大功率led驱动电源的设计与制作学位论文.docx

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大功率led驱动电源的设计与制作学位论文

大功率LED驱动电源的设计与制作

摘要：

LED问世至今已有40余年的历史，凭借其固有的特点广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、照明等领域。

LED驱动电源对LED的正常照明有着重要的作用。

本文阐述了节能型LED恒流驱动电源的工作原理、技术方案及要求，并给出了整体电路设计的理论依据。

根据技术参数等要求，系统以pt4107芯片为核心器件，配以外围降压稳压电路、滤波电路以及电源转换等电路，最终实现了一种适用范围广、易维护的LED可控恒流源驱动系统。

关键字：

LED照明；恒流；PT4107；PFC；EMC

TheDesignofHighPowerLEDDrivePowerSource

Abstract:

ThehistoryofavailableLEDhasbeenmorethan40years,itiswidelyusedasindicatorlights,display,lighting,andotherfieldsbyvirtueofitsinherentcharacter.AsaLEDdrivepower,itisveryimportanttothenormallightingofLED.

Thispaperexpoundedtheworkingprinciple,technicalprojectandrequirement,andgiventhebasisoftheoveralldesignofthecircuit.Accordingtotherequirementofthetechnicalparameter,thesystemadoptedPT4107asthecore,combiningwithpiezoelectricitycircuit,filtercircuit,PFC,powersupplychange-overcircuitandsoon,finally,weachieveaLEDconstant-currentcontrollablesystemwithwideapplicationandsimplemaintenance.

Keywords:

LEDlighting;Constant-current;PT4107;PFC;EMC

目录

1引言1

1.1课题研究的背景及意义1

1.2课题研究的研究现状1

1.3LED驱动电源面临的问题2

1.4课题的研究目标、内容及论文结构安排3

1.5小结4

2LED驱动电源设计5

2.1LED驱动总体设计思路5

2.1.1系统整体设计思路：

5

2.1.2驱动电路设计方案的确定：

5

2.2电路设计6

2.2.1PT4107概述6

2.2.2保险丝8

2.2.3NTC保护8

2.2.4EMI滤波电路9

2.2.5全桥整流电路设计10

2.2.6PFC设计11

2.2.7稳压降压电路设计12

2.2.8PT4107外部电路设计14

2.2.9MOSFET的选择15

2.2.10电流输出电路16

2.3小结17

3LED灯电路17

3.1LED光源特性17

3.2LED电路连接18

3.3小结18

4测试报告19

4.1系统测试19

4.2小结20

5总结21

5.1本系统的优点21

5.2本系统的缺点21

5.3小结21

参考文献22

致谢23

1引言

1.1课题研究的背景及意义

应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。

直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。

1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。

LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。

但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用[1]。

近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。

随着大功率从LED的问世，因其放光效率是一般荧光灯或白炽灯的5-7倍，节能效果十分显著。

因而，大功率LED具有广泛的应用前景。

目前，单个大功率LED已有1W、3W、5W和10W，已被大量使用的是1W和3W的大功率LED，采用多个大功率LED串联和并联，其组合输出功率已达70W-100W。

大功率LED虽具有发光效率高和节能的优点，但其管压降的不一致确实需要克服的缺点。

其次，大功率LED的温度特性较差，随着结温和环境温度的改变，其管子的电流和发光效率变化很大，这也给使用带来了不便。

由于大功率LED存在以上的缺点，应此在使用时一般多采用两种驱动方案：

1.恒压源驱动。

即采用多个LED并联后恒流源驱动。

这样，由于LED的管压降不一致，是的二极管的电流不一致，从而其发光效率也不大一样。

在大功率LED中，此方案应用较少。

2.恒流源驱动。

由于大功率LED的管压降不一致。

另外，LED受其结温和环境温度的影响较大，所以，用多个LED串联，并用恒流源驱动能有效克服上述缺点。

1.2课题研究的研究现状

大功率LED应用于普通照明正在起步当中。

具有诸多优点的LED在照明领域中有广阔的发展前景。

LED是采用直流驱动的，且电压不宜过高，因此在市电与大功率LED之间需要进行降压，需要一个电源适配器即LED驱动电源，把交流市电转换成合适的使用于LED的直流电。

LED供电的原始电源目前主要有三种:

即低压电池、太阳能电池和交流市电电源。

无论是采用哪一种原始电源，都必须经过电源变换来满足LED的工作条件。

这种电源变换电路，一般来说就是指的LED驱动电路。

在LED太阳能供电系统中，还需要蓄电池或超级电容器，用以储存太阳能。

在夜晚需要照明时，蓄电池或超级电容器再通过控制电路放电，为LED驱动电路供电。

太阳能和风能与LED的结合，是LED应用的一大亮点，它将为第三世界的贫困和边远地区带来光明，让绿色照明的光辉照亮世界的每一个角落。

目前LED驱动电源按驱动方式可分为恒流式和稳压式。

前者输出的电流时恒定的，输出的直流电压随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载的阻值小，驱动输出的电压就低，反之，负载阻值越大，输出电压就越高。

而稳压电源驱动电路，其输出的电压是固定的，输出的电流却随着负载阻值的变化而变化[2]。

LED是电流随着电压变化而有显著变化的器件，在其正向导通时，电压微小的变化就可引起电流的巨大变化。

即在以稳压驱动方式下，当负载变化时，LED电路中的电流波动较大，LED长期工作在这种方式下会损坏。

由于LED灯的空间狭窄，较为密闭，散热不好，会使管内的温度升高，从而导致其工作电流的明显变化。

这是其无法长时间工作，老化的主要原因。

因此控制LED的驱动电流稳定对于延长LED的寿命较为重要。

所以采用恒流驱动电源是比较理想的大功率LED灯驱动方式。

当输入电压高于LED或LED串的电压降时，LED驱动通常采用线性稳压器或开关型降压稳压器。

（1）线性稳压器

线性稳压器是一种DC-DC降压式变换器。

LED驱动电路所采用的线性稳压器大都为低压差稳压器（LDO），其优点是不需要电感元件，所需元件数量少，不产生EMI，自身电压降比较低。

但是与开关型稳压器相比，LDO的功率损耗还是较大，效率较低。

LDO在驱动350mA以上的大功率LED串时，往往需要加散热器。

（2）开关型降压（buck）稳压器

基于单片专用IC的开关型降压稳压器需要一个电感元件。

许多降压稳压器开关频率达1MHz以上，致使外部元件非常小，占据非常小的空间，效率达90%以上。

但这种变换器会产生开关噪声，存在EMI问题。

目前有很多降压变换器单片IC将开关MOSFET和降压二极管也集成在同一芯片上，使外部元件数量进一步减少。

1.3LED驱动电源面临的问题

LED照明灯具有巨大节能作用，每年以50%的速度增长，将会取代传统光源，从而引发人类照明史上的第四次革命，极大地改善人类的生存环境，缓解全球日益严峻的能源危机，在LED大放异彩的同时，LED驱动电源则是LED产业链发展的保障，LED电源的品质直接制约了LED产品应用的可靠性，因此，在LED产业链逐步完善的今日，LED驱动电源的发展和成熟也至关重要。

由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。

LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。

LED是2～3伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。

国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数，因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。

2009年，虽然金融危机对世界经济的影响很大，但是欧美等国际市场对大功率LED电源的需求量还是很大，相应的高端LED产品的出口量受金融危机影响较小。

2008年中国LED应用产品产值已超过450亿元RMB，LED示范应用路灯、LED全彩显示屏显示器件、太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等应用仍然是主要应用领域。

但是在市场一片繁荣的背景下，LED产品质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱，市场上LED产品如火如荼的发展态势下，就LED驱动电源企业而言，目前面临几个挑战。

首先是驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。

其次是LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥。

第三，以大调光比高效率地对LED调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。

同时要降低成本，目前在功率较小（1～5W）的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。

受控的亮度需要用一个恒定的电流来驱动LED，无论输入电压如何这一恒定的电流都必须保持恒定不变。

通常，LED都会有调光要求，例如，想要调节显示器或建筑照明亮度。

实现LED调光有两种方法：

改变LED电流或使用脉宽调制（PWM）。

效率最低的方法是改变电流，因为光输出并非完成随着电流变化而发生线性变化，并且在电流低至其额定值时LED色谱会发生变化。

1.4课题的研究目标、内容及论文结构安排

正是基于市场需要，本课题尝试使用PT4107这一IC芯片、开关MOSFET和相关配件制作一款LED灯恒流驱动。

使之能在市电下驱动LED灯组，并且正常工作。

本文详细阐述了LED灯恒流驱动系统的设计过程，其结构安排如下：

第二章介绍LED驱动的设计方法，详细的阐述了从整体的方案设定到各个模块的方案的选择；

第三章介绍LED灯组连接方式；

第四章察看在市电下电路能否正常工作；

第五章对系统设计进行了总结，总结出了系统存在的优缺点以及改进的措施。

1.5小结

本章主要介绍了以下几方面：

1．LED的背景及LED灯所具有的诸多特点，在某些方面其具有重大的研究意义。

2．LED通常采用的驱动方式。

3.大功率LED驱动电源面临的挑战。

4．论文研究目标及相关内容。

2LED驱动电源设计

2.1LED驱动总体设计思路

系统总体框图如图2-1所示。

图2-1系统总体框图

2.1.1系统整体设计思路：

1.选取一片合适的IC芯片作为LED驱动电源的核心，负责驱动LED，实现恒流输出，保证系统及LED的稳定正常运行。

2.抗浪涌NTC保护，在冷启动时，NTC热敏电阻成高阻抗，使浪涌电流得到限制。

而当电流热效应使NTC热敏元件升温，降低其阻抗对系统的电流影响较小。

3.EMC滤波全桥整流，除掉传导干扰信号及辐射噪声，完成AC/DC转换。

4.降压稳压，把电压调降到适合芯片的工作环境电压。

5.通过芯片、MOSFET管及后面的镇流电感、续流二极管等实现对LED的恒流输出。

2.1.2驱动电路设计方案的确定：

要普及LED灯，使其大量使用，以利于节约能源，则LED灯应可以在普通的民用电如我国220V的普通交流电下可以使用。

又根据芯片资料，该芯片可以在经过整流的110V或220V的交流电下驱动芯片进行工作。

因为是在220V的交流电下工作为保证安全，在电路中要加保险丝。

同时因为是直接连在普通的交流电下，其上的信号干扰较多所以还要得电路上进行EMI滤波及加NTC来抗浪涌[2]。

然后经过整流桥使220V的交电流完成AC到DC的转换，由于普通的整流桥会使功率因数降低，因此又在电路上增加了无源的功率因数补偿电路。

为了使PT4107芯片工作在相对稳定的环境下，在给芯片供电前加上稳压降压电路来保证PT4107芯片在相对稳定的境况下运行。

设计是用IC芯片PT4107控制MOSFET管，通过MOSFET管的开与关来实现对LED灯的恒流供电。

同时芯片、MOSFET管、镇流电感、续流二极管及电容构成降压稳压电路保证对LED灯提供适合的电压电流环境。

总驱动电路如图2-4所示。

图2-4总驱动电路图

设计成的LED开关恒流源电原理图如图2-4所示。

从AC220V看进去，交流市电入口接有1A保险丝FS1和抗浪涌负温度系数热敏电阻NTC；之后是由L1、L2和CX1组成的EMI滤波器；再则是BD1整流全桥，内部是4个高压硅二极管；C1、C2、R1、D1～D3组成无源功率因数校正电路；PT4107芯片由T1、D4、C4、R2～R4组成的电子滤波器降压稳压后供电，这个滤波器输入阻抗很高，输出阻抗很小，整流后近300V直流高压经此三极管降压向PT4107的Vin端提供约18-20V稳定电压，确保芯片在全电压范围里稳定工作，PWM控制芯片U1（PT4107）和功率MOS管Q1、镇流功率电感L3、续流二极管D5组成降压稳压电路。

2.2电路设计

2.2.1PT4107概述

LED灯条电源驱动方案有很多种，目前非隔离方案因其效率高而占主流，而用PWM驱动技术来做LED驱动电源的又占绝大多数。

PT4107是一个典型的PWM驱动控制器，其内部拓扑结构如图2-2。

图2-2PT4107内部拓补结构

PT4107是一款高压降压式LED驱动控制器。

通过外部电阻和内的齐纳二极管，可以将经过整流的110V或220V交流电压钳位于20V。

当Vin的电压超过欠压闭锁阈值18V后，芯片开始工作，按照峰值电流控制的模式驱动外部的MOSFET。

在外部MOSFET的源端和地之间接入电流采样电阻。

电阻上的电压直接传递到PT4107芯片的CS端，当CS端电压超过内部的电采样阈值电压后，GATE端的驱动信号终止，外部MOSFET关断。

阈值电压以由内部设定，或者通过在LD端施加电压来控制[4]。

如果要求软启动，可以LD端并联电容，以得到需要的电压上升速度，并和LED电流上升速度相一。

PT4107的主要技术特点：

从18V到450V的宽电压输入范围，恒流输出；用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源来调制振荡频率，这样可以扩展音频能谱，扩展后的能量谱可以有效减小带内电磁干扰，降低系统级设计难度[3]；可用性及PWM调光，支持多个LED的驱动应用，工作频率25KHz-300KH可通过外部电阻来设定。

PT4107封装如图2-2-2，各引脚功能如下：

1）GND芯片接地端；

2）CSLED峰值电流采样输入端；

3）LD线性调光接入端；

4）RI振荡电阻接入端；

5）ROTP过温保护设定端；

6）PWMDPWM调光兼使能输入端，芯片内部有100K上拉电阻；

7）VIN芯片电源端；

8）GATE驱动外挂MOSFET栅极；

2.2.2保险丝

由于电路直接在市电（AC220V）下运行，所以为保证安全接上保险丝。

保险丝的额定电压Vrating需要大于Vmax,ac，即大于265V。

而额定电流Irating。

选择保险管额定电流时要保留0.5的系数，所以本方案保险管的额定电流选择1A熔化热能值与浪涌电流产生的能量有关。

表征当大电流流过保险管时，保险管熔断的特性。

It要大于浪涌电流产生的能量，使启动的时候不会错误地把保险管熔断。

Ø额定温度：

实际工作温度不能超出额定温度范围。

Ø使用寿命:

实际工作电流大于Irating或者实际工作温度超出额定温度范围，F1的寿命将会明显缩短。

2.2.3NTC保护

由于外界环境的影响如雷击的感应,从电网系统会向电路侵入各种浪涌信号,有些浪涌会导致LED的损坏。

而LED抗浪涌电流和抗反向电压能力都比较差,加强这方面的保护也非常重要,尤其是有些LED灯装在户外,如LED路灯。

因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。

本电路采用NTC（负温度系数热敏电阻）来限制电流的突变。

NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写,意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件,所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。

限制浪涌电流的最简单有效的方法是在线路输入端串联一只NTC热敏电阻,如图2-4中的NTC。

由于在冷启动时,NTC热敏电阻呈现高阻抗,因而使浪涌电流得到限制。

而当电流的热效应使NTC热敏元件的温度升高,NTC阻值急剧下降时,对系统的电流限制作用会较小[5]。

由于NTC热敏电阻在热态下的阻抗并不是零,故会产生功率损耗,当然这种损耗是很小的。

2.2.4EMI滤波电路

EMI（ElectricMagneticInterference）滤波电路部份。

市电进入电源后，首先经过是最前级的EMI滤波电路部份，EMI滤波的主要作用是滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时还有减少开关电源本身对外界的电磁干扰。

实际上它是利电感和电容的特性，使频率为50Hz左右的交流电可以顺利通过滤波器，而高于50Hz以上的高频干扰杂波将被滤波器滤除。

在交流电源输入端，一般需要增加由共轭电感、X电容和Y电容组成的滤波器，以增加整个电路抗EMI的效果，滤除掉传导干扰信号和辐射噪声。

如图2-5，本电路采用共轭电感加X电容的简洁方式，主要还是出于本着够用就好的设计原则。

X电容器应标有安全认证标志和耐压AC275V字样，其真正的直流耐压在2000V以上，外观多为橙色或蓝色[7]。

共轭电感是绕在同一个磁芯上的两个电感量相同的电感,主要用来抑制共模干扰，电感量在10～30mH范围内选取。

为了缩小体积和提高滤波效果，优先选用高导磁率微晶材料磁芯制作的产品,电感量应尽量选较大的值。

使用二个相同电感替代一个共轭电感也是一个降低成本的方法。

图2-5EMI电路

本方案选择安规电容CX1

（1）额定电压Vrating

额定电压Vrating需要大于输入交流电压Vmax,ac，即额定电压大于265V。

（2）电容容值C

取值在0.01uF-2.2uF。

视差模干扰大小决定，这里选择0.1uF。

（3）绝缘等级

绝缘等级一般选择X2，即耐压小于或等于2.5KV。

（4）额定温度

实际工作温度不能超出额定温度范围。

（5）使用寿命

需要注意安规电容的寿命问题，选择时根据安规电容厂家提供的温度和寿命参数进行选择。

该方案选择0.1uF/275VAC绝缘等级为X2的安规电容，主要抑制差模干扰。

电感选择：

本方案用两个相同的电感代替共轭电感。

（1）电感量L1

当电路工作在电流连续模式和电流非连续模式之间的临界模式时，电感变化量ΔI等于两倍的电路最大输出电流Io（max）计算公式：

这是临界模式时的电感取值，为保证电路工作在电流连续模式，电感取值要大于上面计算得到的值，并且电感取值越大输出电流的纹波越小。

（2）电感饱和电流IL

是驱动输出的电流，

是芯片的频率。

由上式可以看出电感量越大，电感的饱和电流越小。

（3）电感体积

受到空间的限制，在保证电感量和电感饱和电流的情况下，电感体积越小越好，如果一个电感体积太大，可以考虑用2个电感串联。

该方案选择电感量大于

，并且饱和电流大于

的电感。

2.2.5全桥整流电路设计

全桥整流器BD1，主要进行AC/DC变换。

整流桥承受的最大反向耐压V

（2）额定电流Irating

整流桥的额定电流与保险管的额定电流相同，选择1A的额定电流即可。

（3）整流桥正向导通压降VF

与效率有关。

VF越小，消耗的导通功耗就越小，效率越高。

（4）额定温度

实际工作温度不能超出额定温度范围。

该方案选择电压大于600V，电流大于Irating，VF尽量小的整流桥。

因此需要给予1.5系数的安全余量，因此这里选用600V1A的整流桥。

2.2.6PFC设计

普通的桥式整流器整流后输出的电流是脉动直流，电流不连续，谐波失真大，功率因数低。

因此需要增加低成本的无源功率因数补偿电路，如图2-6所示。

这个电路叫做平衡半桥补偿电路[8]，C1和D1组成半桥的一臂，C2和D2组成半桥的另一臂，D3和R组成充电连接通路，利用填谷原理进行补偿。

滤波电容C1和C2相串联，电容上的电压最高充到输入电压的一半（

/2），一旦线电压降到

/2以下，二极管D1和D2就会被正向偏置，这样使C1和C2开始并联放电。

这样一来，正半周输入电流的导通角从原来的75°～105°上升到30°～150°；负半周输入电流的导通角从原来的255°～285°上升到210°～330°。

与D3串联的电阻R有助于平滑输入电流尖峰，还可以通过限制流入电容C1和C2的电流来改善功率因数。

采用这个电路后，系统的功率因数从0.6提高到0.89。

R有浪涌缓冲和限流功能，因此不宜省略。

这个10欧的电阻用来做保护的，如果后面出现故障等导致过流，那么这个电阻将被烧断，从而避免引起更大的故障。

图2-6PFC功率因数校正电路

二极管D1，D2，D3

（1）最大反向耐压V

V=1.2×（0.5×2×

）=225V

（2）额定电流Irating

由于开机时导通电流都要留过D2，所以二极管的额定电流与保险管一样，选择1A左右的额定电流。

（3）反向恢复时间trr

由于输入电压是低频，所以trr的大小对电路没什么影响，可以不考虑。

（4）额定温度

实际工作温度不能超出额定温度范围。

该方案选择V大于225V，Irating左右1A的二极管。

电解电容C1，C2

（1）电容耐压Vdss

电容的耐压与二极管D1，D3的反向耐压相同，也是大于225V；

（2）电容容量