LED照明用恒流电源变换器.doc

宜宾学院电子竞赛设计报告书设计题目：LED照明用恒流电源变换器竞赛小组成员：张川 胡世超 彭泽鑫指导老师： 刘伟平 李庆 张桐2011年8月 25日目 录摘 要3一、总体方案设计41.1方案论证与比较41.2系统设计框图4二、理论分析与计算52.1变压器参数设计与计算 5三、系统电路设计与实现 73.1 电源变换器主回路与器件选择73.2控制电路设计 73.3 自动调光电路设计 3.4 功率因数校正电路设计 3.5 开机冲击电路与EMI 抑制电路设计 四、系统软件设计五、系统测试与分析 5.1测试方法5.2测试仪器5.3测试数据和误差分析六、总结参考文献 附录 摘 要本设计主要由开机冲击电流和EMI 抑制电路、功率因数校正电路、单管式正激式隔离变换器、单片机控制模块等部分组成。设计利用220V的市电经过变压器转换为36V的交流电，经过整流电路后，再经过PFC功率因数校正，得到功率因数较高的直流电。滤波后送到正激式变换器产生稳定恒定的电流最后再送到负载LED。同时单片机对负载上得电压，电流进行采样放大，光耦隔离，分析并计算后，从而控制PWM信号，最终调整输出电流并使之稳定的目的。系统具有恒流输出、电流步进可调、过压保护、功率因数校正、实时显示电压、电流等功能，具有工作稳定、可靠性高等优点，最终实现了LED照明用恒流电源的功能。关键词： 正激式隔离、恒流电源、闭环反馈、过压保护Abstract：This design mainly by the impact on current and EMI suppression circuit, power factor correction circuit, single pipe type is separate-excited isolation converter and single-chip microcomputer control module components. Design 220 V utility after using transformer converts for 36 V of alternating current, after rectifying circuit, again by PFC power factor correction, get high power factor of direct current. After filtering separate-excited converter is to produce stability constant current again finally LED to load. At the same time with the chip to load voltage, current sampling amplifier, light coupling isolation, analysis and calculation, so as to control PWM signal, and eventually adjust output current and made stable purpose. System with constant current output, current step can be adjusted, over-voltage protection and power factor correction, real-time display voltage, current, and other functions, has the stable and high reliability etc, and finally achieve the LED lighting to constant current power function. Keywords: separate-excited isolation, constant current power supply, closed-loop feedback, over-voltage protection一、总体方案设计1.1方案比较与选择 （1）功率因数校正电路结构方案 方案一：采用反激式拓扑结构的功率因数校正电路，优点是将功率因数校正与电源变换器合二为一，可以大大减少电路的损耗，提高电路的整体效率，缺点是电路比较复杂，很难设计与单片机合适的接口电路，不容易使用单片机进行控制。 方案二：将功率因数校正电路与主控电路分开，采用 Boost 型的功率因数校正电路后接电源变换器的方案，优点是电路结构简单，并不涉及单片机对功率因数校正电路的控制，只需使功率因数校正部分输出一个稳定的电压即可，缺点是会一定程度上降低设计的整体效率。鉴于本题要求步进调压的功能， 需要单片机对PWM控制芯片有一个良好而稳定的控制，故选择方案二。 （2）电源变换器方案 方案一：采用半桥变换电路，优点是高频变压器利用率高，传输功率大，电路效率很高，缺点是电路较复杂，且有直通危险。 方案二：采用单端反激变换电路，优点是电路结构简单，缺点是高频变压器利用率低，需要留有气隙，电路效率不高。 方案三：采用正激变换电路，优点是输出电压和电流的纹波小，结构较简单，较易于实现，效率高，综合考虑采用方案三。(3)闭环反馈控制方案 方案一：采用软件闭环反馈控制，使用单片机进行采样，然后直接由单片机对 PWM 控制芯片进行控制，调节占空比。优点是电路结构简单，缺点是反馈回路会受到采样精度、采样速度、单片机运算速度等因素的影响，使反馈系统变得不稳定。 方案二：采用硬件闭环反馈控制，即使用硬件电路构建反馈回路，由PWM 控制芯片根据反馈信号调节占空比，而单片机只是对 PWM 控制芯片进行辅助调整。优点是反馈速度快，调节精度高，缺点是易受外部干扰。 由于题目中要求精度较高且电流小，硬件控制困难，故选用方案一。 1.2系统设计框图系统具体方案如下：220VACC 经工频变压器降压为 36VAC，经开机冲击电流抑制电路输入到功率因数校正电路中，得到功率因数较高的直流电。滤波后送到正激式变换器产生稳定恒定的电流再经高频隔离变压器给串联在一起的LED 灯供电，在LED 灯处分别进行电压、电流采样，返回给PWM 控制芯片和单片机，由单片机给定基准电压来控制PWM 控制芯片，进而达到控制LED 灯恒流可调的目的。 如图1.2 系统总体结构框图二、理论分析与计算1. 变压器参数设计与计算 （1）计算开关管的最大导通时间 初级绕组开关管的最大导通时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。D=0.5。工作频率20kHz=50us=D=0.5*50=25us （2）计算最低直流输入电压设当变换器在最低线路输入电压时发生满载工作。计算它的输入端的直流电压。对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入电压有效值的1.4倍，也不会小于1.2倍。它与电源线路中的电源阻抗、整流器电压降，储能电容的等效阻抗，以及负载大小均有关，在此取1.3。这里交流电压36v下线为30v，倍压整流系数取1.9，=30*1.3*1.9=74V （3）选择工作时磁通密度值对于这里用到的铁氧体磁芯，中心此路的有效面积=180。饱和磁感应强度在时是360。当工作在18KHz时，65%的饱和值：=360*0.65=234mT（4）计算原变匝数因为作用电压时一个方波，一个导通器件的伏秒值与原边匝数关系： -原边匝数 -原边所加直流电压（v） -磁通饱和值 -导通时间 -磁芯有效面积（）计算得：=74*25/（0.234*182）=43（匝）（5） 计算副边匝数这里输出电压是17V，整流二极管压降0.7V，绕组压降0.6，则副边绕组电压值为10.70.618.3原边绕组每匝伏数74431.71/匝副边绕组匝数18.31.7110.7匝由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到型磁芯磁路可能产生饱和时，使变压器调节性能变差，因此，取10.7匝整数值11匝。三、系统电路设计与实现3.1 电源变换器主回路与器件选择 经功率因数校正电路得到功率因数较高的直流电，通过电容滤波后送到正激式变换器产生稳定恒定的电流再经高频隔离变压器给串联在一起的LED 灯供电，在LED 灯处分别进行电压、电流采样，返回给PWM 控制芯片和单片机，由单片机给定基准电压来控制PWM 控制芯片，进而达到控制LED 灯恒流可调的目的。 此电路中采用IRF54O MOSFET型开关稳压管，其内阻低，图 3.1 电源变换器模块3.2控制电路设计 本设计的控制部分采用TI公司的MSP430F247超低功耗单片机，它内部集成有12位DAC，并且它的运算速度快。 3.3 自动调光电路设计 自动调压电路采用光敏电阻作为感光元件，利用比较器将光的强弱转换为高低电平信号，使用单片机内置的ADC 将这个个电压信号采回单片机，当光照强度较高时时，单片机控制切换为恒流模式，设置的负载电流值为 100mA，使LED 的亮度随光照强度的增大而减小。3.4 功率因数校正电路设计 选用小功率功率因数校正芯片UCC28019，它工作在电流临界模式。UCC28019 应用简单可靠。通过电流检测和电压反馈，及 PI 调节来保持电压恒定。再通过开关管的PWM 控制来 得到所需电压。可实现 0.99的功率因数校正和输出稳定直流电压的功能，完全可以满足题目中要求。 图2.4 功率因数校正模块3.5 开机冲击电路与EMI 抑制电路设计 开机冲击电路采用热敏电阻串联在电源输入端，温度较低时电阻很大，随着电阻发热温度升高，电阻逐渐变小，达到抑制开机冲击电流过大的目的。 EMI 抑制电路是利电感和电容的特性，使频率为 50Hz 左右的的交流电可以顺利通过滤波器，但高于 50Hz 以上的高频干扰杂波被滤波器滤除，这就使开关电源产生的高频谐波被滤掉而不会污染电网。 图2.6 开机冲击电流和EMI 抑制模块3.6 保护电路设计 过压保护电路并不是单独设计的，而是整合在电流控制电路中，由恒流控制回路与恒压控制回路的切换完成，当单片机检测到负载上的电压高于 36V 时，单片机控制将恒流控制回路切换为恒压控制回路，将负载的电压控制在略高于36V，当再次检测到负载电流降低到设定的电流以下时，重新将恒压模式切换为恒流模式，达到过压保护的目的。四、系统软件设计与实现 系统软件流程图，如下图所示五、系统测试及分析5.1 测试方法采用分别测试各个单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法。5.2 测试仪器（1）直流稳压电源 （2）四位半数字万用表DT9203 （3）安捷伦示波器 DSO5012A5.3 测试数据和误差分析5.3.1测试数据 （1）电压调整率测试测试条件：U2为3240V变化，负载为10个LEDU2（V）Io（mA）（2）负载调整率测试测试条件：U2=36V，负载由5个增加至10个负载个数Io（mA）（3）效率测试测试条件：U2=36V，负载为10个LED,Io=300mA输入电压为： 输入电流为： 输出电压为：输出电流为：效率为：5.3.2误差分析六、总 结 经过这几天的努力，在老师的悉心指导，组员的共同努力下，按时的完成了LED照明用恒流电源变换器的设计，由上述电路设计分析计算和测试数据可知：本系统基本实现了题目中基础部分和发挥部分的功能要求，并达到并超过了各项参数指标，能够实现LED灯额定恒流条件下正常工作以及在光线变化条件下实现自动调光。此设计在效率提高方面还有待改进，本系统设计基本达到预期目标。参考文献（1）MSP430系列16位低功耗单片机原理与应用沈建华，杨艳琴，翟晓曙 编著 清华大学出版社 2004年11月出版（2）模拟电子技术基础(第四版) 华成英、童诗 编著 高等教育