家用12WLED照明电源设计

1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：家用12WLED照明电源设计院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间：2013-12-30至2014-1-10本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 电气学 号学生姓名专业班级设计题目家用12WLED照明电源设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能LED照明每W流明数可达到120lm。远高于白炽灯和日光灯，此外LED灯珠寿命可长达十万小时，并且绿色无污染。LED照明应用上的限制在于LED有固定的正向压降，电流也有上限（工作电流是影响LED寿

2、命的主要因素）。大功率白光LED上的正向压降一般为3-4V，不能直接使用市电驱动。因此设计一个和LED灯珠匹配的高效环保长寿命的电源是必须的。设计任务1、方案的经济技术论证。2、工频整流电路设计。3、高频逆变电路设计。4、高频整流电路设计；5、参数计算；6、选择器件的具体型号。7、绘制相关电路图。8、完成设计说明书。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、主输出最大输出功率为14W，辅助输出为0.5W，总输出小于15W； 2、输出电流为恒定350mA； 3、最大输出电压为40V；4、最少可

3、以接一个1W的高亮度LED，最多可以驱动12个1W的高亮度LED。工作计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第56天：参数计算；第78天：器件选择；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要LED在照明应用中以其绿色无污染而变得广泛被应用，因其具有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、可靠性高、调控方便等诸多优点，正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用。本文介绍了一种通过工频整流电路设计、高频逆变电路

4、设计、高频整流电路设计，将市电转化为可以直接给LED供电的电源关键词：绿色无污染；节能; 工频整流; 高频逆变; 高频整流; 目录第1章 绪论51.1引言51.2 LED照明的现状和发展趋势51.3 LED照明目前存在的问题与解决方法71.4论文主要工作及设计目标要求7第2章 LED照明电源电路设计92.1 LED照明电源电路总体设计方案：92.2LED照明电源电路具体设计92.2.1总体功能描述：92.2.2电路设计102.2.3磁路设计13第3章 课程设计总结14参考文献16第1章 绪论1.1引言1879年，爱迪生发明了碳丝白炽灯，使照明技术进入一个崭新的时代。回顾20世纪的照明史，荧光灯

5、、汞灯、高低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、高频无极荧光灯以及微波硫灯等新光源层出不穷。白炽灯从其问世的那一天起就带有先天性的缺陷，寿命短，钨丝加热耗电大，灯泡易碎，而且容易使人触电。荧光灯的出现，虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力产生不利的影响，灯管内的重金属汞也有害于人体和环境。真正引发照明技术发生质变的还是LED的发明。与传统照明技术相比，LED的最大区别是结构和材料的不同，它是一种能够将电能转化为可见光的半导体。LED属于全固体冷光源，体积极小、结构坚固、重量轻、而且工作电压低，使用寿命长，节能环保。LED光源被称为继白炽灯、荧光灯、高强度气体灯之后的第四代光源。1.2 LED照明

6、的现状和发展趋势目前，LED已经应用于各种照明领域，这包括景观照明、汽车市场、普通照明、道路照明等。LED照明市场已经逐步形成规模，如日本松下电工已开始生产“袖珍型LED照明灯”，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯，国内明达光电厦门有限公司开始生产LED路灯等。由于石化资源的匮乏，世界性的能源危机引起了各国的重视，并纷纷把照明节电特别是白光LED产业的发展纳入国家发展战略中。面对LED照明将要形成的巨大市场，世界上掌握半导体照明技术的公司，如通用电气、飞利浦、欧司朗等世界三大照明工业巨头、全都启动大规模商用开发计划，不断推进半导体照明的发展。国内对LED的研究和应用也进行了重点投

7、入。2006年l0月，国家“十一五”863计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。我国半导体产业正在进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇。我国出现了很多示范性路灯照明实例。随着2008年北京奥运会和20l0年上海世博会的陆续申办成功，北京、上海等主要的举办城市加大了对景观照明的投入，受此影响，2007年LED用于景观照明市场的规模达到21.2亿元。可以预见，未来LED将逐渐替代白炽灯、荧光灯等光光源，成为人造光源逐流产品，广泛应用于各种照明、显示和标识，专家估计将会有1000亿美元的产业规模。并且LED照明与其他照明相比具有以下优点：(1) 高效节能：传统的照明光源存在光效低(一般白炽灯

8、光效20左右，普通节能灯只有4050左右)、耗电量大、光线中含有大量的紫外线、红外线辐射，电能绝大部分转化为热能。按照通常的光效定义，LED的光效并不高，但由于LED的光谱几乎全部集中在可见光频段，效率可达8090，一般LED灯使用低电压、低电流驱动，功耗低，在相同的照明效果下比传统光源节能80以上。 (2) 寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有松动的部分，不存在普通灯丝发光发热易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可高达6万10万小时，是传统光源使用寿命的10倍以上。由于寿命长，经久耐用，减少了维护和更换的费用，降低了成本。(3) 绿色环保：现在广泛使用的荧光灯、汞灯等

9、光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃后都会对人体的健康和环境造成危害。而LED运用冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 (4)光效高：白炽灯的光效为12241mW，荧光灯的光效为50701mW，钠灯的光效为901401mW，大部分的耗电变成热量损耗。目前LED的光效为501001mW左右，世界各国均加紧提高LED光效的研究，按现在LED技术发展的速度预测，到20102015年，白光LED的光效将达到l502001mW，远远超过其他所有照明光源的光效。 (5) 光色纯、光

10、束集中：传统照明光源的光谱较宽，且发光方向为整个立体空间，不利于配光和光线的有效利用。而LED则为分立的光谱，谱线较窄，色彩丰富、鲜艳，可以有多样化的色调选择和配光，并且LED光源发光大部分集中会聚于中心，发散角较小，可以有效地控制眩光，从而简化灯具结构，节省设计和制造成本。(6) 高新技术：与传统光源的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功地融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术和嵌入控制技术等。LED在照明领域中的应用主要包括以下四个方向的技术：LED光源技术、LED驱动电源技术、LED配光技术和LED散热技术。本论文主要从LED驱动电源技术介绍LED照明的研究现状和发展趋势

11、。LED驱动电源技术：原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作为照明光源就要解决电源变换这一问题。现有用原始电源给LED供电主要有以下四种情况：低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动以及市电驱动。不同的情况在LED电源变换器的技术实现上有不同的方案。下面简要介绍这四种不同的驱动电源技术。 (1) 低电压驱动：低电压驱动就是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED，如一节普通的干电池或者镍铬镍氢电池，其正常供电电压为0.8至1.65V。低电压驱动LED就是要把电压升高到足以使LED导通的电压值。对于LED这样的低功率照明器件，这是一种常见的使用情况，如L

12、ED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的变换效率。另外，考虑到有可能配合一节5号电池工作，还要有最小的体积，其最佳技术方案是电荷泵式升压变换器。 (2) 过渡电压驱动：过渡电压驱动是指给LED供电的电源电压值在LED管压降附近变动，这个电压有时略高于LED管压降，有时略低于LED管压降。如一节或者两节锂电池串联的铅酸电池，满电时电压在4V以上，电快用完时电压在3V以下。用这类电源供电的典型应用有LED矿灯等。过渡电压驱动LED的电源变换电路既要解决升压问题又要解决降压问题，为了配合一节锂电池工作，也需要有尽可能小的体积和尽

13、可能低的成本。一般情况下功率也不大，其最高性价比的电路结构是反极性电荷泵式变换器。 (3) 高电压驱动：高电压驱动是指给LED供电的电压值始终高于LED管压降，如5V、12V，24V的电源。典型应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压驱动LED要解决降压问题，由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电，会用到比较大的功率(如机动车照明和信号灯光)，应该有尽可能低的成本。变换器的最佳电路结构是串联开关降压电路。 (4) 市电驱动：市电驱动，顾名思义就是用220V、50Hz的交流市电经过电源变换装置给LED供电。这是一种对LED照明应用最有价值的供电方式，是半导体照明普及应用必须要解

14、决好的问题。用市电驱动LED要解决降压和整流问题，还要有比较高的变换效率、有较小的体积和较低的成本。另外，考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对中小功率的LED，现在普遍使用的电路结构是反激变换器。对于大功率的应用，则是使用桥式变换电路。目前，单颗LED的光效还不足以满足大部分照明的要求，这就要求LED驱动电源能够同时驱动多个LED，只有合理的配合设计才能保证LED正常工作。LED负载的连接形式直接关系到其可靠性和使用寿命，现有的连接方式有全部串联、全部并联、混联三种。无论是何种驱动电源技术，归根到底对于LED照明而言只有恒压和恒流的区别。采用恒压设计会危害LED的未来。本设

15、计采用恒流输出，输出电压随负载大小自动调节的适用广泛的设计。1.3 LED照明目前存在的问题与解决方法目前，LED照明光源的光效虽然还不是很理想，但随着时间的推移和制作工艺的进步，其光效将达到甚至超过现有的其他照明光源的光效。同时，高功率LED照明的散热效果也有望进一步得到改善。LED的理论使用寿命在6万小时以上，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，LED照明忽明忽暗，使LED极易损坏。当前很多厂家生产的LED灯类产品采用阻容降压的方式向LED供电，这样做使得效率低。并且现有的大部分驱动电源功率因数普遍偏低，降低了电能的有效利用率。精确设计驱动电源是解决上述问题的关键，只

16、有根据LED照明产品的要求、应用场合，选择合适的拓扑结构，合理选用LED驱动方式，才能提高LED照明的效率和可靠性，将LED照明的优势充分发挥出来。在LED照明的配光技术方面，目前的配光大部分沿用传统配光方法，普遍采用透镜聚光和反射镜利用旁侧光照，为了达到一定的光照效果，往往给照明灯具带来种种问题例如散热差和灯具的体积大和重量增加及其影响外观，同时也忽略了LED的光学特性，而且LED照明灯具配光后的光利用效率也较低。解决上述问题，只有从LED自身的结构和发光特性出发，寻求一种能够满足LED照明要求的，且具有LED照明特点的配光方法。综上所述，解决LED照明的方法只有从LED自身的光学、电学和结

17、构特点出发，根据具体的应用环境和条件要求，因地制宜，才能解决LED照明技术上存在的问题，使LED照明真正成为值得广泛推广使用的绿色照明。1.4论文主要工作及设计目标要求1、主输出最大输出功率为14W，辅助输出为0.5W，总输出小于15W； 2、输出电流为恒定350mA；3、最大输出电压为40V；4、最少可以接一个1W的高亮度LED，最多可以驱动12个1W的高亮度LED。总体来说，对于LED照明驱动电源而言，它面临的主要问题是LED的非线性。这主要体现在LED的正向电压会随着电流和温度而变化，不同LED器件的正向电压也会有所差异，LED“色点"会随着电流和温度而漂移，而且LE

18、D必须在规范要求的范围内工作从而实现可靠工作。而LED照明驱动电源的主要作用，就是在工作条件范围内稳定电流，无论输入条件和正向电压如何变化，始终能够保持LED的工作电流稳定，从而保证LED的工作寿命和满足可靠性的要求。具体地说，根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，在选择和设计LED照明驱动电源时要考虑到以下几点：1高可靠性特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便，并且维修的花费也大。2驱动方式现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联

19、或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。3高效率LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。4高功率因素功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对

20、电网产生较严重的污染。对于30瓦40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因素方面有一定的指标要求。5浪涌保护LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。6保护功能电源除了常规的保护功能(过流、过压、短路、过载等保护)外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。7防护方面灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。8驱动电源的寿命要与LED的寿命

21、相适配。9要符合安规和电磁兼容的要求。第2章 LED照明电源电路设计2.1 LED照明电源电路总体设计方案：系统框图如图示图 2.1 本系统采用了LED驱动电路中常用的单端反激式拓扑，该拓扑设计较为简单。输入采用了四个1N4007作为全波整流，而后经过型滤波器整流，采用了PI公司的TinySwich-系列中功率容量最大的TNY280作为开关控制IC，采用EE19磁芯实现初次级隔离，采用双路输出实现运放的独立供电，采用运放和电压比较器作为反馈控制以实现高精度恒流控制。采用低导通压降的肖特基整流管ER303减少二极管发热，滤波电容采用ESR可接受的普通电解电容降低电容温升。2.2LED照明电源电路

22、具体设计2.2.1总体功能描述：1、实现隔离输出（1）变压器T1提供隔离，储能，变压的功能。使用高频变压器，初次级能量传输通道为磁通道，实现隔离。（2）光耦817B提供隔离、反馈功能。使用光耦合器，次级反馈信号传输通道为光通道，实现隔离。（3）初次级用安规电容CT7实现静电释放，防止静电堆积引起的高压打火。同时该电容值较小，次级不会造成触摸电击。2、实现LED恒流，实现过压保护（1）次级采用LM358双运放实现恒流和过压保护。LED升高伏安特性随温度左移（如图1.1）。假设驱动为恒定电压V2（如图1. 2），工作中灯珠温度从T1到达T2,流经灯珠的电流明显增大，电流增大又导致温度升高，如此恶性

23、循环，最后势必烧毁灯珠。解决办法有两个，一是恒压驱动的同时串接一个电阻在输出回路（如图1. 3），当LED灯珠由于温度升高而导致电流增大时，串接的电阻压降增大，LED端电压得以降低，起到对LED的保护作用。但是这种方法将在串联电阻处耗散一定功率，降低整个电路转换效率，有悖设计初衷。因此，不采用这种方式。最理想的方法是采用整体的思想，通过控制开关IC的占空比调节输出电压，控制次级始终输出恒定电流。本设计正是采用此方案。图1.1 图1. 3图1. 2 2.2.2电路设计电路原理图如图2.1所示。图2.1用PI公司的软件PI Expert 7设计出电路框图如图2.2。该软件设计出的原理图基本都采用比

24、较极限的参数。因此修改了高频变压器从EE19改为EE20/20/5（磁芯气隙改小）。开关IC也从TNY275改为TNY280。目的是使得整个电路发热量减少，更加稳定，以适应各种恶劣的工作环境。图2.2 改为仅采用一个0.1的X电容作为差模抑制，把单电容滤波改为型滤波。此外改动较大的是反馈回路，如果只采用TL431作为恒压控制，控制精度较低，且不好实现恒流控制；假设采用三极管S8550加TL431作为恒流稳压控制，精度不够高，并且电流采样电阻一定要取较大阻值，导致效率下降。因此本设计采用SOP封装的双运放LM358，可实现高精度（变化小于2%）的恒流控制，稳妥的过压保护。电流取样电阻可改为小至0

25、.5（为减小体积，用两个1电阻并联）的高精度（误差值为1%）金属膜电阻。图2.3先看运放LM358的B部分组成的电压比较器，连接比较器B反相端的外围电路，是可控稳压管TL431组成的恒压源。TL431的阳极和ref端连接在一起，此时阳极的电压约为2.5V。因此电压比较器B反相端的电压接近于2.5V。1、运放358的A部分：通过0.5（两个1的并联，阻值应尽量减少，以提高效率）的金属膜高精度电阻串接接到输出回路作为电流取样电阻，经4702电阻连接到运放A同相端进行加大。应该令运放A的输出电压（也就是电压比较器B同相端输入电压）在额定输出恒流（1W LED灯珠的工作点，350mA）时刚好等于电压比

26、较器B的反相端电压，也就是2.5V。通过电压比较器B（运放358的B部分）与稳压管的过压回馈进行电压比较。正常工作时，电压比较器同相端的电压围绕2.5V波动。假设某种原因导致输出电流过大，则比较器B同相端电压高于反相端，电压比较器输出高电平，光耦内部发光二极管导通，于是光耦的C脚将从TNY280的EN/UV脚引出较大电流，导致TNY280内部MOS管的PWM方波占空比降低，使得输出电压回落，输出电流也就降低了，就这样达到恒流的目的。同样的，当某种原因导致输出电流降低，比较器反相端电平高于同相端电平，光耦C脚引出较小电流，导致TNY280内部MOS管的PWM方波占空比升高，使得输出电压回升，输出

27、电流也就增大了，达到恒流的目的。可见环路为负反馈控制，实现恒流。2、过压保护主要由电压比较器B实现：空载时，输出端电压VCC1不断上冲，达到两个稳压管的稳压值之和以后。稳压管导通，微电流约为0.04mA。该电流在同相端产生约5V的高电平，电压比较器B同相端比反相端电压要高，电压比较器输出高电平。通过光耦令TNY280的使能引脚EN/UV导出较大电流，控制TNY280的脉冲信号减少，所以输出将稳定在40V上下。不会一直上冲而导致炸机。 图2.42.2.3磁路设计变压器也采用PI公司提供的PI Expert 7作为参考，如图2.5。PI公司提供的建议是采用EE19磁芯，磁芯面积Ae为23.00mm

28、²，132KHZ的工作频率下，磁芯功率裕量应该留大点，降低占空比，以减少磁芯发热，因此改用了EE20/20/5磁芯，磁芯面积Ae值为31.00mm²。由于PI公司提供的库文件当中没有EE20/20/5磁芯，因此设计时参考Ae值与EE20/20/5相近的EF20（Ae值为32mm²），匝数比也完全参照PI Expert 7 提供的EF20的设计。增大磁芯的面积，根据dB=（Edt×10）/（NAe），为保持dB不变，则N应当减少，这就是为什么初次级匝数有所改变。 此外，匝数减少了，为保证利用更广的磁滞回线，气隙长度也相应减少了，本设计采用软件给出的气隙为0.153mm的建议。 图2.5第3章 课程设计总结电是工业的动力，是人类生活的源泉。而电源是产生电的装置。我们用的电，一般都是需经过转换才能适合使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。自20世纪60年代，人们发明了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。而这种电源作为一种绿色电源以及其高效的特点而广泛应用于各种驱动电源的设计当中。LED通用照明是LED发展的最终目标，驱动器性能的优劣是影响LED照明灯具寿命的主要因素之一，合理地设计好