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1、青岛理工大学本科毕业设计(论文)说明书青岛理工大学毕 业 设 计（论 文）题目 LED照明电源系统设计 46摘 要LED在照明应用中，因其具有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、可靠性高、调控方便等诸多优点，正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用。本论文介绍了一种基于TOP224Y三端离线式PWM集成芯片的反激式开关稳压电源；分析了TOP224Y的特性和工作原理，设计了一款直流输出电压电、流分别为+12V，+350mA的单片开关电源，并对系统开关电源实用电路及主要单元电路进行了详细的分析，进行了参数值计算、器件的选取与电路设计；最后，给出PCB板电路图。实验证明：该开关稳压电源具有效
2、率高、波纹小、输出电压稳定等优点。关键词：TOP224Y；单片开关电源；高频变压器；PCB板。目 录摘 要I目 录III第1章 绪 论11.1引言11.2 LED照明的现状和发展趋势11.3 LED照明目前存在的问题与解决方法41.4论文主要工作及设计目标要求5第2章 驱动电源整体方案设计82.1 LED照明驱动电源的确定82.2 LED照明反馈电路的确定112.3 LED照明调制控制方式的确定142.4小 结15第3章 开关电源主电路的设计163.1 主电路拓扑及芯片的选择163.1.1主电路拓扑的选择163.1.2芯片的选择及简介173.2 开关电源输入回路（整流滤波电路）的设计203.3
3、 驱动变压器的设计213.4 箝位保护电路的设计233.5 输出整流滤波电路的设计243.6 反馈电路的设计25第4章 PCB板设计274.1 PCB技术简介274.1.1 PCB的分类274.1.2 国内PCB技术的发展前景284.2 PCB板设计应注意的问题304.3 元器件的封装334.4 小结35总 结36参考文献37第1章 绪 论1.1引言1879年，爱迪生发明了碳丝白炽灯，使照明技术进入一个崭新的时代。回顾20世纪的照明史，荧光灯、汞灯、高低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、高频无极荧光灯以及微波硫灯等新光源层出不穷。白炽灯从其问世的那一天起就带有先天性的缺陷，寿命短，钨丝加热耗
4、电大，灯泡易碎，而且容易使人触电。荧光灯的出现，虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力产生不利的影响，灯管内的重金属汞也有害于人体和环境。真正引发照明技术发生质变的还是LED的发明。与传统照明技术相比，LED的最大区别是结构和材料的不同，它是一种能够将电能转化为可见光的半导体。LED属于全固体冷光源，体积极小、结构坚固、重量轻、而且工作电压低，使用寿命长，节能环保。LED光源被称为继白炽灯、荧光灯、高强度气体灯之后的第四代光源。1.2 LED照明的现状和发展趋势目前，LED已经应用于各种照明领域，这包括景观照明、汽车市场、普通照明、道路照明等。LED照明市场已经逐步形成规模，如日本松下电工已开始生
5、产“袖珍型LED照明灯”，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯，国内明达光电厦门有限公司开始生产LED路灯等。由于石化资源的匮乏，世界性的能源危机引起了各国的重视，并纷纷把照明节电特别是白光LED产业的发展纳入国家发展战略中。面对LED照明将要形成的巨大市场，世界上掌握半导体照明技术的公司，如通用电气、飞利浦、欧司朗等世界三大照明工业巨头、全都启动大规模商用开发计划，不断推进半导体照明的发展。国内对LED的研究和应用也进行了重点投入。2006年l0月，国家“十一五”863计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。我国半导体产业正在进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇。我国出现了
6、很多示范性路灯照明实例。随着2008年北京奥运会和20l0年上海世博会的陆续申办成功，北京、上海等主要的举办城市加大了对景观照明的投入，受此影响，2007年LED用于景观照明市场的规模达到21.2亿元。可以预见，未来LED将逐渐替代白炽灯、荧光灯等光光源，成为人造光源逐流产品，广泛应用于各种照明、显示和标识，专家估计将会有1000亿美元的产业规模。并且LED照明与其他照明相比具有以下优点：(1) 高效节能：传统的照明光源存在光效低(一般白炽灯光效20左右，普通节能灯只有4050左右)、耗电量大、光线中含有大量的紫外线、红外线辐射，电能绝大部分转化为热能。按照通常的光效定义，LED的光效并不高，
7、但由于LED的光谱几乎全部集中在可见光频段，效率可达8090，一般LED灯使用低电压、低电流驱动，功耗低，在相同的照明效果下比传统光源节能80以上。 (2) 寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有松动的部分，不存在普通灯丝发光发热易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可高达6万10万小时，是传统光源使用寿命的10倍以上。由于寿命长，经久耐用，减少了维护和更换的费用，降低了成本。(3) 绿色环保：现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃后都会对人体的健康和环境造成危害。而LED运用冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质，光谱中没有紫外
8、线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 (4)光效高：白炽灯的光效为12241mW，荧光灯的光效为50701mW，钠灯的光效为901401mW，大部分的耗电变成热量损耗。目前LED的光效为501001mW左右，世界各国均加紧提高LED光效的研究，按现在LED技术发展的速度预测，到20102015年，白光LED的光效将达到l502001mW，远远超过其他所有照明光源的光效。 (5) 光色纯、光束集中：传统照明光源的光谱较宽，且发光方向为整个立体空间，不利于配光和光线的有效利用。而LED则为分立的光谱，谱线较窄，色彩丰富、鲜艳，可以有多样化的色调
9、选择和配光，并且LED光源发光大部分集中会聚于中心，发散角较小，可以有效地控制眩光，从而简化灯具结构，节省设计和制造成本。(6) 高新技术：与传统光源的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功地融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术和嵌入控制技术等。LED在照明领域中的应用主要包括以下四个方向的技术：LED光源技术、LED驱动电源技术、LED配光技术和LED散热技术。本论文主要从LED驱动电源技术介绍LED照明的研究现状和发展趋势。LED驱动电源技术：原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作为照明光源就要解决电源变换这一问题。现有用原始电源
10、给LED供电主要有以下四种情况：低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动以及市电驱动。不同的情况在LED电源变换器的技术实现上有不同的方案。下面简要介绍这四种不同的驱动电源技术。 (1) 低电压驱动：低电压驱动就是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED，如一节普通的干电池或者镍铬镍氢电池，其正常供电电压为0.8至1.65V。低电压驱动LED就是要把电压升高到足以使LED导通的电压值。对于LED这样的低功率照明器件，这是一种常见的使用情况，如LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的变换效率。另外，考虑到有可能配合一节5号电
11、池工作，还要有最小的体积，其最佳技术方案是电荷泵式升压变换器。 (2) 过渡电压驱动：过渡电压驱动是指给LED供电的电源电压值在LED管压降附近变动，这个电压有时略高于LED管压降，有时略低于LED管压降。如一节或者两节锂电池串联的铅酸电池，满电时电压在4V以上，电快用完时电压在3V以下。用这类电源供电的典型应用有LED矿灯等。过渡电压驱动LED的电源变换电路既要解决升压问题又要解决降压问题，为了配合一节锂电池工作，也需要有尽可能小的体积和尽可能低的成本。一般情况下功率也不大，其最高性价比的电路结构是反极性电荷泵式变换器。 (3) 高电压驱动：高电压驱动是指给LED供电的电压值始终高于LED管
12、压降，如5V、12V，24V的电源。典型应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压驱动LED要解决降压问题，由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电，会用到比较大的功率(如机动车照明和信号灯光)，应该有尽可能低的成本。变换器的最佳电路结构是串联开关降压电路。 (4) 市电驱动：市电驱动，顾名思义就是用220V、50Hz的交流市电经过电源变换装置给LED供电。这是一种对LED照明应用最有价值的供电方式，是半导体照明普及应用必须要解决好的问题。用市电驱动LED要解决降压和整流问题，还要有比较高的变换效率、有较小的体积和较低的成本。另外，考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因数
13、问题。对中小功率的LED，现在普遍使用的电路结构是反激变换器。对于大功率的应用，则是使用桥式变换电路。目前，单颗LED的光效还不足以满足大部分照明的要求，这就要求LED驱动电源能够同时驱动多个LED，只有合理的配合设计才能保证LED正常工作。LED负载的连接形式直接关系到其可靠性和使用寿命，现有的连接方式有全部串联、全部并联、混联三种。无论是何种驱动电源技术，归根到底对于LED照明而言只有恒压和恒流的区别。采用恒压设计会危害LED的未来。LED是需要恒流方式驱动工作的，但目前由于恒流方式限制达不到实际需求，而较多地使用恒压方式设计。恒压方式是暂时的过渡，很快会被恒流技术取代。故本设计采用的是市
14、电驱动1.3 LED照明目前存在的问题与解决方法目前，LED照明光源的光效虽然还不是很理想，但随着时间的推移和制作工艺的进步，其光效将达到甚至超过现有的其他照明光源的光效。同时，高功率LED照明的散热效果也有望进一步得到改善。LED的理论使用寿命在6万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，LED照明忽明忽暗，使LED极易损坏。当前很多厂家生产的LED灯类产品采用阻容降压的方式向LED供电，这样做使得效率低。并且现有的大部分驱动电源功率因数普遍偏低，降低了电能的有效利用率。精确设计驱动电源是解决上述问题的关键，只有根据LED照明产品的要求、应用场合，选择合适的拓扑结
15、构，合理选用LED驱动方式，才能提高LED照明的效率和可靠性，将LED照明的优势充分发挥出来。在LED照明的配光技术方面，目前的配光大部分沿用传统配光方法，普遍采用透镜聚光和反射镜利用旁侧光照，为了达到一定的光照效果，往往给照明灯具带来种种问题例如散热差和灯具的体积大和重量增加及其影响外观，同时也忽略了LED的光学特性，而且LED照明灯具配光后的光利用效率也较低。解决上述问题，只有从LED自身的结构和发光特性出发，寻求一种能够满足LED照明要求的，且具有LED照明特点的配光方法。综上所述，解决LED照明的方法只有从LED自身的光学、电学和结构特点出发，根据具体的应用环境和条件要求，因地制宜，才能解决LED照明技术上存在的问题，使LED照明真正成为值得广泛推广使用的绿色照明。1.4论文主要工作及设计目标要求论文的主要工作：(1) 熟悉LED照明系统工作原理，发展趋势，开关电源的控制方式以及工作原理。(2) 研究LED照明驱动电源的相关技术，对驱动电源的主电路进行分类和比较，重点研究驱动电源的驱动效率和校正问题,总结一般LED照明对驱动电源的要求，然后按设计要求选择驱动芯片，设计驱动电源电路。(3) 研究
