LED路灯恒流驱动开关电源设计.docx

LED路灯恒流驱动开关电源设计.docx

《LED路灯恒流驱动开关电源设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED路灯恒流驱动开关电源设计.docx（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

LED路灯恒流驱动开关电源设计

LED路灯恒流驱动开关电源设计

摘要

LED照明驱动设计了恒流输出、空载保护、隔离输出及EMC等功能。

系应用于LED照明驱动的开关电源电路。

采用PWM自动调节实现恒流输出，稳压管过压锁定实现空载保护，电磁隔离和光隔离实现隔离输出。

经过多次的运行与检测，实践证明该电路恒流输出稳定，发热量低。

本设计体积小,微调反馈电路可设置作为为LED驱动常用的350mA或700mA恒流输出。

可广泛适用于生活照明，商用照明。

关键词：

LED驱动电源；发热低；恒流；隔离；低成本

DrivingswitchpowerLEDlightingdesign

LEDlightingdesigndrivetheconstant-currentoutput,theoutputandprotection,isolationno-loadEMCetc.Function.IsappliedtotheswitchpowerLEDlightingdrivingcircuit.UsingPWMautomaticadjustmentoutputvoltage,theconstant-currentover-voltageprotectiontube,electromagneticno-loadrealizelockingandisolationrealizeisolationoutputisolation.Aftermanyoperationandtest,thepracticehasprovedthattheconstant-currentcircuits,lowheatstableoutput.Thisdesign,smallsize,fine-tuningfeedbackcircuitcanbesetasthecommon350mALEDdriveor700mAconstant-currentoutput.Lifecanbewidelyusedincommerciallighting,lighting.

Keywords：

Ledsdrivingpower；Feverislow；Constantflow；Isolation；Lowcost

1概述

1.1选题的目的与意义：

全球能源紧张，提高电器的效率是行之有效的方法。

照明用电占据全球21%的总用电量，如果能提高照明用的的效率，可以有效缓解能源紧张。

如何提高照明系统的能源利用率，延长照明系统的寿命，并且是绿色无污染的？

取代白炽灯，荧光灯，节能灯的第四代照明灯具是什么？

业界给出的答案就是LED灯照明。

LED照明每W流明数可达到120lm。

远高于白炽灯和日光灯，此外LED灯珠寿命可长达十万小时，并且绿色无污染。

LED照明具备的这些优点决定了其应用前景是非常广阔的。

LED照明应用上的限制在于LED有固定的正向压降，电流也有上限（工作电流是影响LED寿命的主要因素）。

大功率白光LED上的正向压降一般为3-4V，不能直接使用市电驱动。

因此一个和LED灯珠匹配的高效，环保，长寿命的电源是必须的，这正是这次选题的意义与目的所在。

1.2研究现状

开关电源的技术已经非常成熟，由于LED驱动的降压技术大部分采用开关电源。

因此即使是LED驱动电源真正进入研究的时间不算长，却无碍其技术的成熟。

LED驱动要求的技术特点是：

寿命长，体积小（特别商用照明和家用照明，最好可以内嵌到灯头）。

众所周知，绝大部分开关电源都需要一个输出滤波的电解电容，即使高品质的电解电容，工作在100摄氏度左右，寿命也只有1Wh左右。

毫无疑问，电解电容正是LED灯整体寿命的瓶颈。

而内嵌式驱动板上的电解电容，由于LED的发热以及驱动板本身的发热，长期在高温工作，更使电解电容寿命减短。

目前已经有集成电路，无需输出电解电容，仅需几个外围就能直接驱动LED发光。

这使得LED照明的长寿命的特点确实得到保障。

另外一点，限制LED灯寿命是工作时的温度，目前台湾某技术机构解决方法为，使LED灯珠像一个灯一样可拔插，使LED灯成为可维护产品。

除了技术上的创新外，还有组合上的创新，例如加入调光技术（模拟调光，数字调光，Triac调光）；用三色LED组成色光可调制系统；采用频率抖动技术减少EMI；加入功率因数校正电路等

1.3系统性能指标：

1、主输出最大输出功率为14W，辅助输出为0.5W，总输出小于15W；

2、输出电流为恒定350mA；

3、最大输出电压为40V；

4、满负荷下转换效率大于85%；

5、负载为350mA时最大纹波为5mV；

6、因为没有添加功率因数模块，因此PF值最低仅为0.45左右；

7、最少可以接一个1W的高亮度LED，最多可以驱动12个1W的高亮度LED（全功率输出时TNY280应添加散热片）。

1.4系统组成及设计思路：

1设计思路：

考虑到家庭常用的是5×1W，或6×1W，商用照明常用的是1×1W到12×1W，本设计采用恒流输出，输出电压随负载大小自动调节的适用广泛的设计。

考虑到国内采用50HZ、220V的供电系统，而美国、欧洲、日本居民用电从110V-240V不等，再考虑到网压10%的波动，系统把输入放宽到从85V-265V。

本着设计一款符合社会要求的真正节能、节钱、长寿的LED驱动电源的思想。

在能效转换和产品成本上作出折中的选择，转换效率要求在75%以上；元件选择尽可能采用了常见型号，满足要求的情况下，尽可能采用国产的元器件（例如采用常用的1N4007,1N4148，PI公司的TinySwitch-Ⅲ系列，电容采用国产的BHA，Jwco）。

对于批量生产，能有效降低成本，使LED照明更容易走进人民生活。

2系统组成：

系统框图如图示

此图为PI软件设计出的参考框图

本系统采用了LED驱动电路中常用的单端反激式拓扑，该拓扑设计较为简单。

输入采用了四个1N4007作为全波整流，而后经过π型滤波器整流，采用了PI公司的TinySwich-Ⅲ系列中功率容量最大的TNY280作为开关控制IC，采用EE19磁芯实现初次级隔离，采用双路输出实现运放的独立供电，采用运放和电压比较器作为反馈控制以实现高精度恒流控制。

采用低导通压降的肖特基整流管ER303减少二极管发热，滤波电容采用ESR可接受的普通电解电容降低电容温升。

1.5总体功能描述：

1、实现隔离输出

（1）变压器T1提供隔离，储能，变压的功能。

使用高频变压器，初次级能量传输通道为磁通道，实现隔离。

（2）光耦817B提供隔离、反馈功能。

使用光耦合器，次级反馈信号传输通道为光通道，实现隔离。

（3）初次级用安规电容CT7实现静电释放，防止静电堆积引起的高压打火。

同时该电容值较小，次级不会造成触摸电击。

2、实现LED恒流，实现过压保护

（1）次级采用LM358双运放实现恒流和过压保护。

LED升高伏安特性随温度左移（如图1.1）。

假设驱动为恒定电压V2（如图1.2），工作中灯珠温度从T1到达T2,流经灯珠的电流明显增大，电流增大又导致温度升高，如此恶性循环，最后势必烧毁灯珠。

解决办法有两个，一是恒压驱动的同时串接一个电阻在输出回路（如图1.3），当LED灯珠由于温度升高而导致电流增大时，串接的电阻压降增大，LED端电压得以降低，起到对LED的保护作用。

但是这种方法将在串联电阻处耗散一定功率，降低整个电路转换效率，有悖设计初衷。

因此，不采用这种方式。

最理想的方法是采用整体的思想，通过控制开关IC的占空比调节输出电压，控制次级始终输出恒定电流。

本设计正是采用此方案。

图1.1图1.2图1.3

2硬件电路的设计

2.1电路设计

电路原理图如图2.1所示。

图2.1

用PI公司的软件PIExpert7设计出电路框图如图2.2。

该软件设计出的原理图基本都采用比较极限的参数。

因此修改了高频变压器从EE19改为EE20/20/5（磁芯气隙改小）。

开关IC也从TNY275改为TNY280。

目的是使得整个电路发热量减少，更加稳定，以适应各种恶劣的工作环境。

图2.2

改为仅采用一个0.1μ的X电容作为差模抑制，把单电容滤波改为π型滤波。

此外改动较大的是反馈回路，如果只采用TL431作为恒压控制，控制精度较低，且不好实现恒流控制；假设采用三极管S8550加TL431作为恒流稳压控制，精度不够高，并且电流采样电阻一定要取较大阻值，导致效率下降。

因此本设计采用SOP封装的双运放LM358，可实现高精度（变化小于2%）的恒流控制，稳妥的过压保护。

电流取样电阻可改为小至0.5Ω（为减小体积，用两个1Ω电阻并联）的高精度（误差值为1%）金属膜电阻。

先看运放LM358的B部分组成的电压比较器，连接比较器B反相端的外围电路，是可控稳压管TL431组成的恒压源。

TL431的阳极和ref端连接在一起，此时阳极的电压约为2.5V。

因此电压比较器B反相端的电压接近于2.5V。

图2.3

1、运放358的A部分：

通过0.5Ω（两个1Ω的并联，阻值应尽量减少，以提高效率）的金属膜高精度电阻串接接到输出回路作为电流取样电阻，经4702电阻连接到运放A同相端进行加大。

应该令运放A的输出电压（也就是电压比较器B同相端输入电压）在额定输出恒流（1WLED灯珠的工作点，350mA）时刚好等于电压比较器B的反相端电压，也就是2.5V。

通过电压比较器B（运放358的B部分）与稳压管的过压回馈进行电压比较。

正常工作时，电压比较器同相端的电压围绕2.5V波动。

假设某种原因导致输出电流过大，则比较器B同相端电压高于反相端，电压比较器输出高电平，光耦内部发光二极管导通，于是光耦的C脚将从TNY280的EN/UV脚引出较大电流，导致TNY280内部MOS管的PWM方波占空比降低，使得输出电压回落，输出电流也就降低了，就这样达到恒流的目的。

同样的，当某种原因导致输出电流降低，比较器反相端电平高于同相端电平，光耦C脚引出较小电流，导致TNY280内部MOS管的PWM方波占空比升高，使得输出电压回升，输出电流也就增大了，达到恒流的目的。

可见环路为负反馈控制，实现恒流。

2、过压保护主要由电压比较器B实现：

空载时，输出端电压VCC1不断上冲，达到两个稳压管的稳压值之和以后。

稳压管导通，微电流约为0.04mA。

该电流在同相端产生约5V的高电平，电压比较器B同相端比反相端电压要高，电压比较器输出高电平。

通过光耦令TNY280的使能引脚EN/UV导出较大电流，控制TNY280的脉冲信号减少，所以输出将稳定在40V上下。

不会一直上冲而导致炸机。

图2.4

2.2磁路设计

变压器也采用PI公司提供的PIExpert7作为参考，如图2.5。

PI公司提供的建议是采用EE19磁芯，磁芯面积Ae为23.00mm²，132KHZ的工作频率下，磁芯功率裕量应该留大点，降低占空比，以减少磁芯发热，因此改用了EE20/20/5磁芯，磁芯面积Ae值为31.00mm²。

由于PI公司提供的库文件当中没有EE20/20/5磁芯，因此设计时参考Ae值与EE20/20/5相近的EF20（Ae值为32mm²），匝数比也完全参照PIExpert7提供的EF20的设计。

增大磁芯的面积，根据dB=（Edt×10）/（NAe），为保持dB不变，则N应当减少，这就是为什么初次级匝数有所改变。

此外，匝数减少了，为保证利用更广的磁滞回线，气隙长度也相应减少了，本设计采用软件给出的气隙为0.153mm的建议。

图2.5

参考文献

1、TNY280PNpdf资料PI公司网站提供

2、《开关电源设计》第二版………………………………AbrahamI.Pressman著王志强等译

3、《电子技术基础》第四版………………………………康华光著

4、《电路》第四版………………………………邱关源著

5、《信号与系统考研教案》………………………………范世贵王崇斌编著

6、《EMC设计工程实务》………………………………马永健编著

7、《Altiumdesigner完全电路设计》………………………张义和

8、《开关电源中的磁性元器件》………………………………赵修科主编

9、《大学物理之安培环路定理》…………………………………XX文库

10、《反激式变压器设计》…………………………………侯本彪

11、《电源反馈设计速成编》…………………………………来自电源网

12、《德州仪器系统电源解决方案》………………………………TI公司论坛

13、《SMT工艺质量控制》…………………………………贾忠和

致谢

在此我想特别感谢教授我专业知识的各科老师，这些基础知识对我这次毕业设计和我将来就业都有莫大的帮助。

感谢教授我们高等数学、电路分析、模拟电子技术、信号与系统、自动控制理论、EDA技术的各科老师。

还有指导我校内实习作品的李豪彦老师。

正是有你们的悉心教导，我才能掌握电子技术的基础知识；完成这个毕业设计，绝大部分知识都在你们教授的课程里边。

你们言无不尽的传授，令我温习一下那些知识就可以拿出来用。

特别感谢指导我毕业设计的王立功老师，正是他给了我们选题最大的自由度，能让我们选取最能突出自己长处的选题；毕业设计完全是在我们乐在其中的过程完成的。