门已成为我国 四大半导体照明生产基地 与国际先进水平相比 现在中国半导体照明技术落 后 3 到 5 年 2011 年 6 月 17 日 科技部联合 6 部和 11 个地方政府 从我国层 面上启动了半导体照明工程 标志着 LED 技术已经比较成熟 共获资金支持 180 万元 并且科技部把 半导体照明产业化技术开发 课题列为 十五 国 家科技攻关计划重大项目 2003 年到 2005 年 半导体照明国家科技攻关计划正 式启动 2011 年已经解决了产业化急需的一些关键技术和掌握了一批半导体照 明技术的知识产权 并将在高端原创性技术方面将有所突破 基于 LED 技术的半导体照明功能 是近年来全球最具有发展前景最有力的 高新技术领域之一 我国已经将 LED 确定为 31 项 国家鼓励发展电子产品 和 21 项 鼓励外商发展的电子产品 之一 并要求重点发展 LED 而且将 半 导体照明产业技术开发 等项目列入国家科技创新的重大项目 现在我国的 LED 技术发面在不断的发展并取得了很大的突破 应用也越来越广泛 特别是 国家半导体照明工程 的正式启动 标志着我国高亮度 LED 产业进入加速发 展的新阶段 为 LED 产业的发展提供了良好的发展机会 我国已经形成外延芯 片生产 芯片制备 器件封装集成应用的较完整的产业链 LED 灯在生活中随处可见 例如广告牌 家用电器的指示灯 手机键盘灯 显示器等都是采用 LED 作为电源的 每年一度的春晚盛宴 除了给我们带来视 觉感官的冲击之外 还给我们展示了视频显示的不断进步 2012 年的春晚带给 我们一幕一幕的精彩画面还历历在目 让观众看到了社会的进步 这样的例子 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 3 页 共 40 页 还有很多 例如过去的 2008 年的中国奥运会的开幕式 中国就用 LED 灯展示了 中国五千年的历史文化 让世界各国的人更加对中国的了解 使得中国与各国 人们融为一体 与发达国家接近 还有举世瞩目的世博会 在以 绿色世博 为理念的指导下 环保节能科技始终贯穿着世博园区的规划与建设 展示了各 国的文化 而且园区的景观全部采用 LED 这些都说明 LED 灯给社会带来的好 处 1 2 应用领域 景观照明市场 建筑装饰 室内装饰 旅游景点装饰等 主要的用在重要 建筑 街道 商业中心 名胜古迹 桥梁 校园 社区 庭院 草坪 家居 休闲娱乐场所的装饰照明以及集装饰与广告为一体的商业照明 汽车市场 车用市场是 LED 运用发展最快的市场 主要用于车内的仪表盘 空调等指示灯及内部阅读灯 停车场 车外的第三刹车灯 尾灯 转向灯 侧 灯等 背光源市场 LED 作为背光源已经普遍运用在 MP3 手机 电脑 手持掌 上电子产品及汽车 飞机仪表盘等众多领域 交通灯市场 这是我们随处可见的 由于红 黄 绿光 LED 有亮度高 寿 命长 省电等优点 在交通信号灯市场的需求大幅增加 给我们带来的方便也 是有目可睹的 户外大屏幕显示 由于高亮度 LED 能产生红 绿 蓝三原色的光 广场的 电视就是利用高亮度的 LED 作为显示屏 LED 全彩色大屏幕显示屏也在金融 证券 交通 机场 邮电 银行等领域倍受青睐 近两年全彩色 LED 户外显示 屏已代替传统的灯箱 霓红灯 磁翻板等成为主流 户内外的晚会 特别是在 全球各大型体育场馆几乎已成为标准配备 特殊工作照明和军事运用 LED 光源具有抗震性 耐候性 密封性好 以 及热辐射低 体积小 便于携带等优点 所以可广泛应用于防爆 野外作业 矿山 军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中 其它应用 LED 还可用于玩具 礼品 手电筒 圣诞灯等轻工产品之中 我国作为全球轻工产品的重要生产基地 LED 的发展也是很快的 对 LED 有 着巨大的市场需求 1 3 LED 灯的照明原理和优点 由图 1 1 所示 LED 发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可以直接 将电能转化为光能 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支 架上 一端是负极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧树脂封装起来 LED 的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的芯片 其中在 P 型半导体 和 N 型半导体中间有一个过渡层 称为 PN 结 在半导体材料的 PN 结中 注 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 4 页 共 40 页 入少数的载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放 如果 PN 结加反向电压 由于少数载流子难以注入 故不会发光 P 型半导体 在它里 面空穴占主导地位 另一端是 N 型半导体 主要是电子 中间通常是 1 至 5 个 周期的量子阱 当电流通过导线作用于这个晶片的时候 电子和空穴就会被推 向量子阱 在量子阱内电子跟空穴复合 然后就会以光子的形式发出能量 而 光的波长也就是光的颜色 是由形成 P N 结的材料决定的 由 族化合物 如 GaAs 砷化镓 GaP 磷化镓 等半导体制成 光的强弱与电流大小有关 图 1 1 LED 的内部基本结构 随着 LED 光效的迅速发展 提高 成本低的不断下降 LED 即将占领整 个照明市场 大功率 LED 1W 照明灯与传统光源相比体现在以下一些优越 性 1 节能 这是 LED 照明的突出性优点 按照一般光效定义 LED 的发 光的效率不算高 可是 LED 的光几乎集中在可见光的区域 效率达到百分之八 十以上 而白炽灯的可见光转换效率在百分之二十以下 所以 LED 灯比普通的 白炽灯更具有占领市场的优势 2 光线质量好 由于光谱中没有紫外线和红外线 故没有热量 没有 辐射 这就是 LED 具有 绿色照明 称号的原因 传统的日光灯使用的是交 流电 因此每秒会产生 100 120 次的频闪 LED 灯是把交流转换为直流 不 会产生闪烁现象 保护眼睛 3 寿命长 一般光通量衰减到 50 的标称寿命 10 万小时 根据证明 是白炽灯的几十倍 光源的寿命还取决于灯具的封装优劣 寿命长也是一个明 显的优点 4 安全性 使用电压 3 2V 电流为 300mA 左右 对于使用者来说具 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 5 页 共 40 页 有可靠的安全性 5 绿色环保 废弃物可回收 没有污染 不像荧光灯含有汞对人体有 危害及其产生二氧化碳引起温室效应 工作在低压的环境 所以没有电磁干扰 6 控制灵活 调整电流可以调光 体积小 便于制造 可做成点 线 面等各种各样的形式 7 可靠性高 由于其特殊的电子结构使其具有很好的稳定性和可靠性 在很多场合都能应用 不像传统的光源的钨丝那样容易损坏 即使砸在地板上 LED 也不会轻易损坏 可以放心地使用 8 成本低 LED 灯比传统的白炽灯成本低 节约原材料 有利于稀土 资源的可持续利用 1 3 1 LED 电气特性 LED 驱动电路是为白光 LED 提供合适的电压 电流 使之能够正常工作 的驱动电路 为了能够更好的驱动 LED 最大程度的发挥 LED 的性能 首先 首先需要了解 LED 的两个重要的特性图 LED 伏安特性曲线和发光特性曲线 图 1 2 1W 大功率 LED 的伏安特性 LED 是通过直流供电系统驱动 从图 1 2 中我们可以看出 LED 有一个开启 电压 这个电压值的大小约为 3 2V LED 的平均正向电流随着正向电压的增大 呈现较大幅度的线性增加 当加在 LED 两端的电压稍有波动 都会引起电流的 剧烈变化 此时很容易使电流过大 输入功率超过其极限功耗 从而对 LED 造 成不可恢复的损坏 这是我们不愿意看到的情况 LED 工作电流值不同时 其 发光强度也不同 若采用恒压驱动 则 LED 阵列应采用并联方式连接 但是由 于 LED 个体之间的参数误差 会导致各支路的电流不同 致使阵列发光强度不 均匀 各支路的 LED 灯发光不一致 所以 LED 的驱动电路一般选择恒流驱动 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 6 页 共 40 页 模式 相应的 LED 阵列亦采用串联方式连接 驱动电流一般设为 LED 额定电 流的 70 85 以保护 LED 的寿命 达到延长使用寿命的目的 同时也使 每个 LED 的发光强度均匀一致 至今为止 也证明了 LED 的恒流驱动的效果远比恒压驱动的性能要好 恒 流驱动对于 LED 的寿命和利用都是很好的 实践的例子也证明理论分析的正确 性 由图 1 3 可知 光通量与温度成反比 温度的变化对 LED 的波长是有一定 影响的 温度升高 会导致 LED 结温上升 结温高了就会导致芯片出光量减少 其次温度过高 会影响封装材料的性能 导致出光率降低 所以良好的散热也 是 LED 保持恒定亮度的保障 图 1 3 LED 光通量与温度关系曲线图 2 方案设计 2 1 LED 的驱动方式的比较 由 1 4 图可知 流经 LED 的电流是由 LED 串联的电阻控制的 虽然控制 简单 但是电压的微小变化都会使 LED 灯的亮度有较大的变化 电压过低 LED 灯无法正常发光 电压过高会烧坏 LED 灯 LED 灯电压控制变化范围较 小 很难控制 根据 LED 的伏安特性图可知 LED 灯的正常发光时 电流有 较大的变化范围 微小的负载变化 对 LED 没有像电压那样对 LED 造成损坏 所以根据伏安特性图 LED 的恒流驱动模式比恒压驱动模式要好 LED 恒流源 驱动又有三种方法可以实现 线性调整型 电容式开关型 电荷泵 电感式开 关型 下面介绍三种方法 1 线性调整型 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 7 页 共 40 页 图 1 4 线性调整型 LED 驱动原理图 如图 1 4 所示 将 LED 负载与功率开关管的漏极串联 就使传统的线性稳 压器就变成了 LED 的恒流驱动模式了 功率 MOS 管工作在线性区 就相当于一 个可变电阻 采样电阻和 LED 串联在一起 将采样的 LED 电流转化为采样电压 Vfb 然后采样电压输入误差放大器的反向输入端与其正向输入的参考电压相比 较之后输出电压经输出级驱动串联的功率 MOS 管工作 MOS 管的源栅极导通 使 LED 工作正常 通过采样电阻 误差放大器及 MOS 管构成负反馈来稳定 LED 驱动电流 原理是由于输入电压 VIN 降低或者其他原因使其 LED 的电流降低 亮度变暗 这时 Vfb 电压将减少 采样电压与参考电压比较后 误差放大器 输出电压将增大 MOS 管的栅极电压增大 其等效电阻减小 使 LED 驱动电流 增大 从而维持了 LED 的电流的稳定性 同理 当电源电压升高或者其他原因 使 LED 的驱动电流增加时 功率管也会在负反馈的作用下驱动电流变小使其 LED 维持稳定 因此 LED 驱动电路无论怎么变化都会被工作在线性区的串联功 率管的等效电阻所调整 时 LED 电流维持恒定不变 其输出稳定程度只与误差 放大器的开环增益有关 线性调整的特点是 电路结构很简单 封装体积小 所需要的外部元器件 少 成本低 线性调整结构不会出现由开关状态而引起的大电流干扰脉冲 具 有很高的信噪比 适合对噪声敏感的 RF 电路和音频电路提供 而且工作效率低 电路中的所有负载电流都必须流过串联功率管 使其存在过大功耗 从而影响 了线性调整器的效率 线性调整器的效率定义是输出电压与输入电压之比 例 如 当 VIN 5V 时 LED 的导通压降为 3 4V 则线性调整器的效率为 60 80 所以大量的能量都消耗在串联的功率管上了 这么低的效率 不但浪费了电能 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 8 页 共 40 页 而且还会使芯片发热而影响系统的稳定性 虽然当 VIN 与 Vout 相差比较小时 效率将大大提高 但是应用就受到限制了 2 电容式开关型 电容式开关型又被称为电荷泵 是以 泵式 电容器作为储能元件将其电 能从输入端到输出端 其中原理图如图 1 5 由于电荷泵的工作原理是输出电压与输入电压成倍数关系 所以常用的有 1 5 倍 2 倍 但是不能超过三倍 由于升压增益的有限 所以为了能够同时驱 动多个 LED 电荷泵一般采用并联方式来驱动 LED 其等效电路为图 1 6 为了保证各个 LED 获得相同的亮度 电荷泵的效率最高可以达到 90 以上 但是会随着输入电压和输出电压的比例变化 可能会低到 70 以下 由于整个 设计没有电感 外围器件都是选取合适的电容就可以实现功能 它的特点是 电磁干扰 EMI 低 PCB 所占面积小 设计结构简单 成本低 而且只需采用 低压工业 就能使生产成本进一步降低 有限的输入输出电压比以及有限的输 出电流能力是它的不足之处 图 1 5 泵式 LED 横流驱动原理图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 9 页 共 40 页 图 1 6 基于电荷泵的并联 LED 恒流驱动原理图 3 电感式开关型 由于多个 LED 串联 这种结构要求有转换器较高的输出电压值 它的优点 是负载 LED 的电流是恒定的 有效保证 LED 电流匹配度 通过对 LED 电流的反 馈调节 可以获得很好的电流精确度 使其不受白光 LED 正向导通压降离散性 的影响 从而使 LED 发光亮度均匀 采用开关电源结构保证了较高的转换效率 一般都在 90 以上 如果选择的元件合适 效率最高可达 95 以上 不过与电荷 泵相比 由于使用了电感 所以有电磁干扰 而且串联的 LED 需要较高的驱动 电压 根据串联的多少来确定驱动的电压的最大值 由于我使用的是 BUCK 电路 所以使用电感式开关型来驱动 LED 2 1 1 整流电路 整流电路种类很多 它的分类方式也很多 按组成的器件可分为不可控电路 半控电路 全控电路三种 三种电路各 有其特点 1 不可控整流电路 完全由不可控二极管组成 整个结构的值不会变化 负载电源极性可以改变 电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值 的比是固定不变的 2 半控整流电路 由可控元件和不可控的二极管混合组成 在这种电路 中 负载电源极性不能改变 但平均值可以调节 3 在全控整流电路中 所有的整流元件都是可控的 SCR GTR GTO 可以灵活的调节 其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通角 状况来调节 在这种电路中 功率可以由电源向负载传送 也可以由负载反馈 给电源 在实际应用中比较广泛 即所谓的有源逆变 按电路结构可分为零式电路和桥式电路 1 零式电路指带零点 中性点 的电路 又称半波电路 它的特点所有 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 10 页 共 40 页 整流元件的阴极 或阳极 都接到一个公共接点 向直流负载供电 负载的另一 根线接与交流电源的零点共线 2 桥式电路实际上是由两个半波电路串联而成 所以又称全波电路 按电网交流输入相数分为单相电路 三相电路和多相电路 1 对于小功率整流器常用单相给负载供电 单相整流电路分为半波整流 全波整流 桥式整流及倍压整流电路等 对功率小的负载应用较广泛 2 三相整流电路是交流测由三相电源供电 对负载容量较大 或要求直 流电压脉动较小 容易滤波 一般在工厂中应用较大 三相可控整流电路有三 相半波可控整流电路 三相半控桥式整流电路 三相全控桥式整流电路 因为 三相整流裝置三相是平衡的 输出的直流电压和电流脉动都很小 对电网影响 小 而且控制滞后時间短 可以快速的控制电路 采用三相全控桥式整流电路 时 输出电压交变分量的最低频率是电网频率的 6 倍之多 交流分量小 因此 滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多 甚至几乎没有交流分 量 仅仅小的电容就可以满足了 另外 晶闸管的额定电压值也较低 所以这 种电路适用于大功率变流装置 3 多相整流电路 随着整流电路的功率进一步增大 如轧钢电动机 功率 达数兆瓦 为了减轻对电网的干扰 特別是减轻整流电路高次谐波对电网的影 响 可以采用十二相 十八相 二十四相 乃至三十六相的多相整流电路 采 用多相整流电路能改善电路功率因数 提高脉动频率 使变压器初级电流的波 形更接近正弦波 从而显著减少谐波及纹波的影响 理论上 随着相数的增加 可进一步削弱谐波的影响 但是相数越多越难实现 多相整流常用在大功率整 流领域 最常用的有双 反星中性点带平衡电抗器接法和三相桥式接法 2 2 调节器的选择 集成运放是模拟集成电路中应用比较广泛的一种器件 它不仅可以用于信 号的运算 处理 变换 测量和信号的产生电路 并且在开关电路中应用也很 广泛 运放作为基本的电子器件 虽然本身具有非线性的特性 但在许多情况 下 它作为一种线性电路的器件 很容易用来设计各种应用电路 可以加上电 阻 电容等元件构成基本的应用电路 包括基本的同相放大电路 反相放大电 路 求差 减法 求和 加法 积分 微分电路及其仪用放大器 下面介绍 用运放组成的调节器 2 2 1 比例调节器 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 11 页 共 40 页 图 2 1 P 调节器电路图 比例控制的电路图如图 2 1 它的特点是控制及时 反应灵敏 存在的偏 差越大 控制力度越大 但是控制的结果存在较大的误差 存在的余差是比例 控制的缺点 控制输出的增量是由于输入的偏差引起的 如果没有偏差 控制 输出就会维持原来的状态 虽然增大放大倍数可以减小余差 即增大 R2 R1 的 比值 但是随着放大倍数的增大 控制系统稳定性会下降 而且放大倍数不可 能无限制的增大 比例控制负荷变化越大 余差就越大 2 2 2 PI 调节器 比例积分控制的电路图如图 2 2 它的特点是当存在偏差时 积分输出信 号将随时间增大 或减小 当偏差为零时 输出停止变化 保持在某一值上 所以积分控制器可以达到无余差 积分作用输出信号的变化速度与偏差及 1 RC 成正比 但是控制作用是随着 时间积累才逐渐增大的 控制动作相当缓慢 控制不及时 所以积分控制要与 比例控制同时使用 不能单独使用 这样的控制才能控制及时 又能消除余差 T RC 称为积分时间 积分时间越小 积分作用越强 反之 积分时间越大 积 分时间越弱 当 T 无穷大时 就是纯比例控制 比例积分控制可以提高系统的 控制精度 虽然稳定性下降了 但是可以使系统达到系统设定值 实现无静差 不受负载的影响 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 12 页 共 40 页 图 2 2 PI 调节器电路图 2 2 3 PID 调节器 图 2 3 PID 调节器电路图 比例积分微分控制的电路图如图 2 3 在 PI 的基础上添加了微分环节 微 分环节的特点是微分时间越大 微分作用越强 微分时间为零时 微分时间就 消失了 对于惯性大的对象 受到干扰信号的初始时刻偏差很小 若用比例控 制 偏差很小时 控制作用也很小 偏差很大时 控制的力度才会增大 所以 对于大惯性控制对象控制比较缓慢 控制品质不好 微分能起到超前控制的作 用 当偏差较大时提前控制 改善控制品质 当偏差存在但不变化时 控制作 用为零 对于惯性大的对象用比例微分 可以改善控制质量 减小最大偏差 缩短控制时间 所以 PID 调节可以使系统具有快速性 无静差 缩短控制时间 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 13 页 共 40 页 2 2 4 比例 积分 微分的作用 比例调节作用 是按照比例反应系统的偏差 系统一旦出现了偏差 比例 调节立即产生调节作用用以减少偏差 比例作用越大 可以加快调节时间 响 应时间快 减少系统误差 但是过大的比例 使系统的稳定性下降 甚至造成 系统的不稳定 积分调节作用 是使系统消除稳态误差 提高无差度 因为有误差 积分 环节调节就不断进行积分 直至没有差值 一旦积分调节停止 积分调节输出 为一个常值 积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti Ti 越小 积分作用就越 强 相反 Ti 越大则积分作用越弱 加入积分调节可使系统稳定性下降 动态响 应变慢 不能单独使用 积分作用常与另两种调节规律结合 组成 PI 调节器或 者 PID 调节器 微分调节作用 微分作用反映系统偏差信号的变化率 具有预见性 能预 见偏差变化的趋势 因此能产生超前的控制作用 在偏差还没有形成之前 已 被微分调节作用消除 所以 可以改善系统的动态性能 可以减少超调 减少 调节时间 而且微分作用对噪声干扰有放大作用 所以过强的加微分调节 对 系统抗干扰不利 此外 微分反应的是变化率 而当输入没有变化时 微分作 用输出为零 微分作用不能单独使用 需要与另外两种调节规律相结合 组成 PD 或 PID 控制器 所以 PID 调节是最好的 但是是结构比较复杂的 而且实现 也是最难的 所以本设计只要 PI 调节器就已经可以达到要求 由于电压变化值 不大 2 3 功率开关管 2 3 1 BJT 功率开关管 如图 2 4 Vin 为低电压时 由于基极没有电流 所以集电极无电流 致使 连接于集电极端的负载亦没有电流 相当于开关的开启 此时三极管工作于截 止区 当 Vin 为高电压时 由于有基极电流流动 因此使集电极流过更大的放 大电流 因此负载回路便被导通 而相当于开关的闭合 此时三极管就工作于 饱和区 BJT 双极性 功率开关管是具有开关特性与功率输出能力的双极 结型晶 体管 因有两种载流子 电子与空穴 流过晶体管 因此而得名 这与仅有一 种载流子的场效应管不同 双极性功率管属于电流驱动型功率器件 常用在耐 压值在 1KV 以下 工作电流在几安到几百安之间 其特点是价格便宜 缺点是 电流放大系数低 驱动电流较大 开关频率低 几十千赫以下 适合中小型功 率的开关电源 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 14 页 共 40 页 图 2 4 BJT 功率开关管图 使用 BJT 功率开关需要注意的事项有 1 BJT 功率开关管是一个以集电极最大电流 集电极最大允许功耗 二次击穿电流和集电极发射极击穿电压为边界的安全工作区 无论在什么情况 下 晶体管的工作电流和工作电压都不得超过安全工作区范围 安全工作区的 边界值还与环境温度 脉冲宽度等参数有关 环境温度升高时 安全工作区也 应降额使用 2 BJT 功率开关管的电流放大系数值较低 其值一般为五到十倍左右 3 环境温度每升高十度 集电极漏电流就会增加一倍 这会引起关断 损耗 4 为降低功率开关管的导通损耗 在导通时一般处于过饱和状态 这 会增加存储时间 降低开关速度 为了减少存储时间 需要在功率开关管关断 时给发射极加反向电压 但是反向电压过大 发射极被反向击穿 为了避免击 穿电流过大 可以用电阻来限制反向电流不至于过大 2 3 2 MOSFET 功率开关管 MOSFET 属于绝缘栅型场效应管 主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层 二氧化碳绝缘层 所以有很高的输入电阻 图 2 5 为 N 沟道管 通常是将衬底 基板 和源极 S 接在一起 根据导电方式的不同 MOSFET 分为增强型 耗尽 型 增强型是指 Ugs 0 时呈现截止状态 加上正确的 Ugs 时 多数的载流子被 吸引到栅极 从而增强了该区域的载流子 形成导通状态 耗尽型与之相反 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 15 页 共 40 页 图 2 5 MOSFET 功率开关管 2 3 2 IGBT 功率开关管 图 2 6 IGBT 功率开关管 图 2 6 GBT 功率开关管是由 MOS 场效应管与巨型晶体管 GTR 集成的新 型大功率电力电子器件 它属于电压控制型大功率器件 它是以 MOSFET 为输入 级 GTR 为输出级 但是 IGBT 仍是属于场效应管 它是将 MOSFET 和 GTR 的优 点集合 具有阻抗高 耐压高 工作电流大 速度快 热稳定性好等优良特性 主要用于交流变频器 逆变器等电气设备中 使用 IGBT 时需要注意 1 IGBT 模块的 ge 一般为正负 20V 若超过此值就会导致模块损坏 2 当栅极处于开路状态时 若在主回路上加上电压就容易损坏 IGBT 为防止出现这种情况 在栅极与发射极之间分别并联一个 10K 欧的电阻和一个 小电容 3 因为 IGBT 模块是以 MOSFET 作为输入级 必须对静电采取防护措施 焊接时 电烙铁或电焊机应处于良好的接地状态 存放 IGBT 模块的容器也不得 带静电 4 为了满足输出大电流的需求 允许多个 IGBT 模块并联使用 且流过 每个器件的电流应保持平衡 5 为了提高 IBJT 的开关速度 可将 BJT 与 MOSFET 串联成复合管 利 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 16 页 共 40 页 用 MOSFET 的开关特性来提高速度 开关电源的保护 2 4 浪涌保护 浪涌指的是电源 只是主要指电源 刚开通的那一瞬息产生的剧烈脉冲 由于 电路本身的非线性有可能有高于电源本身的脉冲 或者由于电源或电路中其它 部分受到本身或外来尖脉冲干扰 叫做浪涌 它很可能使电路在浪涌的一瞬间 烧坏器件 如 PN 结电容击穿 电阻烧断等等 浪涌保护就是利用非线性元器件对高频 浪涌 的敏感设计的保护电路 常 用的是并联小电容和串联电感 2 5 输出过电压保护 开关电路的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护 开关电路 所使用的尾端保护如蓄电池和整流的电压如果过高 使其它元器件不能正常工 作 电压过高使其三极管损坏 常用的保护方法是晶闸管短路保护 输出过电 压保护的电路图如图 2 7 图 2 7 简单的输出过电压保护 当输出电压过高时 稳压管被击穿 触发晶闸管导通 造成过电流 通过 保险丝或者是熔断器将输入切断 保护负载 这种电路的响应时间相当于晶闸 管的开通时间 约为 5 10US 缺点是动作电压是固定的 温度系数比较大 动 作点不稳定 另外 存在着参数的离散型 所以需要改进 如图 2 8 图 2 8 简单的输出过电压保护改进图 改进后的电路图弥补了上面的不足 当稳压管的电压为 7 时 其温度系 数和晶闸管 的发射极 BE 电压的温度系数可以抵消 能使其温度系数降 低 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 17 页 共 40 页 2 6 输出过电流保护 当线路发生短路时 最重要的特性就是线路中电流急剧增大 当电流过某 一设定值时 电流保护装置迅速的切断电路的保护装置叫做过电流保护 2 7 调制模式 2 7 1 脉冲宽度调制 PWM PWM 是脉冲宽度调制的简称 PWM 控制是对脉冲的宽度进行调制的一门技术 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制 来等效地获得想要的波形 这种方式是 开关频率 通过调节导通脉冲的宽度来改变占空比 从而实现对能量向负载传 递的控制 又称之为 定频调宽 在采样控制理论中有一个结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯 性的环节上时 其效果基本是相同的 冲量是指窄脉冲的面积与效果基本相同 是指环节的输出响应波形基本相同 PWM 波形可分为等幅 PWM 波和不等幅 PWM 由直流电源产生的 PWM 波通常是等幅 PWM 波 由交流电源产生的 PWM 波通 常是不等幅 PWM 波 PWM 调制方式是开关电源中常用的调制方式 是通过反馈 端的反馈信号与基准信号的差值与内部产生的锯齿波形相比较 从而输出一路 恒定频率可变宽的方波信号对开关进行开通与关断 可以根据负载的要求来确 定设定值来调节开关管的导通时间 从而稳定的输出恒定的电压 PWM 调制方式的特点有 开关周期为恒定值 通过调节脉冲宽度来改变占 空比 实现稳压的目的 在负载较重的情况下效率很高 电压调整率高 线性 度高 可调性好 输出纹波小 对恒压模式和恒流模式都适用 技术结构简单 易于实现 输入电压调制能力弱 频率特性差 轻负载下效率下降 应用最为 广泛 其占空比调节范围大 同时与主回路的时钟保持同步 2 7 2 脉冲频率调制 PFM PFM 调制方式是其脉冲宽度恒定 通过调节频率改变开关的通断 从而对 能量的控制 称之为 定宽调频 这种调制方式特别适合便携式设备 它能在 低占空比 低频的条件下降低控制芯片的静态电流 PFM 也是开关电源中使用 比较常见的一种调制方式 也是通过负载端反馈信号与基准信号进行比较 输 出误差信号对工作频率进行调节 然后输出一路恒定买宽的变频方波信号对其 开关进行控制 从而稳定输出电压 2 7 3 脉冲密度调制 PDM 这种调制方式是脉冲宽度恒定 通过调节脉冲数实现稳压的目的 它是采 用零电压技术 可以显著降低开关管的损耗 这种调制发式比较少用 2 7 4 混合式调制 这是将 PWM 和 PFM 两者组合的一种调制方式 开关周期和脉冲宽度不固定 都可以调制 比较灵活 2 8 BUCK 电路的原理 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 18 页 共 40 页 DC DC 变换电路的功能是将一种频率的直流电变为另一固定电压或可调电 压的直流电 又称之为直流斩波电路 直流斩波电路具有调压范围宽 无谐波 污染 功率因数高 输出波形无失真 动态响应快等优点 斩波电路包括三种 基本类型 降压斩波电路 BUCK 电路 升压斩波电路 BOOST 电路 升降压 斩波电路 BOOST BUCK 电路 其中降压斩波电路和升压斩波电路是电力电子 中最基本的电路 这两种电路应用最为广泛 理解也比较容易 另外理解这两 种电路可为理解其他电路打下基础 更容易读懂复杂的电路 降压斩波电路 BUCK 电路 是目前应用较多的一种直流斩波调压电路 图 2 9 降压斩波电路的原理图 降压斩波电路的原理图如 2 9 该电路图使用控制器件 SW1 14 来控制电路 的通断 在 SW1 14 关断时给负载中的电感电流提供通道 设置的续流二极管是 在开关断开是 由于电感上的电流不能马上减小为零 与负载构成一个回路带 动负载缓慢的减小其电流 起到保护电路的作用 a 工作状态 1 b 工作状态 2 图 2 10 理想 BUCK 电路的工作状态 在图 2 10 a 中 是在开关管 SW1 14 导通时 电流 is iL 流过电感 L 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 19 页 共 40 页 在电感还未饱和时 电感电流线性的增加 在负载上流过的电流为 Io 两端输 出的电压为 Vo 负载上的极性为上正下负 当 is Io 时 电路中的电容处于充 电状态 此时的二极管承受的是反向电压 负载的电流缓慢增加 有一个缓冲 的过程 在图 b 中 是在开关管 SW1 14 关断时 由于电感中的磁场将改变电感两端 的极性 以保持电流不变 负载两端的电压极性不会变 当电感的电流小于负 载两端的电流时 此时电容处于放电状态 有利于维持负载电压电流不变 此 时的二极管正向导通 与电感构成回路 虽然工作电流 is 是间断的在通与断之间 不是持续的电流 但是负载电流 在电感 续流二极管 电容的作用下确是连续的 平稳的电流 电容上电压宏 观上可以看作恒定 电压 当电路稳态工作时 输出电容上电压由微小的纹波 和较大的直流分量组成 宏观上可以看作是恒定直流 这就是开关电路稳态 分析中的小纹波近似原理 一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时 电容 电压将会升高 导致后面周期内充电电荷减小 放电电荷增加 使电容电压 上升速度减慢 这种过程的延续 一直至达到充放电平衡 此时电压维持不变 相反 如果一个周期内放电电荷高于充电电荷 将导致后面周期内充电电荷 增加 放电电荷减小 使电容电压下降速度减慢 这种过程的延续将直至 达到充放电平衡 最终维持电压不变 这种过程是电容上电压自动调整的 过渡过程 在电路稳态工作时 电路达到稳定平衡 电容上充放电也达到平 衡 这是 BUCK 电路稳态工作时的一个普遍规律 由于电路工作时按电感电流人为的周期开始时电流是否从零开始 可以将 电感电流分为电感电流连续工作模式和电感电流不连续工作模式两种 图 2 11 BUCK 电路各点电压电流波形 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 20 页 共 40 页 在图 2 11 中当开关管导通时 t0 t t1 续流二极管 VD 关断 依据等 效电路 就有 uL Ud Uo L diL dt uVT 0 2 1 由于电路工作频率很高 一个周期内 ud 和 uo 基本上维持不变 可以视为 恒定 差值为一个常数 电流是线性变化的 当开关管关断时 t1 t t2 续流二极管 VD 导通 依据等效电路 就有 uL Uo L diL dt uVT Ud 2 2 同理 由于 uo 视为维持不变 则输出电流线性减小 a 电感电流连续 b 电感电流不连续 图 2 12 BUCK 变换器两种工作模式波形图 分析电流连续模式下输出电压与开关管导通时间占空比D1的关系式 如图 a 设开关管的周期为Ts 导通时间t1 t1 D1Ts 关断时间t2 t1 D2Ts 当 D1 1 为导通时间占空比 D2 1 为关断时间的占空比 且D1 D2 1 关断占空 比与导通占空比之和始终等于1 在输入电源电压Vs和输出电压Vo保持不变的前 提下 当T导通时 电感电流呈线性上升 其变化量为 2 3 S t L TD L VoVs dt L VoVs i 1 1 0 1 当T关断时 电感电流呈现线性下降 其变化量为 2 4 S t t L TD L Vo dt L Vo i 22 2 1 由于稳态时这两个电流变化量相等 即 因此有 21LL ii 2 5 SSS TD L Vo TD L Vo TD L VoVs 1 121 整理得 2 1 DVV SO 6 电压增益 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 21 页 共 40 页 2 7 1 D V V M S O 由式 2 4 可以看出电压增益由功率场效应管T导通时间占空比D1决定 与负载电流大小毫无关系 只跟占空比有关 变换器有很好的外特性 当电感L较小或负载电阻R较大或Ts较大时 将出现电感电流已下降到0 而 新的周期又未开始的情况 当新的周期来到时 电感电流又必须从零开始 电 路进入电感电流不连续的工作模式 电感电流出现了断续现象 此时 由 2 3 式整理得 2 8 S V DD D V 21 1 其中 D2为开关管T关断续流二极管导通时间占空比 此时 D1 D2不等于1 所 以电感不能取得很小 小功率时不能带动大的电阻 否则将出现断续现象 3 系统 硬件设计 3 1 系统设计流程框图 本设计由两部分组成 即 12V 的直流电源和大功率 LED 驱动电路 整流滤波电路 PI 调节器的 实现 PWM 发生 器 BUCK 电路 驱动 LED 灯 控制 BUCK 电路的开关 管通断 图 3 1 大功率 LED 流程图 3 2 12V 的直流电源 电压 180VAC 26 4VAC 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 22 页 共 40 页 图 3 2 12V 的直流电源原理图 稳压电源由四部分组成 电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值 然后通过整流电路 将交流电压变为脉动的直流电压 由于此脉动的直流电压含有较大的波动 必 须通过滤波电路加以滤除 从而得到平滑的直流电压 由于这样的电压还随着 电网电压波动 通常在有 10 左右波动 负载和温度的变化而变化 所以在 整流 滤波之后 还有接上稳压电路 作用是在电网电压 负载和温度变化时 以维持稳定的直流电压输出 12V 的直流电源原理图如上所示 输入接入输出为 15V 的变压器 通过一 个整流桥 将交流电流整流为直流的电压 经过两个电容 将交流部分滤除 剩下就是纯净的直流部分 然后用稳压管 输出 12V 的直流电压 再滤波一次 就得到稳定的 12V 电压 3 2 1 变压器和整流桥 变压器只是将民用 220V 的电流电压降低为 15V 的电压 频率不变的交流电 然后由整流桥整流 这里选取 KBP307G 这种芯片 它是有四个二极管封装成的 集成芯片 当然可以选取其它类似的芯片 下面介绍一下 KBP307G 的应用 它是有四个整流二极管构成的桥式整流桥 电压为正为负 桥式整流二极 管都有两个二极管正向导通 保证了电压都是正值 它的优点是输出电压高 纹波电压较小 管子所能承受的最大反向电压较低 主要是电源变压器在正负 半周内都能使变压器得到了充分的利用 效率较高 所以这种比单向半波整流 电路利用率要高 3 2 2 滤波电路 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波 一般由电抗元件组成 如在负 载电阻两端并联电容器 C 或者在整流电路输出端与负载间串联电感器 L 以 及由电感组合而成的复合电路 常用以下三种 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 23 页 共 40 页 图 3 3 a C 形滤波电路 图 3 3 b 倒 L 形滤波电路 图 3 3 c 形滤波电路 由于电抗元件在电路中起到储能的作用 并联的电容器 C 在电源供给的电 压升高时 能把部分能量存储起来 而当电源电压降低时 就把电场能量释放 出来 使负载电压比较平滑 即电容有平波的作用 与负载串联的电感 L 当 电源供给的电流增加 由于电源电压增大引起 时 它能把能量存储起来 而 当电流减小时 又把磁场能量释放出来 使负载电流比较平滑 即电感 L 同样 具有平波作用 由于是小功率电源 所以选择了电容输入式 3 2 3 开关管 稳压管 7812 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 24 页 共 40 页 图 3 4 三端稳压管 7812 引脚图及外形图 三端稳压集成电路使用时要求输入电压比输出电压值至少大 2V 以上 即 Ui Uo 2 但是也不能过大 高出许多 发热会很大 高出的电压一般就转 换为热量消耗在三端稳压管上了 所以变压器选取 15V 输出比较合适 而且还 有自低端流过的静态电流 IQ 8mA 7812 为三端固定正 12V 输入的集成稳压器 7812 的主要参数有 输出直流电压 UO 12V 输出电流反问 100mA 500mA 7812 最大可以提供 1 5A 的电流 但是必须加散热片 电压调整 率 10mV V 输入电压在 15 17V 时才能保证集成稳压管工作在线性区 当 7812 离滤波电路较远时 在输入端必须接上电容器 以抵消线路电感的电感效应 防止产生自激振荡输出端电容用以滤除输出端的高频信号 改善电路的暂态响 应 优点 适用于各种电源稳压电路 输出稳定性好 使用方便 输出过流 过热自动保护 3 3 LED 驱动电路 3 3 1BUCK 电路 图 3 6 大功率 LED 驱动主回路 开关管用复合管来代替 复合管是指用两个及以上的三极管按照一定规律 进行组合 等效为另一种三极管 又称达林顿管 主要用于大功率开关电路 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 25 页 共 40 页 电机的调速 及其电源的逆变 复合管有两种 由普通三极管组合的 内部没 有保护电路 对于中小功率的电路适用 还有就是大功率的 内部带有保护电 路的 复合管的组成原则是 同一导电类型 NPN 或者 PNP 的 BJT 构成复合管 时 应将前一只管子的发射极接到后一个管子的基极 不同类型导电类型 NPN 与 PNP 的 BJT 构成复合管 应将前一只管子的集电极接到后一个管子的基极 以实现两次电流放大的作用 而且必须保证两只 BJT 均工作在放大状态 达林顿管是一种重复合三极管 他是将两个三极管串联 第一个管子的发 射极接第 2 个管子的基极 所以达林顿管的放大倍数是两个三极管放大倍数的 乘积 使其电流放大倍数增大以带动大功率的负载 它的特点是放大倍数非常 高 达林顿管的作用一般是在高灵敏的放大电路中放大非常微小的信号 对于 微弱的信号识别功能相当强大