照明led驱动电源的设计学士学位论文.docx
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照明led驱动电源的设计学士学位论文
职业技术学院
毕业论文
题目：
照明LED驱动电源的设计
学生：
XXX
学号：
XXX
院（系）：
职业技术学院
专业：
XXX
指导教师：
XXX
200年月日
照明LED驱动电源的设计
摘要
随着电力电子技术的发展，LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点，近年来在各行业应用得以快速发展，同时，由于近年来的开关电源在电子电器各行业中占了非常重要的位置，由此驱动LED的开关电源就成了关注热点。
理论上，LED的使用寿命在10万小时以上，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，使LED极易损坏。
我们设计LED驱动电源时，有必要知道LED电流、电压特性，由于LED的生产厂家及LED规格不同，电流、电压特性均有差异。
因此对驱动电源的设计提出了严格要求。
根据LED电流、电压变化特点，采用恒流驱动方式，是比较理想的LED驱动方式，它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED的亮度稳定。
因此众多厂家选用恒流方式驱动LED，从而设计的开关电源就需要一个能恒流的直流驱动电源。
传统的开关电源控制集成电路具有效率高、输出稳定、可靠性高，并可实现远程控制等功能。
完全适合用来驱动LED的开关电源。
本文主要通过设计一个恒流驱动电源来驱动LED。
通过各种电力电子组件和电力电子电路组成一个恒流的电源，达到设计的要求。
关键词：
LED驱动电路,开关电源，恒流
TheDesignofLEDLightingDrivePower
Abstract
Withthepowerofthedevelopmentofelectronictechnology,LEDbecauseofenvironmental,longlife,highefficiencyphotoelectricmanyadvantages,Inrecentyearsinallsectorstorapidapplicationdevelopment,whileInrecentyears,theswitchingpowersupplyinelectricalandelectronicindustriesaccountedforaveryimportantposition.ThisdrivestheLEDSwitchingPowerSupplyconcernshavebecomehotfocus.
Theoretically,theservicelifeoftheLED100,000hoursormore,butinactualapplicationprocess,Asthepowersupplydesign-drivenapproachandapoorchoice,LEDeasilydamaged.WedesignedLEDdrivepower,itisnecessarytoknowLEDcurrentandvoltagecharacteristics.SincetheLEDandLEDmanufacturersspecifications,currentandvoltagecharacteristicsaredifferent.Sorightdrivepoweronthedesignofthestrictrequirements.UndertheLEDcurrentandvoltagecharacteristics,constant-current-drivenapproachisidealLEDdriver,ItwouldavoidtheLEDforwardvoltagechangescausedchangesinthecurrent,constantcurrentsothattheLEDbrightnessstability.SomanymanufacturersuseconstantcurrentmodeLEDdriver,thusthedesignofswitchingpowersupplywillneedaconstantcurrentoftheDCpowersupply.TraditionalSMPScontrolICwithhighefficiencyandoutputstability,highreliabilityandcanremotecontrol,andotherfunctions.WellsuitedtodrivetheLEDSwitchingPowerSupply.
Thispapermainlythroughconstant-currentpowersupplycircuitdesigntotheLEDdriver.Throughavarietyofelectroniccomponentsandelectricalpowerelectroniccircuitscomposedofaconstantcurrentpowersupply,meetdesignrequirements.
Keywords:
LEDdrivecircuit,Switchingpowersupply，Constant-current
1概述
1.1本课题研究背景及意义
以电力电子学为核心技术的电源产业，从20世纪60年代中期开始形成。
以整流技术（AC/DC）为主的各种电源装置，如电解、电镀和中小容量的AD/DC变换器的出现是这个时期的主要标志。
开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。
采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高，并可实现远程控制等功能，是开关电源的发展趋势。
经过近十年的努力，我国电力半导体器件的研制和生产有了长足的发展[1]。
20世纪九十年代以来是我国电力电子技术和电源产业快速发展的期。
产业界也涌现一些技术难度较大、具有国际先进水平的产品，如多谐振双环控制的通信开关电源单芯片控制的500W以下PFC控制器，智能化高频开关电源.用于空调和冰箱的无位置传感器的变频调速器部件和数千kW级的IGBT中压变频器等。
但与国际发达国家相比，在应用基础研究深度方面差距为5-10年;在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平等综合实力方面差距估计为10-15年。
前国际上流行的开关电源向着以下几个方面发展:
（l）进一步提高电能变换效率，降低待机损耗；
（2）避免电力公害:
尽量减少网侧电流谐波，并使网侧功率因数接近1；（3）提高电源装置和系统的电磁兼容性（EMC）；（4）降低电噪声；（5）小型轻量化:
通过高频化、组件小型化和先进工艺加以实施；（6）高性能。
能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经疲惫不堪，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。
新型高效光源，特别是白色光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降低照明用电量具有很重要的作用，因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减少新增电网容量的费用，降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其它污染物。
LED，特别是白色光LED，因其与传统光源相比所具有的理论以及现实的优越性，受到广大专业人士的青睐。
它的出现也为照明界开拓出了一个全新的技术领域，并为照明节能设计提供了更多的选择。
要发展LED要必须发展LED的配套的设施，驱动电源就是最主要的。
因此驱动LED的开关电源亟需得到大力的发展。
1.2开关电源的发展概况
电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。
目前常用的直流稳压电源分线形电源和开关电源两大类。
线形稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波纹很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。
开关电源SPS被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。
开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%-90%，比普通性能稳压电源提高近一倍。
开关电源亦称为无工频变压器的电源。
它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波组件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源莫定了基础。
在开关电源中，为了实现功率调节、远程控制等功能，以及减小体积、减轻重量，高压功率集成电路得到广泛应用和快速发展。
采用了这种集成电路来调节和控制的开关电源，不但外部电路简单，组件数目少，而且可以和微处理器直接接口或通过局域网（LAN）来实现编程或控制功能，是目前75W以下高效率、多功能开关电源的最佳解决方案。
在晶体管发明以后，微电子技术对电子系统的发展起到了巨大的推动作用，尤其是在计算机和信号处理方面的成果更是有目共睹。
目前，绝大部分电子系统中都大量使用了集成电路来减小体积，减轻重量，提高可靠性。
同样微电子技术对电力电子的影响也非常明显，这一点可以从各种功率电子器件和功率集成电路的广泛应用看出，并且这一趋势将一直继续下去。
IC产品在功率电子中的应用可以简单分为两类。
第一类为分立器件，包括晶闸管、大功率双极型晶体管、DMOS和现在更常用的LDMOS；IGBT；MCT等。
这些器件具有功率容量大、能量损耗低、开关速度快等特点，适用于电力电子装置，得到了大量应用。
关于性能更优的分立器件一直是研究的对象，也将进一步提高整机系统的性能。
但这种器件需要采用与集成电路不同的纵向工艺和较厚的外延层来达到耐压要求，另一类得到广泛应用的产品是功率集成电路（Power）。
由于发光二极管产业不断涌现新技术、新产品、新的应用，呈现了朝阳工业的欣欣向荣的景象，相信在下世纪的头十年中，LED产业会得到持续发展。
发光二极管的应用十分普遍，由于工作电压低、耗电省、色彩丰富、价格低，因而受到电气工程师和科研人员的欢迎，早期传统的产品发光效率低，光强一般几个到几十个光照度，适宜使用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用，由于应用技术日趋发展，传统产品出现新的应用商机，正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖，有鸭嘴型圣诞灯、多彩球型灯、珠廉窗灯，而且色彩丰富，不易碎破，低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场；一种受到儿童欢迎的闪光鞋，利用走睡时LED闪铄发光，非常醒目，既有单色光，也有双色光，据浙江一家鞋业公司总经理介绍，仅温州地区一年要用去500KK的发光二极管；具有健康保健作用的牙刷，在发达国家使用普遍，利用发光二极管作为牙刷的电量指示十分方便，每把牙刷都带一个LED灯，LED经电容降压后，可以使用220V、280V电源，市场还有扩张的潜力，由于主动发光指示清晰，寿命长，耗电少等特点，很受用户欢迎，不久可以全部替代电泡型AD11产品，总之传统发光二极管的市场不仅会随着原有应用面产品的成长而提升，而且新的应用面开拓了市场商机。
从而引发出驱动LED的开关电源的巨大的潜力。
1.3开关电源和LED的国内外研究现状
开关电源已有几十年的发展历史。
早期产品的开关频率很低.成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。
20世纪60年代出现的晶闸管（旧称可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分离组件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率底、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。
70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。
目前，开关频率已从20kHZ左右提高到几百、千赫兹甚至兆赫兹。
与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。
MOS功率开关管（MOSesFET））、肖特基二极管（SBD）、超快恢复二极管（SRD）。
PWM调制开关电源的研究瞬态电压抑制器（TVS）、压敏电阻器（TL431）、电磁干扰滤波器（EMIFilter）,高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠（magneticbead）等一大批新器件、新材料正被广泛采用。
所有这些，都为开关电源推广与普及提供了必要条件。
随着我国经济建设高速的持续增长，人民生活的不断改善，新住宅的建设和人均使用面积的大幅度提高，照明灯具增加了装饰功能，这大大提高了照明用电的需求和照明节电的空间。
科技部紧急启动的半导体照明工程，动作快，效率高，为我国固态照明的发展争得了时间。
制定我国固态照明战略发展计划，已是刻不容缓的任务。
LED以其巨大的节能潜力以及良好的照明性能为我们打开了一个全新的技术领域。
在我们的照明设计过程中，我们应该以一种理性的态度去看待LED的应用，应该在真正了解LED性能前提下，根据环境的条件，合理地选择使用LED，才能真正创造出一个节能而优质的照明光环境。
1.4开关电源和LED的技术性能
开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。
小型、薄型、轻运化。
由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置组件以确保开关电源的轻、小、薄。
高效率：
为了使开关电源较、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。
而高频化又必然使传统的PWM开关（属硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。
采用软开关技术可使效率达到85～88%。
据悉，美国WICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ较开关DC／DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17w／cm3，效率为80～90%；日本NemicLambda公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列（日本人称这种技术为“部分谐振”），开关频率为200—300kHz，功率密度为27W/cm3，用同步整流器（即用MOS－FER代替肖特基二级管）使整个电路效率提高到90%。
高可靠：
开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。
从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。
美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时以上。
模块化：
无论是AC/DC或是DC/DC或是变换器都是朝模块化方向发展[6]。
其特点是：
可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N＋1冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模并联可实现大功率电源系统。
此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。
低噪声：
开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。
但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、组件热应力转向开关管等问题难以解决。
日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对体噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。
抗电磁干扰（EMI）：
当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日益显得重要。
产品更新加快：
目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规模）、输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要增加DC150V这一电压）、输人端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC），并具有安全、过压保护等功能。
作为一种冷光源，LED具有很多传统光源所不能比拟的优势。
LED的特点：
（1）不需要充气，不需要玻璃外壳，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎，便于运输。
（2）灯源单元较小，使得布灯更为灵活，而且能够更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。
（3）能够较好地控制发光光谱组成，从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明。
（4）理论上具有与传统光源相比更高的发光效率，理论上LED的发光效率大于200lm/w，从而具有相当巨大的节能潜力。
（5）寿命更长，实验室寿命可达100000h，且光源可以频繁地亮灭，而不会影响其寿命，并且启动速度非常快。
（6）可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小，从而发出各种颜色的光线，且彩度更高。
（7）光源中不添加汞，有利于保护环境。
（8）LED发光具有很强的方向性。
（9）使用低压直流电，具有负载小、干扰弱的优点。
（10）LED属于低电压，高电流驱动。
所以很小的电压变化就能引起电流的强烈的变化，影响二极管的发光均衡，严重的会烧坏LED。
由此产生LED的均、流均压的问题。
可以选择LED的串接和并接，同时会出现如何达到输出恒流稳压的问题。
开关电源发展很久，各方面技术都比较全面。
但是在驱动LED方面，各种技术还不是很完善，尤其在驱动高功率方面和电路电流的稳压恒流方面还有待完善。
LED的发展和开关电源的发展是紧密联系在一起的一个整体，驱动LED就必须有一个稳定的恒流电源。
本文就对驱动LED的电源做出一点想法，尤其是在恒流的问题上。
2LED照明开关电源电路分析
2.1LED照明开关电源的组成电路
目前市场上用于照明的LED光源电路普遍采用简单的电阻限流方式,而电源的供电电压一般变化范围较大。
上述研究表明，LED的特性接近稳压二极管工作电压变化0.11V，工作电流可能变化20MA左右，容易造成LED的损坏，降低产品的可靠性。
所以电路设计时最好采用具备自动恒流特性的驱动电路，另外降低电路设计的复杂程度也是提高LED光源可靠性的有效途径之一。
2.1.1组成电路的综述
开关电源将频率为50Hz、200V的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为几百毫安以下的直流电压。
单相交流电经过电源变压器整流电路滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，输出恒定的直流电流，用于驱动LED灯源阵列，总体电路框图如图2.1所示。
图2.1结构框图
一种LED常规驱动电路如图2.2所示（见附录Ⅰ）。
该电路由降压（220V/12V）式电源变压器、桥式整流器和滤波电容（C1）组成，R1为LED电流设置电阻。
驱动电路虽然电路简单，成本较低，但电流调节性能很差，并且在AC线路电压瞬态升高时，很容易使LED损坏。
所以必须加上各种滤波电路和恒压，反馈等控制电路。
使电流恒定的输出，保证LED的使用安全和发光的稳定和均衡。
下面就对这些方面的内容做出分析。
2.1.2电路功能介绍
（1）主电路
从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：
1、输入滤波器：
其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
2、整流与滤波：
将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。
3、逆变：
将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。
4、输出整流与滤波：
根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
主电路通过滤波，整流，交变整流等得到输出所需要的直流电流。
但是这个还是不完善的，还需要辅助控制电路的取样反馈控制。
（2）控制电路
一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
驱动LED需要受控的DC（直流）电流。
为了使LED的使用寿命长些，LED电流中的纹波必须很低，因为高纹波电流会使LED产生较大的阻性功耗，降低LED使用寿命。
LED驱动电路需要更高效率，因为总体效率不仅取决于LED本身，也与驱动电路有关。
而工作于电流控制模式的开关转换器是满足LED应用的高功率及高效率要求的理想驱动方案。
控制电路有效通过输出端取样的电流电压值，反馈给主电路，起到反馈调制作用，主电路通过反馈的信息在调整电路的整流输出，使输出的电流尽可能的达到稳定。
使LED发光均衡稳定，得到理想的结果。
（3）检测电路
除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。
（4）辅助电源
提供所有单一电路的不同要求电源。
第二节开关控制稳压原理开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。
可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。
由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。
电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。
在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：
EAB=TON/T*E式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。
由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。
改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（TimeRatioControl,缩写为TRC）。
2.2输入EMI滤波器设计
2.2.1EMI电源滤波器的类型
EMI电源滤波器是一种由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或工频（50Hz~400Hz）信号通过，对频率较高的其它信号有较大的衰减作用。
根据抑制干扰的程度，EMI电源滤波器通常分为一般性能和高性能两种电源滤波器。
图2.3、图2.4给出单环和双环电源滤波器的典型电路，前者为一般性能电路，后者为高性能电路（电路图见附录Ⅰ）。
2.2.2基本设计
（1）电路结构选取原则
在实际应用中，EMI电源滤波器两端阻抗通常都是处于失配状态。
当处于失配状态时，EMI信号会在它的输入和输出端口产生反射。
失配越大，反射越大。
我们可以利用这个反射原则，根据EMI电源滤波器将要连接的具体源和负载阻抗情况，设计其电路结构和参数来获得满意的抑制效果。
在进行滤波器电路结构的设计时应遵循下列原则：
当源阻抗是高阻时，滤波器的输入阻抗应为低阻，反之亦然。
当负载阻抗是高阻时，滤波器的输出阻抗应为低阻，反之亦然。
对于EMI信号，电感是高阻，电容是低阻，所以电路可以按照表2.1方式来组合。
表2.1EMI电源滤波器的端接方式
源阻抗N
负载阻抗
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