低损耗LED交流供电研究及其应用

1、重庆师范大学毕业论文（设计）低损耗LED交流供电研究及其应用电子科技大学 电子信息科学与技术 2003 陈文芳指导教师 ：摘要：目前低耗LED的大量使用，其供电的方式只有两种，但是最常用的却是直流电源，而交流电源却使用得相对少些。因此针对交流供电进行讨论研究。论文中提出了几种具有代表性的实用的供电电路方案，并对每一种电路的工作原理、优缺点及使用范围进行了较详尽的论述。对使用LED的用户合理选择交流供电有一定的指导作用。关键词：电容降压式、变压器降压式、AC/DC变换器、开关稳压电源Abstract:Low a great deal of usage consumed LED currently

2、, the way of its power supply only have 2 kind, but the most in common use of but is a direct current power supply, but AC power usage opposite a little less.Therefore aim at exchanges power supply to carry on a discussion research.Put forward a few kinds in the thesis have a representative of pract

3、ical power supply electric circuit project, and rightness a kind of each work principle, merit and shortcoming of electric circuit and usage the scope carried on more detailed of discuss.To usage LED customer reasonable choice exchanges the power supply have certain of instruction function.Keyword:T

4、he electric capacity decline a press type, transformer to decline a press type, AC/DC transformation machine, switch steady press power supply1、概述LED是一种节能、环保、小尺寸、快速、多色彩、长寿命的新型光源。最近几年，国内外许多生产商都在积极研发高亮LED，而这些高亮LED的应用更为广泛。例如照明、LCD的背光源、交通灯、医疗等。由于LED的导电是单一的，因此在交流供电情况下，需要将交流电转换成直流电。为此，本文针对目前LED采用交流供电的方式进行

5、说明。2、低损耗LED交流供电方案21、电容降压式电容降压式是为LED提供电源的最简单的一种方式。它是用一个电压源通过串接一个电阻与LED相连。只要工作电压（VB）保持恒定，LED就可以发出恒定强度的光（尽管随着环境温度的升高光强会减小）。通过改变串联电阻的阻值能够将光强调节至所需要的强度。设计LED的电源时，要知道LED的电流、电压特性。由于LED的生产厂家及LED的规格不同，其电流、电压特性均有差异。现以LED典型规格为例，按照LED的电流、电压变化规律，一般正向电压为3.03.6V，典型电压值为3.3V，电流20mA，当加于LED两端的正向电压超过3.6V后，正向电压很小的增加都会导致L

6、ED的正向电流成倍增长，使LED发光体温度上升过快，从而加速LED光衰减，使LED的寿命缩短，严重时甚至烧坏LED。根据LED的电压、电流变化特性，对LED电源的设计提出了严格的要求。当前很多厂家生产的LED灯产品（例如灯杯、投射灯、护栏灯）都采用阻容降压方式，然后加上一个稳压二极管，向LED供电。这种供电方式存在极大缺点，首先效率低，在降压电阻上消耗大量的电能，甚至有可能超过LED所消耗的电能，且无法提供大电流，因为电流越大，消耗在降压电阻上的电能就越大，所以很多产品的LED不采用并联方式，而采用串联方式降低电流。其次是稳定电压的能力极差，无法保证通过LED的电流不超过其正常工作要求。设计时

7、可通过降低LED两端的电压，但这样是以降低LED的亮度为代价的。采用阻容降压方式为LED供电时，LED的亮度不能稳定，当供电电源电压较低时LED的亮度变暗。次方案的最大优点是成本低。电容降压电路是一种常见的小电流电源电路，由于其具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点，也常用于LED的电路中。图2-1-1所示为一个实用的采用电容降压的LED的电源电路，而大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制二极管，因压敏电阻或瞬变电压抑制二极管能在电压突变瞬间（如雷电、大用电设备启动等）有效地将突变电流泄放，从而保护LED和其它晶体管。瞬变电压抑制器的响应时间一般为纳秒级。图2-1-1图1中电容C3的作

8、用是降压和限流。电容的特性是通交流、隔直流，当电容连接于交流电路中时，其容抗的计算公式为 （2-1-1）式中：Xc表示电容的容抗；f表示输入交流电源的频率；C表示降压电容的容量。流过电容降压电路的电流的计算公式为 （2-1-2）式中：I表示流过电容的电流；V表示电源电压；Xc表示电容的容抗。在220V、50Hz的交流电路中，当负载电压远远小于220V时，电流与电容的关系式为 （2-1-3）式中：C表示电容，单位F，I表示电流，单位mA。在220V、50Hz的交流电路中，理论电流与实际测量电流的比较见表2-1-1。表2-1-1 220V、50Hz交流电路中理论电流与实际测量电流的比较电容（F）0

9、.0470.10.220.4712.024.7电流（mA）理论值3.26.915.232.469152324实际值3.37.01532.570152325图2-1-1中电阻R1为泄放电阻，其作用为：当正弦波在最大峰值时刻被切断，电容C1上的残存电荷因无法释放会长久存在，在维修时如果人体接触到C1的金属部分，有触电的可能，电阻R1的能将残存的电荷泄放掉，从而保证人机安全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关，一般电容的容量越大，残存的电荷就越多，泄放电阻的阻值就要选得小一些。泄放电阻的经验数据见表2-1-2。表2-1-2 泄放电阻的经验数据C（F）0.470.6811.052R（K）100075051

10、0360200300图1中VD5、VD6、VD8、VD9的作用是整流，用于将交流电整流为脉动直流电压。VD5、VD6、VD8、VD9可以选择1N4007系列的整流二极管。图2-1-1中C1、C2的作用为滤波，用于将整流后的脉动直流电压滤波成平稳的直流电压。滤波电容C1、C2的耐压应根据负载电压而定，一般为负载电压的1.2倍，其电容容量视负载电流的大小而定。压敏电阻R3（或瞬变电压抑制二极管）的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压对地泄放掉，从而保护LED不被瞬间高压击穿。电阻R2的作用是保护LED，防止流过LED的电流过大烧坏LED，且自动调节LED两端的电压，保证LED正常工作。LED串联的数量

11、视其正向导通电压（VF）而定，在220V交流电路中，最多可以达到80个左右。电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值，在220V、50Hz的交流电路中，可以选择耐压为400V以上的涤纶电容或纸介质电容。图2-1-2所示是一个最简单的电容降压应用电路，电路中利用一个桥式整流堆对降压后的交流电压进行整流，然后接一个滤波电容。该电路可以广泛应用于夜光灯、按钮指示灯以及要求不高的位置指示灯等场合。 图2-1-222、变压器降压式方案它是用一个变压器将220V的市电降到所需要的电压，然后接一个整流电路，将交流电变换为直流电，经滤波电路滤波得到一个平滑的直流电。若要改变LED的亮度，可以在接负载电路中串接

12、一个电位器。这种方式得到的电压比较稳定，在要求较高的场合使用。图2-2-1是一个典型的单相桥式整流电路。图中T1为电源变压器，它的作用是将交流电网电压220V变成整流电路要求的交流电压,RL是负载电阻，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流之称。图2-2-1图中负载上的直流电压VL和直流电流IL的计算公式分别为 (2-2-1) (2-2-2)在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以经过每个整流二极管的平均电流为 （2-2-3） 二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压为 （2-2-4） 用变压器降压的方式的优点是简单、方便、性能稳定。但缺点是体积庞大。

13、图2-2-2是一个变压器降压式的应用电路。电路中市电经T1变压到所需要的电压，后经桥式整流电路D1D4（或桥式整流堆）整流得到直流电，经滤波电路滤除纹波和高次谐波得到一个稳定的直流电，为负载提供一个稳定的电压。此电路可用于LED台灯或要求比较高的场合。 图2-2-223、AC/DC变换器 AC/DC变换器就是输入交流电网电压，输出所需要的直流电压。AC/DC变换器的原理图如图2-3-1所示。图中的输入滤波器的主要作用是抑制外界通过电网对电路产生的干扰，同时也可防止电路对电网的污染。图2-3-1由于市网电压的工作频率为50Hz或60Hz，所以DC/DC变换器以前的电路都在工频下运行。为了减轻体积

14、和重量。AC/DC变换器的输入级不用工频变压器，而是市网电压经输入滤波器后直接接到整流器电路，整流器可选用可控硅等开关器件来做整流管。也可以将市网电压经串联电容器降压后接到整流管。滤波器通常采用电容滤波方式，可避免大滤波电感造成的体积和重量方面的麻烦。输入滤波器通常采用型滤波器，如图2-3-2所示。该滤波器只对差模噪声有抑制作用,而对共模噪声不起作用。图2-3-2图中2-3-3滤波器对差模噪声和共模噪声都有抑制作用。图中的L为共模扼流圈，由于L的两个绕组绕向一致，所以当有电流流过时，所产生的磁场相互抵消，没有电感效应，因此L可用高磁导率的磁心。L对共模噪声来说，相当于一个大电感，能有效地抑制共

15、模噪声。L两端并联的电容Cx能有效抑制差模噪声，而滤波器输出端的两只电容器Cy对共模噪声有旁路作用。电阻R是Cx的放电电阻。 图2-3-3 按IE-380安全标准的推荐，当Cx>0.1F时，R按下式选择： （2-3-1）式中t=1(s);C为两个Cx电容器之和（F）；Cx、Cy和L的数值可在下列范围内选取；Cx：0.12FCy：2200pF0.033F；L：一般为几mH到几十mH，L值与流过的电流大小有关。电流小，L值大。电流大，L值小。电容器Cx和Cy的下标“x”和“y”表明其安全等级。电容器Cx的安全等级分为X1和X2两个等级。等级为X1时，表明Cx可用于峰值电压大于1.2kV的场合

16、；而等级为X2时，表明Cx可用于峰值电压小于1.2kV的场合。对于电容器Cy，则是在规定的频率下，通过限制它的容量来控制该电容器的漏电流。漏电流Ii的表达式： （2-3-2）式中 f电源频率； C电容器Cy的容量； U输入电源的电压。 在选择AC/DC变换器时，应根据所需要的条件选择，如输出电压、输出电流、带负载的功率、温度等。此方案的优点是使用简单方便，便于维护管理。缺点是受条件限制，只能用于中小功率的场合。 图2-3-4中AC/DC变换器PSO500-5为超小型模块，其输入电压范围广(85AC265V):输出电压精度高(5±5);可连续输出电流500mA；连续输出功率达25W；模

17、块本身交换效率高达80;工作温度范围为-20度 55度；高温或低温条件下输出，电压降不大于015V ；输出纹波电压不大于+-25mV。PSO500-5为标准DIP40封装，高为16mm。模块本身为直流输人，所以在使用时必须另加一个整流电路。图为PSO5005的典型应用电路。在这里C1和L组成一个低通滤波器，抑制部分干扰，同时也限制PSO5005产生的EMI噪声。C2为高压电解电容器，若用户的交流输人电压可能高达285V时，那么C2的耐压要求取450V；若是输人电压大于175V，负载电流大于150mA，C2也可取10uF450V。R为压敏电阻器，作为强干扰环境中抗干扰用，起着尖峰吸收作用。PSO

18、5005型模块的开路输出电压为6.59.5 V，使用中可在输出端并联一个1w左右的稳压管，也可在输出端并一只100欧的负载电阻器。当负载电流小于200mA时，PSO5005输出电压略高。 图2-3-424、开关稳压电源开关型稳压电路打破了传统的稳压模式，它的调整元件工作在开关状态，即通过调整开关元件的开关时间来实现稳压。由开关型稳压电路构成的电源称为开关电源。开关电源具有体积小、重量轻、功耗小、稳压范围宽等特点。（1）、开关稳压电源的基本原理图2-4-1图2-4-1是一种最简单的串联型开关稳压电源的方框图。开关管V1串接在输入电压Ui和输出电压Uo之间，当脉冲调宽电路输出的开关脉冲信号加到开关

19、管V1的基极上时，开关管V1被周期性的处于开关状态。即交替处于饱和和截止状态。若不考虑开关管V1的开关损耗，即视V1为理想开关，则V1导通饱和时，其集电极-发射极之间的电压降为零，输入电压Ui经V1到输出端，Uo=Ui。反之，开关管V1截止时，Uo=0。这样一来，开关管V1周期性的开关，使得输出端电压为一脉冲电压，经滤波电路成为平滑的直流电压。因为输出电压（其中为开关管V1的导通时间，即脉冲宽度。Ts为开关管V1的工作周期，即脉冲周期），所以，串联开关稳压电路可通过改变开关脉冲的占空比来控制输出电压。若开关脉冲频率固定不变，脉冲周期Ts不变，只要改变脉冲宽度便可控制输出电压Uo。这是脉宽调制器

20、。反之，若开关脉冲的宽度不变，只要改变脉冲周期Ts也能达到控制输出电压Uo的目的。这是脉频调制器。（2）、开关稳压电源的组成从图5-1中可以看出，串联型开关稳压电源主要部分是开关管，它与高频变压器、滤波电路一起构成DC/DC变换器，这是开关稳压电源的核心部分。取样电路检测输出电压的变化，在比较放大器中与基准电压相比较放大后，其输出信号控制脉宽调制器的输出脉冲的宽度，达到改变开关管导通时间的目的。此外，方框图有些未电路标出，如启动电路、过流和过压保护电路、电流检测电路、噪声滤波电路等。（3）、开关电源的特点开关电源具有如下特点：    1）、效率高，功耗小：开关稳压

21、电源的调整管工作在开关状态，当其导通时，压降接近于零，当其截止时，通过的电流接近于零。开关调整管从截止到导通或从导通到截止的转换速度很快，所以他的功耗小。由于调整管的功耗降低，使得电源效率大幅度的提高，通常可以达到80-90%左右。    2）、体积小，重量轻：开关稳压电源不需要笨重的工频变压器，采用电网输入的交流电压直接整流，这样使电源的重量大大减轻，约为工频变压器的1/5，且体积也大大减小。    3）、稳压范围宽：由于开关稳压电源的输出电压是由占空比调节的，它受输入电压的影响小，在输入交流电压由130-260V变化时输出电压的变

22、化在2%以下，因此开关稳压电源的稳压范围很宽。    4）、安全可靠：在开关稳压电路中，设有自动保护电路。当稳压电路和负载出现短路时，能自动切断电源，保护功能灵敏可靠。    5）、滤波电容容量小：开关稳压电源的开关调整管工作在开关状态，其开关频率很高，滤波电容的容量可大大减小。    6）、抗干扰：在以往的开关稳压电源中，由于开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过开关调整管、整流管、高频变压器等，产生尖峰干扰和调波干扰。但随着电子技术的不断发展，开关电路的成熟和抑制干扰措施的进步，这一问题已经得到

23、满意的解决。（4）、开关电源的应用由单片集成开关电路TOP224Y构成的的输入220V，输出恒流0.4A 输出电压1032V的开关恒流电路，如图2-4-2所示。 TOP224Y是三端器件（见图2-4-4）。从外表看，它像一只普通的功率三极管，但看一下它的内部结构框图（见图2-4-3），就会发现内部电路异常复杂，它把开关电源所必需的PWM控制器、100KHZ高频振荡器、高压启动偏置电路、误差放大器及过流、过热保护等，还有功率开关管MOSFET都集成在一起了。外围元件减至最少，这样大大地简化了开关电源的设计和制作。它的三个端子分别叫控制极C、源极S、漏极D。三个极都是一极多用。控制极极C的作用：1

24、). 利用反馈控制电流Ic的大小来调节输出开关管的占空比D（见图5-5）。从图看出Ic增增大，D减减小；反之，Ic减小，D增大。 图2-4-2 图2-4-3图2-4-4 图2-4-5 2). 与内部并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需偏流。3). 作为电源旁路、自动重启动和补偿电容的连接点。漏极D的作用：1). 与片内功率开关管的漏极相连。2). 在启动期间，高压电流源经过内部开关给内部电路提供偏置电流。 3). 它还是内部功率开关管工作电流的检测点。源极S的作用： 1). 与片内功率开关管的源极相连，作为高压电源返回端。 2). 作为一次侧控制电路的公共地和基准点。图2-4-

25、2所示电路是典型的单端反激式开关电路，工作频率已内部设定为100KHZ。工作过程：220V经电阻R1、R2，整流桥VD1整流，电容C1滤波，在C1两端建立起约280V的直流高压作为本电路的实际电源。这里说一下几个阻容元件的作用：R1为RF10型保险电阻。在电路发生短路时将被烧断起短路保护作用；R2为NTC型负温度系数热敏电阻，起限制合闸冲击电流的作用。在接通电源初，在常温下，它有较大的电阻值能将合闸电流限制在允许值。随着工作电流的流过，其温度逐渐上升，阻值下降至某一较小的稳定值，正常功耗不大，对电路正常工作无不良影响。VD2、R3、C2组成漏极过电压吸收电路，用以限制在关断瞬间高频变压器漏感所产生的尖峰电压，保护功率MOSFET不被损坏。C6为控制端旁路电容，它能对控制回路进行补偿并设定自动重启动频率。当C6=47F