基于PT2401LED驱动电源设计本科Word文档格式.docx
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4.5典型性能参数13
结论13
参考文献14
谢辞19
LED日光灯电源的设计
xxx
摘要:
伴随着电力电子技术的发展，LED因为耗电量低、寿命长、无污染、光电效率高等优点，在各行各业应用得到快速发展，同时，因为驱动电源在电子电器各行业中所占的地位非常重要，因此LED驱动电源就成了关注重点。
本文经过对LED驱动的电压电流特性及几种驱动方式的分析，决定设计恒流驱动电源，使LED的安全性、亮度稳定等优点能充分体现。
本设计由主电路，PWM控制电路及反馈电路等构成，主电路的作用对输入的交流电进行整流、滤波后得到所需的直流电流，反馈电路的作用是检测输出电流是否改变，并由PWM控制电路调节输出脉冲占空比来实现输出电流相对恒定的目的。
关键词：
LED驱动电；
路恒流；
驱动电源;
PWM
1绪论
1.1课题研究的背景
随着经济的发展，当今世界越来越提倡绿色环保和节能。
LED技术随着近年来的发展，在LED的光效、寿命及光色上取得了很大进步。
半导体发光二极管（LED）因具有耗电量低、寿命长、无污染等优点在各行业得到广泛应用。
LED属于绿色光源，它的光谱中不存在紫外线和红外线，也就没有辐射和热量。
LED节能灯安全、稳定的性能，可以提高人们的学习、工作及生活质量，所以LED节能灯作为一项高新技术具有广阔的发展前景。
当今照明的方式还是以白光LED节能灯为主，倘当要驱动其他种类的LED节能灯，还有很多问题有待解决。
目前主要的问题是LED驱动电路的性能还不够稳定，且转换率较差。
转换效率低是因为离散范围极大、难于控制参数的原因，所以整个LED技术的主要问题就是转换效率和稳定性。
由于LED的正向伏安特性非常陡峭，所以要给LED供电就非常困难，而普通的白炽灯可以直接用电压源供电。
LED若直接用电压源供电，就会因电压波动使电流增大而导致LED烧毁。
为了得到供LED使用的稳定电流，目前市场出现了各型号的LED驱动电源。
但其优缺点不同，所以该对课题的研究是很有必要的。
1.2课题研究的目的和意义
随着能源消耗日益严重，当今世界越来越提倡节约能源，人们在不断寻找能节约能源的新方法。
照明在全球能源消耗中占了很大的比重，超过了世界发电总量的10%。
所以，节能照明的方法倍受重视。
节能照明是当今整个世界都在提倡的，且呈现出很多新的照明技术，而白炽灯的照明技术显然已经不适合现在的节能需求了。
一个白炽灯被浪费的能量约占97％，荧光灯的节能效果虽然比白炽灯好一些，但仍然被浪费了85％的能量。
并且，荧光灯中含有重金属汞，其亮度和颜色都很差。
白光LED与以上这两种技术相比要先进很多，白光LED灯发光的颜色种类丰富且不含有有毒物质。
尤为重要的是，白光LED灯的转换效率远高于荧光灯。
所以，LED照明技术的发展将会大大的减少能源的消耗。
LED照明技术的这些优点具有非常广阔的发展前景。
LED照明技术上也是有缺点的，LED的正向压降要固定且电流也是有上限的。
因为LED的正向压降通常在3-4V，所以LED不能直接连入公用的电网电压，必须要有特需的转换设备，来给LED提供合适的驱动电压和电流，才能使其正常工作，这就是LED驱动电路。
LED驱动电路因其规格不同，性能和转换效率也各不相同，所以选择合适的LED驱动电路，才能将LED光源高性能的特性展现出来[1]。
选择合适的驱动电路驱动LED是这次课题选择的主要目的和意义。
2LED的工作原理
2.1LED发光机理
PN结的端电压构成一定势垒，势垒在受到的正向偏置电压时会下降，PN结中的多数载流子开始低浓度区域扩散。
因电子迁移率要远大于空穴迁移率，所以P区会出现大量电子，形成对P区少数载流子的注入。
这些电子P区上的空穴复合，复合产生的能量就会以光能的方式进行释放。
这就是PN结发光的原理[2]。
2.2LED驱动简介
LED驱动电源是为了驱动LED发光而把电网电压转换为特定的电压电流的电压转换器，通常情况下：
LED驱动电源的输入包括高压工频交流（就是市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。
而LED驱动电源的输出多为电压随LED正向压降值变化而改变的恒定电流源[3]。
2.2.1LED驱动通常特性要求：
（1）高可靠性：
如LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便且费用高。
（2）高效率：
因LED是节能产品，就要提高驱动电源的效率。
尤其对于安装在灯具内的电源结构。
LED温度对其发光效率有很大影响，所以散热对LED来说非常重要。
电源的耗损功率小，发热量就小，减缓了灯具的升温速率,对延缓LED的光通量有很大作用。
（3）浪涌保护：
LED抗浪涌的能力并不好，抗反向电压能力方面更为明显，对这方面的保护也尤为重要。
如装在户外的LED路灯，会产生多种浪涌，如电网负载的启用和雷击的感应所引起的，有些浪涌甚至使LED的损坏。
因此LED驱动电源对抵抗浪涌的侵入的能力是很重要的。
（4）保护功能：
电源除了常规的保护功能外，为防止LED温度过高，最好加入温度负反馈系统。
2.3LED驱动电源的分类及特性
2.3.1按驱动方式可分为两大类：
（1）恒流式:
a、恒流驱动电路输出的是恒定电流，而输出的直流电压却因负载阻值的不同而变化，且负载阻值与输出电压成一定的比例关系。
B、恒流电路禁止负载完全开路，负载短路是可以的。
c、LED是较为理想的驱动电源是恒流驱动，但其价格相对而言较高。
d、最大承受电流及电压值与LED的使用数量有关。
（2）稳压式：
a、输出的电压由稳压电路中的各项参数来确定且是固定的，但输出的电流却因着负载的变化而改变。
b、稳压电路可以负载开路，但不能负载完全短路。
c、为使LED显示亮度平均，稳压驱动电路需要加上合适的电阻。
d、整流而来的电压会对LED亮度产生影响。
2.3.2按电路结构方式分类
（1）电阻、电容降压方式：
在闪动使用时，经过电容降压，LED因为充放电使其流过的瞬间电流极大，易造成芯片损坏。
这种方式易受电网电压的影响，转换效率低、可靠性差。
（2）电阻降压方式：
经过电阻降压，受电网电压的干扰，使电压不稳定。
所以这种形式的电源降压电阻要消耗很大能量，使其效率差，可靠性也差。
（3）常规变压器降压方式：
电源体积小重量大、电源效率差、可靠性不高，所以通常很少用。
（4）电子变压器降压方式：
电源效率差，电压范围小，通常180～240V，易收到波纹干扰。
（5）RCC降压方式驱动电源：
有较宽稳压范围、电源效率高，可做到70%～80%。
但因振荡频率是不连续的控制方式，难以控制的开关频率，较大的负载电压波纹系数，使其对异常负载适应性低。
（6）PWM控制方式驱动电源：
主要输入整流滤波、输出整流滤波、PWM稳压控制、开关能量转换四部分构成。
PWM稳压的基本原理就是在输入电压、内部参数及外接负载发生变化时，控制电路以被控制信号与基准信号为根据进行闭环反馈，以此调节主电路驱动器件导通的脉冲宽度，使得驱动电源能输出稳定的电压或电流。
电源效率高，可达到80%～90%，能稳定输出电压、电流。
且电路保护措施完善，可靠性高[4]。
2.4脉宽调制（PWM）技术
PWM调制方式：
即脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）技术，这种调制方式有很高的使用率，其控制原理是将输出量与设定的三角波信号对比，根据三角波周期恒定，这样就能得到工作周期恒定的工作方式。
当三角波达到控制值时，比较器就会翻转，使控制开关管关断。
PWM调制的本质是获得一列周期恒定、占空比不等的方波信号对开关管进行控制，由输出量判段开关管的关断时间，当输出量过低时，开关导通的时间就会增加一个周期，当输出量过高时，导通时间就会减少一个周期，使输出电压稳定[5]。
其工作方式如图1所示。
通常PWM调制方式会产生静区效应，使开关管导通后不能马上关闭，即占空比下限所限制了输出量，输出调节范围小；
由于PWM调制方式的每个周期至少要导通一个静区时间的长度，所以输出端空载时，易造成输出空载高电压。
图1PWM调制方式
2.5功率因数校正
2.5.1功率因数校正技术
交流输入电源经整流和滤波后，输入电流的波形会因非线性负载发生变化，呈脉冲波形的输入电流中有很多谐波分量,使功率因数变差。
由此产生的问题有：
电网收到谐波电流的影响，使其他用电设备受到干扰；
在输入功率一定时，要得到较大的输入电流，就要使输入断路器和电源线的量增加；
三相四线制供电时中线中电流较大且没有过流防护装置，可能造成过热甚至着火等影响。
因此，功率因数校正电路在驱动电源的应用倍受重视。
所以，驱动电源为提高功率因数就必须减小谐波分量。
提高功率因数对降低能源消耗，减小电源设备的体重，缩小导线截面积，减小电源设备辐射和传导干扰都有重大意义。
所以，使驱动电源功率因数近于1的功率因数校正电路得到讯速的发展。
2.5.2谐波的产生及防范措施
目前，在应用广泛的电器设备中，整流装置占了很大比例，一般的整流电源的整流方式基本上都是晶闸管相控整流或二极管不控整流方式。
其中，电容滤波式不控整流器的输入电流基波分量与电源电压相位大致相同，可是输入电流含有大量的谐波，这样的谐波影响会使电网功率因数变差。
谐波问题的解决方法主要有两种：
一、被动方式，就是对已经产生的谐波在电网侧进行补偿;
二、主动方式，就是改进电路装置的拓扑结构和控制策略。
使其有效地消除谐波，使它的输入电流和输入电压同相，用以提高其提高功率因数[6]。
3硬件电路介绍
3.1系统设计框图及工作原理简介
图2系统设计框图
该驱动电路主要是由整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路与反馈电路构成。
辅助电路有输入、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路以及输出短路保护电路等。
交流电经过整流、滤波和稳压转换成稳定的直流电。
经过光耦检测输出电流并通过改变输出脉冲占空比来控制输出电流的相对恒定。
3.2PT4201
PT4201是一款工作于电流模式、可驱动1W-30W照明或射灯的高亮度LED驱动控制器。
基于PT4201设计的隔离式光耦反馈的高亮度LED驱动系统具有恒流精度高、外部电路简单和电磁辐射低等显著特点,在正常工作状态下可由外部电阻来设定控制器的振荡频率。
同时，外部功率器件开启时的脉冲可由PT4201的前侧消隐电路来解决，可以有效防止控制器的误动作使LED灯发生闪烁。
系统稳定性内可由部集成的电流斜率补偿功保证。
PT4201为LED照明系统的可靠运行提供完善的保护功能，包括逐周期过流保护（OCP）、VDD过压保护（OVP）和VDD欠压保护（UVLO）等。
OUT输出的脉冲高电压由18V保护外部功率MOS限制。
短路保护功可避免LED负载短路使系统损坏。
PT4201的特点：
（1）适用小成本反激方案；
（2）频率抖动改善系统EMI性能；
（3）PWM频率外部可调；
（4）电流模式操作，内建斜率补偿；
（5）低启动、低操作电流；
（6）电流采用前沿消隐；
（7）保护功能完善。
SOT23-6封装形式及引脚排列:
图3封装形式及引脚排列图
引脚说明：
脚号
符号
描述
1
GND
接地端，直接接地
2
FB
反馈输入引脚，接光耦输出
3
Rosc
内部振荡器频率设定端，经过接一个电阻到地，设定内部振荡器频率
4
CS
过流保护输入引脚，通过检测串接在外部MOSFET和地之间电阻的电压实现电流检测和逐周期保护
5
VDD
芯片工作电源输入端
6
OUT
PWM驱动输出脚，连接到功率MOSFET的栅极
PT4201拥有多种功能，可以用极低的启动和工作电流、多重保护功为小功率LED驱动电源提供性价比可靠的解决方案。
芯片供电电路如图4所示，连接在VDD端上的电容C由连接到高压线上的电阻R对其充电实现启动。
在上电时，电容C上的电压初始值为0，PT4201关断，当电流从R流向C对其充电使VDD电压上升，直到达到芯片的启动电压使芯片启动并使流进VDD电流增加，PT4201开始由辅助绕组供电。
PT4201因启动电路的优化在启动前VDD消耗的电流很小，为提高整机效率就能选择较大的启动电阻R。
一个2兆欧，1/8W的电阻和一个10uf/50V的电容可以组成一个对一般的通用输入范围的电路实现启动的电路。
图4芯片供电电路图
3.2电流反馈及PWM控制
PT4201为控制输出电流，可用光耦检测输出LED串的电流来改变输出脉冲占空比。
如图5所示，当LED电流到达设定值时，采样电阻R2上的电压实现对光耦二极管的导通，使fb电压下降。
PT4201实现恒定电流输出是由fb电压的大小来改变输出脉冲占空比来达到目的的。
图5电流反馈及PWM控制电路
3.2.1LED开路
LED负载开路时，通过稳压二极管的电流会在电阻R1、R2上产生使光耦打开二极管的压降，造成PT4201的FB下降。
PT4201在FB降到一定值后将进入突发模式，使系统进入低功耗模式。
所以LED灯开路是安全的。
3.2.2LED短路及采样电阻短路保护
当LED负载发生短路时，光耦二极管两端电压相当于输出电压，因输出功率很小系统才能稳定工作。
当采样电阻发生短路，因光耦二极管两端电压为零，二极管不导通FB电压会快速上升到保护值。
在R为100Kohm时，PT4201会在32ms后关闭。
3.2.3工作频率设定
PT4201的Rose引脚使设定PWM频率更为方便，将Rose引脚和GND用一个电阻连接后，就能设定PWM频率。
PWM频率与设定电阻的关系为：
=6500/。
PWM频率单位KHz，设定电阻单位Kohm。
PT4201在工作时会使PWM操作频率发生周期性变化。
EMI传导干扰因周期性变化的频率而扩展到更宽的频谱范围内，从而减小了传导段电磁干扰。
图6工作频率设定电路
3.2.4电流采样及前沿消隐
PT4201的CS引脚的功能：
一是电流斜率补偿由采样外部MOSFET电流进行；
二是为逐周期的MOSFET提供过流保护。
PT4201经过采样并对流过MOSFET的电流在采样电阻Rcs上转换成的电压信号采样，PWM脉冲占空比由CS上电压和FB电压共同决定。
在PWM导通周期中，只要CS端的电压超过限定电压，就会将MOSFET关掉，以防止过流对器件造成伤害。
限定电压与MOSFET的电流关系如下：
其中
为MOSFET电流，
为限定电压，
为采样电阻。
内部限定值和PWM占空比存在一定关系，当PWM占空比是0时，限定值为0.80V。
PWM周期启动时受到变压器副绕组整流电路反向恢复时间与初级绕组电容等因素影响，会在采样电阻上产生短时的尖峰电压。
为此
的CS采样输入会在MOSFET开启后被PT4201屏蔽一段时间。
在这期间，过流保护被关闭，外部MOSFET正常工作。
这样可以防止MOSFET开启瞬间，因采样电阻上产生的脉冲而产生错误判断。
所以PT4201就可以省去电流采样电路要求的RC滤波器了。
3.2.5VDD过压保护:
在系统发生对光耦开路或反馈开路等故障时，光耦输出电流趋向零造成FB端电压增大。
FB电压增大使PT4201处于过流保护状态，输出电压因多余的电流提供负载并超出其额定值时会迅速爬升。
因为辅助绕组的电压与输出电压成正比，辅助绕组电压随输出电压升高而升高，从而使VDD电压升高，若VDD电压升到压保护点时PWM被关闭。
当OVP被触发时因为没有能量提供负载及辅助绕组，使VDD电压和输出电压下降到OVP解除电压再重新启动。
这时根据故障是否解除来判断是否进入OVP保护状态。
4电路设计
4.1输入电路
图7输入电路
输入电路如图7所示，AC85V—265V交流电输入，经过L1（起过流保护作用，抗浪涌）连入整流桥，输入的交流电在这里整流后电压约为300V，电流1A左右。
滤波电容是C1，其电容值约为负载的1—3倍，该处选用的电容为4.7UF，太小就会使波纹大。
C1主要是抵制电路、电网的高频干扰。
输入电流经过滤波、整流，就会输出所需的直流电流。
但仍需要辅助控制电路的取样反馈控制来保证其功能的实现。
4.2控制及反馈电路
图8控制及反馈电路
U2是光耦，当通过发光二极管的电流上升，经光敏电阻反馈到PT4201，使FB端电压下降。
场效应管Q1导通或截止由PT4201经过OUT引脚输出的PWM信号完成，并调整占空比，使能量下降，降低其输出电流。
因为反馈到芯片的采样电流来自输出端，为增大输出电流的精度，可以通过副边反馈，电流进行实时微调，。
控制电路为使其稳定输出，将输出值和设定值比较，再控制芯片改变其脉冲宽度。
若要LED正常工作直流电流受就要系统控制。
LED电流中的波纹会影响LED的使用寿命，LED会因高波纹电流产生较大的阻性功耗，从而降低其使用寿命。
LED驱动电路的总体效率是LED本身与驱动电路综合体现的。
PWM控制电路对晶体管导通脉宽进行调制，是通过调节驱动电源的占空比实现的。
开关频率达到一定值时，开关损耗会增加，降低效率。
综合考虑，其工作频率应设为65KHz。
PT4201的VDD端初始由R4降压后供电，在18V启动后改为变压器辅助绕组供电，电压在9～27V。
Q1开关时产生的尖峰由R1、C3和D2组成的RCD吸收回路吸收。
为提高吸收效果可以减小R1，但这样会使系统效率下降，因此选择折中的方法。
PT4201设定开关频率的功能由Rosc端所接电阻R7完成，其工作频率为65KHZ。
采样电阻R8、连接在R9PT4201的CS端是为了设置电流。
4.3输出电路
图9输出电路
变压器非常重要，它是反激式的拓扑结构，如图8,9所示，当Q1关断时，变压器5,6段导通。
当Q1开时，变压器1,2端有电流，3,4,5,6,端截止。
D1，T1，Q1是影响效率的关键，D1反向耐压与T1匝数比相互影响。
电路右边SR1100选用的是肖特基二极管。
当空载时，R3作为限流电阻，将这条之路上的电流限制在10ma。
D4在这里选用12V稳压二极管，起整流限压作用，只在空载工作。
R2作为分流电阻，其左端的电压为1V流过的电流为10mA。
工作时，R6两端的电压为1V左右，由输出电流值经调节电阻。
4.4整体电路图
图10整体电路图
4.5典型性能参数
图11输入电压和输出电流
结论
本文对LED工作原理，国内外发展现状，驱动电源的工作原理，及LED的驱动方式做了简单的介绍。
认真分析了LED的伏安特性的，并针对恒流驱动LED做了个简单的驱动电路设计。
本设计由主电路、、反馈电路和PWM控制回路构成。
由驱动芯片PT4201来完成PWM控制电路对驱动电源的占空比调节，从而完成对晶体管导通脉宽进行调控。
实现LED的恒流驱动。
并选用VDD过压保护、前沿消隐等措施来保证系统的正常运行。
在LED照明驱动的设计中，考虑各种因素，成功的完成LED驱动电源的设计。
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TheLEDfluorescentlamppowersupplydesign
Abstract:
Withthedevelopmentofpowerelectronictechnology,theLEDbecauseofthelowpowerconsumption,longlife,nopollution,highphotoelectricefficiency,etc.Theapplicationinallwalksoflifetogetfastdevelopment,atthesametime,becausethedrivingpowerinelectricalandelectronicindustriesofstatusisveryimportant,sotheLEDdriverpowersupplyhasbecomethefocus.ThisarticlethroughtotheLEDdrivevoltageandcurrentcharacteristicsoftheanalysis,severalmethodsofdriverdecidedtodesignconstantcurrentdrivepowersupply,thesafetyoftheLED,brightnessstabilityadvantagescanbefullyreflected.Thedesignofmaincircuit,PWMcontrolcircuitandfeedbackcircuit,theroleofthemaincircuitofinputactomeettheneedof
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