（毕业设计论文）《LED恒流驱动电源架构》

《（毕业设计论文）《LED恒流驱动电源架构》》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（毕业设计论文）《LED恒流驱动电源架构》（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、编号 密 级 ： 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 课课题题名名称称LEDLED 恒流驱动电源的设计恒流驱动电源的设计 年年级级专专业业 姓姓 名名 指导教员指导教员 摘摘 要要 LED 具有高效、长寿命、低功耗、安全等优点,已被广泛应用于 城市景观装饰、交通车站和商业广告等公众设施.近年来,随着单晶 单管 LED 的输出功率、发光效率以及高功率封装技术的不断发展, 使 LED 作为一般照明具有广泛的应用前景.然而,LED 的输出光流明 数和波长同 PN 结的温度以及电流密切相关.常规的驱动电路,恒流效 果差,温度漂移特性差,输入电压范围窄等缺点,将引起 LED 的提前老 化,不能达到 LE

2、D 长寿命的特点等.本设计中的研究方向是改变上述 电路的缺点,达到高效率,低成本,真正达到恒流效果. 以达到实际工业 生产中的要求。 文中重点阐述了电路的反馈系统以及电路中应用元件的简 介及选择,并对开关电源的分类和功能进行了简单说明, 最后还对本次 设计的优缺点及展望作了描述。 关键词：LED 开关电源 反馈系统 恒流 目 录 第一章 引言 11 本课题研究的目的 12 设计 LED 开关电源时应该注意参数 13LED 驱动电源的分类及特性 第二章 设计中元件简介 2.1 NCP1200 简介 2.2 PC817 简介 2.3 LM358 简介 2.4 周边元器件选择 第三章 设计方案 3.

3、1 电路原理 3.2 电路要求 3.3 案一 不隔离型直接反馈电路 3.4 方案二 不隔离型晶体管反馈电路 3.5 方案三 不隔离型运放反馈电路 3.6 方案四 不隔离型光耦直接反馈电路 第四章 实验中问题及处理方法 第五章 实验总结 第一章 引言 11 本课题研究的目的 LED 驱动电源成为 LED 工程亮化一个软肋 LED 驱动电源贯穿整个 LED 产业链的发展，可以比喻为保持 LED 产业顺利 发展的血液，缺少了 LED 电源环节，上中下游的发展将短路、缓慢，无法实现 高速的飞跃，因此，在中国 LED 产业链的逐步成熟的今日，掌握了先进可靠的 LED 驱动，将快速的抢占市场，从而迅速的实

4、现 LED 的产业化。 LED 灯珠芯片没有问题，但是电源提前损坏了，虽然 LED 灯本身还是好的， 但是展示在客户面前就是你的灯不行，灯坏了，不能用。所以，电源还是一个 比较困惑的问题。 ” LED 驱动电路应该解决的问题： 1.封装环节中的 LED 灯珠静电保护和开路保护难题； 研发的具有静电保护功能的器件，使得 LED 能够防止静电，同时避免因其 中一颗损坏（开路）而引起整个灯串不亮的情况。 2.高压交流输入提供恒流源； 为 LED 提供最佳的恒流源驱动，保持其处于最佳的工作状态；为实现 LED 的普及和应用提供了可靠的基础。 3.工程应用中的电源方案； 由于天气的差异、各地电压的差异，

5、LED 的工作环境的不同，实际工程中 的设计和应用的种种特殊指标和要求。 1设计 LED 开关电源时应该注意参数 LED 开关稳压电源(以下简称 LED 开关电源)问世后,在很多领域逐步取代了 线性稳压电源和晶闸管相控电源.早期出现的是串联型 LED 开关电源,其主电 路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态.随着脉宽调制(PWM) 技术的发展,PWM-LED 开关电源问世,它的特点是用 20kHz 的载波进行脉冲 宽度调制,LED 开关电源的效率可达 65%70%,而线性电源的效率只有 30%40%.因此,用工作频率为 20 kHz 的 PWM-LED 开关电源替代线性电源, 可大幅

6、度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在 LED 开关电源技术发展史 上被誉为 20kHz 革命.随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯 片尺寸的不断减小,LED 开关电源的尺寸与微处理器相比要大得多;而路灯 LED 开关电源、大功率 LED 开关电源、军用 LED 开关电源以及用电池的 便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的 LED 开关电源.因此,对 LED 开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和 电容的体积重量也要小.此外,还要求 LED 开关电源效率要更高,性能更好,可 靠性更高等.这一切高新要求便促进了

7、LED 开关电源的不断发展和进步. 设计 LED 开关电源时应该注意参数: 1:LED 开关电源功率密度 提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断追求的目标.这对 便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要.使开关电源小型化的具 体办法有以下几种. 一是高频化.为了实现电源高功率密度,必须提高 PWM 变换器的工作频率、 从而减小电路中储能元件的体积重量. 二是应用压电变压器.应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄 和高功率密度.压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和 “振动-电压”变换的性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是 功率变换领域

8、的研究热点之一. 三是采用新型电容器.为了减小电力电子设备的体积和重量,须设法改进电容 器的性能,提高能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电 容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等. 2:LED 开关电源中高频磁性元件的选择 LED 开关电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和性能都不 同于工频磁元件,有许多问题需要研究.对高频磁元件所用的磁性材料,要求其 损耗小、散热性能好、磁性能优越.适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所 关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用. 3:LED 开关电源中高频化以后软开关技术的应用 LED 开关电源高频化以后,为了提高 LE

9、D 开关电源的效率,必须开发和应用 软开关技术.它是过去几十年国际电源界的一个研究热点. PWM-LED 开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压下降/上升和电流上 升/下降波形有交叠),因而开关损耗大.高频化虽可以缩小体积重量,但开关损 耗却更大了.为此,必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术,即所谓零电压 开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术,或称软开关技术,小功率软 LED 开关电源 效率可提高到 80%85%.上世纪 70 年代谐振开关电源奠定了软开关技术的 基础.随后新的软开关技术不断涌现,如准谐振(上世纪 80 年代中)全桥移相 ZVS-PWM,恒频 ZVS-PWM/ZCS-

10、PWM(上世纪 80 年代末)ZVS-PWM 有源嵌 位;ZVT-PWM/ZCT-PWM(上世纪 90 年代初)全桥移相 ZV-ZCS-PWM(上世纪 90 年代中)等.我国已将最新软开关技术应用于 6kW 通信电源中,效率达 93%. 4:LED 开关电源中使用同步整流技术 LED 开关电源中使用同步整流技术,相对于低电压、大电流輸出的软开关变 换器,可进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗.例如同步整流 (SR) 技术,即以功率 MOS 管反接作为整流用开关二极管,代替萧特基二极管 (SBD),可降低管压降,从而提高 LED 开关电源电路效率. 5:LED 开关电源中功率因数校正(

11、PFC)变换器应用 LED 开关电源中功率因数校正(PFC)变换器应用.由于 AC/DC 变换电路的输 入端有整流器件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设 备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为 0.6- 0.65.采用功率因数校正(PFC)变换 器,网侧功率因数可提高到 0.950.99,输入电流 THD10%.既治理了对电网的 谐波污染,又提高了电源的整体效率.这一技术称为有源功率因数校正(APFC). 6:LED 开关电源的全数字化控制 LED 开关电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段. 全数字控制是发展趋势,已经在许多功率变换设备中得到应用. 全

12、数字控制的优点是数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量,芯片 价格也更低廉;对电流检测误差可以进行精确的数字校正,电压检测也更精确; 可以实现快速,灵活的控制设计. 7:LED 开关电源电磁兼容性 LED 开关电源电磁兼容性:高频 LED 开关电源的电磁兼容(EMC)问题有其特 殊性.功率半导体器件在开关过程中所产生的 di/dt 和 dv/dt,将引起强大的传 导电磁干扰和谐波干扰,以及强电磁场(通常是近场)辐射.不但严重污染周围 电磁环境,对附近的电气设备造成电磁干扰,还可能危及附近操作人员的安全. 同时,电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也必须能承受开关动作产 生的 EMI

13、及应用现场电磁噪声的干扰.上述特殊性,再加上 EMI 测量上的具 体困难,在电力电子的电磁兼容领域里,存在着许多交叉学科的前沿课题有待 人们研究. 8:LED 开关电源设计和测试技术 LED 开关电源系统的 CAD,包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最 优化、磁设计、热设计、EMI 设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算 机辅助综合和优化设计等.用基于仿真的专家系统进行 LED 开关电源系统的 CAD,可使所设计的系统性能最优,减少设计制造费用,并能做可制造性分析, 是 21 世纪仿真和 CAD 技术的发展方向之一.此外,LED 开关电源系统的热测 试、EMI 测试、可靠性测试等技术的开

14、发、研究与应用也是应大力发展的. 9:LED 开关电源系统集成技术 LED 开关电源系统集成技术:LED 电源设备的制造特点是非标准件多、劳动 强度大、设计周期长、成本高、可靠性低等,而用户要求制造厂生产的 LED 开关电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、成本更低.这些情况使 LED 开关电源制造厂家承受巨大压力,迫切需要开展集成 LED 开关电源模块的研 究开发,使 LED 开关电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降 低成本等目标得以实现. 实际上,在 LED 开关电源集成技术的发展进程中,已经经历了电力半导体器件 模块化,功率与控制电路的集成化,集成无源元件(包括磁集成技术)等

15、发展阶 段.近年来的发展方向是将小功率 LED 开关电源系统集成在一个芯片上,可以 使 LED 开关电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄 生参数.在此基础上,可以实现一体化,所有元器件连同控制保护集成在一个模 块中. 上世纪 90 年代,随着大规模分布电源系统的发展,一体化的设计观念被推广 到更大容量、更高电压的电源系统集成,提高了集成度,出现了集成电力电子 模块(IPEM).IPEM 将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装,得 到标准的,可制造的模块,既可用于标准设计,也可用于专用、特殊设计.优点 是可快速高效为用户提供产品,显著降低成本,提高可靠性. 13

16、LED 驱动电源的分类及特性 1、按驱动方式可分为两大类： （1）恒流式: a、 恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻 值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大， 输出电压也就越高； b、 恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。 c、 恒流驱动电路驱动 LED 是较为理想的，但相对而言价格较高。 d、 应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了 LED 的使用数量； （2）稳压式： a、 当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的 电流却随着负载的增减而变化； b、 稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。 c、 以稳压驱动电路驱动 LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串 LED 显示亮度平均； d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。 2、按电路结构方式分类 （1）电阻、电容降压方式：通过电容降压，在闪动使用时，由于充放电的 作用，通过 LED 的瞬间电流极大，容易损坏芯片。易受电网电压波动的影响， 电