基于DSP2812的LED开关电源设计图文

1、广东工业大学硕士学位论文基于DSP2812的LED开关电源设计姓名：申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：摘要摘要照明是人类消耗能源的重要方面，照明约占世界能源消耗的20%。因此，绿色节能照明的研究越来越受到重视；LED由于具有环保、寿命长、光电效率高等众多优点，成为照明领域关注的焦点，近年来得到了突飞猛进的发展。国内外都投入了大量的人力物力对LED及其应用进行研究。LED是低压驱动的冷光源，它的性能受到使用环境的制约；本文针对当前LED电源性能不佳的问题，从提高电源的可靠性和可拓展性出发，本文主要做了以下工作。论文首先介绍了LED照明的优点和应用现状，以及LED照明的广阔前景：其次

2、介绍了LED发光的基本原理，分析了LED电压、电流和光功率之间的关系：并且对脉冲驱动和直流驱动LED做了比较；通过分析比较常用的LED开关电源拓扑结构，提出了以单端反激变换器为主电路的结构形式。针对主电路中各元器件参数进行了精确计算，对单端反激变换器中较为重要的变压器进行了具体设计：LED开关电源应用数字信号处理器DSP(TMS320F2812)作为控制核心，通过PI调节，实现电源的恒流输出。电源安装完成以后进行了调试。控制电路的调试包括硬件和软件两方面，主电路的调试包括空载调试和负载调试。实验表明，系统安全可靠，而且满足设计要求。关键词：LED;电源；DSP;反激Abstract.Light

3、ingisanimportantaspectinhumanconsumingenergy.Lightingaccountedforabout20%ofthewor1d,Senergyenergyconservingconsumption.Therefore,theresearchandandofGreenlightingismoremorepaidattentiontO.BecauseoftheSOOILadvantagesofenvironmentalprotection,1ong1ife,highefficiencyatheresearchofLEDisthefocusoflighting

4、area.Itobtainedrecentyears.Alotofmanpowerbothatbreakneckdevelopmentinandmaterialresourcesareinvestedforthestudyinhomeandabroad.LEDisthecoldi1luminantinlowpressuredrive.Itsperformanceisinfluencedbytheenvironment.AccordingtOthepoorperformanceandprob16msofthecurrentLEDpower,Takingattentionfollowingaret

5、othere1iabi1ityimprovingpoweronexpanding,Jobsindoneinthisarticle.situationofprospectsandapplicationAdvantages,broadtheLEDarefirst1yintrodubasicprinanda1sothcurrentan t t h e e n d , t dcdriveLE n t o p o 1 o g i supply, t h a c k i s p u t f oreachoft a i n c i r c u i tanttranscedinthiscip1eofg1ere

6、1ationd1ightinghecompari D . B y t h e a n esofcommo e c i r c u i t s o r w a r d . A c hecompone t , S p e c i f i formerisaessay; sec o w i n g i s r e shipsofth powerarea sonofPuls a 1 y s i sand n L E D s w i t c tructuref curatecal ntparamet c d e s i g n f o 1 s o d o n e . Lo n d 1 y . the c

7、ommended e v o 1 t a g e , n a 1 y z e d , a edriveand c o m p a r i s o h i ngpowe r ormofflyb c u 1 a t i o n f e r s i n t h e m rtheimpor E Dasswitchpowertakesdigita1signa1processor(DSP)TMS320F29I2achievescontrolcoreandcomtantcurrentoutputthroughthePIadjustmentregulation.Debugtngincludesismadeaf

8、terpowerinstallation.Thedebuggingofcontroleircuithardwareandsoftwaredebugging.Thedebuggingofmaincircuitisconsistedandofno.lOaddebuggingandloadtest.Experimentsshowthatsystemissafere1iab1eanda1someetsthedesignrequirements.Keywords:LED;Powersupply;DSP;FlybacknContentsAbstract。,.HContentsVChapterlintrod

9、uctiono11.Ibackgroundandsignificanceoftheresearch.11.1.ITopicbackground11.1.2Researchsignificanc1 .2Thestructure,propertiesandcharacteristicofLED.31. 2.ILEDstructure31.2.2LEDpropertie41.2.3LEDcharacteristi sofLEDpowersuy o p o 1 o g i c a 1 s 臼u 7 1. 3Th erP P 1c t u r e o f L E D p o esearchstatu71

10、. 4thetw e r s u p p 1y.91.5Theresearchconten.14Chapter2ComparisonofLEDdcandpu1sedriveperformance?152.ILEDdrivemode152.2Thebasictheoryofpu1sedrive.152. 2.IThebasicparametersdrivecurrentpu1se.152.2.2Pu1sedrivecurrentfrequencychoice.152.3comparisonofpu1sedriveanddcdriveperformance16-J-2.3.IRe1ationsof

11、fluxandaveragepower.162.3.2Re1ationsoftheluminousefficiencyandaveragepower.182.3.3RelationsoftheLED'stemperatureandaveragepower.182.4Thischaptersummary.19chapter3Des，脚mofLEDpowersupp1yhardwaresystem203.IThegenera1schemedesignofpowersupply.203.2Maincircuitparameterdesign.203. 2.IThecircuittopolog

12、yandworkingprincip1e.203.2.2Rectifiermodulechoice.213.2.3ThedesignofPFClevelconverter.223.2.4DesignofF1ybaektypeDC/DCtransformeircuit.243.2.5Currentsensorselection28VI1I11_I-11I_1、目000000'*".暨型呈：I3.2.6RCDgro腑d.c1ampcircu293. 3 D e s i g no f D C/D C 1 eve 1 c o n t r o 1 s y s t e3 . 3 . IC

13、ontrol systemstructureandfunc? ,? ? ? 313. 3. 2Cont rOlchipfeature3.3.3 A/D c o n v e r s i o33. 3 . 4Sampl ingci rcui3 . 4PFCleve 1 gonvertercont role i rcui t d esign”373. 5Ths c 1 laptersummar8 C h a p t e r 4 D e s i g n o fLEDp owe r s u p p 1 y s o f t warsystem, ? 3 94. 1 So 胁 a resys terns t

14、 ructureandfunct i o3 9 4. 2 M a i n programdesig? 394. 3Plprogrammin404.4A,Ds锄叩1ingdesignprogram444.5PWM产ogramming.454.6Inte1.ml)tserviceromines?474. 6.ITimerinterruptselViceroutines?474.6.2A/Dinterruptserviceroutine.一?484.6.3FWiHlSprot6ctioninterruptserviceroutines494.7111ischapters2 Chapter5PCBde

15、signandsystemdebugging?.535.1ThePCBdesignmattersneedingattention.?535.1.ILayoutdesig535.1.2Wiringdes535.1.3Groundingdesig545.1.4Decouplingcapacitorconfi?,?545.2Systemdebuggin5.2.IFundWentaldebugging?555.2.2controleirC疵debugging?555.2.3No1oaddebugging565.2.4Loaddebugging？575.3ThischaptersummarJ?58Con

16、clusionsJReferenges.61<gdgHDiDOOOOOOOOOOO00e0000000000000000000VII广东工业大学硕士学位论文PublishedPapersDuringtheMasterPeriod64Dec1arati0118Acknow1edgements第一幸绪论第一章绪论1.1课题背景及研究意义1.1.1 课题背景随着近年来经济和技术的不断发展，环境问题的日益突出，绿色环保的LED照明正逐渐取代传统的照明设备，LED半导体照明产业具有巨大的节能环保优势、市场应用潜力和产业带动能力，被认为是21世纪最光明、最具有活跃性的高新科技产业之一1Jo也是国家重

17、点发展的战略性新兴产业之一。在2007年举行的第11届国际电光源会议上，LED大放异彩，成为国内外照明技术学者讨论的焦点。目前，世界照明用电占总发电量的10%以上，所以提高照明产品的效率有很大的能、环保意义。而作为第四代照明光源的LED就是在效率上相对传统光源有较大势12。世界各国都竞相投入大量人力、财力对LED电源进行研究，我国也对这一新兴领域高度重视，将对LED光源的研究纳入重点科技发展规划当中。日本于1998年率先实施21世纪照明”计划，并在2006年完成用白光发光二极管照明替代50%的传统照明【3】。目前，日本正计划到2011年实现LED的发光效率达到120lm/w。2008年4月日本

18、政府呼吁力争到2012年为止，全面实现由白炽灯向荧光灯的转换。美国国家半导体则提出了2000至2010年耗资高达5亿美元的照明计划，主要的研究内容是降低LED成本，提升LED转换效率，LED的固体物理学问题，低缺陷密度衬底，优化器件结构等；欧盟的彩虹计划于2000年7月启动，其计划是通过欧洲共同体的补助金来推广白光LED的应用。我国政府也认识到发展LED产业的必要性和迫切性，国家科学技术部于2003年6月组建了跨部门、跨地区、跨行业的国家半导体照明工程”协调小组，国家半导体照明工程已经正式启动【4】。2009年5月初，中国科技部批准21个城市开展半导体照明应用工程试点，标志着中国高亮度LED产

19、业已进入加速发展阶段，标志着中国LED产业遇到了难得的发展机遇。国家半导体照明工程项目的实施，对推动我国半导体照明行业的发展，发挥了重要作用。美国能源部（D。E）在最近公布的一份报告中，分析了固态照明（SSL）潜在的能源节约，主要是针对LED和OLED产品。美国能源部正在积极支持和资助各种固态照广东工业大学硕士学位论文明（SSL）计划，一方面是为了实现能源节约，另一方面为了让美国在SSL技术领域取得全球领先地位。美国能源部预测，在2010.2030年期间，固态照明产品可节约1488兆瓦时的能源，相当于节约1200亿美元。美国能源部在该报告中声称，在未来二十多年的时间里，固态照明灯具可将减少2.

20、46亿吨二氧化碳的排放。根据美国市场调研公司$1：1'a1：6西6511111imited的分析数据，2001年世界LED市场的销售额接近87亿美元，处于发展期。而该公司预测，即使按照最保守的发展来看，2012年世界LED器件市场的销售额也将达到368亿美元。由于发展前景巨大，LED已掀起了一场照明产业革命。国内外大量的研究机构都己制定了LED的长期发展战略，加快了LED的商业化步伐。相信不久的将来，LED必能走进千家万户15J。LED照明的发展催生了LED电源巨大的市场需求。由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而高效可靠的电源是保证LED理论寿命的前提，LED电源是

21、LED产业链的发展保障，LED电源的品质直接制约了LED产品的可靠性I71。山东浪潮集团华光光电子有限公司总经理郑铁民2009年9月30日在中国电子报撰文指出据统计，目前LED白光照明灯具出现的失效故障，70%左右是电源问题，20%左右是线路和结构问题，只有不到10%是LED单管的本身质量问题。”广东昭信灯具有限公司副总经理兼技术总监、在照明行业里经历了三十多年的风雨洗礼、参与奥运会水立方"亮化实验工作的徐连城撰文指出：对路灯来说寿命和光衰减远比节能更重要！而影响LED应用产品寿命的70%因素来自于LED电源，目前真正做到完美可靠的电源产品还不多，这就需要政府、企业能重视产品的研究与

22、开发，只要技术人员能坐下来，脚踏实地地从事设计工作，在国家标准的完善制约下，相信规范化可靠性好的LED应用电源产品指日可待【射。”1.1.2 研究意义2009年千城万盏”的21个试点城市中，已经安装的LED路灯（含隧道灯）大约为22.2万盏。2009年多数城市仍处于工程试点阶段，预计明后年将大规模铺开（来源于高工LED）o全球人类一定要改变地球温室效应，节能减排呼声高涨。当今可称为节能长寿命”项目的焦点产品LED路灯”成了节能照明产业的宠儿'妒1。但我们要清晰的认识到，当大家都在宣传LED的长寿命时，忽略或避开了另一个决定LED灯具寿命的关键问题：那就是LED驱动电源的质量。当前各个灯

23、具厂商在2第一章绪论LED实际应用中碰到许多因电源短期内失效，故障等问题，产品的质量事故及高额的售后维护费用给厂商造成巨大损失，也打击了消费者对LED照明产品的信心，进而影响了整个LED照明产业的发展。在技术上，照明应用对LED电源也提出了更高的要求。LED照明电源越来越专注于稳定的亮度和功率转换效率，追求更高的功效、更高的集成度以及更小的外形尺寸。就系统而言，LED照明技术涉及电学、光学、热学、力学等多个学科，与发达国家相比，我国在照明LED电源领域起步较晚且基础较为薄弱，缺乏具有自主知识产权的核心技术【1。】。目前用于LED电源的技术主要被几家欧美半导体大公司所垄断，尤其是应用于25W&q

24、uot;100W功率范围的小区道路照明和输出功率100W以上的主干道照明，由于需要用到隔离性的变换器，因此只有少数几家企业掌握了该技术。技术滞后也一直是我国LED电源的瓶颈LED产品本身具有很长的使用寿命，如果LED电源的可靠性较低，会影响其使用寿命，进而影响整个照明系统的寿命。因此，设计人员要确保LED电源的可靠性和寿命与LED的可靠性和寿命相匹配。因此，本课题基于DSP2812的LED电源设计对毛LED电源功率和稳定性的提高等具有重要应用和现实意义，并为LED应用领域的拓展提供理论基础。同时对推进LED照明技术进步，拓展信息、光电子、电力电子学科交叉领域具有重要的实际意义。1 .2LED的

25、结构、特性及其特点LED的结构1.2.11£!）主要由？;结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正偏压之后，电子和空穴对分别注入P区和N区。当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转换为光能。LED的基本结构是将一块电致发光的半导体材料置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯片的作用，所以LED的抗震性能好。具结构示意图如图1.1。图1.la）是常见的子弹头形LED,这是LED的早期产品。其中，两根引线较长一根为正极，应接电源正极。有的子弹头形LED两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，则靠近小舌的是正极LED的发光体为图中的

26、LED芯片，它既是前文提到的3广东工业大学硕士学位论文AlGaAs、AIInGaP等材料制成。子弹头形LED往往功率较小，通常不需要专门的散热措施来维持其工作【11】。图1.1b）是大功率LED的结构。与子弹头形LED相比的主要区别在于增加了很多散热措施。图中的硅基板，粘胶，绝缘层都具有较好的导热性，散热片通常使用的是铝基板，可以散出大量的热量。金导线导热导电性能都相当好，也能通过这它将部分热量传导到周围线路中散发掉。片a）子弹头形LED结构图导热粘峻（电焊盘b）大功率LED结构图图1.1LED结构示意图Fig.iIStructurediagramofLED2 .2.2LED的特性LED是利用

27、化合物材料制成的PN结光电器件。它具备PN结结型器件的伏安特性、光热学特性等特性。4第一章绪论1、LED的伏安特性伏安特性是表征LED芯片PN结性能的主要参数。LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，即外加正偏压时表现为低电阻，反之为高电阻，如图1.2所示。图1.2中Oa段或。/a'段为正向死区。a点电压Va对于0点电压Vo未开启电压，当V<Va时，外加电场尚未克服少数载流子扩散而形成势垒电场，此时电阻R很大。开启电压对于不同的LED其值不同，GaAs为IV,红色GaAsP为1.2V,GaP为1.8V,GaN为2.5V。厂一.广一i向死代”/'.一，/yq正向死区。&qu

28、ot;1一7.,1Fig.12CurveofLEDvo1tagecuffentcharacteristic工作电流IF与外加电压呈指数关系：仁，s（P舌Ll）m?,式中：Is为反向饱和电流。在V>VF的正向工作区，IF随VF的增大呈指数规律上升正向工作电流，。是指LED正常发光时的正向电流值，在实际使用中应根据选择么在0.6xIp,（,砌为正向工作电流最大值）以下。正向工作电压矿F是在给定正向电流下得到的，一般是在=2OmA时测得的。LED的正向工作电压yF为1.4"3V。环境温度升高时，正向电压yF将下降【121。广东工业大学硕士学位论文O场一.一Iv'图I3LED正

29、向伏安特性Fig.13PositiveCUVeofLEDvo1tagecurrentcharacteristic在正向电压小于某一值（阈值）时，电流极小，不发光。当正向电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，LED发光。由伏安特性可以得出LED的正向电压、反向电流及反向电压等参数。LED的反向漏电流JR在10衅以下。LED的正向伏安特性如图1.3所示。LED的伏安特性模型可用下式表示：yF=矿棚一+Rs,F+（,AVF/AT、）（丁一25）（1.3）式中：V胁嘲为LED的启动电压；Rs为伏安特性曲线的斜率：T为环境温度；y么r为LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言，其典型值为.2V/

30、Co从LED的伏安特性曲线及模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起电流的很大变化，而且环境温度、老化时间的因素也将影响LED的电气性能。因LED的光输出直接与通过LED的电流相关，所以在LED应用中应控制补偿输入电压和环境温度等因素的变化，否则LED的光输出将随电压和环境温度等因素的变化而变化。若LED电流失控，则LED长期工作在大电流下将影响其可靠性和寿命，甚至造成LED失效。2、LED的热学特性LED的热学参数与PN结的结温有很大关系。一般工作在小电流T(IF<1OmA)下，或在1020mA下长时间连续点亮的，LED的温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长俄人眼能够

31、观察到的，由LED发出的主要单色光的波长)就会向长波长漂移，亮度也会下降。所以温升对LED的可靠性，稳定性和寿命的影响影响更为显著【131。LED的主波长与温度的关系可以表示为：6第一幸绪论兄P(丁。)=A。(丁。)十丁gXo.Inm/。C(1.4)由上式可知，每当LED节温升高10C时，波长向长波漂移1nm,且发光的均匀性，一致性变差。这对于供照明用的灯具要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计来说，尤其应选择散热好的灯具外壳或专门通风设备，确保LED长期稳定工作。1 .2.3LED的特点据统计，若使用固体LED光源代替传统的白炽灯和荧光灯照明，将节约全球照明能耗的50%以上

32、，无疑对缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题起到举足轻重的作用。LED作为新型的半导体照明光源，与现行照明设备相比较，LED光源具有众多突出优点。(1)发光效率高，能耗少。LED的光效预计可达到200LM/W以上，而且光的单色性，光谱窄。在同样的照明情况下，LED照明耗电量是白炽灯的八分之一【141,是荧光灯的二分之一。(2)使用寿命长，LED的使用寿命可以长达十万小时。而白炽灯一般为1000"-2000小时，荧光灯的寿命一般为6000"/8000小时。(3)启动时间短，LED的响应时间一般为几十纳秒，因此适合用在需要快速响应的地方。(4)体积小，LED具有小型化，平面化，可

33、设计性强的特点，可以使我们从传统的点、线光源局限中解放出来，实现照明的随意摆布。(5)安全环保，LED为全固态发光体，耐震、耐冲击，而且发热量低，无热辐射，无污染【151。1.3LED电源的研究现状在LED驱动电源研究较早的美国、台湾、西班牙等国家和地区，有众多学者就LED电源的可靠性问题进行了针对性的研究。除了采用元件筛选、工艺结构优化等技术外，研究还主要集中在以下方面：1、通过选择合适的电源主电路拓扑结构和参数，让LED电源结构尽量适应不同的7广东工业大学硕士学位论文LED负载情况。LED驱动电源的几种主要拓扑结构在LED的电源中均有使用，2009年广东省绿色能源重点实验室YuL1u等人对

34、LED电源的拓扑结构进行了总结12Ho2005年加拿大学者Szolusha,Keith等采用SEPIC电路，开关频率800kHz,在宽的输入电压范围内给白光LED负载提供了700mA的电流而没出现过热现象。2008年巴西学者SaEM等人采用ZVS-CV电路，通过自振荡电压开关方式实现高效率的软开关驱动LEDo2008年台湾学者Ch1uHJ对单级前馈PFC电路进行改进，实现了对LED的良好驱动。2007年德国学者vanderBroeckH也提出了新的LED电源控制方案。2008年复旦大学电光源研究所讨论了基于Buck的LED恒流型驱动电路效率的影响因素，并提出了提高效率的方式11酬。2、开发针对

35、电源的某些故障现象如短路、过载、温开、LED开路等进行故障处理的控制与保护电路。2007年台湾华硕公司Y6n.ShinLai等开发出LED直接AC输入的驱动与保护电路。2008年台达电子公司HuYQ等开发出电压自适应变化的LED驱动电源。2008年香港科技大学LeungWY等学者开发了高效率的大功率LED的电流传感电路，通过使用该电流传感电路，使得电源效率与可靠性提高。2008年Zou,XC针对白光LED的动态电流限制电路，根据LED电流温度曲线的变化来调节驱动器的电流变化【171o2009年美国学学者DoHungNguyen等人提出了具有自我测试与检测功能的LED电源，该电源可针对不同LED

36、用的需要输出不同的恒定电流，而且通过使器件工作在线性区域而减少开关管MOSFET的损耗，并通过PSPICE进行了仿真。浙江大学则在功率因数校正等方面进行了一些有针对性的工作。一些半导体芯片生产厂家则针对LED驱动的控制与基本保护功能生产出具有各自特点的控制芯片。3、通过选择脉冲驱动方式来驱动LED,进而研究脉冲驱动方式对发光LED效率，温度，色衰等参数的影响。2008年6月，德国的HeinzVai1derBroeek1等人对脉冲驱动的主电路进行了总结；2006年，美国的JohnWi1ey设计了无隔离的负反馈脉冲驱动电路；2009年，韩国学者MatthiasWendt也提出了新的LED脉冲驱动方

37、案；2008年，中山大学光电材料与技术国家重点实验室讨论了脉冲参数对LED光效的影响11引。.有报道显示，2009年，武汉科技学院电子信息工程学院不直接使用现成的控制芯片，而是利用三星公司ARM9微处理器¥3c2410A,并将其作为开发平台应用到大功率半导体照明器智能驱动的软硬件设计中，并利用积分分离的PID控制算法执行脉宽调制，开发出输出电流偏差小于0.9%,输出功率高达120W的高效半导体照明器的智能恒流驱动，该套驱动装置已得到应用。为推动LED照明技术进步和产业发展，国家和地方相继出台了一系列半导体照明3第一章绪论发展计划。包括2009年国家科技部启动了十城万盏"LE

38、D路灯示范计划。广东省也启动实施千里十万"LED路灯产业化示范推广工程等。经过30多年的发展，我国的LED产业已初步形成了包括LEDga延的生产、LED芯片的制备、以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。由于当前LED电源核心技术都在外国人手里，国内在外延尤其是LED电源等重大设备与国外尚有差距，核心专利的缺失也使得我国的产品在国际上遇到障碍，技术滞后是我国LED产业链的最大瓶颈【191。目前国内主要的LED电源生产厂家台达、明纬、英飞特、茂硕、南星宇（金兴）等企业的产品均具有较稳定的性能；而国内有些LED电源产品则其受专业技术的限制而采用仿照其它家的设计，延续别人犯过的错误，没有

39、电源创新。为追求低成本高利润，采用低成本的材料，省略生产工艺，在设计质量、生产质量、料质量方面没有可靠的质量体系保证。其生产的电源在可靠性及其寿命方面远达不到目前LED灯具的需求。1.4LED电源的拓扑结构开关功率变换器作为能量变换中效率最高的一种方式，特别适合LED的控制。开关式驱动电路的基本原理是通过开关器件首；平先对直流进行高频斩波，然后对所得到的高频脉冲变换到合适的电平，再经过整流滤波恢复成所需要的直流输出值。目前LED非隔离驱动电路主要有六种基本的拓扑结构：Buck电路，Boost电路，BuckBoost电路，Cuk型电路，Zeta型电路和Spice电路。隔离功率变换器主要有正激、反

40、激、推挽、半桥式和全桥功率变换器1、单端反激变换电路图1.4单端反激变换电路Fig.14PowerchangingcircuitofFlyback9广东工业大学硕士学位论文反激电路原理如图14所示，图中U1为电网交流电压，经交流一直流转换电路”中整流滤波而得到的直流电压。控制电路包括开关频率振荡器、脉宽调制器、驱动器、比较放大器、保护器等。当开关晶体管BG被驱动脉冲激励而导通时，Ui加在开关变压器T的初级绕组NI上，此时次级绕组N2的极性使D处于反向截止因此N2上没有电流流过，此时电感能量储存在N1中，当BG截止时，N2上电压极性颠倒使D处于正偏，N2上有电流流过，在BG导通期间储存在N2中的

41、能量此时通过DN负载释放【20J。反激变换器工作波形见图15。ut口口口一？I臼么么.？12B图15单端反激变换电路工作波形Fig.15WorkwaveforrnofFiyback反激变换器电源的稳压原理是：当输出电压U。降低时，其差值经过比较放大器放大，使脉宽调制器输出脉冲的宽度变宽，因而BG导通时间加长，N1中储能增大，于是输出电压升高，以补偿其下降部分。反之，当输出电压升高时，脉宽调制器输出脉冲的宽度变窄，因而导通时间缩短，N1中储能减小，于是输出电压降低，以补偿其上升部分。2、单端正激变换电路Fig.16Powerchangingcircuitofforwardio第一章绪论正激电路原

42、理图如图16所示，正激电路和反激电路相比，变压器T的次级绕组N2的极性连接正好相反，它是在BG导通时通过D1向负载传递能量，并在电感Lo中储能。在BG截止时D截止，N2相当于开路，此时Lo中储能通过续流二极管D,向负载释放【21】。正激变换器工作波形如图1.7所示。踢U2B图1.7单端正激变换电路工作波形图Fig.ll7Workwav6formofforward正激电路的稳压原理是：当输出电压U。降低时，控制电路的输出脉冲变宽，BG导通时间加长，输出电压升高，以补偿其下降部分，当输出电压U。上升时，控制电路的输出脉冲变窄，BG导通时间缩短，输出电压降低，以补偿其上升部分。3、半桥式变换电路典型

43、的半桥式变换电路如图1.8所示。BG'图1.8半桥式变换电路Fig.1?8PowerchangingcircuitofHalfBridge半桥式变换电路是双端电路，在一个周期内，BGm和BG2交替导通，其集电极电位一个上升，另一个则下降。随着BGI和BG2的导通和截止，在电容C1和C2上极性相反的电压分别施加于开关变压器初级绕组上。变压器初级线圈在整个周期内都有电11广东工业大学硕士学位论文流流过，磁芯得到了充分利用，晶体管BGI和BG2的集电极与发射极峰值电压要求较低，Uee=l/2Ec【221。主要缺点是晶体管流过的电流较大，与推挽式电路相比，要输出相同功率，晶体管必须流过两倍的电

44、流。这种电路另一个优点是，为了避免磁饱和，通过耦合电容C3的作用可以自动修正，也就是说具有抗不平衡的作用。但是耦合电容C3要选的合适，不然效果不佳231。4.全桥式变换电路典型的全桥式电路如图19所示。这种电路每半周期两个晶体管同时导通，如BGz、BG4或BG2、BG3。使开关变压器初级绕组在一个周期内交替受到极性相反的输入电压激励。开关变压器的次级绕组经过整流和滤波，输出所需要的直流电压124J。其主要优点是：晶体管集电极与发射极峰值电压要求较低，Uee-1/2Ec,并且每个晶体管流过的电流比半桥式小50%。但它主要缺点是需要四只品体管，以及四组相互隔离的晶体管驱动电路，使控制驱动电路成本增

45、大。图！9全桥式电路Fig.1?9PowerchangingcircuitofFul1?Bridge5.推挽式变换电路典型的推挽式电路如图1.10所示。12第一章绪论图110推挽式变换电路Fig.IlOPowerchangingcircuitofPush?Pu11推挽式变换电路实际上是由两个正激变换电路所组成，只是它们工作时相位相反。在每个周期里，BG1和BG2交替导通，具集电极电位一个上升，另一个下降，形成推挽式动作，使开关变压器T具有中心抽头的初级绕组的两个异名端被激励，在各自的半个周期内，分别把能量传递给负载。这种电路每个晶体管流过的平均电流比同等的单端正激电路减少50%1251。但是这

46、种电路还是很少被采用，主要原因有两个：一是受开关晶体管电压额定值的限制，理论上晶体管集电极与发射极的峰值电压应为U。c_2.64Ec,但实际上在正式产品中，假如不能保证U。c3.3Ee,产品损坏率将有可能增高，这样有可能选不出不出合适的晶体管：二是变压器的磁芯饱和问题1261。由于推挽式电路的特殊结构，极易发生磁饱和，为了避免饱和现象，要增加相应的辅助电路，并要求两只晶体管的特性参数高度一致，这很难办到。各种拓扑结构的比较如表1所示：表1各种拓扑结构的比较Tab1eIComparisonoftopologicalstructures电路优点缺点功率适用场合电路简单，成本很低，适合小功率，变压几

47、十瓦几百中小功率反激可靠性强，电路简单器单向激磁，瓦LED电源电路简单，成本很低，变压器单向激磁，几百瓦几千中小功率正激可靠性强，电路简单利用率低瓦LED电源变压器双向激磁，没有有直通问题，可靠几百瓦一几千大功率LED半桥变压器偏磁问题，开关性低，需要隔离驱瓦电源较少，成本低动电路13广东工业大学硕士学位论文变压器双向激磁，容易结构复杂，有直通几百瓦几千大功率LED全桥达到大功率问题，可靠性低，瓦电源需多组隔离电路变压器双向激磁，通态几百瓦几千低输入电压推挽损耗较小，驱动简单有偏磁问题瓦的LED电源结合以上各电路特点，再根据此次设计的要求，决定选用反激变换器做为主变换器。反激变换器是目前应用较

48、多的变换器形式，它所适用的功率范围满足设计要求，电路结构较为简单，功率开关组件较少，并且可靠性强。1 .5研究内容本课题拟利用TI公司的数字信号处理器DSP(TMS320F2812),并将其作为开发平台应用到半导体照明器智能驱动的设计中，并利用积分分离的PID控制算法执行脉宽调制，开发出输出电流偏差小于0.9%,输出功率100W的高效半导体照明器的智能恒流驱动，且具有过压，过热等保护功能。主要内容包括：第一章主要介绍研究背景与研究意义及LED开关电源的研究现状;第二章主要研究LED在直流驱动与脉冲驱动下的性能比较；第三章主要介绍了LED开关电源硬件系统的设计；第四章主要介绍了LED开关电源软件

49、系统的设计；第五章主要介绍了PCB板的设计与系统调试。14)g章LED直流驱动与脉冲驱动下的性能比较第二章LED直流驱动与脉冲驱动下的性能比较2 .1LED驱动方式LED的PN结温度对白光LED的工作有着很大的影响.而LED的结温被认为和当前的电流有一个线型的关系.因此，电流驱动方式也会影响LED的光输出和使用寿命.目前常用的驱动方式有两种，一种是恒定的直流驱动，另一种则是使用脉冲电流来驱动。3 .2脉冲驱动的基本理论4 .2.1脉冲驱动电流的基本参数脉冲电流驱动LED是减少结温，提高电流密度的一个可行的方法。当采用脉冲电流驱动LED时，我们主要考虑参数为：最大安全峰值电流、脉冲宽度、占空比、

50、LED装置所能承受的最高温度以及脉冲频率281。1、对于矩形波而言，最大峰值电流与占空比的乘积即为LED的平均电流。在最大峰值电流时输出的亮度与占空比的乘积就是其平均输出亮度。2、LED采用脉冲驱动时，脉冲电流的脉冲宽度一般由所要输出的平均亮度来决定。3、当脉冲电流的占空比一定时，所需输出的平均亮度就决定了驱动脉冲的最大峰值。最大安全峰值电流是最大峰值电流取决于LED的电流密度，即在LED不被损坏且其光输出衰减在允许规格内的前提下，LED每平方米允许通的最大电流，单位为（A/'4、LED工作一段时间后其光输出功率会下降，导致光输出功率下降的原因是峰值时电流密度的作用而不是平均电流。5

51、.2.2脉冲驱动电流频率的选择为了得到光通量随频率的变化关系，得出最佳的脉冲频率。我们首先保持输入电流和脉冲占空比不变，改变频率来进行测试。图2.1就是在输入电流为350mA,占空15m2）。广东工业大学硕士学位论文比为50%的情况LED输出光通量随着频率的变化曲线。?J1岫。”；率删图21不同频率F的光通量Fig.2IThefluxofdifferentfrequencies在图2.1中，结果表明，LED在脉冲幅值和占空比不变的情况下，光通量随频率的变化规律为：当频率低于75Hz时，由于重复频率过小，由于人眼的感光滞后效应，LED有明显的闪烁情况；当频率在100q000Hz范围内基本保持23

52、.02m不变，当频率在1080KHz这个频段内保持最大值23.22m不变，当频率在1001000kHz范围内时，由于高频具有加热效应，所以光通量持续下降。当频率在MHz量级时，测得的光通量不稳定，更高频时无法点亮LED,分析原因是LED的启动时间虽然快，但是也需要璐量级的启动时间。基于以上的考虑，我们在实验选择重复频率为10kHz29。2.3脉冲驱动与直流驱动的性能比较通过增加LED的工作电流密度来提高光输出是最直接的手段，但是LED的光输出对于输入电流密度之间存在一个饱和值。先前的研究显示对于小功率LED,脉冲电流驱动的LED的光输出是远远高于用直流电流驱动的相同的LED的光输出。对于小功率

53、LED而言，脉冲电流驱动有明显的优势，但是对于高功率LED,到目前为止还没有具体的报告。高功率LED,不仅正向电流对结温和LED使用寿命有影响，电流密度同样也起着一个很重要的作用。2.3.1 光通量与平均功率之间的关系图22示出了脉冲和直流驱动下LED的光通量随着功率的变化情况。这里的功率是指的平均功率，是通过电学参数测量得到的电压与电流换算出来的，光通量可以通过光谱仪测试得出的。由于脉冲电流驱动下，LED灯两端的电压和流经的电流不能直16第二章LED直流驱动与脉冲驱动下的性能比较接获得，因此LED消耗的电功率需要经过积分计算才能获得。LED两端的电压波形和流经LED的电流波形都可以由示波器得

54、到，LED消耗的电功率可以根据公式（2.1）计算获得。P=垦兰（2.1）、暑藁柚秘伯。呐0.20.4tBf/J/工1J/J1J如玷p啊粗图2.2光通量与平均功率之间的关系Fig.?2Relationshipsbetweenfluxandaveragepower由图2.2可以看出，随着功率的增加，无论是直流还是脉冲，输出光通量都呈现先增加后降低的趋势，并且在IW附近光通量值达到最大。这说明LED存在一个最佳工作功率，在这个最佳工作功率之内，流过LED的电流越大，它的光通量也越高，但是超过这个值之后，会出现饱和现象。而且，我们还可以明显看出，直流驱动下的光通量比脉冲情况下的高，而且脉冲电流随着占空

55、比的降低，光通量也随之降低。从图中还可以清晰地看出，在同样的平均功率下，脉冲情况的光通量值比直流情况要低，而且随着脉冲的占空比降低，光通量也跟着降低。对于高功率LED,随着通过LED的电流增加，LED的结温也会随之提高，从而影响LED的发光亮度。另外，电流密度也是一个很重要的因素。发光亮度会随着电流密度的增加呈现饱和现象。脉冲电流驱动下，特别是在占空比小的情形，电流密度与直流驱动下相比提高很多，使得发光量随着电流密度的提高接近饱和，导致脉冲驱动方式获得的光输出低于直流驱动动下获得的光输出I戈上17广东工业大学硕士学位论文2.3. 2发光效率与平均功率之间的关系图2.3示出了脉冲和直流驱动下LE

56、D的发光效率与平均功率之间的关系。ooogooooc©,0020.40.50.8Pa一则1.01.Z1.41再1.母Z.0图23发光效率与平均功率之间的关系Fig.23Relationshipbetweenluminousefficiencyandaveragepower从图中可以看出，无论是直流情况还是脉冲情况，发光效率都是功率的单调递减函数。而且在相同的平均功率条件下，直流情况的发光效率明显高于脉冲情况，而且随着占空比的减小而降低的。光效的变化与光通量的变化类似，光效也是高于用脉冲电流驱动。脉冲电流的占空比越高，光效就越耐311。2.3.3LED的温度与平均功率之间的关系图24示出了在直流驱动和脉冲驱动情况下LED底部温度与平均功率的关系曲线。01州图2_4LED温度与平均功率之问的关系Fig.24Relationshipbet、M渤LEDt6mperatureandaveragepower18第二幸LED直流驱动与脉冲驱动下的性能比较由图可知，无论对于直流还是脉冲，在相同功率情况下，高功率LED底部的平均温度基