低損耗LED交流供電研究及其應用

第 1 頁 共 13 頁 重慶師范大學畢業(yè)論文 設計 重慶師范大學畢業(yè)論文 設計 低損耗低損耗 LEDLED 交流供電研究及其應用交流供電研究及其應用 電子科技大學 電子信息科學與技術 2003 陳文芳 指導教師 摘要摘要 目前低耗 LED 的大量使用 其供電的方式只有兩種 但是最常用的卻是直流電源 而交 流電源卻使用得相對少些 因此針對交流供電進行討論研究 論文中提出了幾種具有代表性的實用 的供電電路方案 并對每一種電路的工作原理 優(yōu)缺點及使用范圍進行了較詳盡的論述 對使用 LED 的用戶合理選擇交流供電有一定的指導作用 關鍵詞關鍵詞 電容降壓式 變壓器降壓式 AC DC 變換器 開關穩(wěn)壓電源 AbstractAbstract Low a great deal of usage consumed LED currently 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 practical 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 KeywordKeyword The electric capacity decline a press type transformer to decline a press type AC DC transformation machine switch steady press power supply 1 1 概述 概述 LED 是一種節(jié)能 環(huán)保 小尺寸 快速 多色彩 長壽命的新型光源 最近幾年 國內(nèi)外許多生產(chǎn)商都在積極研發(fā)高亮 LED 而這些高亮 LED 的應用更為廣泛 例如照明 LCD 的背光源 交通燈 醫(yī)療等 由于 LED 的導電是單一的 因此在交流供電情況下 需要將交流電轉換成直流電 為此 本文針對目前 LED 采用交流供電的方式進行說明 第 2 頁 共 13 頁 2 低損耗 低損耗 LEDLED 交流供電方案交流供電方案 2 1 電容降壓式 電容降壓式 電容降壓式是為 LED 提供電源的最簡單的一種方式 它是用一個電壓源通過串接 一個電阻與 LED 相連 只要工作電壓 VB 保持恒定 LED 就可以發(fā)出恒定強度的光 盡管隨著環(huán)境溫度的升高光強會減小 通過改變串聯(lián)電阻的阻值能夠將光強調(diào)節(jié)至 所需要的強度 設計 LED 的電源時 要知道 LED 的電流 電壓特性 由于 LED 的生產(chǎn)廠家及 LED 的規(guī)格不同 其電流 電壓特性均有差異 現(xiàn)以 LED 典型規(guī)格為例 按照 LED 的電流 電壓變化規(guī)律 一般正向電壓為 3 0 3 6V 典型電壓值為 3 3V 電流 20mA 當加于 LED 兩端的正向電壓超過 3 6V 后 正向電壓很小的增加都會導致 LED 的正向電流成倍 增長 使 LED 發(fā)光體溫度上升過快 從而加速 LED 光衰減 使 LED 的壽命縮短 嚴重 時甚至燒壞 LED 根據(jù) LED 的電壓 電流變化特性 對 LED 電源的設計提出了嚴格的要 求 當前很多廠家生產(chǎn)的 LED 燈產(chǎn)品 例如燈杯 投射燈 護欄燈 都采用阻容降壓 方式 然后加上一個穩(wěn)壓二極管 向 LED 供電 這種供電方式存在極大缺點 首先效 率低 在降壓電阻上消耗大量的電能 甚至有可能超過 LED 所消耗的電能 且無法提 供大電流 因為電流越大 消耗在降壓電阻上的電能就越大 所以很多產(chǎn)品的 LED 不 采用并聯(lián)方式 而采用串聯(lián)方式降低電流 其次是穩(wěn)定電壓的能力極差 無法保證通 過 LED 的電流不超過其正常工作要求 設計時可通過降低 LED 兩端的電壓 但這樣是 以降低 LED 的亮度為代價的 采用阻容降壓方式為 LED 供電時 LED 的亮度不能穩(wěn)定 當供電電源電壓較低時 LED 的亮度變暗 次方案的最大優(yōu)點是成本低 電容降壓電路是一種常見的小電流電源電路 由于其具有體積小 成本低 電流 相對恒定等優(yōu)點 也常用于 LED 的電路中 圖 2 1 1 所示為一個實用的采用電容降壓的 LED 的電源電路 而大部分應用電路 中沒有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制二極管 因壓敏電阻或瞬變電壓抑制二極管能在 電壓突變瞬間 如雷電 大用電設備啟動等 有效地將突變電流泄放 從而保護 LED 和其它晶體管 瞬變電壓抑制器的響應時間一般為納秒級 第 3 頁 共 13 頁 圖 2 1 1 圖 1 中電容 C3 的作用是降壓和限流 電容的特性是通交流 隔直流 當電容連 接于交流電路中時 其容抗的計算公式為 2 1 1 1 2 C X fc 式中 Xc 表示電容的容抗 f 表示輸入交流電源的頻率 C 表示降壓電容的容量 流過電容降壓電路的電流的計算公式為 2 1 2 C IV X 式中 I 表示流過電容的電流 V 表示電源電壓 Xc 表示電容的容抗 在 220V 50Hz 的交流電路中 當負載電壓遠遠小于 220V 時 電流與電容的關系 式為 2 1 3 69IC 式中 C 表示電容 單位 F I 表示電流 單位 mA 在 220V 50Hz 的交流電路中 理論電流與實際測量電流的比較見表 2 1 1 表 2 1 1 220V 50Hz 交流電路中理論電流與實際測量電流的比較 電容 F 0 0470 10 220 4712 024 7 理論值 3 26 915 232 469152324 電流 mA 實際值 3 37 01532 570152325 圖 2 1 1 中電阻 R1 為泄放電阻 其作用為 當正弦波在最大峰值時刻被切斷 電 容 C1 上的殘存電荷因無法釋放會長久存在 在維修時如果人體接觸到 C1 的金屬部分 有觸電的可能 電阻 R1 的能將殘存的電荷泄放掉 從而保證人機安全 泄放電阻的阻 值與電容的大小有關 一般電容的容量越大 殘存的電荷就越多 泄放電阻的阻值就 要選得小一些 泄放電阻的經(jīng)驗數(shù)據(jù)見表 2 1 2 第 4 頁 共 13 頁 表 2 1 2 泄放電阻的經(jīng)驗數(shù)據(jù) C F 0 470 6811 052 R K 1000750510360200 300 圖 1 中 VD5 VD6 VD8 VD9 的作用是整流 用于將交流電整流為脈動直流電壓 VD5 VD6 VD8 VD9 可以選擇 1N4007 系列的整流二極管 圖 2 1 1 中 C1 C2的作用為濾波 用于將整流后的脈動直流電壓濾波成平穩(wěn)的直 流電壓 濾波電容 C1 C2 的耐壓應根據(jù)負載電壓而定 一般為負載電壓的 1 2 倍 其 電容容量視負載電流的大小而定 壓敏電阻 R3 或瞬變電壓抑制二極管 的作用是將輸入電源中瞬間的脈沖高壓對 地泄放掉 從而保護 LED 不被瞬間高壓擊穿 電阻 R2 的作用是保護 LED 防止流過 LED 的電流過大燒壞 LED 且自動調(diào)節(jié) LED 兩端的電壓 保證 LED 正常工作 LED 串聯(lián)的數(shù)量視其正向導通電壓 VF 而定 在 220V 交流電路中 最多可以達 到 80 個左右 電容的耐壓一般要求大于輸入電源電壓的峰值 在 220V 50Hz 的交流電路中 可 以選擇耐壓為 400V 以上的滌綸電容或紙介質電容 圖 2 1 2 所示是一個最簡單的電容降壓應用電路 電路中利用一個橋式整流堆對 降壓后的交流電壓進行整流 然后接一個濾波電容 該電路可以廣泛應用于夜光燈 按鈕指示燈以及要求不高的位置指示燈等場合 圖 2 1 2 2 2 變壓器降壓式方案 變壓器降壓式方案 它是用一個變壓器將 220V 的市電降到所需要的電壓 然后接一個整流電路 將交 流電變換為直流電 經(jīng)濾波電路濾波得到一個平滑的直流電 若要改變 LED 的亮度 可以在接負載電路中串接一個電位器 這種方式得到的電壓比較穩(wěn)定 在要求較高的 第 5 頁 共 13 頁 場合使用 圖 2 2 1 是一個典型的單相橋式整流電路 圖中 T1 為電源變壓器 它的作用是將 交流電網(wǎng)電壓 220V 變成整流電路要求的交流電壓 RL 是負載電阻 四 22 2sinvVt 只整流二極管 D1 D4 接成電橋的形式 故有橋式整流之稱 D1RL T1 220V D3D2 D4 V2V1 圖 2 2 1 圖中負載上的直流電壓 VL 和直流電流 IL 的計算公式分別為 2 2 1 2 2 2 2 0 9 L V VV 2 2 2 2 0 9 L L V I R 在橋式整流電路中 二極管 D1 D3 和 D2 D4 是兩兩輪流導通的 所以經(jīng)過每個 整流二極管的平均電流為 2 2 3 2 0 451 2 DL L V II R 二極管在截止時管子兩端承受的最大反向電壓為 2 2 4 2 2 RM VV 用變壓器降壓的方式的優(yōu)點是簡單 方便 性能穩(wěn)定 但缺點是體積龐大 圖 2 2 2 是一個變壓器降壓式的應用電路 電路中市電經(jīng) T1 變壓到所需要的電壓 后經(jīng)橋式整流電路 D1 D4 或橋式整流堆 整流得到直流電 經(jīng)濾波電路濾除紋波和 高次諧波得到一個穩(wěn)定的直流電 為負載提供一個穩(wěn)定的電壓 此電路可用于 LED 臺 燈或要求比較高的場合 第 6 頁 共 13 頁 圖 2 2 2 2 2 3 3 AC DCAC DC 變換器變換器 AC DC 變換器就是輸入交流電網(wǎng)電壓 輸出所需要的直流電壓 AC DC 變換器的原 理圖如圖 2 3 1 所示 圖中的輸入濾波器的主要作用是抑制外界通過電網(wǎng)對電路產(chǎn)生 的干擾 同時也可防止電路對電網(wǎng)的污染 圖 2 3 1 由于市網(wǎng)電壓的工作頻率為 50Hz 或 60Hz 所以 DC DC 變換器以前的電路都在工頻 下運行 為了減輕體積和重量 AC DC 變換器的輸入級不用工頻變壓器 而是市網(wǎng)電壓 經(jīng)輸入濾波器后直接接到整流器電路 整流器可選用可控硅等開關器件來做整流管 也可以將市網(wǎng)電壓經(jīng)串聯(lián)電容器降壓后接到整流管 濾波器通常采用電容濾波方式 可避免大濾波電感造成的體積和重量方面的麻煩 輸入濾波器通常采用 型濾波器 如圖 2 3 2 所示 該濾波器只對差模噪聲有抑 制作用 而對共模噪聲不起作用 圖 2 3 2 圖中 2 3 3 濾波器對差模噪聲和共模噪聲都有抑制作用 圖中的 L 為共模扼流圈 由于 L 的兩個繞組繞向一致 所以當有電流流過時 所產(chǎn)生的磁場相互抵消 沒有電 感效應 因此 L 可用高磁導率的磁心 L 對共模噪聲來說 相當于一個大電感 能有效 第 7 頁 共 13 頁 地抑制共模噪聲 L 兩端并聯(lián)的電容 Cx 能有效抑制差模噪聲 而濾波器輸出端的兩只 電容器 Cy 對共模噪聲有旁路作用 電阻 R 是 Cx 的放電電阻 圖 2 3 3 按 IE 380 安全標準的推薦 當 Cx 0 1 F 時 R 按下式選擇 2 3 1 2 21 t R C 式中 t 1 s C 為兩個Cx 電容器之和 F Cx Cy 和 L 的數(shù)值可在下列范圍內(nèi)選取 Cx 0 1 2 F Cy 2200pF 0 033 F L 一般為幾 mH 到幾十 mH L 值與流過的電流大小有關 電流小 L 值大 電流 大 L 值小 電容器 Cx 和 Cy 的下標 x 和 y 表明其安全等級 電容器 Cx 的安全等級分為 X1 和 X2 兩個等級 等級為 X1 時 表明 Cx 可用于峰值電壓大于 1 2kV 的場合 而等級 為 X2 時 表明 Cx 可用于峰值電壓小于 1 2kV 的場合 對于電容器 Cy 則是在規(guī)定的 頻率下 通過限制它的容量來控制該電容器的漏電流 漏電流 Ii 的表達式 2 3 2 2 i IfCU 式中 f 電源頻率 C 電容器 Cy 的容量 U 輸入電源的電壓 在選擇 AC DC 變換器時 應根據(jù)所需要的條件選擇 如輸出電壓 輸出電流 帶 負載的功率 溫度等 此方案的優(yōu)點是使用簡單方便 便于維護管理 缺點是受條件 限制 只能用于中小功率的場合 圖 2 3 4 中 AC DC 變換器 PSO500 5 為超小型模塊 其輸入電壓范圍廣 第 8 頁 共 13 頁 85 AC265V 輸出電壓精度高 5 5 可連續(xù)輸出電流 500mA 連續(xù)輸出功率達 25W 模塊本身交換效率高達 80 工作溫度范圍為 20 度 55 度 高溫或低溫條件 下輸出 電壓降不大于 0 15V 輸出紋波電壓不大于 25mV PSO500 5 為標準 DIP40 封裝 高為 16mm 模塊本身為直流輸人 所以在使用時必須另加一個整流電路 圖為 PSO500 5 的典型應用電路 在這里 C1 和 L 組成一個低通濾波器 抑制部分 干擾 同時也限制 PSO500 5 產(chǎn)生的 EMI 噪聲 C2 為高壓電解電容器 若用戶的交流 輸人電壓可能高達 285V 時 那么 C2 的耐壓要求取 450V 若是輸人電壓大于 175V 負 載電流大于 150mA C2 也可取 10uF450V R 為壓敏電阻器 作為強干擾環(huán)境中抗干擾 用 起著尖峰吸收作用 PSO500 5 型模塊的開路輸出電壓為 6 5 9 5 V 使用中可在輸出端并聯(lián)一個 1w 左右的穩(wěn)壓管 也可在輸出端并一只 100 歐的負載電阻器 當負載電流小于 200mA 時 PSO500 5 輸出電壓略高 FU 0 047u 400v C1 L Vin 85 265VVD1 VD4 1N4007 22u 400V C2 PS0500 5 12 40392221 1920 R VD6 100u 10V C3 Vo 圖 2 3 4 2 4 開關穩(wěn)壓電源 開關穩(wěn)壓電源 開關型穩(wěn)壓電路打破了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓模式 它的調(diào)整元件工作在開關狀態(tài) 即通過 調(diào)整開關元件的開關時間來實現(xiàn)穩(wěn)壓 由開關型穩(wěn)壓電路構成的電源稱為開關電源 開關電源具有體積小 重量輕 功耗小 穩(wěn)壓范圍寬等特點 1 開關穩(wěn)壓電源的基本原理 圖 2 4 1 第 9 頁 共 13 頁 圖 2 4 1 是一種最簡單的串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源的方框圖 開關管 V1 串接在輸入電 壓 Ui 和輸出電壓 Uo 之間 當脈沖調(diào)寬電路輸出的開關脈沖信號加到開關管 V1 的基極 上時 開關管 V1 被周期性的處于開關狀態(tài) 即交替處于飽和和截止狀態(tài) 若不考慮開 關管 V1 的開關損耗 即視 V1 為理想開關 則 V1 導通飽和時 其集電極 發(fā)射極之間 的電壓降為零 輸入電壓 Ui 經(jīng) V1 到輸出端 Uo Ui 反之 開關管 V1 截止時 Uo 0 這樣一來 開關管 V1 周期性的開關 使得輸出端電壓為一脈沖電壓 經(jīng)濾波電 路成為平滑的直流電壓 因為輸出電壓 其中為開關管 V1 的導通時間 on oi s t UU T on t 即脈沖寬度 Ts 為開關管 V1 的工作周期 即脈沖周期 所以 串聯(lián)開關穩(wěn)壓電路可 通過改變開關脈沖的占空比來控制輸出電壓 若開關脈沖頻率固定不變 脈沖周期 Ts 不變 只要改變脈沖寬度便可控制輸出電壓 Uo 這是脈寬調(diào)制器 反之 若開關脈 on t 沖的寬度不變 只要改變脈沖周期 Ts 也能達到控制輸出電壓 Uo 的目的 這是脈頻 on t 調(diào)制器 2 開關穩(wěn)壓電源的組成 從圖 5 1 中可以看出 串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源主要部分是開關管 它與高頻變壓器 濾波電路一起構成 DC DC 變換器 這是開關穩(wěn)壓電源的核心部分 取樣電路檢測輸出 電壓的變化 在比較放大器中與基準電壓相比較放大后 其輸出信號控制脈寬調(diào)制器 的輸出脈沖的寬度 達到改變開關管導通時間的目的 此外 方框圖有些未電路標 on t 出 如啟動電路 過流和過壓保護電路 電流檢測電路 噪聲濾波電路等 3 開關電源的特點 開關電源具有如下特點 1 效率高 功耗小 開關穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關狀態(tài) 當其導通時 壓 降接近于零 當其截止時 通過的電流接近于零 開關調(diào)整管從截止到導通或從導通 到截止的轉換速度很快 所以他的功耗小 由于調(diào)整管的功耗降低 使得電源效率大 幅度的提高 通?？梢赃_到 80 90 左右 2 體積小 重量輕 開關穩(wěn)壓電源不需要笨重的工頻變壓器 采用電網(wǎng)輸入的 交流電壓直接整流 這樣使電源的重量大大減輕 約為工頻變壓器的 1 5 且體積也大 大減小 3 穩(wěn)壓范圍寬 由于開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由占空比調(diào)節(jié)的 它受輸入電 第 10 頁 共 13 頁 壓的影響小 在輸入交流電壓由 130 260V 變化時輸出電壓的變化在 2 以下 因此開 關穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓范圍很寬 4 安全可靠 在開關穩(wěn)壓電路中 設有自動保護電路 當穩(wěn)壓電路和負載出現(xiàn) 短路時 能自動切斷電源 保護功能靈敏可靠 5 濾波電容容量小 開關穩(wěn)壓電源的開關調(diào)整管工作在開關狀態(tài) 其開關頻率 很高 濾波電容的容量可大大減小 6 抗干擾 在以往的開關穩(wěn)壓電源中 由于開關管工作在開關狀態(tài) 其交變電 壓和電流會通過開關調(diào)整管 整流管 高頻變壓器等 產(chǎn)生尖峰干擾和調(diào)波干擾 但 隨著電子技術的不斷發(fā)展 開關電路的成熟和抑制干擾措施的進步 這一問題已經(jīng)得 到滿意的解決 4 開關電源的應用 由單片集成開關電路 TOP224Y 構成的的輸入 220V 輸出恒流 0 4A 輸出電壓 10 32V 的開關恒流電路 如圖 2 4 2 所示 TOP224Y 是三端器件 見圖 2 4 4 從外表看 它像一只普通的功率三極管 但看 一下它的內(nèi)部結構框圖 見圖 2 4 3 就會發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電路異常復雜 它把開關電源所 必需的 PWM 控制器 100KHZ 高頻振蕩器 高壓啟動偏置電路 誤差放大器及過流 過 熱保護等 還有功率開關管 MOSFET 都集成在一起了 外圍元件減至最少 這樣大大地 簡化了開關電源的設計和制作 它的三個端子分別叫控制極 C 源極 S 漏極 D 三個 極都是一極多用 控制極極 C 的作用 1 利用反饋控制電流 Ic 的大小來調(diào)節(jié)輸出開關管的占空比 D 見圖 5 5 從圖 看出 Ic 增增大 D 減減小 反之 Ic 減小 D 增大 第 11 頁 共 13 頁 圖 2 4 2 圖 2 4 3 圖 2 4 4 圖 2 4 5 2 與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器 誤差放大器相連 能為芯片提供正常工作所需偏流 3 作為電源旁路 自動重啟動和補償電容的連接點 漏極 D 的作用 1 與片內(nèi)功率開關管的漏極相連 2 在啟動期間 高壓電流源經(jīng)過內(nèi)部開關給內(nèi)部電路提供偏置電流 3 它還是內(nèi)部功率開關管工作電流的檢測點 源極 S 的作用 1 與片內(nèi)功率開關管的源極相連 作為高壓電源返回端 2 作為一次側控制電路的公共地和基準點 圖 2 4 2 所示電路是典型的單端反激式開關電路 工作頻率已內(nèi)部設定為 100KHZ 工作過程 220V 經(jīng)電阻 R1 R2 整流橋 VD1 整流 電容 C1 濾波 在 C1 兩端建立起約 280V 的直流高壓作為本電路的實際電源 這里說一下幾個阻容元件的作 用 R1 為 RF10 型保險電阻 在電路發(fā)生短路時將被燒斷起短路保護作用 R2 為 NTC 型負溫度系數(shù)熱敏電阻 起限制合閘沖擊電流的作用 在接通電源初 在常溫下 它 有較大的電阻值能將合閘電流限制在允許值 隨著工作電流的流過 其溫度逐漸上升 阻值下降至某一較小的穩(wěn)定值 正常功耗不大 對電路正常工作無不良影響 VD2 R3 C2 組成漏極過電壓吸收電路 用以限制在關斷瞬間高頻變壓器漏感所產(chǎn)生 的尖峰電壓 保護功率 MOSFET 不被損壞 C6 為控制端旁路電容 它能對控制回路進 行補償并設定自