本科毕业论文-照明led驱动电源的设计

职业技术学院毕业论文题目照明LED驱动电源的设计学生XXX学号XXX院（系）职业技术学院专业XXX指导教师XXX200年月日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LED驱动电路,开关电源，恒流THEDESIGNOFLEDLIGHTINGDRIVEPOWERABSTRACTWITHTHEPOWEROFTHEDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGY,LEDBECAUSEOFENVIRONMENTAL,LONGLIFE,HIGHEFFICIENCYPHOTOELECTRICMANYADVANTAGES,INRECENTYEARSINALLSECTORSTORAPIDAPPLICATIONDEVELOPMENT,WHILEINRECENTYEARS,THESWITCHINGPOWERSUPPLYINELECTRICALANDELECTRONICINDUSTRIESACCOUNTEDFORAVERYIMPORTANTPOSITIONTHISDRIVESTHELEDSWITCHINGPOWERSUPPLYCONCERNSHAVEBECOMEHOTFOCUSTHEORETICALLY,THESERVICELIFEOFTHELED100,000HOURSORMORE,BUTINACTUALAPPLICATIONPROCESS,ASTHEPOWERSUPPLYDESIGNDRIVENAPPROACHANDAPOORCHOICE,LEDEASILYDAMAGEDWEDESIGNEDLEDDRIVEPOWER,ITISNECESSARYTOKNOWLEDCURRENTANDVOLTAGECHARACTERISTICSSINCETHELEDANDLEDMANUFACTURERSSPECIFICATIONS,CURRENTANDVOLTAGECHARACTERISTICSAREDIFFERENTSORIGHTDRIVEPOWERONTHEDESIGNOFTHESTRICTREQUIREMENTSUNDERTHELEDCURRENTANDVOLTAGECHARACTERISTICS,CONSTANTCURRENTDRIVENAPPROACHISIDEALLEDDRIVER,ITWOULDAVOIDTHELEDFORWARDVOLTAGECHANGESCAUSEDCHANGESINTHECURRENT,CONSTANTCURRENTSOTHATTHELEDBRIGHTNESSSTABILITYSOMANYMANUFACTURERSUSECONSTANTCURRENTMODELEDDRIVER,THUSTHEDESIGNOFSWITCHINGPOWERSUPPLYWILLNEEDACONSTANTCURRENTOFTHEDCPOWERSUPPLYTRADITIONALSMPSCONTROLICWITHHIGHEFFICIENCYANDOUTPUTSTABILITY,HIGHRELIABILITYANDCANREMOTECONTROL,ANDOTHERFUNCTIONSWELLSUITEDTODRIVETHELEDSWITCHINGPOWERSUPPLYTHISPAPERMAINLYTHROUGHCONSTANTCURRENTPOWERSUPPLYCIRCUITDESIGNTOTHELEDDRIVERTHROUGHAVARIETYOFELECTRONICCOMPONENTSANDELECTRICALPOWERELECTRONICCIRCUITSCOMPOSEDOFACONSTANTCURRENTPOWERSUPPLY,MEETDESIGNREQUIREMENTSKEYWORDSLEDDRIVECIRCUIT,SWITCHINGPOWERSUPPLY，CONSTANTCURRENT目录1概述111本课题研究背景及意义112开关电源的发展概况213开关电源和LED的国内外研究现状414开关电源和LED的技术性能42LED照明开关电源电路分析721LED照明开关电源的组成电路7211组成电路的综述7212电路功能介绍922输入EMI滤波器设计10221EMI电源滤波器的类型11222基本设计1123高频变压器设计12231综合分析12232参数计算1324输入整流滤波电路设计16241电源系统框图及各部分介绍16242主电路结构及其工作原理1725输出平滑电路设计19251整流二极管的选取19252滤波电感设计19253输出滤波电容参数计算2026稳压电路20261原理图和电路图21262组件选择和参数的选定213反馈和保护电路设计2231工作原理2232软启动电路设计2333短路保护2334开关电源的接地处理要点244PWM控制电路2441组件选择和基本原理应用2542接线方式275结论28致谢30参考文献31附录321概述11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510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1015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。12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8090，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。13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MOSESFET、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EMIFILTER,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。14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8588。据悉，美国WICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ较开关DCDC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为62、10、17WCM3，效率为8090；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200300KHZ，功率密度为27W/CM3，用同步整流器（即用MOSFER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N1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33V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。2LED照明开关电源电路分析21LED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011V，工作电流可能变化20MA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。211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21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LED灯源阵列图21结构框图一种LED常规驱动电路如图22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。212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。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EABTON/TE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”（TIMERATIOCONTROL,缩写为TRC）。22输入EMI滤波器设计221EMI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50HZ400HZ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23、图24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）。222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21方式来组合。表21EMI电源滤波器的端接方式源阻抗N负载阻抗G低低低高高低高高（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01505MHZ差模干扰为主；055MHZ差、共模干扰共存；530MHZ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01505MHZ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530MHZ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。23高频变压器设计231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。232参数计算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FS50KHZ。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。4700GS，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/31500GS。0对半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时，可按式21来确定磁芯的大小。UCMSOWEPKJFPA216（21）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PAEA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23ARAM。；K为磁芯的填充系数，对铁氧体，取K1；K为窗口的铜填充系数，一般K0204。本设计选用EE40型铁氧体磁芯，由手册知其参数为127MM，173MM，EAAW则220CM，远大于的计算值。EAWAP根据表22，选用铁芯为EE40，这时铁芯截面积为138MM2。表22输出功率与铁芯尺寸的关系尺寸型号A/H（MAX）B/H（MAX）C（MAX）D（MAX）AC（MM2）EE1616/812/644518EE1919/714/64520EE2222/1119/86636EE2525/1719/137642EE2828/1720/87510278EE3038/2121/1711105115EE3535/2028/181110110EE4040/2735/2112115138EE4545/3038/231312156EE5050/3343/2451515225EE6060/3845/281616256续表输出功率P0W型号50KHZ100KHZ150KHZ200KHZBE（MM2）EE1681216189EE1915203040125EE2220305080195EE2540559013018EE286090140200319EE3095130210260529EE35120170300440425EE401902904205506615EE4522035051065075EE50300440660800105EE5038055085010001163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180V，减去20V的直流纹波电压和整流器的压降，最小直流电压为V1801420232V。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。116V。则原边绕组匝数22EMSABFUN411式中U为变压器原边电压，单位V。由上式计算得N305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V26014364V。故半桥式电路变压器原边绕组所加电压U182V，由式23变形可得23ESMANFUB14计算可知，B021T在输入交流电压最大时BB/2，所以，原边绕组匝数N34匝的选择是合适的。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08，输出回路二极管压降为N扼流圈压降为，取A15V，则变压器副边电压为2U24CDOU2故副边匝数为6匝251MIN221NN6计算原边最大工作电流在最低交流输入电压为220V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205A。7选择导线由于变压器的工作频率为50KHZ，在此频率下铜导线的穿透深度02956MM，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05914MM。另外，考虑铜线的电流密度可取36AMM，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053MM的漆包线进行2股并绕，副边采用16股线径为021MM的漆包线，绞结成4根并绕。24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的设计要找到最稳定的电路方案。方案如下241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25所示。功率为150W，输入交流电压范围为180260V，输出直流电压为15V，电流为10A，输出电压调整率SV1，输出电压纹波P_P50MV。220V交流电压经过全桥整流滤波后，得到约300V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。0V220V交流图25整流滤波电路原理框图242主电路结构及其工作原理半桥式开关电源主电路如图26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V2。开关S1，S2交替导通就在变压器的次级形成幅值为V2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27所示滤波电容参数计算方法如下（1）工作电压203120121VVINACCI（26）取标称值VCI200V。2）允许纹波电压计算2540162MINVVUR（27）（3）容量计算50MINUFVICRACI（28）将数据代入式28有4152450169UFCI（29）取标称值CI200F。25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）251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公司的BYV32200二极管，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。252滤波电感设计INPSSVKFDL18（210）其中D为2倍占空比，即D08；K为波形系数，取值在05到1之间，取05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2302814051085HL（211）253输出滤波电容参数计算2031SFFULVDC（212）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0USF43510123580236MFCF（213）取标称值为6800F。所以输出电感量为023H，滤波电容容量为6800F，二极管D选BYV32200。26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。261原理图和电路图调整管保护电路比较放大电路基准电压电路取样电路图29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）262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214ZURRU13220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1R2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、3R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31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。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。32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（D1D4）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。33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。34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靠的安全接地，这对保障人员安源具有相当重要的意义。4PWM控制电路调节开关电源的占空比，可使输出电压基本上不随负载变化和/或不随输入电压变化而变化。这种方法，实质是对晶体管导通脉宽进行调节和控制。驱动LED灯组可在转换器中增加小型而低廉的额外电路以克服负载调节和无负载状态下的问题。该转换器易于实现，且在峰值电流模式控制时无需进行反馈补偿没计。它所具有的开环特性也使之成为那些需要PWM亮度调节的应用中的理想选择。41组件选择和基本原理应用PWM控制电路采用美国硅通用电气公司的SG3525A控制芯片1内部结构电压调节芯片SG3525具体的内部结构如图1所示。其中，脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（511）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。振荡器还设有外同步输入端脚3。脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70DB左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。图42SG3525内部原理框图2下面分别阐述其各部分功能A基准电压源基准电压源是一个三端稳压电路，其输入电压VCC可在（835）V内变化，通常采用15V，其输出电压VST51V，精度1，采用温度补偿，作为芯片内部电路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，向外输出电流可达400MA，没有过流保护电路。B振荡电路由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压VVH39低门限电压VVL09，内部横流源向CT充电，其端压VC线性上升，构成锯齿波的上升沿，当CHVV时比较器动作，充电过程结束，上升时间T1为41TCRT6701比较器动作时使放电电路接通，CT放电，VC下降并形成锯齿波的下降沿，当CLVV时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间T2为42TDCRT312注意此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T为43TDTCRT3167021因为12TRTD由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿，因此上升沿作为工作沿，下降沿作为回扫沿。C误差放大器由两级差分放大器构成，其直流开环放大倍数为80DB左右，电压反馈信号UF从端子1接至放大器反相输入端，放大器同相输入端接基准电压。该误差放大器共模输入电压范围是15V52V。DPWM信号产生及分相电路比较器的反相端接误差放大器的输出信号UE，而振荡器的输出信号UC则加到比较器的同相输入端，比较器的输出信号为PWM信号，该信号经锁存器锁存，分相电路由二进制计数器和两个或非门构成，其输入信号为振荡器的时钟信号，并用时钟信号的前沿触发，输出为频率减半的互补方波，这些方波和PWM信号输入到或非门逻辑电路。其结果是，所有的输入为负时，输出为正。这样1P、2P的输出每半周期交替为正，其宽度和PWM信号的负脉冲相等。脉冲很窄的时钟信号输入到逻辑或非门电路，可使两个门的输出同时有一段低电平，以产生死区时间。E脉冲输出级电路输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快11脚和14脚相位相差1800，拉电流和灌电流峰值达200MA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为L00NS。可以在13脚处接一个约0LUF的电容滤去电压尖峰。42接线方式该芯片的输入电压工作范围是835V，通常可取15V；振荡频率是100500KHZ，芯片的脚5和脚7间串联一个电阻RA就可以在较大范围内调节死区时间。另外，它的软启动电路也非常容易设计，只需在管脚8接一个软启动电容即可。SG3525A的振荡频率可表示为443701DOSRCF式中C。分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；RA是与脚7相连的放电端电阻值。该芯片外围电路简单，11和14脚输出采用图腾柱，电流驱动能力强，可直接控制半桥逆变器的上下功率管S1，S2，其外围电路如图44所示（见附录）。隔离驱动电路从SG3525A的11，14脚出来的PWM信号驱动PC817光耦，经光耦隔离后，送到IR2110专用集成驱动电路，进而去驱动功率MOSFET管S1和S2，IR2110外围电路连接如图45所示（附录）。在带有输出电流反馈的开关LED驱动器中，一般还需要反馈补偿来稳定转换器，并调节电流以达到期望的电流值。这些反馈方案的瞬态响应性能是有限的，无法满足LED的PWM亮度调节所需要的快速开关瞬态响应。然而，本文所描述的转换器并不要求任何反馈补偿。该控制方案所用的唯一反馈信息是通过传感电阻获得流经MOSFET的峰值电流。因为转换器在每个周期都存储所需的能量，所以它可以对瞬态做出即时响应。因此它可以很方便地与PWM亮度调节方案一起工作。5结论由于时间上的关系和实验设备，本设计的技术参数和很多相关的标准并没有通过具体实验的有力验证。只能在理论上给以论证和说明。本论文绝大多数的设计思想和方法都是在现有的、成熟的理论支持