照明LED驱动电源的设计本科毕业论文.doc

职业技术学院 毕 业 论 文 题目 题目 照明 LED 驱动电源的设计 学学 生 生 XXX 学学 号 号 XXX 院院 系 系 职 业 技 术 学 院 专专 业 业 XXX 指导教师 指导教师 XXX 200 年年 月月 日日 I 照明 LED 驱动电源的设计 摘 要 随着电力电子技术的发展 LED 由于环保 寿命长 光电效率高等众多优点 近年 来在各行业应用得以快速发展 同时 由于近年来的开关电源在电子电器各行业中占 了非常重要的位置 由此驱动 LED 的开关电源就成了关注热点 理论上 LED 的使用寿命在 10 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 LED 极易损坏 我们设计 LED 驱动电源时 有必要知 道 LED 电流 电压特性 由于 LED 的生产厂家及 LED 规格不同 电流 电压特性均有 差异 因此对驱动电源的设计提出了严格要求 根据 LED 电流 电压变化特点 采用 恒流驱动方式 是比较理想的 LED 驱动方式 它能避免 LED 正向电压的改变而引起电 流变动 同时恒定的电流使 LED 的亮度稳定 因此众多厂家选用恒流方式驱动 LED 从 而设计的开关电源就需要一个能恒流的直流驱动电源 传统的开关电源控制集成电路 具有效率高 输出稳定 可靠性高 并可实现远程控制等功能 完全适合用来驱动 LED 的开关电源 本文主要通过设计一个恒流驱动电源来驱动 LED 通过各种电力电子组件和电力电 子电路组成一个恒流的电源 达到设计的要求 关键词关键词 LED 驱动电路 开关电源 恒流 II The Design of LED Lighting Drive Power ABSTRACT With the power of the development of electronic technology LED because of environmental long life high efficiency photoelectric many advantages In recent years in all sectors to rapid application development while In recent years the switching power supply in electrical and electronic industries accounted for a very important position This drives the LED Switching Power Supply concerns have become hot focus Theoretically the service life of the LED 100 000 hours or more but in actual application process As the power supply design driven approach and a poor choice LED easily damaged We designed LED drive power it is necessary to know LED current and voltage characteristics Since the LED and LED manufacturers specifications current and voltage characteristics are different So right drive power on the design of the strict requirements Under the LED current and voltage characteristics constant current driven approach is ideal LED driver It would avoid the LED forward voltage changes caused changes in the current constant current so that the LED brightness stability So many manufacturers use constant current mode LED driver thus the design of switching power supply will need a constant current of the DC power supply Traditional SMPS control IC with high efficiency and output stability high reliability and can remote control and other functions Well suited to drive the LED Switching Power Supply This paper mainly through constant current power supply circuit design to the LED driver Through a variety of electronic components and electrical power electronic circuits composed of a constant current power supply meet design requirements III Key words LED drive circuit Switching power supply Constant current IV 目 录 1 概 述 1 1 1 本课题研究背景及意义 1 1 2 开关电源的发展概况 2 1 3 开关电源和 LED 的国内外研究现状 4 1 4 开关电源和 LED 的技术性能 4 2 LED 照明开关电源电路分析 7 2 1 LED 照明开关电源的组成电路 7 2 1 1 组成电路的综述 7 2 1 2 电路功能介绍 9 2 2 输入 EMI 滤波器设计 10 2 2 1 EMI 电源滤波器的类型 11 2 2 2 基本设计 11 2 3 高频变压器设计 12 2 3 1 综合分析 12 2 3 2 参数计算 13 2 4 输入整流滤波电路设计 16 2 4 1 电源系统框图及各部分介绍 16 2 4 2 主电路结构及其工作原理 17 2 5 输出平滑电路设计 19 2 5 1 整流二极管的选取 19 2 5 2 滤波电感设计 19 2 5 3 输出滤波电容参数计算 20 2 6 稳压电路 20 2 6 1 原理图和电路图 21 2 6 2 组件选择和参数的选定 21 3 反馈和保护电路设计 22 3 1 工作原理 22 3 2 软启动电路设计 23 3 3 短路保护 23 3 4 开关电源的接地处理要点 24 4 PWM 控制电路 24 4 1 组件选择和基本原理应用 25 4 2 接线方式 27 V 5 结 论 28 致 谢 30 参考文献 31 附 录 32 照明 LED 驱动电源的设计1 1 概 述 1 1 本课题研究背景及意义 以电力电子学为核心技术的电源产业 从 20 世纪 60 年代中期开始形成 以整流 技术 AC DC 为主的各种电源装置 如电解 电镀和中小容量的 AD DC 变换器的出现是 这个时期的主要标志 开关电源被誉为高效节能电源 它代表着稳压电源的发展方向 现己成为稳压电源的主流产品 采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高 输出 稳定 可靠性高 并可实现远程控制等功能 是开关电源的发展趋势 经过近十年的 努力 我国电力半导体器件的研制和生产有了长足的发展 1 20 世纪九十年代以来是 我国电力电子技术和电源产业快速发展的期 产业界也涌现一些技术难度较大 具有 国际先进水平的产品 如多谐振双环控制的通信开关电源单芯片控制的 500W 以下 PFC 控制器 智能化高频开关电源 用于空调和冰箱的无位置传感器的变频调速器部件和数 千 kW 级的 IGBT 中压变频器等 但与国际发达国家相比 在应用基础研究深度方面差 距为 5 10 年 在电源产品的质量 可靠性 开发投入 生产规模 工艺水平等综合实 力方面差距估计为 10 15 年 前国际上流行的开关电源向着以下几个方面发展 l 进 一步提高电能变换效率 降低待机损耗 2 避免电力公害 尽量减少网侧电流谐波 并使网侧功率因数接近 1 3 提高电源装置和系统的电磁兼容性 EMC 4 降低电 噪声 5 小型轻量化 通过高频化 组件小型化和先进工艺加以实施 6 高性能 能源危机 温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们 地球已经疲惫不 堪 改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识 新型高 效光源 特别是白色光源 适用于一般照明 的发展对于大幅度降低照明用电量具有 很重要的作用 因为它可以降低电能消耗增长速度 进而减少新增电网容量的费用 降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其它污染物 LED 特别是白色光 陕西科技大学毕业论文2 LED 因其与传统光源相比所具有的理论以及现实的优越性 受到广大专业人士的青睐 它的出现也为照明界开拓出了一个全新的技术领域 并为照明节能设计提供了更多的 选择 要发展 LED 要必须发展 LED 的配套的设施 驱动电源就是最主要的 因此驱动 LED 的开关电源亟需得到大力的发展 1 2 开关电源的发展概况 电源是各种电子设备必不可缺的组成部分 性能优劣直接关系到电子设备的技术 指标及能否安全可靠地工作 目前常用的直流稳压电源分线形电源和开关电源两大类 线形稳压电源亦称串联调整式稳压电源 其稳压性能好 输出电压波纹很小 但它必 须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离 并且调整管的功率损耗较大 致使电源的 体积和重量大 效率低 开关电源 SPS 被誉为高效节能电源 它代表着稳压电源的发 展方向 现已成为稳压电源的主流产品 开关电源内部关键元器件工作在高频开关状 态 本身消耗的能量很低 电源效率可达 80 90 比普通性能稳压电源提高近一倍 开关电源亦称为无工频变压器的电源 它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变 换及电网隔离的 不仅能去掉笨重的工频变压器 还可采用体积较小的滤波组件和散 热器 这就为研究与开发高效率 高密度 高可靠性 体积小 重量轻的开关电源莫 定了基础 在开关电源中 为了实现功率调节 远程控制等功能 以及减小体积 减 轻重量 高压功率集成电路得到广泛应用和快速发展 采用了这种集成电路来调节和 控制的开关电源 不但外部电路简单 组件数目少 而且可以和微处理器直接接口或 通过局域网 LAN 来实现编程或控制功能 是目前 75W 以下高效率 多功能开关电源的 最佳解决方案 在晶体管 发明以后 微电子技术对电子系统的发展起到了巨大的推动 作用 尤其是在计算机和信号处理方面的成果更是有目共睹 目前 绝大部分电子系 照明 LED 驱动电源的设计3 统中都大量使用了集成电路来减小体积 减轻重量 提高可靠性 同样微电子技术对 电力电子的影响也非常明显 这一点可以从各种功率电子器件和功率集成电路的广泛 应用看出 并且这一趋势将一直继续下去 IC 产 品 在功率电子中的应用可以简单分 为两类 第一类为分立器件 包括晶闸管 大功率双极型晶体管 DMOS 和现在更常用 的 LDMOS IGBT MCT 等 这些器件具有功率容量大 能量损耗低 开关速度快等特 点 适用于电力电子装置 得到了大量应用 关于性能更优的分立器件一直是研究的 对象 也将进一步提高整机系统的性能 但这种器件需要采用与集成电路不同的纵向 工艺和较厚的外延层来达到耐压要求 另一类得到广泛应用的产品是功率集成电路 Power 由于发光二极管产业不断涌现新技术 新产品 新的应用 呈现了朝阳工业的欣 欣向荣的景象 相信在下世纪的头十年中 LED 产业会得到持续发展 发光二极管的应 用十分普遍 由于工作电压低 耗电省 色彩丰富 价格低 因而受到电气工程师和 科研人员的欢迎 早期传统的产品发光效率低 光强一般几个到几十个光照度 适宜 使用在室内场合 在家电 仪器仪表 通讯设备 微机及玩具等方面应用 由于应用 技术日趋发展 传统产品出现新的应用商机 正在流行的 LED 圣诞灯 由于造型新颖 有鸭嘴型圣诞灯 多彩球型灯 珠廉窗灯 而且色彩丰富 不易碎破 低压使用的安 全性 近期在香港等东南亚地区销势强劲 受到人们普遍的欢迎 正在威胁和替代现 有电泡的圣诞市场 一种受到儿童欢迎的闪光鞋 利用走睡时 LED 闪铄发光 非常醒 目 既有单色光 也有双色光 据浙江一家鞋业公司总经理介绍 仅温州地区一年要 用去 500KK 的发光二极管 具有健康保健作用的牙刷 在发达国家使用普遍 利用发 光二极管作为牙刷的电量指示十分方便 每把牙刷都带一个 LED 灯 LED 经电容降压后 可以使用 220V 280V 电源 市场还有扩张的潜力 由于主动发光指示清晰 寿命长 耗电少等特点 很受用户欢迎 不久可以全部替代电泡型 AD11 产品 总之传统发光二 陕西科技大学毕业论文4 极管的市场不仅会随着原有应用面产品的成长而提升 而且新的应用面开拓了市场商 机 从而引发出驱动 LED 的开关电源的巨大的潜力 1 3 开关电源和 LED 的国内外研究现状 开关电源已有几十年的发展历史 早期产品的开关频率很低 成本昂贵 仅用于卫 星电源等少数领域 20 世纪 60 年代出现的晶闸管 旧称可控硅 相位控制式开关电源 70 年代由分离组件制成的各种开关电源 均因效率不够高 开关频率底 电路复杂 调试困难而难于推广 使之应用受到限制 70 年代后期以来 随着集成电路设计与制 造技术的进步 各种开关电源专用芯片大量问世 这种新型节能电源才重获发展 目 前 开关频率已从 20kHZ 左右提高到几百 千赫兹甚至兆赫兹 与此同时 供开关电 源使用的元器件也获得长足发展 MOS 功率开关管 MOSesFE T 肖特基二极管 SBD 超快恢复二极管 SRD PWM 调制开关电源的研究瞬态电压抑制器 TVS 压敏电阻器 TL431 电磁干扰滤波器 EMI Filter 高导磁率磁性材料 由非晶合金制成的磁珠 magneticbead 等一大批新器件 新材料正被广泛采用 所有这些 都为开关电源推 广与普及提供了必要条件 随着我国经济建设高速的持续增长 人民生活的不断改善 新住宅的建设和人均 使用面积的大幅度提高 照明灯具增加了装饰功能 这大大提高了照明用电的需求和 照明节电的空间 科技部紧急启动的半导体照明工程 动作快 效率高 为我国固态 照明的发展争得了时间 制定我国固态照明战略发展计划 已是刻不容缓的任务 LED 以其巨大的节能潜力以及良好的照明性能为我们打开了一个全新的技术领域 在我们 的照明设计过程中 我们应该以一种理性的态度去看待 LED 的应用 应该在真正了解 LED 性能前提下 根据环境的条件 合理地选择使用 LED 才能真正创造出一个节能而 优质的照明光环境 照明 LED 驱动电源的设计5 1 4 开关电源和 LED 的技术性能 开关电源产品的技术发展动向是高可靠 高稳定 低噪声 抗干扰和实现模块化 小型 薄型 轻运化 由于电源轻 小 薄的关键是高频化 因此国外目前都在致力 于同步开发新型高智能元器件 特别是改善二次整流管的损耗 变压器电容器小型化 并同时采用 SMT 技术在电路板两面布置组件以确保开关电源的轻 小 薄 高效率 为了使开关电源较 小 薄 高频化 开关频率达兆赫级 是必然发展 趋势 而高频化又必然使传统的 PWM 开关 属硬开关 功耗加大 效率降低 噪声也 提高了 达不到高频 高效的预期效益 因此实现零电压导通 本电流关断的软开关 技术将成为开关电源产品未来的主流 采用软开关技术可使效率达到 85 88 据悉 美国 WICOR 开关电源公司设计制造了多种 ECZ 较开关 DC DC 变换器 其最大输出功率 有 800W 600W 300W 等 相应的功率密度为 6 2 10 17w cm3 效率为 80 90 日本 NemicLambda 公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块 RM 系列 日本 人称这种技术为 部分谐振 开关频率为 200 300kHz 功率密度为 27W cm3 用同 步整流器 即用 MOS FER 代替肖特基二级管 使整个电路效率提高到 90 高可靠 开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍 因此降低了可靠性 从寿命角度出发 电解电容 光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命 追 求寿命的延长要从设计方面着眼 而不是从使用方面着想 美国一公司通过降低给温 减少器件的电应力 降低运行电流等措施使其 DC DC 开关电源系列产品的可靠性大大 提高 产品的 MTBF 高达 100 万小时以上 模块化 无论是 AC DC 或是 DC DC 或是变换器都是朝模块化方向发展 6 其特点 是 可以用模块电源组成分布式电源系统 可以设计成 N 1 冗余电源系统 从而提高 可行性 可以做成插入式 实现热更换 从而在运行中出现故障时能高速更换模块插 件 多台模并联可实现大功率电源系统 此外 还可以在电源系统建成后 根据发展 陕西科技大学毕业论文6 需要不断扩充容量 低噪声 开关电源的又一缺点是噪声大 单纯追求高频化 噪声也随之增大 采 用部分谐振转换回路技术 在原理上既可以高频化 又可以低噪声 但谐振转换技术 也有其难点 如很难准确地控制开关频率 谐振时增大了器件负荷 场效应管的寄生 电容易引起短路损耗 组件热应力转向开关管等问题难以解决 日本把变压器设计成 初次级分离阻燃密封 自身具备对体噪声功能的共模无噪声隔离变压器 既节省了噪 声滤波器 又减少了噪声 抗电磁干扰 EMI 当开关电源在高频下开关时 其噪声通过电源线产生对其它 电子设备的干扰 世界各国已有抗 EMI 的规范或标准 如美国的 FCC 德国的 VDE 等 研究开发抗 EMI 的开关电源日益显得重要 产品更新加快 目前的开关电源产品要求输入电压通用 适用世界各国电网电压 规模 输出电压范围扩大 如计算机和工作站需要增加 3 3V 这一档电压 程控需要 增加 DC150V 这一电压 输人端功率因数进一步提高 最有效的方法是加一级 有源 功率因数校正器 APFC 并具有安全 过压保护等功能 作为一种冷光源 LED 具有很多传统光源所不能比拟的优势 LED 的特点 1 不需要充气 不需要玻璃外壳 抗冲击性好 抗震性好 不易破碎 便于运 输 2 灯源单元较小 使得布灯更为灵活 而且能够更好地实现夜景照明中 只见 灯光不见光源 的效果 3 能够较好地控制发光光谱组成 从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的 局部或重点照明 4 理论上具有与传统光源相比更高的发光效率 理论上 LED 的发光效率大于 照明 LED 驱动电源的设计7 200lm w 从而具有相当巨大的节能潜力 5 寿命更长 实验室寿命可达 100000h 且光源可以频繁地亮灭 而不会影响 其寿命 并且启动速度非常快 6 可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小 从而发出各种颜 色的光线 且彩度更高 7 光源中不添加汞 有利于保护环境 8 LED 发光具有很强的方向性 9 使用低压直流电 具有负载小 干扰弱的优点 10 LED 属于低电压 高电流驱动 所以很小的电压变化就能引起电流的强烈的 变化 影响二极管的发光均衡 严重的会烧坏 LED 由此产生 LED 的均 流均压的问题 可以选择 LED 的串接和并接 同时会出现如何达到输出恒流稳压的问题 开关电源发展很久 各方面技术都比较全面 但是在驱动 LED 方面 各种技术还 不是很完善 尤其在驱动高功率方面和电路电流的稳压恒流方面还有待完善 LED 的发 展和开关电源的发展是紧密联系在一起的一个整体 驱动 LED 就必须有一个稳定的恒 流电源 本文就对驱动 LED 的电源做出一点想法 尤其是在恒流的问题上 2 LED 照明开关电源电路分析 2 1 LED 照明开关电源的组成电路 目前市场上用于照明的 LED 光源电路普遍采用简单的电阻限流方式 而电源的供电 电压一般变化范围较大 上述研究表明 LED 的特性接近稳压二极管工作电压变化 0 11 V 工作电流可能变化 20 MA 左右 容易造成 LED 的损坏 降低产品的可靠性 所以电路设计时最好采用具备自动恒流特性的驱动电路 另外降低电路设计的复杂程 度也是提高 LED 光源可靠性的有效途径之一 陕西科技大学毕业论文8 2 1 1 组成电路的综述 开关电源将频率为 50Hz 200V 的单相交流电压转换为幅值稳定 输出电流为几百 毫安以下的直流电压 单相交流电经过电源变压器整流电路滤波电路和稳压电路转换 成稳定的直流电压 输出恒定的直流电流 用于驱动 LED 灯源阵列 总体电路框图如 图 2 1 所示 EMI 滤波 整流滤 波电路 高频变 压器 稳压电 路 PWM 控制电 路 过压 欠压 过热保护电路 取样 软启动 电路 过流保护 输出 恒 流 LE D 灯 源阵 列 图 2 1 结构框图 一种 LED 常规驱动电路如图 2 2 所示 见附录 该电路由降压 220V 12V 式电源变压器 桥式整流器和滤波电容 C1 组成 R1 为 照明 LED 驱动电源的设计9 LED 电流设置电阻 驱动电路虽然电路简单 成本较低 但电流调节性能很差 并且在 AC 线路电压瞬态升高时 很容易使 LED 损坏 所以必须加上各种滤波电路和恒压 反 馈等控制电路 使电流恒定的输出 保证 LED 的使用安全和发光的稳定和均衡 下面 就对这些方面的内容做出分析 2 1 2 电路功能介绍 1 主电路 从交流电网输入 直流输出的全过程 包括 1 输入滤波器 其作用是将电网存在的杂波过滤 同时也阻碍本机产生的杂波反 馈到公共电网 2 整流与滤波 将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电 以供下一级变换 3 逆变 将整流后的直流电变为高频交流电 这是高频开关电源的核心部分 频 率越高 体积 重量与输出功率之比越小 4 输出整流与滤波 根据负载需要 提供稳定可靠的直流电源 主电路通过滤波 整流 交变整流等得到输出所需要的直流电流 但是这个还是 不完善的 还需要辅助控制电路的取样反馈控制 2 控制电路 一方面从输出端取样 经与设定标准进行比较 然后去控制逆变器 改变其频率 或脉宽 达到输出稳定 另一方面 根据测试电路提供的资料 经保护电路鉴别 提 供控制电路对整机进行各种保护措施 驱动 LED 需要受控的 DC 直流 电流 为了使 LED 的使用寿命长些 LED 电流中的 纹波必须很低 因为高纹波电流会使 LED 产生较大的阻性功耗 降低 LED 使用寿命 陕西科技大学毕业论文10 LED 驱动电路需要更高效率 因为总体效率不仅取决于 LED 本身 也与驱动电路有关 而工作于电流控制模式的开关转换器是满足 LED 应用的高功率及高效率要求的理想驱 动方案 控制电路有效通过输出端取样的电流电压值 反馈给主电路 起到反馈调制作用 主电路通过反馈的信息在调整电路的整流输出 使输出的电流尽可能的达到稳定 使 LED 发光均衡稳定 得到理想的结果 3 检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外 还提供各种显示仪表资料 4 辅助电源 提供所有单一电路的不同要求电源 第二节 开关控制稳压原理 开关 K 以一定的 时间间隔重复地接通和断开 在开关 K 接通时 输入电源 E 通过开关 K 和滤波电路提 供给负载 RL 在整个开关接通期间 电源 E 向负载提供能量 当开关 K 断开时 输入 电源 E 便中断了能量的提供 可见 输入电源向负载提供能量是断续的 为使负载能 得到连续的能量提供 开关稳压电源必须要有一套储能装置 在开关接通时将一部份 能量储存起来 在开关断开时 向负载释放 由电感 L 电容 C2 和二极管 D 组成的电 路 就具有这种功能 电感 L 用以储存能量 在开关断开时 储存在电感 L 中的能量 通过二极管 D 释放给负载 使负载得到连续而稳定的能量 因二极管 D 使负载电流连 续不断 所以称为续流二极管 在 AB 间的电压平均值 EAB 可用下式表示 EAB TON T E 式中 TON 为开关每次接通的时间 T 为开关通断的工作周期 即开关接通 时间 TON 和关断时间 TOFF 之和 由式可知 改变开关接通时间和工作周期的比例 AB 间电压的平均值也随之改变 因此 随着负载及输入电源电压的变化自动调整 TON 和 T 的比例便能使输出电压 V0 维持不变 改变接通时间 TON 和工作周期比例亦即改变 脉冲的占空比 这种方法称为 时间比率控制 Time Ratio Control 缩写为 TRC 照明 LED 驱动电源的设计11 2 2 输入 EMI 滤波器设计 2 2 1 EMI 电源滤波器的类型 EMI 电源滤波器是一种由电感 电容组成的低通滤波器 它允许直流或工频 50 Hz 400 Hz 信号通过 对频率较高的其它信号有较大的衰减作用 根据抑制干扰的程 度 EMI 电源滤波器通常分为一般性能和高性能两种电源滤波器 图 2 3 图 2 4 给出 单环和双环电源滤波器的典型电路 前者为一般性能电路 后者为高性能电路 电路 图见附录 2 2 2 基本设计 1 电路结构选取原则 在实际应用中 EMI 电源滤波器两端阻抗通常都是处于失配状态 当处于失配状 态时 EMI 信号会在它的输入和输出端口产生反射 失配越大 反射越大 我们可以 利用这个反射原则 根据 EMI 电源滤波器将要连接的具体源和负载阻抗情况 设计其 电路结构和参数来获得满意的抑制效果 在进行滤波器电路结构的设计时应遵循下列 原则 当源阻抗是高阻时 滤波器的输入阻抗应为低阻 反之亦然 当负载阻抗是高 阻时 滤波器的输出阻抗应为低阻 反之亦然 对于 EMI 信号 电感是高阻 电容是 低阻 所以电路可以按照表 2 1 方式来组合 表 2 1 EMI 电源滤波器的端接方式 源阻抗 N负载阻抗 G 低低 陕西科技大学毕业论文12 低高 高低 高高 2 开关电源的干扰信号特点 开关电源的干扰信号按传导模式可分为共模干扰信号和差模干扰信号 根据其特 点可粗略地划为三个频段 0 15 0 5 MHz 差模干扰为主 0 5 5 MHz 差 共模干扰 共存 5 30 MHz 共模干扰为主 在设计时如果哪个频段不达标 可针对该频段加强滤 波效果 例如在 0 15 0 5 MHz 频段不达标 可以加强差模干扰信号的抑制 增大电 容 Cx 的值或添加差模扼流圈 如在 5 30 MHz 频段不达标 可以加强共模干扰信号的 抑制 增大电容 Cy 的值或增加共模滤波的级数 在抑制干扰信号时 重点还是放在共 模干扰信号的抑制上 2 3 高频变压器设计 2 3 1 综合分析 高频变压器是一种应用电磁感应原理 将电能从一个电路传输到另一个电路的电 磁装置 是开关电源的关键部件之一 它只用于交流回路 在交流回路中起到电器隔 离 储能 变压 变流 变阻等作用 开关电源高频变压器的设计要求是依据电源整 机技术规定决定的 出入 输出滤波电路的设计要涉及到高频变压器的许多参数 而 且高频变压器设计的好坏直接影响到整体电路的质量 其对减小电源噪声和整机工作 照明 LED 驱动电源的设计13 的稳定性有很大的影响 直接影响着 LED 的发光稳定性 故首先应对高频变压器进行 设计 2 3 2 参数计算 1 设定开关频率 开关频率对电源的体积 重量等影响很大 开关频率越高 变压器磁芯就会选得更小 输出滤波电感和电容体积也会减小 但开关损耗增加 效率下降 散热器体积加大 综合考虑两方面 设定其工作频率为 Fs 50kHz 2 选磁芯 磁芯选用 R2KB 软磁铁氧体材料 其饱和磁感应强度 B 4700 Gs 考虑到高温时 B 会下降 同时为防止合闸瞬间变压器饱和 设定最大工作磁密 B 3 1500 GS 0 B 对半桥变换器 当脉冲波形近似为方波时 可按式 2 1 来确定磁芯的大小 ucms o wep KJKBf P AAA 2 106 2 1 式中 为磁芯的面积乘积 为磁芯的截面积 为磁芯的窗口面积 P 为输 P A e AAw 出功率 为变压器效率 一般可取 80 fs 为变换器工作频率 B 为磁芯最大工作磁 密 J 为导线的电流密度 一般取 2 3 A ram K 为磁芯的填充系数 对铁氧体 取 K 1 K 为窗口的铜填充系数 一般 K 0 2 0 4 本设计选用 EE40 型铁氧体磁芯 由手册知其参数为 127 mm 173 mm e AAw 则 2 20cm 远大于的计算值 e AAwAp 根据表 2 2 选用铁芯为 EE40 这时铁芯截面积为 138mm2 表 2 2 输出功率与铁芯尺寸的关系 陕西科技大学毕业论文14 尺寸 型号 A H max B h max C max D max Ac mm2 EE1616 812 644 518 EE1919 714 64520 EE2222 1119 86636 EE2525 1719 137642 EE2828 1720 87 510 278 EE3038 2121 171110 5115 EE3535 2028 181110110 EE4040 2735 211211 5138 EE4545 3038 231312156 EE5050 3343 24 51515225 EE6060 3845 281616256 续表 输出功率 P0 W 型号 50KHz100KHz150 KHz200 KHzBe mm2 EE1681216189 EE191520304012 5 EE222030508019 5 EE2540559013018 照明 LED 驱动电源的设计15 EE28609014020031 9 EE309513021026052 9 EE3512017030044042 5 EE4019029042055066 15 EE4522035051065075 EE50300440660800105 EE503805508501000116 3 计算原边匝数 按最低输入电压和满载输出的极端情况来计算 已知最小输入交流电压为 180 V 减去 20 V 的直流纹波电压和整流器的压降 最小直流电压为 V 180 1 4 20 232 V 半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压的一半 即 U 116 V 则原边绕组 匝数 2 2 ems ABf U N 4 1 1 式中 U 为变压器原边电压 单位 V 由上式计算得 N 30 5 匝 经实验实际取值为 34 匝 4 核算最大输入交流电压时的最大磁密 B 利用计算出来的变压器初级匝数 核算变压器在最大输入交流电压时的 B 看磁芯 是否饱和 由于 V 260 1 4 364 V 故半桥式电路变压器原边绕组所加电压 U 182 V 由式 2 3 变形可得 2 3 es m ANf U B 1 1 4 计算可知 B 0 21T 在输入交流电压最大时 B B 2 所以 原边绕组匝数 N 34 匝的 陕西科技大学毕业论文16 选择是合适的 5 计算副边匝数 副边电路采用带有中间抽头的全波整流滤波电路 设输出方波脉冲占空比 0 8 输出回路二极管压降为 n 扼流圈压降为 取 a 1 5 V 则变压器副边电压 为 2 U 2 4 cdo VVV U 2 故副边匝数为 6 匝 2 5 1 min1 2 2221 N U U NN 6 计算原边最大工作电流 在最低交流输入电压为 220 V 时 变压器原边通过的电流一定是最大可能的工作 电流 由经验可得 原边最大工作电流为 2 05A 7 选择导线 由于变压器的工作频率为 50 kHz 在此频率下铜导线的穿透深度 0 2956 mm 考虑到趋肤效应的影响 一般所选的导线铜芯直径要小于 2 即导线直径要小于 0 5914 mm 另外 考虑铜线的电流密度可取 3 6A mm 由原 副边最大工作电流就 可确定出各自所需导线的截面积 进而选择合适的导线 这里原边采用铜芯直径为 0 53 mm 的漆包线进行 2 股并绕 副边采用 16 股线径为 0 21 mm 的漆包线 绞结成 4 根并绕 2 4 输入整流滤波电路设计 市电经滤波电路滤波后仍为正弦波 需经整流 滤波后变成支流供斩波器使用 整流 滤波器的好坏直接影响到直流电的质量问题 要恒流驱动 LED 就必须经过整流产生的 直流电源 而且整流电路的电流稳定也是很重要的环节 所以对于整流滤波电路 照明 LED 驱动电源的设计17 的设计要找到最稳定的电路方案 方案如下 2 4 1 电源系统框图及各部分介绍 半桥式开关电源系统框图如图 2 5 所示 功率为 150W 输入交流电压范围为 180 260V 输出直流电压为 15V 电流为 10A 输出电压调整率 Sv 1 输出电压 纹波 P P 50 mV 220 V 交流电压经过全桥整流滤波后 得到约 300 V 的直流电压 再加到半桥功率变换器上 用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率 MOSFET 管 通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压 然后经半桥全波整流和滤 波输出电压 该电压再经电压反馈电路 校正 PWM 占空比 即可得到稳定的直流输出 电压 0 V 220V 交流 图 2 5 整流滤波电路原理框图 2 4 2 主电路结构及其工作原理 半桥式开关电源主电路如图 2 6 所示 见附录 图中开关管 S1 S2 选用 输入整流 滤波 半桥式逆 变 输出整流 滤波 电压反 馈 PWM 控制 驱动辅助 直流 电源 陕西科技大学毕业论文18 MoSFET 因为它是电压驱动全控型器件 具有驱动电路简单 驱动功率小 开关速度 快及安全工作区大等优点 半桥式逆变电路一个桥臂由开关管 S1 S2 组成 另一个桥 臂由电容 C1 C2 组成 高频变压器初级一端接在 C1 C2 的中点 另一端接在 S1 S2 的公共连接端 C1 C2 中点的电压等于整流后直流电压的一半 即 V 2 开关 S1 S2 交替导通就在变压器的次级形成幅值为 V 2 的交流方波电压 通过调节开关 的占空比 就能改变变压器二次侧整流输出平均电压 Vo 图中 R1 R2 是并联均压电阻 C3 是耦合电容 其作用是防止由于两个开关管的 特性差异而造成变压器磁芯饱和 从而提高半桥逆变电路的抗不平衡能力 C3 要选择 ESR 小的无极性电容 T101 为初级电流检测用的电流互感器 作为电流控制时的电流 取样用 各点波形图如图 2 7 所示 滤波电容参数计算方法如下 1 工作电压 照明 LED 驱动电源的设计19 202 3 01 2202 2 1 1 2 2 1 vVV inACCI 2 6 取标称值 VCI 200V 2 允许纹波电压计算 25 452 016022 min vVU ir 2 7 3 容量计算 5 0 min00 mUfVIUC riACi 2 8 将数据代入式 2 8 有 4 145 225 455016095 0 4055 0 uFCi 2 9 取标称值 Ci 200 F 2 5 输出平滑电路设计 开关电源输出平滑电路的性能好坏直接影响到输出电压的质量问题 是 LED 能否 正常稳定的发光的保证 故必须对平滑电路组件参数进行精确设计和计算 输出平滑 电路图 见附录 2 5 1 整流二极管的选取 由于输出高频变压器输出脉冲电压频率达 100KHz 故要求输出整流二极管具有快 速恢复特性 故选用超快速恢复二极管 根据输出电压及电流参数选用 philips 公司 陕西科技大学毕业论文20 的 BYV32 200 二极管 其技术参数如下 最高反向工作电压 200V 整流电流 20A 反向恢复时间 35nS 由于输出电流有 40 之大 故需采用三只管并联方式运行 2 5 2 滤波电感设计 IN Ps S V NKf NKDD L 1 8 1 1 2 10 其中 D 为 2 倍占空比 即 D 0 8 K 为波形系数 取值在 0 5 到 1 之间 取 0 5 时 计算误差较小 Ns 为高频变压器二次绕组匝数 Np 为一次绕组匝数 Vin 为输入直流 电压 代入数据有 23 0 2220 81 4 40 5 01 108 5 01 8 01 8 0 5 HL 2 11 2 5 3 输出滤波电容参数计算 2 0 0 32 1 Sf f fUL VD C 2 12 其中 Lf为输出滤波电感 为允许纹波电压 为开关频率 代入数据有 0 U s f 43 5 1050 1 01023 0 32 5 8 01 236 mFCf 2 13 取标称值为 6800 F 照明 LED 驱动电源的设计21 所以输出电感量为 0 23 H 滤波电容容量为 6800 F 二极管 D 选 BYV32 200 2 6 稳压电路 由于各个 LED 的动态阻抗和正向压降不相同 所以要达到恒流恒压驱动 LED 保 证发光二极管串发光均衡 达到最好的发光效率 这就要求驱动电路达到一个稳压稳 流 虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成平滑的直流电压电流 但是 一方面 由于输出电压平均值取决与变压器副边电压有效值 所以当电网电压波动时 输出电 压平均值将随之产生相应的波动 从而导致电流的变化 另一方面 由于整流滤波电 路内阻的存在 当负载变化时 内阻上的电压将产生变化 于是输出电压平均值也将 随之产生相反的变化 因此 整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动 随着负载电阻的变化而变化 为了获得稳定性好的直流电压 使输出的电流恒定 能 稳定的驱动 LED 灯组 必须采取稳压措施 下面将对稳压管稳压电路的组成和工作原 理做出介绍 2 6 1 原理图和电路图 陕西科技大学毕业论文22 调整管 保护电路 比较放大电 路 基准电压电 路 取样电路 图 2 9 串联型稳压电路方框图 具有放大环节的串联型稳压电路图 见附录 2 6 2 组件选择和参数的选定 若同相比例运算电路的输入电压为稳定电压 且比例系数可调 则其输出电压 可调 同时 为了扩大输出电流 集成运放输出端加晶体管并保持射极输出形式 就 构成具有放大环节的串联型稳压电路 输出电压为 2 14 Z URRRRU 1 32210 由于集成运放开环差模增益可达到 80dB 以上 电路引入深度电压负反馈 输出电 阻接近于零 而输出电压相当稳定 图中 晶体管 T 为调整管 电阻 R 与稳压管 D 构成基准电压电路 电阻 和 1 R 2 R 为输出电压的采样电路 集成运放作为比较放大电路 调整管 基准稳压电路 3 R 取样电路和比较放大电路是串联型稳压电路的基本组成部分 当由于某种原因使输出电压 U 升高 降低 时 取样电路将这一变化送到 A 反相 照明 LED 驱动电源的设计23 输入端 并与同相输入端电位 U 进行比较放大 A 的输出电压 即调整管的基极点位降 低 升高 因为电路采用射极输出形式 所以输出电压必然降低 升高 从而使 U 得到稳定 3 反馈和保护电路设计 3 1 工作原理 首先 开关电源在运行过程中 因电源电压的异常 如电压过低或过高会导致电 源无发启动 甚至是烧毁 进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害 主要表现在 器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏 同时因电气性能指标被破 坏而不能满足要求 因此对输入电源的上限和下限要有所限制 为此采用过压 欠压 保护以提高电源的可靠性和安全性 另外负载的异常 如输出短路等都会给电源带来 致命的损坏 其次 对于开关电源本身 电源的输入电路采用电容滤波型整流电路 在进线电 源合闸瞬间 由于滤波电容器上的初始电压为零 电容器充电瞬间会形成很大的浪涌 电流 特别是大功率开关电源 若采用容量较大的滤波电容器 使浪涌电流达 100A 以 上 在电源接通瞬间如此大的浪涌电流 重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关 的触点烧坏 整流桥过流损坏 轻者也会使空气开关合不上闸 上述现象均会造成开 关电源无法正常工作 为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路 以保证电源正常而可靠运行 另外 开关电源在启动瞬间还会产生饱和现象 这种现 象在没有设计保护电路的半桥式 全桥式和推挽式开关电源电路里最容易出现 再者 温度是影响电源设备可靠性的最重要因素 根据有关资料分析表明 电子 元器件温度每升高 2 可靠性下降 10 温升 50 时的工作寿命只有温升 25 时的 1 6 为了避免功率器件过热造成损坏 在开关电源中亦需要设置过热保护电路 陕西科技大学毕业论文24 所以 开关电源保护电路对提高电源的使用寿命 工作稳定性和安全性具有重要 意义 3 2 软启动电路设计 软启动的实质是延时启动 防浪涌软启动电路通常有晶闸管保护法和继电器保护 法两大类 考虑到成本和安装空间问题 现采用晶闸管保护法 采用晶闸管和限流电阻组成的防浪涌电流电路工作原理 在电源接通瞬间 输入 电压经整流桥 D1 D4 和限流电阻 R1 对电容器 C1 充电 限制浪涌电流 当电容器 C1 充电到约 80 额定电压时 逆变器正常工作 经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触 发信号 使晶闸管导通并短路限流电阻 R1 开关电源处于正常运行状态 此外 在电网滤波器的前端加一个气体放电管 以达到防雷目的 气体放电管在 受到瞬间高电压时管内气体在高压作用下导通放电 从而起到保护电源的目的 3 3 短路保护 电源的输入短路保护直接在输入滤波电路前端串接一个熔断器即可 输出短路保护必须引入电流检测电阻 以实现对输出电流的监测 过流保护电路 较为简单 直接把取输出电流检测电阻的电压经均压后引入到主控芯片 TL494 的比较 器正相输出端与基准电压比较后就可实现过流保护功能 由于 LED 的驱动电流都是比 较小的 所以很小的电流变化就能导致发光二极管串的损坏 所以短路保护对于 LED 的驱动电源来说是一个很重要的环节 3 4 开关电源的接地处理要点 理想地线是一个零阻抗 零电位的物理实体 但在任何的电子设备内 地线既有 电阻又有电抗 当有电流流过是 地线上必然产生压降 同时地线还可能与其它线路 照明 LED 驱动电源的设计25 形成环路 在地线中产生感应电势 两者都可能使电路单元产生干扰 地线干扰包括 地阻抗干扰和地环路干扰 克服或减少地线干扰的方法主要有以下几种 1 单点接地 开关电源绝大多数都把高频变压器的一次和二次侧在 PCB 布线上 设计成电器隔离的两大部分 所以这两个部分至少也应设置两个接地点 同时把电源 外壳作为接地基准点 单点接地可以有效抑制差模干扰 2 减少接地电阻 如增大接地点的面积和减小接地导线的长度等 3 减小地线分布电感 如采用矩形截面导体 因为扁矩形截面导体的自感比同 截面积的导线自感要小 4 减小电源装置对地的分布电容 如增加电源装置对地的距离 其可以减小地 线干扰 此外 开关电源跟其它所有电子设备一样要有可