毕业设计-大功率LED照明镇流器装置研究论文
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摘 要LED（Light emitting diode）灯具越来越多地应用于各种场合，在户外场合中的使用尤为明显。与传统照明灯具相比，LED 照明灯具的光通量能在 20 年甚至更长的时间内维持最高光通量的 70%以上。LED 灯具不含汞元素，还可以通过优化 LED 灯具的安装和光学设计精确地控制光照角度，以便减少光照污染。此外，LED 灯具具有均匀的光分布性能，能够为户内、户外场合创造一个更加舒适、更加安全的照明环境。本文的主要任务是设计并完成一款高功率因素、适应宽输入电压的非隔离式大功率 LED 恒流驱动电源。本文的内容有以下几个方面。1、对 LED 光源的发展概况进行简单介绍，分析 LED 的电气特性了解 LED 驱动电源的设计要求。2、对 LED 驱动电源拓扑结构进行阐述和对比，分析提高系统功率因数的方法，给出本设计的 LED 驱动电源的电路框架。3、对本设计的基于 AX2028 芯片的 LED 驱动电源电路进行原理阐述，给出相关参数的具体计算。4、对完成的 LED 驱动电源进行总结，分析关键数据，给出缺陷和改进方法，并对本设计的工作进行总结。关键词：LED；恒流驱动；功率因数；非隔离式IAbstractLED are more and more used in various occasions, especially in outdoor occasions. Compared with the traditional lighting lamps, LED lighting volume can keep more than 70% of the highest flux in 20 years or even longer time. LED lamps do not contain mercury elements and we can accurately control the illumination angle by optimization of the installation and optical design of LED lamps,in order to reduce the pollution of light. In addition, LED lamp has uniform light distribution performance to create a more comfortable and more safety lighting environment for indoor and outdoor applications.The main task of this paper is to design and complete a high power factor to adapt to the wide input voltage of the non isolated high power LED constant current drive power supply. The contents of this paper are as follows.1, Introducing the LED light source development overview simply and analysising the electrical characteristics of LED to understand the design requirements of LED drive power supply.2, the LED drive power topology is described and compared, analysis of the method to improve the power factor of the system, given the design of the LED driver circuit.3, Based on the design of the AX2028 chip LED driver circuit to explain the principle, given the specific parameters of the calculation.4, The completed of the LED drive power supply is summarized, analysis of key data, give the defects and improvement methods, and the design of the work is summarized.Key Words: LED; constant current drive; power factor; non isolated type目 录摘 要.IABSTRACT .II1 概述.11.1 课题的研究背景 .11.2 课题介绍 .11.3 LED 和 LED 驱动电源现状.21.3.1LED 的发展史.21.3.2LED 驱动电源研究现状.32 LED 驱动电源.52.1 LED 的特性 .52.2 LED 驱动电源技术要求 .72.3 LED 驱动原理 .92.3.1LED 负载连接方式.92.3.2 开关型 LED 驱动电路原理.102.4 功率因数矫正 .132.4.1 功率因数的概念.132.4.2 功率因数校正电路.142.5 本章小结 .163 整体方案设计.173.1 设计目标 .173.2 系统结构 .173.3 浪涌保护电路的设计 .183.3.1 浪涌保护电路的原理.183.3.2 浪涌保护电路的选择和参数计算.193.4 EMI 滤波电路的设计.193.4.1EMI 滤波电路的原理.193.4.2EMI 滤波电路的选择和参数计算.203.5 PFC 电路的设计.203.6 AX2028 恒流驱动电路的设计 .213.6.1 芯片 AX2028 简介.213.6.2 基于 AX2028 的恒流驱动电路和参数计算.223.7 24W 的 LED 驱动镇流器硬件调试.264 总结和展望.28谢 辞.29参考文献.30附 录.31附录一 基于 AX2028 的 24W 镇流器电路原理图.31附录二 基于 AX2028 的 24W 镇流器电路 PCB 图 .32附录三 基于 AX2028 的 24W 镇流器实物图.33附录四 元件清单 .34第 0 页 共 34 页1 概述1.1 课题的研究背景照明灯具作为基础设施，为人类的社会生产和生活提供了更为安全优越的环境。如今，照明应用已经成为全球排第二的能源消耗部门，达到全球所有能源消耗总量的19%。在我国，照明应用所占的能耗比例更大。据估计，户内照明用电量占到全国总用电量的 90%。随着能源危机在全球范围内蔓延，加之不断增长的能源需求，发展节能新技术已经成为当务之急。LED 光源作为第四代新型照明技术，不仅具有节能、环保、显色性好、寿命长及结构紧凑等优点，而且与卤素灯、白炽灯相比还具有在照明控制和调节光度上的优势。LED 光源应用前景举世瞩目，特别是其中的高亮度 LED 更是被誉为 21 世纪最有价值意义的光源。随着 LED 技术的不断成熟，现阶段的大功率 LED 已经符合国家法律法规所规定的灯具亮度水平和亮度均匀度。专家预期在 2030 年，30-40%的白炽灯将会被LED 灯取代，LED 迟早会取代传统的卤素灯、白炽灯和日光灯。LED 驱动技术是 LED 照明中的核心技术。LED 是具有负温度特性且特性敏感的半导体器件，在开发应用中需要使其具有稳定的工作状态和可靠的保护。LED 灯具对驱动电源的要求十分严格，它不像传统的白炽灯一样可以直接连接在交流 220V 的市电上，它还需要一个能够提供其稳定工作的驱动电源。LED 灯具是低压驱动器件，其驱动电路的设计使相当复杂的，而且不同用途的 LED 灯要配置不同的驱动电源。在实际需求中，LED 驱动电源还需要要满足电磁兼容性好、驱动电源寿命长、恒流精度高、转换效率和有效功率高等要求。近些年来，大功率 LED 驱动技术得到迅猛发展，性能优良的专用驱动芯片层出不穷。相比于以前由独立器件设计的 LED 驱动电源，使用专用芯片可以简化系统电路，使驱动电源体积更加小型化，而且其性能不降反升。LED 光源也随着驱动技术的发展大范围向户外照明、家庭照明、大型室内场所照明和应急照明等方面发展，逐步取代传统照明灯具。1.2 课题介绍本课题的主要任务是设计一个大功率 LED 照明镇流器，LED 镇流器主要实现LED 恒流驱动电源的实现。课题的宗旨在于对 LED 的驱动原理、PWM 稳压恒流、浪涌电路、电磁兼容电路、PFC 电路和保护电路的研究，并在研究的基础上加以实践。大功率 LED 照明镇流器采用开关电源恒流驱动技术作为解决方案，通过 LED 驱动专用芯片配合外部 DC-DC 降压斩波电路实现驱动控制；对市电输入的浪涌冲击和噪声信号，分别使用抗浪涌保护电路、EMI 滤波电路来进行抑制清除；从市电输入的交第 1 页 共 34 页流电经过全桥整波电路变为直流电路，配以 PFC 高功率因数校正电路后进入 LED 恒流驱动 DC-DC 开关电路。在实际应用中，要求 LED 镇流器的有较宽的输入电压，并能在大范围内实现输出电流的稳定，并具有优秀的幅度平坦度。LED 镇流器的设计要求具有合理的电气保护设计、空载保护、过载保护、短路保护、电磁隔离和必要的散热设计。实现这些指标需要严谨设计完美的驱动方案。本课题要求实现的功能指标较为简单，但在已有的驱动方案的基础上可以对其性能进行改进，如将无源 PFC 电路设计为有源 PFC 电路、变非隔离输出为变压器隔离输出等，将使大功率 LED 照明镇流器的功能趋于完美。1.3 LED 和 LED 驱动电源现状1.3.1LED 的发展史早在 1907 年，Henry Joseph Round 在观测金刚砂电致发光的实验现象时，首次观察到无机半导体的发光现象。但是因为无机半导体发出的黄光亮度暗淡，他的研究很快便结束。20 世纪 20 年代，O.W.Lossow 在研究金刚砂检波器的时候，第二次观察到这种现象，因为受到当时材料制造工艺和器件生产水平的限制没有被迅速发展。直到 1962 年，GE 公司 Nick Holonyak 负责的团队成功首次设计并演示出第一个红色发光 GsAsP 发光二极管。6 年后的 1968 年，随着 Monsanto 研发的 LED 指示灯和IBM 研发的 LED 电子显示屏正式面世，LED 才正式实现商业化。在 1968 年，科学家们通过 N 掺杂工艺是 LED 的发光效率达到 1lm/W，并出现了红色光以外的黄色光和橙色光。1970 年头几年里，使用砷化铝镓制造的第一代高亮度 LED 正式诞生。直到此时，LED 才具有实际照明价值。20 世纪 90 年代，日本东芝公司和美国 HP 公司先后成功研发双抑制结构和多量子陷结构的橙光和黄光 LED，它们的组合又被用来实现超高亮度红色、黄色、绿色的 LED。到 90 年代中期，超量蓝光 LED 也研发成功。进入 21 世纪，高亮度的 LED 得到迅速发展。在 2003 年，高亮度 LED 的光效达到 60lm/W。2006 年 3 月，日亚生产的高亮度 LED 光效达到 100lm/W，之后的第 4 个月，Gree 公司的白光 LED 光效达到 130lm/W。在 2006 年 11 月，日亚生产的高光亮度LED 的光效突破 150lm/W，发光效率已经超过当时的节能灯，实现真正意义上的照明灯具。2007 年，Gree 公司产生的 LED 更是达到 157lm/W。目前 LED 的光效正朝着大于 300lm/W 的道路前进。我国自主研制的第一个 LED 与世界上的第一个 LED 同在一个年份，但从现在整体水平上看，我国的 LED 半导体产业技术水平与发达国家之间还有比较大的差距。我国的高亮度大功率 LED 封装技术在全球内的竞争力不强，用于高亮度大功率 LED 的第 2 页 共 34 页外延片和专用驱动芯片也还处在前期研发阶段。在“十一五”期间，国家投入 100 亿元资金用于发展我国 LED 照明行业；2003 年政府发启国家半导体照明工程计划；2009年科技部开展十成万盏半导体 LED 应用试点工程。在 2012 年，我国的传统的白炽灯和荧光灯开始被 LED 照明取代，随着一系列政策的实施，相信我国的 LED 照明产业将会欣欣向荣。1.3.2LED 驱动电源研究现状LED 作为一种新的照明光源，近十几年来对 LED 驱动电源电路的研究方兴日盛。与传统荧光灯的镇流器不一样，LED 驱动电源电路的核心任务是将交流电压转换成直流电压，同时需要和 LED 的工作电压和工作电流进行匹配。早期的研究完全是基于分立元件设计的 LED 驱动电路，其缺点是元件数量比较多，电路原理复杂，稳定性、可靠性不高等。近些年，随着 LED 驱动 IC 的出现，LED 驱动电源电路变得更加简单，其性能也有所提升。伴随着硅集成电路的需要的电源电压越来越低，其电源输出电压的范围也越来越多地满足 LED 工作电压的最佳值区间，大部分应用于为低压 IC 芯片供电的技术也被应用到 LED 驱动电路中，特别是在大功率LED 驱动电路中。LED 驱动电源技术的发展趋势有以下几方面：第一方面是根据 LED 的独有特点开发出一系列的恒压恒流控制电子电路，运用集成电路技术把流经每只 LED 的电流控制在最佳值，使 LED 的电流能获得稳定和输出光通量产生最高值。LED 驱动电路在环境温度和输入电压等因素发生变化的情况下最好能自动调节 LED 电流的大小。第二方面是 LED 驱动电路具有智能控制功能，使 LED 的电流在各种环境因素的影响下都能够稳定在预先设计的最佳值上。当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制 IC 可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。第三方面是在控制电路电路设计方面，要向集中控制、标准模块化、系统可扩展性三方面发展。第四方面是在目前 LED 光效和光通量有限的情况下，充分发挥 LED 色彩多样性的特点，开发变色 LED 灯饰的控制电路。LED 驱动电路的核心一般是由驱动集成电路 IC，针对直流 LED 驱动集成电路方面有三类驱动 IC 的发展趋势：第一类是高压工艺生产的 DC/DC BUCK，Vin 宽至 DC 60100V，恒流精度达1%，将能满足所有直流 LED 灯具驱动的需求，可满足 LED 光源多串少并技术的需求。第二类是 AC/DC 的 LED 灯具需要的应用电路简洁，应用成本低，通过第 3 页 共 34 页EMI、CE、UL 的高效率谐振半桥（LLC）+功率因数矫正（PFC）拓扑结构驱动 IC。第三类是功率因数矫正（PFC）+脉宽调制（PWM）两种平均电流模式控制器组成新的 AC/DC 驱动 IC。它们将新一代的 LED 灯具显现其强大生命力，以充分发挥零电压开关拓扑结构（ZVS）的优势，并满足 LED 灯具对 PFC 日益提高的要求，在较低的功率等级（如小于 50W）时能提高效率大于 90%。宽电压输入、短路和过功率保护、开路保护、较低的总谐波失真（THD）是最基本的要求。第 4 页 共 34 页2 LED 驱动电源2.1 LED 的特性LED 灯具是一种将电子能转换为光能的器件。所谓 LED，就是发光二极管（Light Emitting Diode），基本机构是将一块电致发光的半导体芯片封装在环氧成分的树脂中，并采用引脚支架连接到正负电极，同时起到支撑作用，如图 2-1 所示。图 2-1 发光二极管结构图由外部给 PN 结施加一个正向电压时，PN 结的内部电场将被抵消。当外部注入的负电荷粒子和正电荷粒子相遇而产生复合时，负电荷粒子会跌落到较低的能阶，同时将多余的能量以光子的模式释放，从而把电能转换成光能。在应用 LED 时，主要考虑它的电气特性。（1）LED 伏-安特性LED 的伏-安（I-V）特性如图 2-2 所示。图 2-2 LED 的伏-安特性曲线图LED 伏-安特性是指流过 LED 芯片 PN 结的电流随施加于 PN 结两端电压变化而变化的特性。它能反应出 LED 的 PN 结性能的优劣，也为应用设计提供参考数据。在图 2-2 中可以看出，LED 工作具有非线性特征。在给 LED 施加一个正向电压时，正向电压需要达到开启电压才会出现电流，此后 LED 的电流会随着正向电压的增(0)FV大而增大，并表现出指数特性。图 2-2 中展现了以下几个 LED 比较重要的电气参数：开启电压：LED 的电压在开启电压以下的时候几乎没有电流，超过开启电压(0)FV之后，电流随输入电压的增大迅速增大，开始发光。额定电压：LED 长期稳定工作的电压。FV第 5 页 共 34 页额定电流：LED 工作在额定电压时对应的额定电流，一般而言，由于 LED 是FI电流型器件，所以一般会按照额定电流来设计驱动电路。反向击穿电压：LED 能承受的最大反向电压，当反向电压超过时，LED 被击BVBV穿反向电流迅速增大。（2）LED 电流特性LED 以及除它之外的所有二极管都是电流型器件，它们电压电流的关系是指数关系，而非线性关系。LED 的电流模型（适用于其他二极管）如下： （2-1）()FkVFOI VI e由式（2-1）可以得到 LED 的电压模型公式： （2-2）1( )ln()FOIVIkI其中，在上面两个公式中：为 LED 的阳极和阴极之间的电压；为流过 LEDFVI的电流；和分别决定了 LED 电压和电流的变化范围，和为常数，在室温下，koIkoI白色光 LED 的、。3.64/kV=3.2oIA在式（2-1）中可以看出 LED 的电流受电压的影响非常大。比如，对白色光 LED来说，施加于其两端电压在 2.7V 时流过的电流为 59mA，若将电压增加到 3.0V，流过的电流将达到 179mA，其电流增量达到了 3 倍。LED 正向电压与电流的关系曲线如图2-3 所示。图 2-3 LED 正向电压与电流的关系曲线对式（2-1）的分析中，可以知道通过控制 LED 的电压来实现控制其工作状态的方法是行不通的。而式（2-2）会给出另一个答案：当向 LED 施加一个正向电流时，LED两端也会相应的出现对应的电压。比如，对白色光 LED 施以 108mA 的电流时，其正向电压为 2.822V，相对于 59mA、2.7V 状态而言，电流加倍后，电压仅仅增加了0.122V，增幅非常小。由以上分析可以得出 LED 属于电流控制型器件，而不是电压控制型器件。LED 的光通量单位是 lm/W，即 LED 的光通量由 LED 的功率决定，由于 LED 的电压随着电流的变化而基本保持不变，所以可以说 LED 的光通量基本由流过 LED 的电流决定。第 6 页 共 34 页在 LED 驱动电源的设计中，驱动电源能够为 LED 提供一个稳定的电流是一个最基本和最重要的要求。（3）LED 正向电压虽然 LED 是电流控制型器件，其正向电压也会被近似成常数，但是实际工作时，LED 会随着电流的变化而稍微变化。对于不同的 LED，在电流大小一定的情况下其两端的电压大小会不一样。此外，工作环境温度也是影响 LED 正向电压的一个重要因素，而温度与 LED 封装结构有着紧密的联系。对于额定电流相同的 LED，它的封装越大散热性就越好，温度就不容易变高，但是会导致正向电压变得更高。如果希望得到更低的正向电压，可以选择统一封装类型里额定电流比较大的 LED。也就是说，两个额定电流为 350mA 和 700mA 的LED 工作在各自的额定电流时，它们的正向电压是相同的，当它们都工作在 350mA 时，后者的正向电压会比前者的低。对于不同发光颜色的 LED，蓝色光和白色光 LED 的额定工作电压通常在 34V，而黄色光 LED 会稍微高一些，红色光 LED 又会稍微低一些。在 LED 行业中，标准的额定电压是电流为 350mA 对应的电压，就算 LED 的载流能力比 350mA 大很多也是一样规定的。之所以 LED 不同于普通二极管，具有较宽的正向电压范围，是因为 LED是使用能带隙各不相同的半导体材料制成的。（4）LED 反向击穿在 LED 的阳极和阴极之间施加足够的反向电压，LED 也会传到电流。反向电压没有超过击穿电压之前，流过 LED 的反向电流很小，但是达到击穿电压之后，LEDBV的 PN 结被击穿，反向电流迅速增大，使 LED 造成无法挽救的损坏。对于 LED 来说，其反向击穿电压通常都比较低，在 5V 左右。LED 驱动电路中的任何小问题、噪声干扰或输入电源的跳动，有时候都足以使 LED 在几个微秒的时间内被击穿。所以在设计电路时，需要充分考虑防止 LED 被反向击穿的保护电路。2.2 LED 驱动电源技术要求根据大功率高亮度 LED 的电气特性，可以知道，LED 为单向导电器件，所以需要用直流电流或者单向脉冲电流来驱动 LED；同时其正向供电电压需要达到正向导通电压时 LED 才会进入正常工作状态。由于 LED 的 PN 结具有负温度系数特点，为避免LED 的电流因为温度升高而不断升高最终造成 LED 损坏，所以 LED 也不能直接用电压源来驱动，就算用电压源来驱动也需要采取必要的限流措施。为了保证 LED 有一个稳定、安全的工作环境，LED 驱动电源的设计一般需要满足一下几个要求。（1）提供合适的直流电压和电流第 7 页 共 34 页LED 驱动电源必须能给 LED 提供合适的直流电压和电流才能保证 LED 正常地工作。在 LED 被点亮前，驱动电源的输出电压需要高于 LED 的正向导通电压以使 LED的 PN 结导通产生光亮。LED 导通后，其光亮度与其正向电流近似成正比关系，这就决定了驱动电源在稳定工作时需要给 LED 提供合适又稳定的电流以使 LED 工作在设定的亮度内并且不会出现亮度闪烁现象。同时，LED 驱动电源也会影响 LED 的寿命，因此其输出的电气特性必要与 LED 的电气特性相一致。（2）具有高功率因数LED 驱动电源的输入一般都是由工频市电提供， （根据 IEC61000-3-2 标准）驱动电源的谐波含量和功率因数必须满足规定的标准要求。LED 驱动电源技术基本采用开关变换电路来实现市电到 LED 工作直流电的变换，然而工频市电中通常含有较多的谐波含量，从而使开关变换电路的输入电流产生严重的波形畸变，并且还会产生谐波含量也相应变高而功率因数却低等缺点。为了使 LED 驱动电源满足 IEC61000-3-2 标准，在设计驱动电路时加入功率因数矫正电路是必不可少的。（3）具有高效率LED 是当前为止发光效率最高、最为节能的一款照明工具，所以其驱动电源也应当具有高效率以符合 LED 节能照明的设计目的。同时，国家也对 LED 照明应用设定使用条例和法规要求，如 Title 24、Part L 和能源之星等，这些条款也不仅是针对 LED照明应用，而是规定了整个照明系统应该达到的要求。设计生产一款符合法规规定效率的 LED 驱动电源是很有意义的。此外，LED 驱动电源还应该满足 LED 负载在一定范围内变化时都能具有较高效率。（4）具有必要的保护电路在所有的电源系统中，合理的保护电路是不可或缺的。对于 LED 驱动电源而言，一般需要具备抗浪涌保护、短路保护、开路保护、过压保护、过流保护、过温保护这几种保护功能。其中抗浪涌保护电路可以保证 LED 照明系统不受工频市电的谐波和噪声带来的干扰。对于 LED 负载突然短路的情况下，驱动电源的输出电流可能发生瞬间过电流，这可能会损毁驱动电源和 LED 负载导致系统崩溃，因此在 LED 驱动电路中都会加入过流保护和短路保护。这两个保护可以用同一个电路共同实现，它们实际上是利用将开关管关断或者改变其导通占空比来调节电感的放电时间，以达到降低输出电流或者不输出电流。对于 LED 负载变轻或脱落的情况，会导致驱动电源产生一个高电压，这会增加系统的额外功耗，严重些会损毁芯片和其他元件，因此需要对其进行过压保护设计。开路保护是为了在不接 LED 负载时，将开关管关断避免系统产生过多的功耗。过温保护则是保护驱动芯片和开关管避免在温度过高的情况下被烧毁，驱动芯片的内部会自带简易温度传感器，当芯片温度过高时会使输出端关断开关管。（5）具有可靠性和易用性LED 照明应用使用于不同的环境中，通常会面临诸多复杂的环境。环境的温度、第 8 页 共 34 页湿度和其他环境都会对 LED 驱动系统产生负面的影响，同时 LED 驱动器的使用寿命也应跟得上 LED 灯具的使用寿命，LED 驱动电源的可靠性是必须的。由于 LED 照明的特殊性，LED 驱动电源还需要满足其易用性，即能够满足市面上常见的 LED 灯具，同时驱动电源的体积不应太大而且方便安装。2.3 LED 驱动原理2.3.1LED 负载连接方式LED 的排列方式和 LED 光源的规范决定驱动电源的应满足的基本要求。LED 的排列有以下这 3 中方式。（1）串联排列方式串联排列即是将所有 LED 都连在一个通路上，其接法如图 2-4 所示。LED 串联排列方式电路比较简单，电路连接方便，LED 所得到的电流相同发光量也相同。但是，当其中的某个 LED 断路时，整个串联通路都会处于断开状态，所有 LED 都会不亮。可以在每个 LED 两端并接一个导通电压比 LED 高的齐纳二极管来解决上述问题。LED+LED-图 2-4 LED 串联接法（2）并联排列方式顾名思义，并联连接即是将每个 LED 的阳极相连，阴极也相连，形成并行排列的模式，接法如图 2-5 所示。LED 并联方式的电路也比较简单，电路连接方便。由于是并联连接，LED 驱动电源只需提供较小的电压便能驱动 LED 负载。采用恒流驱动电源时，任意通路的 LED 损坏，其电流都会平摊到其他 LED 通路上导致其他 LED 更容易损坏，这是就需要并联更多的 LED 来提高系统的可靠性；采用恒压驱动电源时，能够保证 LED 负载系统在任何情况下每个 LED 两端的电压维持恒定，所以在 LED 并联方式下，一般都会选用恒压驱动电源。但是，无论是恒流电源还是恒压电源，在任意LED 出现短路时，所有 LED 都不会亮，而且还可能烧毁驱动电源。LED+LED-图 2-5 LED 并联接法第 9 页 共 34 页（3）混联排列方式混联排列有先串后并、先并后串这两种方式。先串后并方式如图 2-6（a）所示，需要保证每个串连电路上的 LED 数量相同，这样分配到每串 LED 上的电流才会相等，发出同样的亮度；先并后串方式如图 2-6（b）所示，先将 LED 并联后再串联，同样每个并联电路里面需要保证拥有同样数量的 LED，这样才能保证每个 LED 得到同样的电流发出同样的亮度。LED 负载采用混联接法，可以保证其中某个 LED 损坏时，不会严重影响整个 LED 系统的工作，即是是其中某个 LED 短路，系统依然能够继续工作。LED+LED-LED+LED-（a） （b）图 2-6 LED 混联接法综上所诉，LED 串联、并联这两种连接方式中，都存在比较大的缺点，在实际使用中容易使整个 LED 系统停止工作。所以在实际使用时，混联是比较受欢迎的一种连接方式。2.3.2 开关型 LED 驱动电路原理LED 是由电流驱动的器件，其发光亮度与电流近似成比例关系。LED 驱动电路的目的就是使 LED 流过稳定的正向电流，理论上说，可以采用带限流电阻的恒压源和恒流源来实现驱动电源。采用带限流电阻的恒压源，首先需要根据 LED 的伏安特性曲线确定 LED 的工作电流和工作电压，根据 LED 负载系统计算出需要的驱动电压值，加入限流电阻来设计恒压源的电压和输出电流能力。采用这种方法时，由于温度和工艺的原因，每个 LED的正向导通压降会存在微小差别，但是其微小的差别会造成每个 LED 流过的电流有很大差别；而且，限流电阻的存在会使整个驱动系统的功耗增加。在 LED 驱动电源设计中，都不会把驱动电源设计成恒压源模式。恒流源驱动电路能更好的配合 LED 工作。通过 LED 的电流相同时，同一型号的LED 的两端电压也会基本相同，可以使每个 LED 工作在相同的状态，发光量均匀，同时由于其没有其他多余的功耗，可以保证整个系统获得更好的效率。为实现对电流的检测，会在 LED 通路中串联一个测流电阻，这个电阻通常会非常小以减小功耗。LED恒流驱动结构图如图 2-7 所示。第 10 页 共 34 页交交交交LED交交交交交交INOUTIN图 2-7 LED 恒流驱动结构图如上图所示，如果输入电压（IN 端）为直流电压，则可以直接输入，如果为工频市电则需要对市电进行整流后才输入到 LED 恒流驱动电路。驱动电路可以采用线性电源和开关电源两种方式实现。由于线性电源的效率低，发热量大等缺点，在要求高效率的系统都不适用。开关电源的系统效率可以高达 98%甚至更好，而且由于其工作于高频状态，其电感电容的容量、体积更加小，可以设计出体积小、效率高的电源。在目前，LED 恒流驱动电路都由 DC-DC 开关变换电路来实现。DC-DC 开关变换电路有 BUCK 、BOOST、BUCK-BOOST 三种基本电路拓扑。应用于 LED 驱动电路的传统 BUCK 变换器如图 2-8（a）所示。BUCK 变换器即是降压斩波电路，适用于输出电压比输入电压低的场合。该电路结构简单，并且输出端不需要滤波电容，可以减小体积和成本。通过调节 PWM 的占空比或者频率，就可以调节输出电压的大小。在 LED 驱动电路应用里，为了方便驱动开关器件，通常会把BUCK 变换器设计成图 2-8（b）所示，即把开关器件放到接地端，开关器件的控制端只要提供一个相对 GND 高一些的驱动电压即可导通管子。在 BUCK 电路中，可以选择在其低压端接入一个检测 LED 电流的电流感应电阻电阻（图（a）的 LED 负极和GND 之间、图（b）的开关管 s 极和 GND 之间），方便系统检测 LED 电流反馈控制开关管的导通时间控制恒流输出。但是，对于图（b），接入感应电流电阻之后，还需要设计一个电平移动电路来获取电源接地的信息，会使电路稍微复杂。PWMV in+V in-PWMV in+V in- （a）传统 BUCK 变换器 （b）改进后的 BUCK 变换器图 2-8 LED 驱动 BUCK 变换器图 2-9 为用于 LED 驱动电路的传统 BOOST 变换器，又名为升压斩波电路。BOOST 变换器中，运用将电感元件放于电源输入端使其持续获取输入端的能量能够将输出电压提升至比输入电压更高的值，该电路可以用于低输入电压时要求驱动高电压的 LED 系统的情况。传统 BOOST 变换器不需要进行改进，即可达到开关管控制简单第 11 页 共 34 页的条件。与 BUCK 变换器采集 LED 电流的方法一样，只需要在 LED 负极与 GND 之间串入感应电流电阻便可以将电流信号反馈回去调节 PWM 的输出。BOOST 变换器比BUCK 变换器多了一个输出滤波电容，电路会稍复杂，更重要的是考虑到成本和体积的问题，电容的取值不易太大，这样的后果是 LED 负载上的电流可能会出现电流不连续的情况。通过设计合理的输出峰值电流与 PWM 的频率、占空比可以得到比较平稳的 LED 电流，仍然可以实现在低电压输入下理想地恒流驱动 LED 负载。V in+PWMV in-图 2-9 LED 驱动 BOOST 变换器图 2-10 为用于 LED 驱动电路的 BUCK-BOOST 变换器，又名为升压-降压斩波电路。图（a）为传统的 BUCK-BOOST 变换器，图（b）为经过改进后的 BUCK-BOOST变换器。该电路的输出电压可以比输入电压低也可以比输入电压高，这也是该电路的优点，可以使用在输入电压变化较大或输出电压变化大的场合。该电路的缺点是蓄能电感和开关管上流通的电流比 LED 负载流通的电流要大出很多，在输出电压等于输入电压时，此电流能达到 LED 电流的 2 倍，这会增加系统的功率而降低系统效率。V in+V in-PWMV in+V in-PWM （a）传统 BUCK-BOOST 变换器 （b）改进后的 BUCK-BOOST 变换器图 2-10 LED 驱动 BUCK-BOOST 变换器如果想要克服上述 BUCK-BOOST 变换器的缺点，需要将升降压电路设计成由 4个开关管控制的升压-降压电路，如图 2-11 所示。在该电路中，靠近电源输入端的 2 个开关管实现降压和功率放大，然后经过后部升压变换电路，可以调节输出电压的大小。通过控制 4 个开关管的通断可以控制输出电压的大小，一样可以实现降压或升压，而且蓄能电感和开关管上的电流和 LED 负载的电流相差不远，在输入、输出电压相等的情况下，其电流基本接近于 LED 负载电流，输出电流的文波也要比图 2-10 的要好。对于需要检测实现恒流输出的场合，在 LED 负极与 GND 间串入一个电流检测电阻即可。第 12 页 共 34 页PWMPWMPWMPWMV in-V in+图 2-11 4 管 BUCK-BOOST 变换器对于 LED 驱动电路中开关电路拓扑结构的选择，当输入电压始终比 LED 负载系统的设定工作电压大的时候选择 BUCK 拓扑电路；在输入电压有限且始终比 LED 负载系统的设定工作电压小的情况下选择 BOOST 拓扑电路；只有在输入电压与 LED 负载系统的设定工作电压有交叉的时候才会选择 BUCK-BOOST 拓扑电路。虽然 BUCK-BOOST 拓扑电路可以满足上述三种情形的 LED 负载系统，但是一般能用 BUCK 或者BOOST 拓扑电路的时候都不会选择用 BUCK-BOOST 拓扑电路，这是因为它不能同时兼具效率和成本上的优势。开关驱动电源的优势便在于效率高、成本低和性能好。2.4 功率因数矫正2.4.1 功率因数的概念功率因数是负载消耗的实际功率（P）与视在功率（S）的比值，即： （2-PPFS3）其中实际功率 P 也称为平均功率，可以对一个周期内的电压和电流的乘积进行积分得到其平均功率；视在功率则可以由输入电压的有效值和输入电流的的有效值之乘积求得。它们的计算公式如下： （2-001=( )( ) ( )TTavttP Pp t dv t i t dT4） （2-rmsrmsSVI5）与实际功率和实在功率相关的另一个功率是无功功率（Q），即被损耗掉的功率，它们三者之间的关系为： （2-22SPQ6）为了研究影响功率因数的原因，这里引入总谐波失真率（THD，输入电流中谐波第 13 页 共 34 页总量占输入电流总量的百分比）和位移因数（DPF，输入电压、电流间相位差的），cos它们的表达式为： （2-1100%dissITHDI7） （2-1cosDPF8）其中为输入电流总谐波量，为输入电流的基波；为输入电压、电流波形的disI1sI1相位差。经过数学模型分析（此处省略其分析过程），可以得到功率因数的另一种表达方式： （2-211PFDPFTHD9）由式（2-7）、（2-8）、（2-9）可以看出，功率因数主要由输入电流的谐波含量（也称输入电流波形畸变程度）和输入电压、电流波形的相位差这两个因素来决定。只要克服这两因素带来的影响，就能使系统获得较高的功率因数。2.4.2 功率因数校正电路功率因数校正电路的主要功能是是负载近似于电阻性。根据使用元件来分类，可以将功率因数矫正电路分为有源功率因数矫正和无源功率因数矫正两种。有源功率因数矫正电路由电容、电感储能器件、开关器件及其驱动控制电路组成。开关器件工作在高频状态，驱动控制电路需要通过检测输入、输出电压，并根据负载的功率需求来驱动控制开关器件的通断使储能器件适时地进行存储或释放能量，避免过度输入功率和改变输入电流波形的目的，从而提高系统功率因数。BUCK、BOOST、BUCK-BOOST 等拓扑电路都常出现在有源功率因数矫正电路中。而应用 BOOST 拓扑电路实现的有源功率因数矫正电路具有最优秀的特性，它能实现很高的功率因数和很低的总谐波失真率，在同等输出功率下相比其他的拓扑电路可以使用更小的储能电容，由于其开关管可以放到电源的低端，其驱动控制电路也会更加简单且有利于串入感应电流电阻。无源功率因数矫正电路则是由电容、电感储能器件和二极管组成。相对于有源功率因数矫正电路，其少了开关器件的相关电路，其矫正电路也相应简单不少。无源功率因数矫正电路是利用电容的电压相位超前和电感的电流相位落后的特性来改变输入电流进入储能电容的时间和路径以达到改善电压与电流间相位、输入电流的波形。无第 14 页 共 34 页源功率因数矫正电路因其无法改变输出电流的频率、控制电压与电流间相位和输入电流的波形也不如有源功率因数矫正电路精确等原因，其改善后的功率因数还是无法获取较好的效果。只有在设计巧妙的电路结构和精妙的电路参数情况下才能达到较好的功率因数。（1）基于 BOOST 拓扑电路的 PFC 电路基于 BOOST 拓扑电路的 PFC 电路其实就是将 BOOST 拓扑电路接在全桥电路之后，开关管的 PWM 驱动电路需要根据全桥整流后的电压值、PFC 电路输出电压、输入电流进行比较计算出 PWM 的通断时间，使其输入电流波形呈现完整的正弦波并与输入电压波形的相位相同，通过减小输入电压、电流的相位差来提高功率因数。PWM驱动电路通常由专用的 PWM 驱动芯片来完成，这样做的好处是可以减少驱动电路的元器件数，减小 PFC 电路的体积和成本。交交220V acPWM交交交交图 2-12 BOOST-PFC 电路原理图（2）填谷式 PFC 电路近些年来，出现了一个能匹敌有源功率因数矫正电路的无源功率因数矫正电路，它就是填谷式无源功率因数矫正电路。其电路如图 2-12 所示。填谷 PFC 电路的输入电源通常为交流电经过整流桥后的电源。正弦交流电经过整流桥后，由于整流二极管存在导通压降的缘故，导致整流后的电流波形存在一段空白的谷底。填谷电路可以增加整流二极管的导通角，设置合适的参数可以将谷底填平，这样做的好处就是使整流后的电流波形呈现出完整的正电流半正弦波，输入电流波形的尖脉冲也会得到改善，从而降低总谐波失真将功率因数提高到 90%及以上。与传统的无源功率因数矫正电路相比，填谷式 PFC 电路更加简单，且能达到更好的功率因数。如图 2-12（a）所示，填谷电路由 2 个极性电容和 3 个二极管组成。工程使用时，电容和二极管的极性是不允许接反，接反将导致电路无法工作乃至损坏整个系统。填谷电路有严谨的充放电路径，如图 2-12（b）所示，红色的走线为充电电流路径、蓝色的走线为放电电流路径。电路充电时，直接在一条路径上对 2 个电容进行充电；放电时，一个电容占用一条路径独立放电；即是说，填谷 PFC 电路工作于串联充电、并联放电的模式。第 15 页 共 34 页V inV outV inV out+（a）填谷电路 （b）充放电电流走向图 2-12 填谷式 PFC 电路在实际应用中，通常会在中间二极管的通路上串入一个限流电阻，如图 2-13 所示。该电阻具有限制电流和浪涌缓冲的功能，在电路充电时限制流过 2 个电容的电流，同时平滑输入电流的尖峰。该电阻的加入，可以改善填谷 PFC 电路的 THD，从而提高功率因数。V inV out+图 2-13 带电阻的填谷式 PFC 电路2.5 本章小结本章详细分析了 LED 驱动电源的各个重要组成电路的原理，对其中的各个电路方案给出工作过程和评价。本章介绍了 LED 驱动电源的 LED 负载系统内部 LED 的连接方式，给出各种连接方式的优缺点，还通过分析 LED 的电气特性提出 LED 驱动电源电路的设计要求；对用于 LED 驱动电源的几种开关拓扑电路进行了详细分析和评价，给出各种开关拓扑电路的应用场合；最后还分析了功率因数矫正电路，详细分析功率因数的影响因素，并对如何提高功率因数给出答案。通过本章的学习，可以对 LED 驱动系统的关键点有一个很好的理解。第 16 页 共 34 页3 整体方案设计本设计是基于 LED 专用驱动芯片 AX2028 设计的 LED 驱动电源。系统由交流市电供电，设计了浪涌保护电路、EMI 滤波电路、功率因数矫正电路、开关型恒流驱动电路以及多种保护电路。设计将实现 24W 的 LED 负载系统恒流驱动，同时具有抗浪涌保护、温度保护、LED 开路保护、LED 短路保护等保护功能。3.1 设计目标设计目标参数如下：（1）交流供电电压范围：180Vac264Vac；（2）系统功率因数：PF0.95；（3）保护功能：浪涌保护、过压保护、过流保护、开路保护、短路保护；（4）系统效率：90%；（5）输出电流纹波系数：=5%；LI（6）LED 负载：20 个 1W 的 LED 串联。其中 1W 的 LED 为暖白色大功率 LED，流过电流为=350mA 时，电压FI=3.153.4V。由此可以计算 LED 驱动电源的输出电流、输出电压和输出功率：FV （3-350OUTFIImA1） （3-_3.15 2063 ,3.4 2068OMINOMAXVV VV2） （3-_0.35 6322,0.35 6823.8OMINOMAXPW PW3）第 17 页 共 34 页3.2 系统结构LED 驱动电源基本结构如图 3-1 所示。系统交流电源输入端提供浪涌保护，经过EMI 滤波后再进行全桥整流，紧随全桥整流后加入提高功率因数的 PFC 电路，至此，进入基于 AX2028 的 LED 恒流驱动电路，最后输出给 LED 负载系统。本章往下后章节将会对各个电路模块进行详细设计和器件参数的计算。交交交交交交交交交交EMI交交交交交交PFC交交AX2028交交交交交交LED交交图 3-1 LED 驱动电源结构框图3.3 浪涌保护电路的设计3.3.1 浪涌保护电路的原理浪涌保护电路是指根据电路系统的要求去设计的一种具有防止输入电压、输入电流超出系统需求的保护电路。浪涌保护电路可以提高电路系统的可靠性。浪涌保护电路由过压保护器件和过流保护器件组成，可以进行多级防护设计，过流保护器件串联在电源输入端，过压保护器件则是并联在电源输入端。在实际应用中，设计的浪涌保护电路通常不会超过二级保护，因为二级保护已经能起到很好的保护效果，再继续增加保护级显得没多大意义，通常所说的多级保护就是指二级保护电路。在多级保护电路中，第一级保护采用大通流器件，第二级采用精确的钳位器件，第一级保护电路和第二级保护电路之间需要增加缓冲电路以保证浪涌保护电路的动作时序。多级保护电路应用于对电源质量有很高要求的系统中，对于对电源质量要求不是很高的电路中，一般只需要用单级保护电路就可以，如本设计的驱动电源系统。过流保护由电流保险丝执行，只要选择合适规格参数的保险丝便可。保险丝有熔断电流和工作电压两个重要参数，熔断电流决定了输入电流能流入系统的最高电流，工作电压则是指保险丝在工作时所承受的最大电压。常用的玻璃管保险丝如图 3-2 所示，分为直插和无引脚两种形式。图 3-2 玻璃管保险丝第 18 页 共 34 页过压保护可以选择气体放电管（GDT） 、金属氧化物压敏电阻（MOV） 、电压瞬变抑制二极管（TVS）来执行，选择时需要考虑器件击穿电压、响应时间、通流能力等参数，表 3-1 给出了以上三种器件的一些参数对比。表 3-1 GDT、MOV、TVS 参数比较类型响应时间流通能力残压续流现象价格GDT慢亚毫秒级别大高有便宜MOV较快25ns较大较低无便宜TVS快1ns较小低无较贵在多级保护电路中，第一级通常采用 MOV 来执行，有时也会用 GDT 来执行，第二级也采用 MOV 或 TVS 来执行；在单级保护电路中，只选择 MOV 来执行过压保护。3.3.2 浪涌保护电路的选择和参数计算LED 驱动电源中 AX2028 恒流驱动电路可以实现较大范围的输入电压，并且工作于带电流反馈的开关状态，所以其对输入电源的要求也不是十分严格。在满足系统要求下为减小开发成本，本设计选择单级浪涌保护电路作为 LED 驱动电源的抗浪涌保护，其电路如图 3-3 所示。图 3-3 浪涌保护电路原理图图中的 L、N 是交流电源的输入端。器件选型如下：（1）保险丝 FUSE1 的选取计算 FUSE1 的额定电流： （3-_22 23.8309180 0.95 0.9OMAXRINMINMINPImAVPF4）式中的数据在“3-1 设计目标”中已经给出，其=309mA 是刚好熔断的电流，实际RI选择时，需要比这个值大，在考虑一定额度的情况下，本设计选择 0.5A 的熔断电流、第 19 页 共 34 页250V 工作电压的玻璃管保险丝。（2）压敏电阻 RT1 的选取LED 镇流器的输入电压范围是 180-264Vac，所以压敏电阻需要满足在 264Vac 下长期工作的条件，即最大持续工作电压=264Vac。根据工程应用公式：CU （3-1=0.64CmAUU5）可以计算出压敏电压=412.5V，本设计中选择 470V 的压敏电阻，型号为：1mAU14D471K。3.4 EMI 滤波电路的设计3.4.1EMI 滤波电路的原理电磁干扰滤波器有助于抑制输入电源和电子电路之间的电磁干扰，能够有效抑制交流电源线路上的噪声信号进入电子电路和抑制电子电路产生的噪声信号向交流电源线路泄露。对于本设计的 LED 驱动电源，应用了开关电源技术，开关电源容易产生噪声信号同时也容易受噪声信号的干扰而影响正常的工作甚至损坏电路。所以在这里加入 EMI 滤波电路是必须的。电磁干扰滤波电路由电容、电感组成 LC 滤波电路实现干扰滤波功能，LC 滤波电路通过电容、电感不同的布局可以实现低通滤波和高通滤波，其组合可以进行带通滤波。交流电的频率为 50Hz，伴随的有害噪声信号的频率通常都比较高；而后级开关电源电路的工作频率达到 100KHz 级别，产生的有害噪声信号的频率也是非常高的。3.4.2EMI 滤波电路的选择和参数计算本设计的 EMI 滤波电路只需要由串联电抗器和并联电容器组合成的低通滤波器放于 LED 驱动电源和交流电源之间，实际上，它是接在浪涌保护电路之后、全桥整流电路之前。低通滤波的 EMI 电路如图 3-4 所示。图 3-4 EMI 滤波电路原理图其中，C3 需要用安规电容，L1 需要用共模扼流电感，它们的选型如下：（1）安规电容 C3 的选取第 20 页 共 34 页LED 镇流器的交流输入电压最大为 264Vac，所以安规电容的最大持续工作电压需要在 264Vac 以上，为较小安规电容的体积和系统成本，这里选择 0.1uF、275Vac 的安规电容。（2）共模扼流电感 L1 的选取EMI 滤波电路中的 2 条交流线上都需要接入扼流电感，而且需要处于共模工作状态，为了保证良好的共模特性，这里直接选用共模扼流电感。然后根据式（3-6）计算出其电感值。 （3-1CfLC6）取=20KHz，=0.1uF，可以计算出=20mH。CfCL考虑到初始磁导率和抗干扰能力，这里应该选取锰锌磁芯或 EE 型的电感。3.5 PFC 电路的设计在本设计 LED 驱动电源系统中，为了减少电路的复杂度，减少系统体积和成本，这里采用电路比较简单又具有较好功率因数的填谷 PFC 电路，其电路如图 3-5 所示。填谷 PFC 电路需要紧接在全桥整流电路之后，并且其前后不应加入额外滤波电容。图 3-5 填谷式 PFC 电路原理图（1）滤波电容 C1、C4 的选取滤波电容 C1、C4 是工作于串联充电情况，平均分担输入电压，所以其最大持续工作电压为： （3-1_22=264186.722CINMAXVVV、47）为了保证开关电路的输入电压在任何情况下都能比输出电压大，工程应用_OMAXV中会预留 25%的余量，通过公式推导（省略推导过程） ，电容容量计算公式如下：第 21 页 共 34 页 （3-_60.7071.250.35 0.824.50.9 6 500.707 180 1.25 68OMAXMAXMININMINOMAXIDCfVVuF 8）综上所诉，C1、C4 选 22uF/250V 的电解电容。（2）二极管 D2、D3、D5 的选取本设计中，需要考虑二极管的正向导通电流和反向耐压值，即需要满足 350mA 的正向导通电流和 373.4V 耐压值，在这里选取具有 1A 最大正向平流电流、1000V 反向耐压值的 1N4007。（3）限流电阻 R2 的选取限流电阻 R2 主要起到限制电容充电电流的大小，该电阻的阻值不应太大，否则会增大其分压电压值，在这里选取 10。系统进入正常工作状态后，流过 R2 的电流不会很大，功率值选取 1W 即可。3.6 AX2028 恒流驱动电路的设计3.6.1 芯片 AX2028 简介AX2028 是一款应用于非隔离 LED 驱动系统的恒流驱动芯片，其经典电路系统支持 12V-450V 直流输入或者 85V-265V 交流输入。AX2028 可以输出 0-100%占空比的PWM 及其优秀的恒流控制方法，使得输入交流在 85-265V 内变化时 LED 电流的波动小于5%。AX2028 设计的电路可以驱动 3-36W 的 LED 负载。基于 AX2028 优秀的恒流驱动系统结构，它能实现极高的系统效率，在 18W 的 LED 负载系统中系统效率达到 90%以上。AX2028 具有出色的 LED 保护功能，能实现过温保护、LED 负载短路保护、LED负载开路保护。在系统出现故障时，AX2028 关断外部开关管进入保护状态，并会时时检测故障状态，等待故障消除后，AX2028 会重新进入工作状态。AX2028 是 SOP-8 封装的 8 引脚芯片，其实物和引脚排列如图 3-6 所示。图 3-6 AX2028 实物和引脚排列图引脚功能如表 3-2 所示。第 22 页 共 34 页表 3-2 AX2028 引脚功能引脚序号功能符号功能描述1GND功率和信号地2LN峰阈值的线电压补偿，选用 LN 和 VDD 间电压3VDD电源输入端4OUT外部开关控制的源端，内部功率开关的漏端5NC悬空6CS电流采样端，采样电阻在 CS 和 GND 间7RT设定芯片工作关断时间8DIM模拟 PWM 调光端、开关使能注：1、VDD 引脚需要就近接旁路电容，推荐工作电压为 0-16V。2、DIM 引脚若不需要外部调过，可直接悬空。3.6.2 基于 AX2028 的恒流驱动电路和参数计算AX2028 恒流驱动电路如图 3-7 所示。经过填谷 PFC 电路的电源直接进入 AX2028恒流驱动系统，由 AX2028 控制 MOSFET 管的通断来实现 LED 负载的恒流工作。图 3-7 AX2028 恒流驱动电路原理图AX2028 恒流驱动电路工作原理如下：连接在 CS 和 GND 之间的电阻决定了电感的电流峰值,连接在 RT 与 GND 之间的第 23 页 共 34 页电阻则决定了 MOSFET 管关断的时间。电感的电流峰值： （3-()REFPCSVImAR9）MOSFET 管关断的时间： （3-54 10()OFFRTTRs10）每个 PWM 周期的开始，MOSFE 处于导通状态，直到电感电流上升到电流峰值时AX2028 关断 MOSFET，关断时间到后结束一个周期进入下一个周期执行。其中，与电感峰值电流相关的随驱动电路输入电压的升高而减小，从而影响电感的峰值电REFV流。为了补偿电感峰值电流的变化，AX2028 引入了输入电压检测引脚 LN。当输入电压变化时，AX2028 通过检测 LN 与 VDD 间的电压差值自动调节的大小，从而保REFV证系统在交流 85-264Vac 范围内实现恒流输出。同时，关断时间的大小也决定了OFFT输出纹波电流的大小，恒流驱动电路的平均输出电流则由电感峰值电流和纹波电流决定，它们的关系如下：纹波电流： （3-310()OFFOUTRTVImAL11）平均输出电流： （3-0.5()OUTPRIIImA12）（1）电感纹波电流、峰值电流的计算电感的纹波电流： （3-0.05 35017.5RLOUTIIImA 13）电感峰值电流： （3-(1)(1 0.05) 350367.5PLOUTIIImA14）（2）关断时间和（R10）的选取OFFTRTRAX2028 提供的参考关断时间为 10.8us，此时的频率在 90KHz 左右。本设计直接选用=10.8us，的阻值如下：OFFTRTR第 24 页 共 34 页 （3-152704 10OFFRTTRK15）选择 270K1%的贴片电阻。（3）主电感 L2 的选取L2 的电感量： （3-6810.84217.5OUTOFFRVLTmHI16）考虑到初始磁导率和抗干扰能力，这里应该选取锰锌磁芯或 EE 型的电感，本设计选择 60mH 的 EE-12 型电感。选取越大的电感有助于减小纹波电流对平均电流的影响。（4）MOSFET 管 Q1 的选取MOSFET 管耐压值： （3-_22264373QINMAXVVV17）MOSFET 管正向电流（考虑 25%的余度）： （3-_23.81.25 21.25 21.0563 0.9OMAXQOMINMINPIAV 18）考虑到系统效率，本设计选择正向电流更大的 MOSFET 管 SW4N50。（5）续流二极管 D1 的选取D1 的耐压值： （3-_2373DINMAXVVV19）D1 的正向电流（考虑 25%的余度）： （3-_23.81.25 21.25 21.0563 0.9OMAXDOMINMINPIAV 20）D1 工作于 90KHz 的频率下，所以本设计中选择超快恢复类型的 UF2010 二极管。（6）采样电阻（R6、R7、R8、R9）的选取CSR计算阻值： （3-2500.68367.5REFCSPVRI第 25 页 共 34 页21）额定功率： （3-20.250.0920.68CSRPW22）由于没有 0.68 的电阻，本设计中选择由精度为1%的 1.2、1.5、2.2、10的贴片电阻并联组成 0.68 的采用电阻。（7）启动电阻 R1、R2 和前馈补偿电阻（R4）的选取LNR启动计算公式如下： （3-_18012180100INMINLNSTMAXVVRRRKIA23）与 R1、R2 的关系：LNR （3-12()LNRkRR24）其中 k 为 AX2028 内部补偿系数，k0.1%，所以在本设计中，R1、R2 选择1%的820K 的贴片电阻，则（R4）为1%的 1.6K 的贴片电阻。为了稳定 LN 引脚处LNR的电压值，本设计在 LN 与 GND 之间串联一个 1uF 的贴片电容 C5。（8）调过电阻的选取DIMR在本设计中，对 LED 选择模拟调光，典型的模拟调光电阻阻值为 150K，选择由1%的 50K 贴片电阻和 100K 的微调电阻组成，并在 DIM 引脚上对DIMRGND 串联一个 1uF 的贴片电容。（9）VDD 电源的选取AX2028 支持 0-16V 的直流工作电压，在本设计中选择 12V 直流工作电压；参考典型电路的设计，VDD 的旁路电容 C6 选择 2.2uF 的贴片电容。（10）软驱动馈电二极管 D4 和限流电阻 R5 的选取馈电二极管 D4 和限流电阻 R5 的并联电路，主要起到使 AX2028 驱动 MOSFET 变得稍微缓慢，这样有助于减少电路产生噪声信号和输出电流的波动。由于 MOSFET 工作频率达到了 90KHz，所以馈电二极管选择快恢复二极管 1N4148。为保证 MOSFET有足够的驱动电流和避免限流电阻的功率过大，R5 选择1%的 150 贴片电阻。（11）输出滤波电容 C2 的选取滤波电容耐压值： （3-2_68COMAXVVV25）第 26 页 共 34 页根据“开关电路用小型电解电容的纹波电流与阻抗”关系，本设计中滤波电容 C2 选择 470Uf/250V 的电解电容。3.7 24W 的 LED 驱动镇流器硬件调试如图 3-8 所示，24W 的 LED 负载系统中串入一个 0.1 的康铜丝电阻以方便测试LED 负载系统的电流波形和平均电流值。LED11W12P3LED21WLED31WLED41WLED51WLED61WLED71WLED81WLED91WLED101WLED111WLED121WLED131WLED141WLED151WLED161WLED171WLED181WLED191WLED201W0.1R11图 3-8 串接 0.1 电阻的 LED 负载系统（1）系统实际输出电压、电流、功率的测试系统接 220Vac 工频市电，24W 的 LED 负载正常发亮。万用表测量测得 R11 两端的电压为 6mV，万用表测量测得 LED 负载系统两端的电压为 53.4V。由此计算 LED镇流器实际输出电流为： （3-0.00655.43.30.1OOOPIVW26）此时 AX2028 的 VDD 引脚对 OUT 引脚的波形如图 3-9 所示。图 3-9 VDD 对 OUT 的波形如测试所示，AX2028 驱动电路能正常工作，不过样机的输出电流和功率没有达到设计的预期值。AX2028 输出的 PWM 频率稳定在 84KHz，基本符合设计的 90KHz；由波形周期 11.86us 和脉冲宽度 1.56us，可以知道关断时间为 10.3us，与设定的 10.8us相差不大，脉冲峰峰值在 12.6V，符合电路电压值。综上所诉，电路系统处于处于正常工作状态下，只是输出电流和功率未达到预期值。（2）造成输出电流、功率较低的原因分析和解决方法第 27 页 共 34 页经过参考别人的电路设计，通常输出电流纹波系数会选得比较大，这样可以得LI到更高的电感纹波电流和峰值电流，有助于提高平均输出电流。RIPI由图 3-9 的 PWM 波形和峰值电流可以计算系统的实际输出平均电压近似为：PI （3-1.565811.86OPIImA27）这个值加上完全导通前的一些低压导通，实际输出电流十分接近由电阻测量计算的电流数值。由此可以得出，在这个电路中，尽量的减小输出电流纹波会影响系统平均电流的输出。如果要达到设计电流，需要损失输出电流纹波，将电流纹波系数增加到LI65%，重新计算各电阻阻值，即可得到较接近目标电流的输出电流。重新计算后，需要改变的电阻如下表 3-3 所示。表 3-3 需要更换的电阻标号电阻更换值R1、R2510KCSR0.63LNR1K为了调试和演示方便，本制作的样机采取原来的，避免过高电流输出造成人身伤害。（3）硬件最终实现功能在 15-25 个 LED 串联负载下，系统可以实现恒流输出，输出电流在 60mA 左右。从理论上，系统可以实现抗浪涌保护，由保险丝和压敏电阻实现；系统支持 180Vac-264Vac 的交流输入而不影响恒流输出，因为从器件耐压值到 LED 驱动芯片的选型，都支持这个范围的电源输入。一般情况下不会出现输出过压、过流的现象，因为 AX2028 具有对负载电流的检测来自动设置开关管的关断时间，从而保持恒流；而输出电压是根据输出电流的大小和此时 LED 的压降总和两者之间的乘积自动输出变化，理论上是不会出现过压现象。硬件未能实现输出短路保护。由于示波器无法测量输入侧的电压电流波形，未能计算出实际 PFC 值。曾尝试过输出开路测试，在输出开路的情况下，镇流器不会损坏，但是镇流电感和滤波电容会存储电流、电压，由于没有合适的放电回路，在接上 LED负载时，会产生瞬间火花，开路保护并不完美。4 总结和展望本文详细讲解了一款功率达到 24W 的 LED 镇流器的设计过程和样机实现，并对第 28 页 共 34 页结果进行了分析。现在对本文的主要工作总结如下：（1）对 LED 驱动电源的发展和 LED 驱动电源的意义进行了讲述。（2）介绍了 LED 的特性和 LED 连接方式分类，并在此基础上提出了 LED 驱动电源的设计要求。（3）介绍了功率因数的含义，通过分析功率因数与输入电压和电流间的相位、谐波含量之间的关系，并给出提高功率因数的方法和实际电路。（4）详细的阐述了基于 AX2028 的 24W 非隔离式恒流驱动电路的工作原理，对其主电路进行的详细设计和计算，并给出
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