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1、摘要随着LED功率和光效的不断提高，大功率LED照明将在许多领域逐渐取代传统的照明灯具。和白炽灯等传统灯具不同，LED属于半导体器件，其压降会随温度的增高而降低，因此用传统的电压源驱动LED时会导致其电流和温度不断增加，最终会损坏LED。所以，大功率LED应该用恒流电源驱动。恒流电源的电路种类众多，本文分别从电源的效率、成本和恒流性能等方面进行着手讨论。对比了包括线性电源和开关电源的几种方案，并分析各电路的优缺点。由于线性电源的一些固有缺陷，如低效率、体积笨重等，使线性电流源的使用受到了较大限制，而开关电源则恰好弥补了线性电源在这方面的不足。因此，本设计最后选择了目前广泛使用的开关电源来实现L
2、ED的恒流驱动。开关电源的设计目标是驱动1W高亮LED，采用分模块的设计方法，电路类型选择了反激式拓扑，这样既能起到隔离作用，也能控制了成本。在LED驱动电源关键的恒流部分，采用TL431提供精密的参考电压，同时用低阻值电阻对输出电流采样，再用运放将两者比较放大后输出电压通过光耦反馈到电源控制芯片进行调节，得到了很好的恒流效果。在设计完成之后的主要工作是对驱动电源的PCB板进行测试，使用了三个不同厂家生产的1W高亮LED灯珠，并在不同交流输入情况下用万用表进行测试并记录了相关数据，结果显示本设计具有很好的恒流效果，并具有较高的效率。关键词：LED驱动；反激式拓扑；隔离变压器；精密恒流目录摘要I
3、AbstractII第一章 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题研究的主要内容与目标2第二章 相关知识与方案的研究32.1 LED技术参数分析与型号选择32.2LED驱动电路特性研究42.2.1 普通恒压限流电路42.2.2 线性恒流驱动电路52.2.3 PWM开关恒流驱动电路62.3LED驱动电路的参数确定和电路类型选择7第三章 驱动电路的功率部分设计93.1PWM驱动电路的拓扑选择93.2高频变压器一次侧电路设计143.2.1 输入整流滤波143.2.2 EMI滤波器设计153.2.3 漏感尖峰吸收电路153.3高频变压器设计163.3.1 变压器磁芯与骨架选定173.3.2 变压器
4、一二次电感值和气隙设计183.3.3 变压器绕制与漏感的控制203.4 变压器二次侧输出电路213.5 PWM驱动IC和开关管的选用223.5.1 驱动IC加开关管方式223.5.2 开关管集成于IC的单片开关电源芯片22第四章 反馈电路与恒流电路设计244.1输出线与反馈方式244.1.1 限压精度与电路形式244.1.2 反馈电路类型选择254.2 恒流电路设计254.2.1 LED驱动电路的恒流精度要求254.2.2 恒流电路的类型及其选定25第五章 总体方案实现305.1原理图305.2 主要性能指标315.3系统调试分析31总结与展望32参考文献33致谢34第一章 绪论1.1 课题背
5、景与意义在当今全球能源紧缺的环境下，节约能源已成为大势所趋，仅在在照明领域，人们所消耗的能源就不可估量。在过去几十年间，白炽灯一直是照明的主要灯具，然而人们也很快认识到这种靠热生光来提供照明的方式大大浪费了电能，于是后来荧光灯被开发出来并迅速应用到公共以及家庭等各个领域中。其寿命也是一般白炽灯的数倍以上而且可以根据需要制作不同发光颜色的灯光。可以说荧光灯的应用是照明领域的一次革命。而近几年开始，第三次照明革命又将来临，它就是大功率LED照明。由于荧光灯的仍存在不足之处，一方面它的节能效果还不算特别突出，仍有较大提升空间；另一方面，荧光灯很难进行调光。而LED在照明方面的应用能很好解决此类问题，
6、此外LED灯还具有体积小、还不怕磕碰等优点。另外在LED的供电方式上，与传统白炽灯或荧光灯相比有着很大不同。为了保证LED灯具的使用寿命，我们不能使用传统的电压源对其供电，取而代之的是具有恒流功能的驱动电路。LED进入照明领域是近几年开始的，从总体上看，我国LED照明产业仍处于起步阶段，在不少相关技术上仍存在不足，相关产品质量检测标准的制定迟缓，导致业内产品参差不齐，形成了非良性竞争。在LED的驱动方面，市面上存在着各种各样不同形式的驱动电路，但在安全可靠、寿命等方面差别甚大。所以研究LED的特性及其驱动电路是保障LED顺利进入照明市场的关键因素之一。全面分析LED驱动电路工作原理和特征有助于
7、人们开发出安全高效的电源，进而助推LED照明早日取代传统照明灯具，实现绿色环保的照明环境，为节能减排和生活质量的提高作出贡献。另一方面，LED照明的成本居高不下，其中一个主要原因就是驱动器的成本，如果能进一步降低驱动成本，则可以进一步推进LED照明的应用。所以在本设计中，也尽量使用简单的电路结构，以及集成芯片来降低成本和PCB板面积，这还可以让电路的可靠性得到提高。至于目前国内外的研究情况，在驱动器芯片方面，国内设计厂家还是较少，国外则有安美森、PI、美信等众多著名设计厂商。这些驱动器芯片可以分类成便携电子设备使用的升压变换器专用芯片、家用隔离变换器专用芯片等。从功率等级方面来分，其驱动电流可
8、以从几十毫安达到数安，效率也不尽相同。对于目前LED的使用情况来说，LED的驱动芯片选择性还是很大的，目前广泛使用的LED驱动芯片主要用于数码相机和移动电话，工业、汽车和家庭等照明方面。1.2 课题研究的主要内容与目标本课题根据LED在家用照明应用中的发展情况，设计一个家用的1W 隔离式LED驱动恒流源。设计使用的驱动芯片主要应用于家庭LED照明。本设计以反激式DC-DC转换器的结构为基础，根据lW白光LED的具体驱动要求来实现和完成驱动电路。首先构建出整体的电路形式，然后再仔细分析设计各个子模块电路；接着根据具体要求选择合适的元器件实现所需功能和要求。本设计的研究方法是，在输入电压，负载等因
9、素变化的同时，输出电流始终保持稳定，即恒流特性。最终研究目标是完成既定设计要求的高亮度白光LED驱动电路的设计。主要满足以下几个指标：单个1W白光LED的恒流输出介于320mA至350毫安，具体理论值取决于所选的电阻额定值，且恒流精度高于2%；具有短路保护和开路保护的功能；驱动器有较宽的输入电压范围和较高的效率。本文的创新点有如下几方面：一是挑选了高效率的开关电源驱动芯片，实现了电路的高效率；二是在高频变压器上采用了三明治绕法，有效增加了一二次侧的耦合，降低了漏感，另外还采用了Z字形绕线方式，降低了绕线层间分布电容，提高了变压器效率，降低了发热。三是在恒流功能方面采用了精密电压基准和运放采样放
10、大结合的方式，实现了精密恒流功能，完全满足LED驱动方面的使用。论文结构和内容安排方面，一共分为五个章节，其中第一章是绪论，介绍了课题背景和研究意义，国内外的研究情况以及论文的创新点及内容安排。第二章首先介绍了LED的特性，然后仔细分析了LED的驱动电路和方案，通过方案比较对驱动器进行选型。第三、四章是驱动器的详细设计，采取分模块设计的方法，对各个模块分别进行详细的理论设计。第五章介绍了总体方案的实现情况，包括了相关的测试数据。最后是全文总结与展望，将设计的结果与预期对比，提出今后工作展望。第二章 相关知识与方案的研究本章先从高亮LED的电气特性等方面入手，进而引出对LED驱动器的技术要求并选
11、择符合设计要求的几款不同厂家生产的1W LED产品。另一方面，对可用于LED的几种驱动电路进行了分析与比较，包括传统的线性电源和开关电源，从方案比较与选择中确定出设计时选用的电路类型。2.1 LED技术参数分析与型号选择高亮LED属于半导体二极管器件，因此它的主要电气特性和一般二极管相同，都具有单向导电性，同时电流会随电压的上升呈现出近似指数的上升趋势。下面是某款1W LED的伏安特性曲线。从中可以看出此LED在350mA工作电流时的正向压降为3.3V左右，因此为保证正常工作必须限制最大电流。 图2-1还有另一重要的特性是LED的温度特性，半导体器件对温度通常很敏感，如果超过一定温度，则LED
12、的寿命会受到很大影响，进而缩短正常使用时间。下面是在某一散热条件下LED的最大允许工作电流与环境温度的关系。可以看出环境温度越高，LED的最大正常工作电流越低，否则将对寿命产生严重影响。一般室内温度不超过50度，LED可以正常工作，但必须保证散热良好。 图2-22.2LED驱动电路特性研究 LED有多种多样的驱动电路形式，有传统的线性恒流与如今广泛发展开关电源恒流，也有低成本的恒压限流形式，这些电路都有其各自的优缺点。下面将通过对各种电路的优缺点对比来选择出最佳的驱动电路形式。2.2.1 普通恒压限流电路 图2-3如图1-1所示，这是最简单的电阻限流形式的LED驱动，设LED的压降为Ud，电源
13、电压为U，则流经LED的电流为I= (2-1) 这种电路形式最简单，成本也很低，但缺点也很明显，首先由于高亮LED的电流比较大，电阻R要使用大功率电阻，同时有较大电能损耗，其次由于电源电压的波动和电阻值的温漂，恒流效果欠佳。因此这种形式的电路适用范围较窄。2.2.2 线性恒流驱动电路（1）采样集成电源芯片的驱动电路 图2-4采用线性恒流驱动LED最简单的方法是利用线性集成芯片构成恒流源，如上图所示，利用集成芯片LM317，它的最大输入电压可以达到40V左右，足以提供多个LED串联电路的驱动，且LED较多时效率也较高，如串联10个LED时，LED总压降约33V，再加上而电源芯片的压降可以做到不超
14、过2V，其效率超过90%，此外还能提供其它形式电路难以比拟的非常好的恒流效果。由于LM317输出端与调整端的电压差恒为1.25V，所以此电路中通过LED的电流为 I= (2-2)除了上述优点外，它的缺点就是输入电压的限制，如果在家庭中用220V使用，则还需一个工频变压器将220V降低到适当的电压再整流滤波为LM317提供电源，而且由于电网电压的波动影响，LM317输入与输出必须留有足够压差，这将导致效率的下降，而且在LED个数较少时，效率也将进一步降低，因此这种电路只适合于电源电压较稳定时驱动多个LED的场合，所以适用范围受限制，在本设计中驱动1个1W LED则不适用。（2）采用反馈调整的恒流电路线性恒流电源还有一个形式就是用运放采样输出电流大小，再来调整功率三极管的导通程度，从而调节输出电流，最终达到恒流目的。其电路基本形式如下图所示：图2-5图中R为输出电流采样电阻，采样后输入运放反相端，运放的同相端接参考电压VRef，运放将误差信号放大输出后对复合三极管进行调整，恒流时，运放两输入端电压相同。恒流电流值为 I= (2-3) 由于线性电源的固有缺点，在复合三极管上也会有较
