LED照明用恒流电源变换器.docx

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LED照明用恒流电源变换器

宜宾学院

电子竞赛设计报告书

设计题目：

LED照明用恒流电源变换器

竞赛小组成员：

张川胡世超彭泽鑫

指导老师：

刘伟平李庆张桐

2011年8月25日

目录

摘要………………………………………………………………3

一、总体方案设计…………………………………………………4

1.1方案论证与比较………………………………………………4

1.2系统设计框图…………………………………………………4

二、理论分析与计算………………………………………………5

2.1变压器参数设计与计算……………………………………5

三、系统电路设计与实现………………………………………7

3.1电源变换器主回路与器件选择………………………………7

3.2控制电路设计………………………………………………7

3.3自动调光电路设计…………………………………………

3.4功率因数校正电路设计………………………………………

3.5开机冲击电路与EMI抑制电路设计………………………

四、系统软件设计…………………………………………………

五、系统测试与分析……………………………………………

5.1测试方法………………………………………………………

5.2测试仪器………………………………………………………

5.3测试数据和误差分析…………………………………………

六、总结……………………………………………………………

参考文献…………………………………………………………

附录………………………………………………………………

摘要

本设计主要由开机冲击电流和EMI抑制电路、功率因数校正电路、单管式正激式隔离变换器、单片机控制模块等部分组成。

设计利用220V的市电经过变压器转换为36V的交流电，经过整流电路后，再经过PFC功率因数校正，得到功率因数较高的直流电。

滤波后送到正激式变换器产生稳定恒定的电流最后再送到负载LED。

同时单片机对负载上得电压，电流进行采样放大，光耦隔离，分析并计算后，从而控制PWM信号，最终调整输出电流并使之稳定的目的。

系统具有恒流输出、电流步进可调、过压保护、功率因数校正、实时显示电压、电流等功能，具有工作稳定、可靠性高等优点，最终实现了LED照明用恒流电源的功能。

关键词：

正激式隔离、恒流电源、闭环反馈、过压保护

Abstract：

ThisdesignmainlybytheimpactoncurrentandEMIsuppressioncircuit,powerfactorcorrectioncircuit,singlepipetypeisseparate-excitedisolationconverterandsingle-chipmicrocomputercontrolmodulecomponents.Design220Vutilityafterusingtransformerconvertsfor36Vofalternatingcurrent,afterrectifyingcircuit,againbyPFCpowerfactorcorrection,gethighpowerfactorofdirectcurrent.Afterfilteringseparate-excitedconverteristoproducestabilityconstantcurrentagainfinallyLEDtoload.Atthesametimewiththechiptoloadvoltage,currentsamplingamplifier,lightcouplingisolation,analysisandcalculation,soastocontrolPWMsignal,andeventuallyadjustoutputcurrentandmadestablepurpose.Systemwithconstantcurrentoutput,currentstepcanbeadjusted,over-voltageprotectionandpowerfactorcorrection,real-timedisplayvoltage,current,andotherfunctions,hasthestableandhighreliabilityetc,andfinallyachievetheLEDlightingtoconstantcurrentpowerfunction.

Keywords:

separate-excitedisolation,constantcurrentpowersupply,closed-loopfeedback,over-voltageprotection

一、总体方案设计

1.1方案比较与选择

（1）功率因数校正电路结构方案

方案一：

采用反激式拓扑结构的功率因数校正电路，优点是将功率因数校正与电源变换器合二为一，可以大大减少电路的损耗，提高电路的整体效率，缺点是电路比较复杂，很难设计与单片机合适的接口电路，不容易使用单片机进行控制。

方案二：

将功率因数校正电路与主控电路分开，采用Boost型的功率因数校正电路后接电源变换器的方案，优点是电路结构简单，并不涉及单片机对功率因数校正电路的控制，只需使功率因数校正部分输出一个稳定的电压即可，缺点是会一定程度上降低设计的整体效率。

鉴于本题要求步进调压的功能，需要单片机对PWM控制芯片有一个良好而稳定的控制，故选择方案二。

（2）电源变换器方案

方案一：

采用半桥变换电路，优点是高频变压器利用率高，传输功率大，电路效率很高，缺点是电路较复杂，且有直通危险。

方案二：

采用单端反激变换电路，优点是电路结构简单，缺点是高频变压器利用率低，需要留有气隙，电路效率不高。

方案三：

采用正激变换电路，优点是输出电压和电流的纹波小，结构较简单，较易于实现，效率高，综合考虑采用方案三。

（3）闭环反馈控制方案

方案一：

采用软件闭环反馈控制，使用单片机进行采样，然后直接由单片机对PWM控制芯片进行控制，调节占空比。

优点是电路结构简单，缺点是反馈回路会受到采样精度、采样速度、单片机运算速度等因素的影响，使反馈系统变得不稳定。

方案二：

采用硬件闭环反馈控制，即使用硬件电路构建反馈回路，由PWM控制芯片根据反馈信号调节占空比，而单片机只是对PWM控制芯片进行辅助调整。

优点是反馈速度快，调节精度高，缺点是易受外部干扰。

由于题目中要求精度较高且电流小，硬件控制困难，故选用方案一。

1.2系统设计框图

系统具体方案如下：

220VACC经工频变压器降压为36VAC，经开机冲击电流抑制电路输入到功率因数校正电路中，得到功率因数较高的直流电。

滤波后送到正激式变换器产生稳定恒定的电流再经高频隔离变压器给串联在一起的LED灯供电，在LED灯处分别进行电压、电流采样，返回给PWM控制芯片和单片机，由单片机给定基准电压来控制PWM控制芯片，进而达到控制LED灯恒流可调的目的。

如图1.2系统总体结构框图

二、理论分析与计算

1.变压器参数设计与计算

（1）计算开关管的最大导通时间

初级绕组开关管的最大导通时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。

D=

=0.5。

工作频率20kHz

=

=50us

=D

=0.5*50=25us

（2）计算最低直流输入电压

设当变换器在最低线路输入电压时发生满载工作。

计算它的输入端的直流电压

。

对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入电压有效值的1.4倍，也不会小于1.2倍。

它与电源线路中的电源阻抗、整流器电压降，储能电容的等效阻抗，以及负载大小均有关，在此取1.3。

这里交流电压36v下线为30v，倍压整流系数取1.9，

=30*1.3*1.9=74V

（3）选择工作时磁通密度值

对于这里用到的铁氧体磁芯，中心此路的有效面积

=180

。

饱和磁感应强度在

时是360ｍＴ。

当工作在18KHz时，65%的饱和值：

=360*0.65=234mT

（4）计算原变匝数

因为作用电压时一个方波，一个导通器件的伏秒值与原边匝数关系：

-----原边匝数

------原边所加直流电压（v）

-----磁通饱和值

----导通时间

---磁芯有效面积（

）

计算得：

=74*25/（0.234*182）=43（匝）

（5）计算副边匝数

这里输出电压是17V，整流二极管压降0.7V，绕组压降0.6Ｖ，则副边绕组电压值为1７＋0.7＋0.6＝18.3Ｖ

原边绕组每匝伏数＝

＝74／43＝1.71Ｖ/匝

副边绕组匝数

＝18.3／1.71＝10.7匝

由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到Ｅ型磁芯磁路可能产生饱和时，使变压器调节性能变差，因此，取10.7匝整数值11匝。

三、系统电路设计与实现

3.1电源变换器主回路与器件选择

经功率因数校正电路得到功率因数较高的直流电，通过电容滤波后送到正激式变换器产生稳定恒定的电流再经高频隔离变压器给串联在一起的LED灯供电，在LED灯处分别进行电压、电流采样，返回给PWM控制芯片和单片机，由单片机给定基准电压来控制PWM控制芯片，进而达到控制LED灯恒流可调的目的。

此电路中采用IRF54OMOSFET型开关稳压管，其内阻低，

图3.1电源变换器模块

3.2控制电路设计

本设计的控制部分采用TI公司的MSP430F247超低功耗单片机，它内部集成有12位DAC，并且它的运算速度快。

3.3自动调光电路设计

自动调压电路采用光敏电阻作为感光元件，利用比较器将光的强弱转换为高低电平信号，使用单片机内置的ADC将这个个电压信号采回单片机，当光照强度较高时时，单片机控制切换为恒流模式，设置的负载电流值为100mA，使LED的亮度随光照强度的增大而减小。

3.4功率因数校正电路设计

选用小功率功率因数校正芯片UCC28019，它工作在电流临界模式。

UCC28019应用简单可靠。

通过电流检测和电压反馈，及PI调节来保持电压恒定。

再通过开关管的PWM控制来得到所需电压。

可实现0.99的功率因数校正和输出稳定直流电压的功能，完全可以满足题目中要求。

图2.4功率因数校正模块

3.5开机冲击电路与EMI抑制电路设计

开机冲击电路采用热敏电阻串联在电源输入端，温度较低时电阻很大，随着电阻发热温度升高，电阻逐渐变小，达到抑制开机冲击电流过大的目的。

EMI抑制电路是利电感和电容的特性，使频率为50Hz左右的的交流电可以顺利通过滤波器，但高于50Hz以上的高频干扰杂波被滤波器滤除，这就使开关电源产生的高频谐波被滤掉而不会污染电网。

图2.6开机冲击电流和EMI抑制模块

3.6保护电路设计

过压保护电路并不是单独设计的，而是整合在电流控制电路中，由恒流控制回路与恒压控制回路的切换完成，当单片机检测到负载上的电压高于36V时，单片机控制将恒流控制回路切换为恒压控制回路，将负载的电压控制在略高于36V，当再次检测到负载电流降低到设定的电流以下时，重新将恒压模式切换为恒流模式，达到过压保护的目的。

四、系统软件设计与实现

系统软件流程图，如下图所示

五、系统测试及分析

5.1测试方法

采用分别测试各个单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法。

5.2测试仪器

（1）直流稳压电源

（2）四位半数字万用表DT9203

（3）安捷伦示波器DSO5012A

5.3测试数据和误差分析

5.3.1测试数据

（1）电压调整率测试

测试条件：

U2为32~40V变化，负载为10个LED

U2（V）

Io（mA）

（2）负载调整率测试

测试条件：

U2=36V，负载由5个增加至10个

负载个数

Io（mA）

（3）效率测试

测试条件：

U2=36V，负载为10个LED,Io=300mA

输入电压为：

输入电流为：

输出电压为：

输出电流为：

效率为：

5.3.2误差分析

六、总结

经过这几天的努力，在老师的悉心指导，组员的共同努力下，按时的完成了LED照明用恒流电源变换器的设计，由上述电路设计分析计算和测试数据可知：

本系统基本实现了题目中基础部分和发挥部分的功能要求，并达到并超过了各项参数指标，能够实现LED灯额定恒流条件下正常工作以及在光线变化条件下实现自动调光。

此设计在效率提高方面还有待改进，本系统设计基本达到预期目标。

参考文献

（1）《MSP430系列16位低功耗单片机原理与应用》沈建华，杨艳琴，翟晓曙编著清华大学出版社2004年11月出版

（2）《模拟电子技术基础（第四版）》华成英、童诗编著高等教育出版社2006年5月出版

（3）《数字电子技术基础》阎石王红编著高等教育出版社2010年12月出版

（4）《电子线路实验》沈小丰　编著清华大学出版社2007年10月

（5）《VHDL电路设计实用教程》李云，侯传教，冯永浩　编著月机械工业出版社2009年03出版

（6）《开关电源的原理和设计》张占松，蔡宣三编著电子工业出版社2004年09月出版

（7）《智能仪器原理及应用》赵茂泰主编电子工业出版社2009年03月出版

（8）《全国大学生电子设计竞赛系统设计》黄智伟编著北京航空航天大学出版社2011年02月出版

附录