LED驅動電源設計與研究

1、畢 業(yè) 設 計（論文）題 目：LED驅動電源設計與研究摘 要LED照明在日常的生產、生活中，因其具有節(jié)能、長壽、安全、環(huán)保、色彩豐富、體積小、耐閃爍、可靠性高、調控方便等諸多優(yōu)點，正作為一種新型照明光源獲得越來越廣泛的應用。LED的應用，需要合適的驅動控制電路，本文研究工作是針對LED照明設計合適的驅動電源。本論文首先介紹了LED照明的優(yōu)點及應用現(xiàn)狀，以及LED照明的廣闊前景。其次介紹了LED發(fā)光的基本原理，測試分析了LED電壓、電流和光功率之間的關系；比較了幾種LED的光通量、價格等，選擇了合適參數(shù)的LED作為發(fā)光元件。通過分析比較常用的LED電源驅動方式，提出了以半橋式變換器為主電路結構形

2、式。開關電源以其自身的優(yōu)點已經成為電源行業(yè)的主流形式。開關電源技術的應用，使電源變得體積小，重量輕，效率高，性能更好。關鍵詞：LED照明;驅動電源;開關電源ABSTRACTThe LED lighting in daily production, life, due to its energy-saving, longevity, safe, environmental protection, colour is rich, small volume, flashing resistance, high reliability, regulation, convenient, and many

3、 other advantages, is as a new lighting source obtains more and more widely. LED application, need appropriate drive control circuit, this paper research work is aims at the LED lighting design suitable driving power.This paper firstly introduces the advantages of LED lighting and application status

4、 of LED lighting, and broad prospects. Secondly introduces the basic principle of LED, test analysis LED voltage, current and light power relationship; Compare several LED of the flux, and prices, select the appropriate parameters LED as light emitting components.Through the analysis and comparison

5、of power driven approach used LED, put forward the half bridge type converter circuit structure form mainly. Switching power supply with his own advantage has become the main form in power supply industry. Switch power technology of application, make power becomes small volume, light weight, high ef

6、ficiency, better performance.Key words: the LED lighting ;driving power supply;Switching power supply 目 錄第一章 緒論21.1引言21.2 LED基本特性介紹21.3 LED的照明應用現(xiàn)狀41.4 LED驅動電路現(xiàn)狀51.5半導體燈應用存在問題6第二章 LED原理及驅動分析72.1 LED發(fā)光原理72.2半導體發(fā)光二極管的特點82.3 LED的選擇92.4驅動方式102.5 LED驅動器介紹11直流驅動器112.5.2交流驅動器122.5.3 LED的直流驅動和脈沖驅動選擇13第三章 主電路

7、結構設計143.1主電路結構介紹14開關電源的應用與發(fā)展143.1.2反激電路153.1.3正激電路163.1.4半橋電路173.1.5全橋電路183.1.6推挽電路193.1.7幾種電路結構的比較203.2功率開關原件設計223.3電感、電容的計算223.4變壓器分布參數(shù)及材料選擇22高頻變壓器的分布參數(shù)22磁芯材料243.5導線材料及絕緣問題25導電材料選用25絕緣問題263.6高頻變壓器設計26第四章 控制電路設計284.1控制電路主要功能和結構284.2.TL494管腳配置及其功能29TL494基準電壓單元304.3具體電路設計31基準電壓電路設計31軟起動電路設計31反饋和調節(jié)電路設

8、計32第五章 LED布陣及系統(tǒng)調試335.1布局的設計335.2布線的設計335.3系統(tǒng)調試335.4基本調試34半橋控制電路的調試34主電路他激工作方式調試34主電路整體調試34致 謝35參考文獻36第一章 緒論1.1引言 隨著全球經濟發(fā)展和生產水平的提高，人均年能源需求越來越大。以煤、油、天然氣、核能等人類賴于生存的能源具有不可再生性，人類面臨著空前的源危機。能源的大量消耗同時也造成了生態(tài)環(huán)境的急劇惡化。為了解決這些問題不僅要開發(fā)新的可替代清潔能源，還要大大提高能源的利用效率。人們日常消的能源中80%是電能，各種照明用電則是電能的重要組成部分，大約占全球19的電力。眾多照明產品中，白熾燈的

9、光效僅有825lm/w8，開發(fā)高效率的照明產品則成了人類的共識，壽命長、高效率、高可靠性的白光LED將是未來最理想的產品。MOCVD技術使得白光LED器件設計制造技術有了重大突破。目前實施的白光LED發(fā)光效率已遠遠超過熒光燈，伴隨著LED制造成本降低和光效的進一步提高，白光LED取代熒光燈成為人類主要的照明工具這一趨勢已經是毋庸疑了。 半導體照明(semi-conductor lighting)是未來照明領域重要的發(fā)展方向。半導體照明與一般光伏電源配用的節(jié)能燈泡相比具有節(jié)能、長壽、安全、環(huán)保、色彩豐富、體積小、耐閃爍、可靠性高、調控方便等諸多優(yōu)點。發(fā)光二極管作為一種新型照明光源正在獲得越來越廣

10、泛的應用。1.2 LED基本特性介紹半導體發(fā)光二極管是常用電子元件二極管中的一種類型。發(fā)光二極管又叫光發(fā)射二極管(Light Emitting Diode，簡寫為LED)，是一種可將電能變?yōu)楣饽艿囊环N器件，屬于固態(tài)光源。 LED本質是PN結，是電流驅動器件，當它兩端加上正向電壓時半導體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復合，放出的過剩能量將引起光子發(fā)射。采用不同的材料，可制成不同顏色有發(fā)光二極管。它的光強度隨著正向電流IF 的變化而變化。在正向導通之前，LED幾乎無電流流過，當電壓超過開啟電壓時，電流急劇上升。因此LED屬于電流控制型半導體器件，其發(fā)光亮度L（單位為cd/mc2）與正向電流IF，近

11、似成正比8。式中K為比例系數(shù)在小電流下（IF1，10MA），M1.31.5；當L>10mA時，m=l，此時上式可簡化為LKIF。，即發(fā)光亮度與正向電流成正比。另外，工作電流對光的顏色有一定的影響，隨著電流改變不僅亮度會發(fā)生變化，顏色也會跟著變化。 LED的正向電壓和正向電流與管芯的半導體材料有關，使用時要根據(jù)所要求的顯示亮度來選取合適的IF，值。若選取的值太小，則不能完全發(fā)揮LED的性能，若選取的值太大，則很容易損壞PN結。I-V特性是表征LED芯片的主要參數(shù)。LED的伏安特性具有非線性、單向導電性等特征。典型的正向特性曲線測試如圖1-1所示：圖1-1高亮度白光伏安特性曲線從特性曲線可以

12、看出，LED在開啟以前有一段“死區(qū)”，該區(qū)域的最大電壓叫做開啟電壓。對于不同材料制作成的LED其值不同，GaAsP約為1v，GaAsP約為1.2V，GAP約為1.8V1，GaN約為2.5V。開啟后的區(qū)域為正向工作區(qū)，正向電流IF，和外加電壓呈指數(shù)關系8：式中IF。為反向飽和電流。由于伏安特性正向指數(shù)式變化，LED在正向導通后其正向電壓的細小變動將引起電流的很大變化；另外，溫度也會影響LED的電氣特性，當環(huán)境溫度升高時，LED的正向工作電壓將下降。假設流過LED的電流為IF，管壓降為V，則正常工作下的功耗P=VF*IF。 LED光輸出將隨著輸入電壓、環(huán)境溫度等因素的變化而變化。LED的光輸出直接

13、與LED電流相關，所以在LED應用中應控制補償輸入電壓變化和環(huán)境溫度等因素的變化。若LED的電流失控，LED長期工作在大電流下將影響其可靠性和壽命。從理論上，相同材料、工藝的LED管性能完全一致，但在實際生產應用中不同批次或者同一批次的不同芯片在性能上都會有差異。對于需要多個管子串聯(lián)和并聯(lián)工作的情況來說，個體之間的差異性也是驅動電路設計的考慮因素之一。 對于照明應用，超高亮度白光LED才是目標器件。HBLED基本原理和普通信號顯示用LED原理上相似，但從原材料的選擇、芯片設計制造到芯片的封裝設計都要面臨許多特殊的問題。本文主要關注與驅動電路相關的特殊性能，至于PN結芯片的設計和封裝已超出了我們

14、的討論范圍。大功率LED在室內外通用照明領域應用是其發(fā)展的最終目標。與普通儀表顯示用的LED不同的是，HBLED的工作壓降和工作電流都相當大，一個1W管芯正常情況下的壓降為3v4v之間，工作電流能達到300mA以上。1.3 LED的照明應用現(xiàn)狀初期的LED以紅色為主，由于光效率較低，光通量很小，因此只能在電器設備和儀器儀表上做為指示燈使用。隨著管芯材料、結構、封裝技術和驅動電路技術的不斷進步，LED光色種類的增加，發(fā)光效率和光能量的提高，目前LED已在科研和生產領域得到了廣泛的應用，產業(yè)建設快速發(fā)展，市場應用數(shù)量增長迅猛。傳統(tǒng)的LED光源集中應用領域：汽車市場、背景光源市場、交通信號燈市場3。

15、近年來高光效、高亮度的白色LED的開發(fā)成功，使得LED在照明領域的應用成為可能。目前，LED在照明工程中的應用主要體現(xiàn)在以下一個方面：(1) 夜景照明。由于LED光源小而薄，安裝便捷，可以水平也可以垂直方向 安裝,可與建筑物表面完美地結合，也可以與城市街道陳設很好的有機結合。如四川成都在火車南站的立交橋上安裝了30000多盞LED燈，我國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序燈眵3。(2) 指示照明。如影劇院的地面引導燈或座椅側面的指示燈，以及購物中心的導購指示燈和建筑物消防疏散指示燈等。(3) 特殊場所照明?，F(xiàn)已被廣泛應用于象博物館、展示廳這樣對光源的顏色、輻射等指標要求高的場所

16、照明。(4) 室內裝飾照明。由于大功率白光LED照明燈具還處在研發(fā)和試生產階段，目前市面上的LED燈具還不能達到普通燈泡所具有的亮度，在室內裝飾工程中基本還局限于背景照明和局部照明。由于LED的動態(tài)(數(shù)字化)控制色彩、亮度和調光及活潑的飽和色可以創(chuàng)造靜態(tài)和動態(tài)的照明效果，且長壽命、高流明的維持值(10，000小時后仍然維持90的光通)，與金鹵燈的50-250小時的壽命相比，降低了維護費用和更換光源的頻率，且沒有熱輻射，可以使室內空間變得更加舒適和諧。LED照明在室內裝飾裝修工程中的應用不僅節(jié)能、環(huán)保，還解決了最頭痛的維護問題。(5)電子顯示屏。目前，世界上最大的LED顯示屏矗立在卡塔爾多哈的哈

17、里發(fā)體育場，該屏幕面積足足有10個標準籃球場，呈半月形，寬157米，高38米，面積達4480平方米。據(jù)悉，在2008北京奧運會將建造更大的LED顯示屏，其面積大約6.000平方米(長200米，寬30米)。(6) 逐步取代傳統(tǒng)照明燈具。隨著大功率、高光效、高顯色性的自光LED照明燈具的研發(fā)和逐步投產，使其照度不斷提高而成本不斷降低，LED照明將成為未來照明的主體，逐步取代白熾燈和熒光燈。如日本松下電工已開始生產“袖珍型LED照明燈"，該產品包括筒燈和聚光燈，其驅動電路做在燈頭內，可直接用于市電(220VAC)，每套價格在116萬214萬日元(約合人民幣12001800元之間，光源壽命4

18、萬小時；德國Hella公司利用白光LED開發(fā)了飛機閱讀燈；澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明3。明達光電(廈門)有限公司也己開始試生產大功率白光LED路燈，該產品已在廠區(qū)內安裝,其驅動電路安裝在燈桿底部，亮度比普通路燈高，且壽命長，免維護，每套燈具成本約1萬元人民幣。面對LED照明市場的巨大誘惑，世界三大照明工業(yè)巨頭：通用電氣、飛利浦和奧斯拉姆集團已紛紛成立LED照明企業(yè)，并提出要在2010年前使LED燈的發(fā)光效率提高8倍價格降低到1%。若此目標能得以實現(xiàn)，那么LED燈具將完全取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈心4。國內很多廠家也研制了LED日光燈、壁燈、吊燈等。如深圳市鑫明蕊科技有

19、限公司研制18W的LED日光燈；深圳市晶明固體光源有限公司研制的LED日光燈綜合應用LED電光源，超高亮度，顯色指數(shù)高，是最新型的室內照明產品不需使用鎮(zhèn)流器、啟輝器，無頻閃；浙江星碧照明科技有限公司研制的LED吊燈。1.4 LED驅動電路現(xiàn)狀 基于發(fā)光二極管的半導體照明光源與燈具的制造是下游產業(yè)。驅動電路屬于下游產業(yè)中技術含量較高的領域。雖然LED驅動部分占LED燈具的成本比重只有1/9，但若沒有高性能驅動電路的配合，LED的優(yōu)點根本沒辦法發(fā)揮。由于先進的集成工藝，驅動電路外圍原件越來越少，電路核心在于集成驅動芯片的設計。 白光LED的應用場合從手機、手持式裝置、液晶面板背光源、汽車頭燈到戶外

20、、辦公室與家中的燈光來源等等。由于通用室內照明還沒有普及，驅動IC主要集中在低壓便攜式電子設備領域。汽車照明和道路交通照明的應用需求使得相關驅動IC隨之增加。 LED驅動將往高效率、更高驅動能力、小體積、高集成度、低電磁干擾、可靠性方向發(fā)展。在避免電磁干擾的情況下，縮小儲能器件的體積，提高效率依然是未來發(fā)展的重點。隨著新技術的成熟，LED驅動控制將與電源技術、太陽能等技術有機地結合。1.5半導體燈應用存在問題雖然LED作為照明光源有如此多的優(yōu)點，但由于超高亮LED也具有效率低、需要嚴格控制溫度、價格高這樣的缺點，近期內還不可能全面替代目前普遍使用的白熾燈或熒光燈。要做好半導體燈必須解決好三個方

21、面的問題：(1)有光效高、成本低、壽命長的發(fā)光管單純的增加輸入功率，亮度也會增加，但LED芯片的發(fā)熱量也會隨之增加，過多的發(fā)熱將損壞它的結晶和封箱而縮短其壽命，因此使輸入功率電能高效的轉為光能是重要的關鍵技術。(2)有工作可靠、性能好、成本低的驅動器。由于單個LED功率小，光亮度低，對于照明來說，不可能單獨使用，為此必須將多個LED組裝在儀器，設計成為使用的LED照明系統(tǒng)。這就存在LED選擇，使其特性保持相近的問題。由于多個LED在儀器組裝，還要考慮其中一個或一些LED出現(xiàn)問題時不能影響LED的照明，這就有一個電路保護的要求。(3)有熱設計、結構設計、造型設計好的燈體。LED在照明過程中，同樣

22、會出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，特別是多個LED組裝工作時，就有考慮其散熱問題。在這三個問題中，發(fā)光管可以到生產廠家選用合適的產品，燈體結構設計許多打算生產半導體燈的廠家自己都有能力解決。但是對于不同的原始電源怎樣針對不同燈型做合適的電源變換驅動發(fā)光管，確是做好半導體燈的關鍵環(huán)節(jié)。針對不同的應用設計不同的驅動器，這就使驅動器的規(guī)格品種繁多，電路結構各異。考慮到在不久的將來LED會進入千家萬戶，故研究交流市電作為主要電源來驅動發(fā)光二極管的驅動技術，具有重要的意義。第二章 LED原理及驅動分析2.1 LED發(fā)光原理用于照明的電光源，根據(jù)發(fā)光的機理主要可分為熱輻射光源、氣體放電光源和場致發(fā)光光源等幾大類。目前廣泛

23、應用的是以白熾燈為代表熱輻射光源和以熒光燈為代表的氣體放電線光源，而場致發(fā)光則是一種正在發(fā)展中的新型面光源。場致發(fā)光又成為電致發(fā)光，根據(jù)發(fā)光原理的區(qū)別，場致發(fā)光有本征場致發(fā)光和注入式場致發(fā)光之分，半導體發(fā)光二極管的發(fā)光為注入式發(fā)光，是一種固體在電場作用下直接發(fā)光的一種現(xiàn)象。半導體發(fā)光二極管發(fā)光原理：發(fā)光二極管是有III一IV族化合物，如GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型和B型半導體之間有一個過渡層，成為PN結，因此它具有一般PN結的IU特性，即正向導通，反向截止，擊穿特性；此外在一定的條件下，它還具有發(fā)光特性

24、。制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復合。當發(fā)光二極管PN結上加正向電壓時，空間電荷層變窄，載流子擴散運動大于漂移運動，致使P區(qū)的空穴注入N區(qū)，N區(qū)的電子注入P區(qū)。于是在PN結附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇復合時會把多余的能量釋放并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來，從而把電能直接轉化成光能，這種復合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射。當在發(fā)光二極管的PN結上加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。發(fā)光的波長取決于材料的禁帶寬度，所以選用不同禁帶寬度的半導體材料，就可以制

25、造出發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管。現(xiàn)在常見的有紅、黃、綠、藍發(fā)光二極管，其中藍色發(fā)光二極管生產的技術要求較高，因此價格高，使用不是很普遍。對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光(允。=465nm，Wb=30nm)，高溫燒結制成的含Q3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200500nm。LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到白光"1。這種通過藍光LE

26、D得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。發(fā)光二極管發(fā)光亮度可以通過工作電壓(電流)的大小來調節(jié)，在很寬的工作電流范圍內，發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與工作電流大小成線性關系7。圖2-1所示為白色LED電流大小與光功率之間的折線圖。LED電流mA圖2-1 LED電流和功率的關系2.2半導體發(fā)光二極管的特點發(fā)光二極管和普通二極管一樣是一種用半導體材料制作的PN結器件，除了能發(fā)光之外，其他特性和普通二極管相似。發(fā)光二極管以下的2個如下：(1)單向導電性。發(fā)光二極管和普通二極管一樣具有單向導電的特性，即在發(fā)光二極管的正極加正電壓，負極加負電壓時發(fā)光二極管導通發(fā)光，相反則不導通也就不能

27、發(fā)光。這就決定了發(fā)光管必須使用直流電源或者單向脈動電源供電。(2)發(fā)光二極管有負溫度系數(shù)的勢壘電勢。發(fā)光二極管上施加的正向電壓低于某個電壓值時發(fā)光二極管不導電，但外加電壓一旦超過這一電壓值時發(fā)光二極管的電流就會隨著外加電壓的變化急劇增加，對外電路呈現(xiàn)很低的動態(tài)電阻，這一電壓值就是發(fā)光二極管的勢壘電勢，不同顏色的發(fā)光管其勢壘電勢不同。紅外線管最低，大約l伏多。紅光管約1.5-2伏，黃光管2伏左右，綠光管2.5-2.9伏，藍光管和白光管3伏多。并且發(fā)光管的勢壘電勢具有負的溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高勢壘電勢會降低，使用中的外特性表現(xiàn)為隨著溫度的升高管壓降低。LED電流LED電壓圖2-2 電壓與電流關

28、系從上圖2-2曲線可見，當加在其上的正向電壓小于開啟電壓時，正向電流很小，亮度很低。當加在其上的正向電壓超過了開啟電壓時，LED開始導通并發(fā)光。隨著正向電壓的進一步加大，正向電流突然地上升，發(fā)光的亮度也逐漸加大，正向電壓與正向電流基本上呈現(xiàn)出線性的關系，因此必須要嚴格控制正向電流的大小，防止在使用的過程中超過其最大電流而嚴重縮短其使用壽命，甚至于造成永久性的損壞。2.3 LED的選擇目前普通的草帽白光LED(直徑5mm，工作電壓3.23.4V，工作電流lO-20mh)，單個光通量在4-51m，售價為0.250.4元，量大批發(fā)能在0.2元以下。單個食人魚1w的LED(扁平狀，工作電壓3.23.4

29、V，工作電流300350mA)，光通量在30-501m，售價為20元以上。若是單個3W、5w的LED器件，售價會更貴。即使是1w的LED，其30-401m的光通量，相對于普通照明而言仍然太小，一只普通的60W白熾燈的光通量大于7001m。也就是說，要代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明需要多個LED器件，10個1w美人魚白光LED售價為200元，100個草帽白光LED為25元，還要加上點燈線路、燈殼、燈頭等，如此高的成本是白光LED在普通照明中的最大問題。同時，由于LED芯片的表面面積均為小于lmm2，工作時電流密度大，二極管內發(fā)熱嚴重，如不加以疏導，將使芯片損壞，由于照明要求多個LED組合而成，LED密集度大，長時

30、間發(fā)光溫升在所難免。而單個1w以上的大功率白光LED，由于自身的發(fā)光芯片表面面積較大，所以發(fā)光芯片中心部位散熱更加困難。實際的生產中，白光LED仍然沒有能完全解決這一問題，也就是說，相對而言,1W以上的美人魚白光LED，要比普通的草帽LED，壽命小的多。因此，在比較了價格和單個LED的流明及效率后，本設計選用普通的草帽LED，預計使用100個。而單個1w以上的大功率LED是大勢所趨，所以本設計的驅動電源，要能方便的調整輸出電壓，以適應不同的工作電路。在大電流工作時，隨著點燃時間增長，LED自身光衰加上熒光粉及封裝材料的劣化等造成光通下降，照明領域通常將光通下降到初始值的某一百分值定義為燈的有效

31、壽命結束了。因此使用中發(fā)光管實際工作電流的確定也十分重要，這也是選用驅動器的依據(jù)。以白光發(fā)光管為例，對于一般5mm的小功率發(fā)光管，廠家產品樣本上給的正向電流的技術指標一般是20mA，但實踐證明，普通小功率發(fā)光管在20mA正向電流下連續(xù)使用光衰很快，在1518mA電流下工作比較合適。對于1瓦的大功率白、藍光發(fā)光管，廠家產品樣本上給的正向電流技術指標一般是350mA，可是，1瓦的白、藍光發(fā)光管給350mA電流實際功率已經接近1.2瓦，如果散熱不太好長期工作會加快光衰。一般連續(xù)工作的1瓦藍、白光發(fā)光管應該給到300一-320mA電流當然，由于大功率發(fā)光管的穩(wěn)定性比較好，如果散熱條件好也可以給3203

32、40mA正向電流。實際使用中，不管是大功率管還是小功率管，使用中電流也不能太小，否則實際功率比標稱值小的太多，影響亮度。2.4驅動方式圖2-3 并聯(lián)（左）和串連（右）發(fā)光管實際制作半導體燈時，常常使用多只發(fā)光管，這就有個發(fā)光管的連接方式問題。對于發(fā)光管來說，應該優(yōu)先選用串聯(lián)連接，如圖2-3。發(fā)光管的管壓降呈現(xiàn)負的溫度系數(shù)，直接并聯(lián)，如圖2-3時各并聯(lián)發(fā)光管管壓降不可能完全相同，這樣并聯(lián)管之間的電流就會略有差異，使用時管壓降略低的管電流略大，其溫升就會比其他相并聯(lián)的管高，溫升高的管管壓降會降低的比較多，這樣就導致其電流進一步加大，電流大引起更大的溫升，使其管壓降進一步降低，如此熱電正反饋使電流逐

33、漸向管壓降小的發(fā)光管偏移，最終導致其失效。因此，應該優(yōu)先串聯(lián)使用發(fā)光管。串聯(lián)使用只有一個問題，即一只LED不亮導致此路其他發(fā)光管都不亮。但實際使用證明，在驅動電流正常的情況下，即使發(fā)光管自身發(fā)生故障一般也保持通路狀態(tài)，其他發(fā)光管照樣亮。如果驅動器損壞大電流沖擊燒毀發(fā)光管，常常會使發(fā)光管內部引線燒斷開路，但是，驅動器都壞了就是發(fā)光管并聯(lián)整個燈也不亮了。所以還是應該優(yōu)先選用發(fā)光管串聯(lián)結構。如果使用的管數(shù)較多時全部串聯(lián)不可能，也只好連串帶并，但各串并聯(lián)管之間必須要有均流措施，最簡單的均流措施就是在每一串并聯(lián)管中串聯(lián)一個電阻n們牽制電流的偏移。電阻上的壓降太大，使功耗增加，壓降太小則均流效果不好，一般

34、可以取串聯(lián)LED燈總壓降的5%左右。本設計中，采用十個LED串聯(lián)，由驅動電源提供+35V電壓。串聯(lián)之后再并聯(lián)。2.5 LED驅動器介紹實際應用中種類繁多的驅動器按照工作特點可以分為兩大類：直流供電的驅動器和交流供電的驅動器。直流驅動器直流驅動器使用直流電供電，根據(jù)不同的應用可以有串聯(lián)降壓型；升壓型：變換器型三種電路結構12。(1) 直流降壓型驅動器直流降壓型驅動器的基本原理是用開關器件配合電抗性器件對外界電源降壓限流以后驅動發(fā)光管工作。串聯(lián)降壓型驅動器結構簡單，變換效率比較高。串聯(lián)降壓驅動器比較適合用于輸入電壓和負載管壓降差別不太大的情況下驅動發(fā)光管。這種驅動器的主要缺點是一旦主開關器件損壞大

35、電流會直接通過發(fā)光管使發(fā)光管燒毀。顯而易見，這種方案當供電電壓低于負載管壓降時不能使用。(2) 直流升壓型驅動器直流升壓型驅動器的基本原理是用開關器件配合電抗性器件儲能升壓限流的方式工作的。升壓驅動器的變換效率也比較高。這種方案制作的驅動器的一個顯著的優(yōu)點是自身出現(xiàn)故障時不會損壞發(fā)光管。升壓型驅動器只能用在負載管壓降始終高于電源電壓的情況。如果負載管壓降低于電源電壓驅動器會失控，大電流直接經過發(fā)光管使發(fā)光管燒毀。輸入直流低電壓時所用的發(fā)光管數(shù)量少可以選用降壓驅動器也可以選用升壓驅動器，盡量串聯(lián)不并聯(lián)或者少并聯(lián)發(fā)光管。如果發(fā)光管數(shù)量多應該選用升壓驅動器，也是盡量串聯(lián)不并聯(lián)或者少并聯(lián)發(fā)光管6。(3

36、)直流變換器型驅動器變換器型驅動器n町用開關器件配合高頻變壓器實現(xiàn)能量從初級到次級的傳輸，同時做電壓電壓變換驅動發(fā)光二極管工作。這種驅動器輸出端的電壓不受輸入電壓的制約，可以按照所需要串聯(lián)的發(fā)光管數(shù)任意設計，應用靈活，適合用在供電電壓在負載管壓降附近波動的情況，也適合供電電壓和負載管壓降差別很大的情況。其缺點是電路復雜，變換效率比以上兩種類型的驅動器略低。如果輸入直流高電壓驅動小功率管可以用串聯(lián)降壓驅動器，驅動大功率管從安全角度考慮應該選用變換器結構的驅動器。交流驅動器交流驅動器使用交流市電供電，根據(jù)不同的應用也分為降壓型、升壓型、變換器型三種電路類型。交流驅動器和直流驅動器的區(qū)別除了需要對輸

37、入的交流電做整流濾波之外，從安全角度考慮還存在一個隔離和不隔離的問題。(1) 交流串聯(lián)降壓型驅動器交流串聯(lián)降壓型驅動器2把輸入的交流市電整濾波后直接用開關器件和電抗性器件對輸入的高電壓進行降壓限流。這種驅動器和直流降壓驅動器具有同樣的優(yōu)缺點，適合串聯(lián)驅動多只發(fā)光管。很顯然，這種電路結構屬于不隔離電路，使用時應注意安全，制作的燈具發(fā)光二極管的引線也不能在外部裸露。由于這電路主開關管損壞時打電流會通過發(fā)光管使發(fā)光管燒毀，因此，高電壓輸入串聯(lián)驅動多只大功率發(fā)光管時要謹慎使用。(2) 交流升壓型驅動器交流升壓型驅動器把輸入的交流市電整濾波后直接用開關器件和電抗性器件對輸入的高電壓進行升壓限流。這種驅動

38、器和直流升壓驅動器具有同樣的優(yōu)缺點。但是，直接市電輸入時輸入的電壓較高，220交流勢電需要整流升壓到直流電壓400伏以上，負載的發(fā)光管需要串聯(lián)125只以上白光或者藍光發(fā)光管才能保證在電源電壓有較大波動時安全工作。由于這種驅動器當負載管壓降低于輸入電壓時會失控使大電流直接通過發(fā)光管使發(fā)光管燒毀，因此也要謹慎使用。(3) 交流變換器型驅動器交流變換器型驅動器是把輸入的交流市電整流后經過高頻變換變壓限流驅動發(fā)光二極管工作，這種驅動器有高頻變壓器做隔離，因此輸出端是安全的，并且輸出端的電壓不受輸入電壓的制約，可以按照所需要串聯(lián)的發(fā)光管數(shù)任意設計，應用靈活，其他優(yōu)缺點和直流變換器型驅動器相同。變換效率約

39、90%。220伏交流市電輸入時驅動200只以下小功率管都可以考慮用串聯(lián)降壓驅動器，驅動200只以上小功率管應該選用升壓或者隔離驅動器。 LED的直流驅動和脈沖驅動選擇發(fā)光管發(fā)光靠電能激發(fā)，不管是直流驅動還是脈沖驅動，輸入的電能量決定了輸出的光能量，脈沖驅動不可能使發(fā)光管提高光效，相反，應該是直流驅動光效更高。因為發(fā)光管的輸入電流過大光通量隨電流增加的速度將變緩，發(fā)光管的管小降低。另外，過大的電流還會引起發(fā)光管發(fā)射的光譜向長波方向偏移，對于白光發(fā)光管來說，這將導致激發(fā)熒光粉效能的降低，使光效下降。所以，脈沖驅動不可能使發(fā)光管省電，但設計合理的脈沖驅動器也不會明顯的引起光效的下降，因此也就不會比直

40、流驅動更明顯的費電。但是脈沖驅動器常常具有電路結簡單生產成本低的特點，所以還是值得使用。因此，究竟用脈沖驅動還是用直流驅動要根據(jù)具體情況而定4。如果用脈沖驅動發(fā)光管，一般不會縮短發(fā)光管的使用壽命發(fā)光管是一種量子器件適合高速工作，這正是發(fā)光管的優(yōu)點之一。如果有閃爍使用的發(fā)光管頻頻損壞，那應該是其他方面的原因引起的，比如過熱，電流過大等等，而不會是發(fā)光管自身不耐閃爍。一般的驅動技術不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低在用于低功率的普通LED驅動時，由于電流只有幾個mA，因此損耗不明顯，當用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅動時，功率電路的損耗就成了比較嚴重的問題。綜合以上特點，本電路采用交流

41、變換器型驅動器、直流驅動LED。對于市電供電的驅動器來說，由于火線可以對地形成回路，這樣有可能導致人、畜觸電者引起其他事故。如果驅動器的輸出端能和市電隔離就會更為安全。隔離驅動雖然電路結構比不隔離驅動器略微復雜、驅動器體積也會增大、生產成本會提高，而不隔離驅動器結構簡單、生產成本低、體積也可以做得更小，但不隔離降壓驅器的一個最大的危險是驅動器一旦損壞高電壓大電流會直接通過發(fā)光管是發(fā)光管損壞。因此，還是使用隔離驅動器為好。交流變換器型驅動器變換效率較高，從節(jié)能的角度來說，更有意義。第三章 主電路結構設計本章的主要目的是研究常用的驅動器結構，提出自己的電源主結構形式，并對其中的關鍵參數(shù)進行計算。3

42、.1主電路結構介紹開關電源的應用與發(fā)展以高頻變壓器取代工頻變壓器，采用脈沖調制技術的直流一直流變換器型穩(wěn)壓電源，通常稱它為開關電源。它具有管耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬及體積小、重量輕等特點，目前己在各種電子儀器和設備、航空和宇宙飛行器、發(fā)射機、電子計算機、通訊設備和電視機、錄放機中得到了應用。開關晶體管、開關二極管和開關變壓器是組成開關電源的三個關鍵元件，減小開關電源的體積和重量就須提高電源的開關頻率，大功率，高反壓和高速開關晶體管，快速恢復開關二極管以及開關電源變壓器中使用的高頻，低損耗磁性材料的技術發(fā)展，使開關電源的開關頻率從數(shù)十kHz發(fā)展到數(shù)百kHz。開關電源的基本電路由“交流一直流轉換電

43、路”、“開關型功率變換器”、“控制電路”和“整流濾波電路”等組成(見圖3-1)。輸入的電網電壓通過“交流一直流轉換電路"中的整流器和濾波器轉換成直流電，該直流電源作為“開關型功率變換器"的輸入電源，經過“開關型功率變換器”將直流電轉變?yōu)楦哳l脈沖方波電壓輸給“整流濾波電路”，變成平滑直流供給負載，控制電路則起著控制“開關型功率變換器”工作的作用。圖3-1 開關電源原理框圖開關型功率變換器是開關電源的主電路，開關電源的能量轉換，電壓變換就由它來承擔。在直流變換器的基礎上，由于高頻脈沖技術及開關變換技術的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了推挽式開關型功率變換器，全橋式功率變換器，半橋式功率變換器

44、，單端正激式功率變換器，單端反激式功率變換器，快速磁放大器式開關型功率變換器等。其控制方式可分為脈沖寬度調制(PWM)和脈沖頻率調制(PFM)兩種。反激電路圖3-2 反激式變換器原理圖反激電路原理如圖3-2所示，圖中為電網交流電壓，經“交流一直流轉換電路”中整流濾波而得到的直流電壓?？刂齐娐钒ㄩ_關頻率振蕩器、脈寬調制器、驅動器、比較放大器、保護器等。當開關晶體管BG被驅動脈沖激勵而導通時，Ui加在開關變壓器T的初級繞組N，上，此時次級繞組N1的極性使D處于反偏而截止，因此N1上沒有電流流過，此時電感能量儲存在N1中，當BG截止時，N2上電壓極性顛倒使D處于正偏，N1上有電流流過，在BG導通期

45、間儲存在N2中的能量此時通過D向負載釋放。反激式變換器工作波形見圖圖3-3 反擊式變換器工作波形反激式變換器電源的穩(wěn)壓原理是：當輸出電壓U。降低時，其差值經過比較放大器放大，使脈寬調制器輸出脈沖的寬度變寬，因而BG導通時間加長，N1中儲能增大，于是輸出電壓升高，以補償其下降部分。反之，當輸出電壓升高時，脈寬調制器輸出脈沖的寬度變窄，因而導通時間縮短，N1中儲能減小，于是輸出電壓降低，以補償其上升部分12。正激電路正激電路原理圖如圖3-4所示，正激電路和反激電路相比，變壓器T的次級繞組IV，的極性連接正好相反，它是在BG導通時通過Dl向負載傳遞能量并在電感L中儲能。在BG截止時q截止，N2相當于

46、開路，此時L中儲能通過續(xù)流二極管D：向負載釋放。正激變換器工作波形見圖3-5。 圖3-4 正激電路原理圖3-5 正激變換器工作波形正激電路的穩(wěn)壓原理是：當輸出電壓U。降低時，控制電路的輸出脈沖變寬，BG導通時間加長，輸出電壓升高，以補償其下降部分，當輸出電壓U。上升時，控制電路的輸出脈沖變窄，BG導通時間縮短，輸出電壓降低，以補償其上升部分。半橋電路典型的半橋式變換電路如圖3-6所示。圖3-6 典型板橋市變換電路半橋式變換電路是雙端電路，在一個周期內，BGl和BG2交替導通，其集電極電位一個上升，另一個則下降。隨著BGl和BG2的導通和截止，在電容C1和C上極性相反的電壓分別施加于開關變壓器初

47、級繞組上。變壓器初級在整個周期內都有電流流過，磁芯得到了充分利用，晶體管BGl和BG2的集電極與發(fā)射極峰值電壓要求較低，2UCE=EC。主要缺點是晶體管流過的電流較大，與推挽式電路相比，要輸出相同功率，晶體管必須流過兩倍的電流。這種電路另一個優(yōu)點是，為了避免磁飽和，通過耦合電容e的作用可以自動修正，也就是說具有抗不平衡的作用。但是耦合電容C3要選的合適，不然效果不佳。圖3-7 半橋式變換器工作波形全橋電路圖3-8 全橋是變換器原理電路典型的全橋式電路如圖3-8所示。這種電路每半周期兩個晶體管同時導通，如BGl、BG4或BG2、BG3。使開關變壓器初級繞組在一個周期內交替受到極性相反的輸入電壓激

48、勵。開關變壓器的次級繞組經過整流和濾波，輸出所需要的直流電壓。其主要優(yōu)點是：晶體管集電極與發(fā)射極峰值電壓要求較低，ECE=1/2EC，并且每個晶體管流過的電流比半橋小50。但它主要缺點是需要四只晶體管，及四組相互隔離的晶體管驅動電路，使控制驅動電路成本增大，而且不象半橋電路那樣具有抗不平衡的能力。圖3-9 全橋式變換器工作波形推挽電路圖3-10 推挽式變換器原理推挽式變換電路實際上是由兩個正激式變換電路所組成，只是它們工作時相位相反。基本的推挽式電路結構如圖3-10所示。在每個周期里，BGl和BG2交替導通，其集電極電位一個上升，另一個下降，形成推挽式動作，使開關變壓器T具有中心抽頭的初級繞組

49、的兩個異名端分別被激勵，在各自的半個周期內，分別把能量傳遞給負載。這種電路每個晶體管流過的平均電流比同等的單端正激式電路減少50%。但是這種電路還是很少被采用，主要原因有兩個：一是受開關晶體管電壓額定值的限制，理論上晶體管集電極與發(fā)射極的峰值電壓應為坼r=2.64耳，但實際上在正式產品中，假如不能保證ECE=2.64Ec，產品損壞率將會增高，這樣有可能選不出合適的晶體管：二是變壓器的磁芯飽和問題。由于推挽式電路的特殊結構，極易發(fā)生磁飽和，為了避免飽和現(xiàn)象，要增加相應的輔助電路，并要求兩只晶體管的特性參數(shù)高度一致，這很難辦到。圖3-11 推挽式變換器工作波形雙極性變換器電源(推挽、半橋、全橋)的

50、穩(wěn)壓原理是這樣的：若由于某種原因(例如輸入電網電壓的變化或輸出端伏在的變化)使輸出電壓變化U，則U，經脈寬控制電路處理后就產生寬度可變的控制脈沖，驅動開關晶體管，實行功率變換，其輸出也是改變了脈沖寬度的方波電壓，從而使輸出電壓回到額定值電壓砜。這類開關電源是通過改變脈沖寬度或占空比來實現(xiàn)穩(wěn)壓的。假定輸出電壓平均值為，方波電壓的幅值為U，并且忽略電路的內阻，那么從圖3-12可以看出砜和U，有如下關系圖3-12 輸出電壓與幅值關系 幾種電路結構的比較開關電源變壓器的工作狀態(tài)與開關型功率變換器的電路形式有關，一般根據(jù)功率大校，使用要求，采用不同形式的功率變換器。不同的電路形式，開關電源變壓器工作狀態(tài)

51、也不同，對開關電源變壓器提出了不同的設計要求。就輸出功而言，全橋式最大，推挽式次之，半橋式居中，單端正激式和反激式輸出功率最小。就開關晶體管個數(shù)而言，推挽式和半橋式有兩個晶體管，全橋式四個，單端正激式和反激式各一個。就效率而言，以E133變壓器為例，在工作頻率為50kHz、溫升500C時，全波全波的效率為0.99062，橋式全波的效率為0.99205，橋式橋式的效率為0.99336。表3-1各種電路的比較電路優(yōu)點缺點功率適用場合反激電路簡單，成本很低，可靠性高，驅動電路簡單適合小功率，變壓器單向激磁，利用率低幾瓦幾十瓦小功率電子設備、計算機設備、消費電子設備電源。正激電路較簡單，成本低，可靠性

52、高，驅動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾 百瓦幾千瓦各種中、小功率電源全橋變壓器雙向激磁，沒有變壓器偏磁問題，開關較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要隔離驅動電路幾 百瓦十幾千瓦各種工業(yè)用電源，計算機電源等半橋變壓器雙向激磁，容易達到大功率結構復雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅動電路幾 百瓦幾百千瓦大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等推挽變壓器雙向激磁，變壓器一次側電流回路中只有一個開關，通態(tài)損耗較小，驅動簡單有偏磁問題幾 百瓦十幾千瓦低輸入電壓的電源結合以上各電路特點，結合此次設計的要求，決定選用半橋式變換器做為主變換器。半橋式變換器是目前應用較多的變換器形式，它

53、所適用的功率范圍滿足設計要求，電路結構較為簡單，功率開關組件較少。至于存在的上下開關直通問題，通?？梢赃x擇合適的PWlVl控制芯片和通過設置死區(qū)時間來解決。在功率器件的隔離驅動問題上，由于電力電子技術的完善和成熟，隔離驅動已經成為大功率器件必不可少的控制方式，因此不構成不利因素。由于技術指標中要求輸出電壓大范圍可調，并且對紋波和穩(wěn)壓精度的要求較高，同時還要考慮噪聲對電源系統(tǒng)的影響，或電源噪聲對開關電源的影響。在半橋電路之前，加上濾波電路。主電路如圖3-13所示。圖3-13 驅動電源主電路在電源進線端通常采用如圖3-13所示電路。該電路對共模紋波干擾均有較好抑制作用。Ll，L2，C1，C2用于濾

54、除共模干擾信號。Cl，C2為旁路電容，又稱Y電容。電容量要求2200pF左右。電容量過大，影響設備的絕緣性能。L1、L2要求圈數(shù)相同，電感量2mH左右。在同一磁芯上繞兩個匝數(shù)相等的線圈，電源往返電流在磁芯中產生大小相等、方向相反的磁通。Ll、L2對于相線與地線問共模信號，呈現(xiàn)為一個大電感。對共模信號而言，共模電感呈現(xiàn)很大的阻抗。3.2功率開關原件設計開關電源中的功率開關元件主要是功率晶體管、功率MOSFET、功率IGBT本設計中選功率三極管E13007，同時配上散熱片。開關頻率定為40kHz。3.3電感、電容的計算主回路電路中的電感具有非常重要的作用，它起著減小電流上升率，平滑直流回路電流的重

55、要作用。從理論角度講，電感值越大越好，但這會給使用帶來很大的不方便，因此，為了使電感值不大，而又達到預期的效果，必須對電感值加以計算。對于本設計，設定電網電壓整流后的變化范圍約為270V340V，此處諧波電壓取小于0.05%。使電流連續(xù)的電感臨界值，取輸出電壓最低，電流最小時的情況，因為此時電流最不容易連續(xù)7：3.4變壓器分布參數(shù)及材料選擇變壓器是電源的核心器件之一，主要作用有：磁能轉換、電壓變換和絕緣隔離。在開關管的開關作用下，變壓器性能的好壞不僅影響變壓器自身發(fā)熱和效率，而且還會影響到開關電源的技術性能和可靠性，所以在設計制作時，對磁芯材料的選擇，磁芯與線圈的結構，繞制工藝等都要周密考慮。

56、高頻變壓器的分布參數(shù)開關變壓器傳遞的是高頻方波電壓，在瞬變過程中，漏感和分布電容會引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部震蕩，造成損耗增加，嚴重會造成開關管損壞因此應加以控制。在輸出為高壓，輸出繞組匝數(shù)多，層數(shù)多時應考慮電容帶來的危害，一般的設計主要考慮漏感的影響。同時，降低分布電容有利于抑制高頻信號對負載的干擾。一般根據(jù)開關電源電路的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結構中實現(xiàn)，而趨膚效應影響則作為選擇導線規(guī)格的條件之一。變壓器的漏感主要為勵磁電感LM,原邊漏感L1、副邊漏感L2,如圖3-14所示。其中勵磁電感LM很大，并且與原邊繞阻并聯(lián)，因此可以忽略。副邊的漏感L2折合到原邊，和原邊的漏感L1和為變壓器的等效漏感LS。圖3-14 變壓器的漏感圖3-1