毕业设计论文经济型LED节能灯驱动电路的设计

学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 目 录摘要：（1）关键词：（1）前言（2）1 LED的原理、结构及特性（3）1.1 LED的发光原理（3）1.2 LED的基本结构（3）1.3 LED的电气特性（3）1.4 LED的关键参数（5）2 电容降压式LED驱动电路研究（6）2.1 电容降压原理（6）2.2 电容降压LED驱动电路的组成（6）2.3 电容降压电路的Pspice建模分析（7）3 输出功率为60W的LED驱动电路设计（10）3.1 驱动电路结构概述（10）3.2 输入EMI滤波器设计（10）3.3 输入整流滤波电路设计（11）3.4 高频变压器设计（12）3.4.1 变压器指标参数（12）3.4.2 确定磁芯型号尺寸（12）3.4.3 计算初级次级绕组匝数（12）3.4.4 漆包线线径确定（13）3.4.5 变压器示意图及配置参数（13）3.5 PWM控制电路设计（13）3.5.1 CR6850芯片简介（13）3.5.2 CR6850启动模式及启动时间（14）3.5.3 相应工作模式和定义电流波形参数 KP（16）3.5.4启动电阻Rin 上最大损耗（16）3.5.5正常工作频率（17）3.5.6 FB脚输入端（17）3.5.7 异常保护功能（18）3.5.8 PWM控制电路原理图（18）3.6 反馈电路设计（18）3.7 输出整流管及电容的选择（21）3.8 样机制作及实验结果（22）4 总结（24）致谢（25）参考文献（25）附录（26）经济型LED节能灯驱动电路的设计学生：田海青指导老师：罗志会三峡大学理学院摘要：随着全球能源紧缺、环境恶化，人们对健康、环保、节能的要求日益提高。在照明领域白炽灯正在逐步被淘汰，LED（发光二极管）由于环保，寿命长，节能等优点已经成为照明领域的研究热点，显示出极大的潜力和良好的前景。理论上LED的寿命可以达到10万小时以上，目前LED节能灯技术已经基本成熟，但是居高不下的电源成本使LED在照明领域的推广受到极大限制。本文主要通过对LED光电特性，节能灯驱动原理进行研究，运用开关电源知识，设计一个恒流的LED节能灯驱动电源。选择高性价比的解决方案开发出适用于经济型LED节能灯的驱动电源，以达到设计要求。本文第一部分将对LED的发光机理以及光电特性参数进行了介绍；第二部分将对阻容式降压驱动电路进行Pspice建模分析；第三部分运用开关电源技术，设计了输出功率为60W的LED节能灯驱动电路。这部分对驱动电路各功能模块进行了详细的分析，最后对所设计电路进行了实验验证。论文最后对设计的驱动电路存在的不足进行了分析，并对LED驱动技术的未来发展做出了展望。Abstract：The demands for health, environmental protection and energy-efficiency have been increased as a result of the shortage of global energy and the environmental degradation. The incandescent lamb is gradually being eliminated in the lighting area, while LED (light emitting diode) with its advantages such as environmental protection, long life, energy-efficiency has become a hot research topic in the lighting field, showing great potential and good prospects. Theoretically, the life of LED can be up to 100 thousand hours. The technology of the energy-efficient LED lamp is matured basically, but the promotion of LED was extremely restricted due to the high cost of power in the lighting area. This paper designs a constant current driving power for LED energy-saving lamps by studying the LED optical and electrical properties and the driving principle of energy-efficent lamps and with the knowledge of switching power. The driving power for the economic energy-saving LED lamp can be developed with cost-effective solutions to meet the design requirements. The first part introduces the luminescence mechanism and the parameters of photoelectric characteristics for LED, the second part will do Pspice modeling for and analyze the RC Buck drive circuit, the third part designes the drive circuit for LED energy-saving lamp with the output power of 60W by the switching power technology. This part analyzes the functional modules of the drive circuit in detail and finally verifies the designed circuit by experiments. At last, the paper analyzes the shortcomings of the designed drive circuit, and makes the forecast for the development of the LED drive technology in future.关键词：LED节能灯，开关电源，恒流驱动key words：LED lamp, Switching Power Supply, Constant current drive前言以电力电子学为核心的电源技术与上世纪60年代开始发展。能源危机，温室效应以及生态环境恶化等问题越来越多的引起人类的注意，节能环保已经成为共识。在照明领域人们积极寻找新的替代光源。半导体照明于上世纪末开始发展。LED（发光二极管）由于其环保，节能，发光效率高，寿命长等优点已成为照明领域的研究热点。因其与传统光源相比具有理论和现实的优越性1，受到广大工程师的青睐，它的出现将照明行业带入了一个全新的技术领域，同时也为节能照明提供了更多的解决方案。这将是人类历史上继白炽灯，荧光灯之后新的照明革命。2011年，国际两大LED巨头欧司朗与Cree公司签署了一项全球性的LED专利交叉许可协议，涵盖的专利技术包括双方的蓝光LED芯片技术、白光LED和萤光粉技术、封装、LED灯具与灯以及LED照明控制系统。这种专利授权所造成的专利壁垒，积极的影响大过于消极的影响，因为这将促进中国LED企业投入更多的资金和精力进行技术的研发。LED照明具有较多优势，必将成为未来照明市场的主流。由于LED照明的巨大发展空间，Melexis、lnfinton(英飞凌)、Lienear Technology(凌力尔特)、Supenex Inc、Analog Devices(ADI)、通嘉科技(Leadtrend)、安茂微电子(AME)，等国际知名IC公司先后推出了LED照明专用驱动IC，极大地推动了LED照明驱动电源的发展。总体来看，国内LED照明产业仍处于起步阶段。但是在国家相关政策的推动下，国内半导体照明发展迅猛。科技部副秘书长、国家半导体照明工程领导小组组长李健说：“我国发展半导体照明产业有巨大机遇。”他认为，中国有的优势：一是中国拥有巨大的照明工业和照明市场，这使照明工业在我国有着巨大的发展空间;二是我国已具备一定技术和产业基础，通过“863”等科技计划的支持，我国已初步形成比较完整的产业链。虽然LED照明具有较多优势，但也有其自身的不足。LED没有红外及紫外辐射，其耗能除了转换成光能，其余全部以热能释放，所以对于其配套设施的散热要求较高；LED照明成本极高，虽然它寿命长的优势可以弥补这一劣势，但是从总体上来看其成本还是比其他光源高；目前驱动电源转换效率和恒流精度还不高；电源寿命与LED寿命的不匹配，驱动电源中由于电解电容等一些元件的影响，实际寿命不足20000小时，从而使LED节能灯的寿命大大减小。LED驱动电源市场火热，技术水平良莠不齐，随着LED照明产业的发展，相关技术规范，标准相继出台，这将对LED照明产业的发展起到积极地推动作用。LED驱动电源的发展必须克服转换效率低，电源寿命不匹配，恒流精度不高以及散热等不足，同时在电源设计中要兼顾成本控制，选择性价比高的驱动方案。未来的LED驱动电路必将向体积小、转换效率高、寿命长、散热性好、稳定输出的方向发展。目前LED节能灯技术日趋成熟，但是居高不下的电源成本，使LED照明的发展受到限制。要推进LED照明发展，必须大力发展其配套设施，其中驱动电源是最主要的。所以开发适用于经济型LED节能灯的驱动电路具有极大现实意义。1 LED的原理、结构及特性1.1 LED的发光原理LED是利用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能的器件2。LED的芯片是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制备而成的，PN 结是其核心部分。因此它具有一般 PN 结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。当PN结外加一个正向偏置电压，即电源正极接P型材料，电源负极接N型材料，PN结势垒降低，电子、空穴移动，N区得电子进入P区，P区的空穴注入N区，从而PN结的平衡状态被打破，空穴和电子在PN结出相遇并发生复合，将多余的能量以光能的形式释放出来，这就是电致发光现象，这也就是LED发光的基本原理。如图1-1所示3。图1-1 LED发光原理图1.2 LED的基本结构LED主要由芯片、电极和光学系统组成。其基本结构是将半导体芯片固定在导电、导热的带有两根引线的金属支架上面，有反射杯（或反光碗）的一极为阴极，另一根为阳极。四周用环氧树脂密封，可以起到保护芯片的作用，同时可以起透镜（聚光）的作用。传统LED（子弹头型LED）的基本结构如图1-2所示4。图 1-2 LED的基本结构1.3 LED的电气特性LED是一种发光二极管，除了具备发光特性，还具备一般PN结结型器件的特性。（1）LED的V-I特性LED的V-I特性是表征芯片PN结特性的关键参数，它是指流过PN结的电流随PN结两端所施加电压的变化关系。具有非线性、单向导电性，即当外加正偏置电压时表现为低阻态，反之为高阻态。LED的伏安特性曲线如图1-3所示。图 1-3 LED的V-I特性曲线下面对LED的各个工作区进行简单介绍：（1）正向死区：（图oa或oa段）a点对应的电压Va 为开启电压，当VVa，外加电场不能克服因载流子扩散而形成势垒电场，此时阻值很大；对于不同芯片材料的LED其开启电压值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。（2）正向工作区：电流IF与外加电压呈如下指数关系： 1-1其中IS 为反向饱和电流。V0时，VVF的正向工作区IF 随VF指数上升： 1-2（3）反向死区：V0时PN结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。（4）反向击穿区 V- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR为反向漏电流。当反向电压一直增加使V- VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。（2）LED的C-V特性LED的电容一般包括PN结结电容和内引线分布电容等在内的总电容，其中PN结结电容居支配地位3。LED的芯片有很多种规格，PN结面积大小不相同，使其结电容（零偏压）Cn+pf左右。LED的C-V特性呈二次函数关系，如下图1-4所示。图 1-4 LED的C-V特性曲线（3）允许功耗 LED的实际功耗是指工作电流和正向电压降的乘积，即P=UFIF。LED工作时会释放热量，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当TjTa时，内部热量借助支架向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj Ta）。为了使LED安全工作必须使实际功耗在最大允许功率耗散值之内。（4）响应时间 响应时间是指输入正向电流后LED的发光和熄灭时间，是标志LED反应速度的一个重要参数。如图1-5是LED的响应时间特性图。其中点亮时间tr是指通电后亮度从正常值的10%开始，到亮度达到正常值得90%所用的时间。熄灭时间tf是LED从正常发光到亮度降到原来的10%所经历的时间。对于不同材料制成的LED其响应时间均不相同。图 1-5 LED响应时间示意图1.4 LED的关键参数允许功耗Pm：允许加于LED两端的正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值时，LED发热甚至烧坏。 最大正向电流IFm：允许通过 LED的正向直流电流的极限值。超过此值时，可损坏LED。 最大反向电压VRm：LED所允许加的最大反向电压。超过此值时，LED可能被击穿损坏。 工作环境 topr：LED可正常工作的环境温度范围。超过此温度范围，LED 将不能正常工作，效率会大大降低。2 电容降压式LED驱动电路研究2.1 电容降压原理 将交流市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，当受体积和成本等因素的限制时，最简单实用的方法就是采用电容降压式电源。其基本电路原理如下图2-1所示。 图 a 图 b图 c图2-1 电容降压电路原理图电容降压式简易电源的基本电路如图a，C1为降压电容器，D2为半波整流二极管，D1在市电的负半周时给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。在实际应用时常常采用的是图b的所示的电路。当需要向负载提供较大的电流时，可采用图c所示的桥式整流电路。 整流后未经稳压的直流电压一般会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，这是因为此类电源内阻很大的缘故所致，故不适合大电流供电的应用场合。电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。 2.2 电容降压LED驱动电路的组成 电容降压LED驱动电路由降压电容、泄放电阻、全波桥式整流、稳压二极管、滤波电容及限流电阻等部分组成，如图2-2所示。图2-2 电容降压LED驱动电路图2-2中C1为降压电容同时具有电流限制作用；D1D4为4只1N4007组成的桥式整流电路；C2为滤波电容起平滑波形的作用；R2为限流电阻。降压电容C1的容抗XC1为： 2-1上式中fAC为输入交流电源的频率，C1为降压电容的容值。通过C1后的电流IC1为： 2-2上式中：V为交流电源电压。由上面2-1、2-2两式可得： 2-3则在220V、50Hz流输入条件下，通过C1的电流可表示为： 2-4上式中C1的单位为uF，IC1的单位为mA。2.3 电容降压电路的Pspice建模分析电容降压电路的Pspice仿真电路图如图2-3所示：图 2-3 电容降压电路图Pspice软件中没有合适的LED模型，在仿真分析中用电阻R3代替。设定R3的阻值分别为1欧姆、10欧姆、100欧姆比较流过R3的电流，仿真结果如下图2-4。. （a） 电阻值为1欧姆（b） 电阻值为10欧姆（c） 电阻值为100欧姆图2-4 负载变化输出电流的影响由以上分析可以看出负载变化时电容降压电路的输出没有明显影响。且输出电流与降压电容值的关系满足式2-4。输入电网电压波动对输出的影响是衡量驱动电源优劣的一个重要指标，下面将对输入电压在196V-264V变化时该电路的输出进行仿真分析，我们选择输入电压为196V、220、264V来做仿真。仿真结果如下图2-5所示。（a） 输入电压AC196V（b） 输入电压AC220V（c） 输入电压AC264V图2-5 输入电压波动对输出电流的影响通过以上分析可以看出输出电流随输入电压的波动变化较大，由于LED是非线性器件，电压、电流的极小变化都会引起LED亮度的较大变化，可以看出输入电源波动对LED的性能有较大影响。电容降压式LED驱动电路的优点是结构简单，体积小，成本低。经过以上分析可以看出这种电路存在明显不足。电容降压式LED驱动电路只是一种小电流电源电路，所能提供的电流值非常有限；电路在降压电容和电阻上损耗的功率较大，电路效率非常低；输出电流会随电网电压波动变化较大，致使LED亮度不稳定。3 输出功率为60W的LED驱动电路设计3.1 驱动电路结构概述驱动电路将频率为50Hz，220V的交流电通过整流电路，高频变压电路，输出稳压电路转换成为输出恒定的直流电流。下面就对驱动电路的总体结构进行介绍。其主体电路如下图3-1所示。图 3-1 电路结构系统规格参数如下：1）输出功率：P0=12V*5A=60W2) 输入功率：Pin=P0/=60W/0.8=75W3) 最低直流输入电压：Vin(min)=90V*1.414=127V4) 最高直流输入电压：Vin(max)=264*1.414=373V5) 最大输入电流：Iin(max)=Pin/Vin(min)=75W/127V=0.59A6) 最小输入电流：Iin(min)=Pin/Vin(max)=75W/373V=0.20A7) 峰值电流: IPK=5.5P0/Vin(min)=5.5*60W/127V=2.60A从交流电网输入到直流输出的全过程包括：1.EMI滤波器，其作用是将电网产生的杂波过滤，同时也阻止本机产生的杂波反馈到电网对公共电网造成污染；2.整流与滤波，将电网提供的交流电转换成较平滑的直流电；3.逆变电路，将上一级得到的直流电变换成为高频交流电，这是该电路的核心部分；4.输出整流与滤波，因为LED光源对于驱动电源的输出稳定性要求较高，该电路以提供稳定的直流输出；5.该电路还包括PWM控制电路，从输出取样，分析比较，通过改变频率或占空比来控制逆变器达到输出稳定；6.保护电路，包括过流，过压，欠压，过热保护，使电源在异常情况下，自动停止工作防止烧毁驱动电源及整灯。3.2 输入EMI滤波器设计所谓EMI（电磁干扰）是因电磁波造成设备，传输通道或系统性能降低的一种电磁现象5。EMI电源滤波器是一个由电容和电感构成的低通滤波器。它允许直流和工频信号通过，对其他高频信号有很大的抑制作用。电源滤波器一般可以根据性能分为一般性能和高性能两种。下图3-2中给出了EMI电源滤波器的典型应用电路。(a)为一般性能，(b)为高性能。 （a）一般性能电路 (b)高性能电路3-2 电源滤波器典型应用电路这里选用一般性能的电源滤波电路，其元件参数确定：电感LF的设计原则：（1）磁芯材料的频率范围要宽，一般在1GHz。（2）磁芯磁导率高。对于这两个条件很难同时满足，这里选用铁氧体材料磁芯，电感量L取值为10mH。CX,CY值得确定：在实际设计中CX，CY的值很难准确计算，这里选用0.33uF/275V,理论上GY的值越大越好，但是它越大漏电流也越大，这里选用222/400V。EMI滤波电路对于LED节能灯驱动器非常重要，因为是非线性元件，对于极小的电流电压变化就会引起极大地亮度变化，所以因尽量控制电压电流的干扰。3.3 输入整流滤波电路设计输入整流滤波电容选择，很难计算出精确值，按照经验公式，对于 AC 90264V 宽范围输入，按 23uF/Watt输出功率选取，在本电路中选取120uF/400V的电容。输入整流桥的选择要求： 3-1上式中UR为输入整流二极管的反向额定电压，这里计算得出当Umax=373V时，UR=466V； 3-2上式中ID为整流桥的电流额定值，计算可得ID=1.18A。查阅整流二极管参数表，这里我们选用4只1N4007二极管构成一个桥式整流电路。输入整流滤波电路如下图3-3所示。图3-3 输入整流滤波电路3.4 高频变压器设计高频变压器是开关电源的核心器件，是利用电磁感应原理将电能从一个回路传输到另一个电路的装置。只作用于交流电路中，在电路中起到隔离，变压，变阻，储能等作用。3.4.1 变压器指标参数输入电压：AC90V-264V，50Hz输出：DC12V，额定电流5A输出电压精度：+/-5%效率：=80%工作频率：fs=50Hz3.4.2 确定磁芯型号尺寸磁芯选用PC44材料，其饱和磁通密度为B=5100GS，最大工作磁密为Bm=B/3。确定磁芯尺寸有两种方式，第一种是按制造商提供的图表，根据各种磁芯可传递能量来选择。第二种是计算方式来确定。可以按下式3-3来确定磁芯尺寸。 3-3上式中，AP为磁芯面积乘积，单位为mm4；Ae为磁芯的截面积，单位为cm2；AW为磁芯的窗口面积，单位为cm2；Pt为传递功率，Pt=Pout/+Pout，单位为W，为变压器效率，一般可取80%；fs为工作频率，单位为Hz；Bm为磁芯最大工作磁密，单位为T；J为导线的电流密度，一般取4-8A/mm2；Ku为窗口的铜填充系数，一般取Ku为0.2-0.5。计算可得：Ap=0.66cm4，查阅磁芯参数手册这里选用PQ2620型磁芯，其参数为，Ap=0.66cm4，Ae=119.00mm2，Aw=60.40mm2。3.4.3 计算初级次级绕组匝数计算一次电感量最小值Lpri： 3-4此处取Dmax为0.5。由式3-4计算可得Lpri=488H。计算磁芯气隙Lgap值，公式如下： 3-5由3-5式计算可得：Lgap=0.5mm。计算一次绕组匝数N1： 3-6查表得：AL=617H/N2，由上式3-6计算可得：N1=28.1，根据经验在这里取匝数为36匝。计算二次主绕组最小匝数N2： 3-7此处整流二极管压降VD为0.7V，由上式3-7计算得：N1=3.6，根据经验这里选定为6匝。3.4.4 漆包线线径确定 由于变压器的工作频率为50Hz，此条件下铜导线的穿透深度x=0.2956mm，考虑到趋肤效应影响，一般选择导线直径应该小于2x。当导线很长时（大于1m），电流密度可以取 5A/mm2。当导线较短且匝数较少时，610A/mm2的电流密度也是可取的。应避免使用直径大于 1mm的导线，防止产生严重的涡流损耗并使绕线更加容易。对于大电流输出，最好采用多股细线并绕的方式绕制，减小集肤效应的影响。3.4.5 变压器示意图及配置参数变压器示意图如下图3-4所示：图3-4 变压器示意图 变压器配置参数如下表所示：磁芯型号绕组绕线起点绕线终点线径匝数PQ26-20W1Pin3Pin20.41*218W2Pin10,11,12Pin7,8,90.51*46W3Pin6Pin40.18*19W4Pin2Pin10.41*2183.5 PWM控制电路设计3.5.1 CR6850芯片简介为了使LED节能灯具有更高的可靠性，更优的性能，这里采用驱动芯片设计驱动电路。首先应该选择适合的芯片，所选芯片因该体积小，性能稳定，输入电压范围宽，具有异常保护功能，转换效率高且成本低。综合考虑，这里选用了成都启达公司的CR6850芯片，这是一款绿色节能PWM控制芯片，使用较少的外围元件，极低的成本可以完成反激式AC-DC 开关电源的设计。芯片主要技术参数如下；（1）PWM&PFM&CRM (周期复位模式)控制；（2）低启动电流 (约 8A)、低工作电流 (约 2mA)； （3）电流模式控制；（4）欠压锁定(UVLO)； （5）内置同步斜坡补偿； （6）PWM频率外部可调；（7）轻载工作无音频噪音； （8）内置前沿消隐；（9）在输入90V264V的宽电压下可实现恒定最大输出功率； （10）周期电流限制； （11）GATE引脚驱动输出高电平钳位 16.8V；（12）VDD引脚过压保护25.5V； （13）SOT-23-6L，SOP8 ，DIP-8 无铅封装；其不同封装方式的管脚信息如下图3-5所示：图 3-5 CR6850封装形式CR6850内部结构如下图3-6所示：图 3-6 CR6850内部结构框图CR6850的典型电路如下图3-7所示：图 3-7 典型电路3.5.2 CR6850启动模式及启动时间CR6850C 具有如下两种启动方式： 1) 整流滤波前启动的方式, 其启动电路见图 3-8 所示； 2) 整流滤波后启动的方式，其启动电路见图 3-9 所示； 图 3-8 整流前启动 图 3-9整流滤波后启动上面两种启动方式当电源上电开机时通过启动电阻RIN给VDD端的电容C充电,直到VDD端口电压达到芯片的启动电压VTH(ON)（典型值15.3V）时芯片才被激活并且驱动整个电源系统正常工作。在图 3-8中系统的最大启动延迟时间满足3-8式： 3-8其中：IDD_ST为CR6850的启动电流；TD_ON为系统的启动延迟时间；RIN为R1与R2电阻值之和。由于芯片具有低启动电流的特性并且考虑到空载的系统损耗，RIN可以取得较大，具体值可在 1.5M3M 范围内选取,C1推荐选用10F/50V。如果发生保护，输出关断，导致辅助绕组掉电，VDD端电压开始下降，当VDD端电压低于芯片的关闭电压VDD_OFF（典型值 10.2V）时，控制电路关断，芯片消耗电流变小，进入再次启动。图 3-10 典型启动电路如果需要系统具有更快的启动时间且在系统成本允许的情况下，可参考图3-11电路中C1可以取得较小(但需要考虑系统的稳定性)，RIN的取值可以取得较大，这样既可缩短系统的启动时间同时也可降低系统空载时的待机功耗。图3-11 快速启动电路3.5.3 相应工作模式和定义电流波形参数 KPa) 连续模式电流波形，KP1b)非连续模式电流波形，KP1图 3-12 电流波形与工作模式当 KP1，连续模式，如图 3-12a： 3-9其中：IR为初级绕组脉动电流，IP为初级峰值电流。 当KP1，非连续模式，如图3-12b： 3-10在连续模式设计中，宽电压输入时，设定KP=0.4；230V 单相电压或者115V 倍压整流输入时，设定KP=0.6。在非连续模式设计中，设定KP=1。 反射电压UOR设定在 60V80V。使得 CCM 模式下，最大占空比（Dmax）不超过 0.5，避免发生次谐波振荡。连续模式时计算 Dmax： 3-11非连续模式时计算 Dmax： 3-12其中，设定 CR6850外接功率 MOSFET 漏极和源极UDS=10V。3.5.4启动电阻Rin 上最大损耗启动电阻Rin上最大损耗的计算公式如下： 3-133-13式中，VDC,max 是最大输入整流后电压。对于一个通用输入（AC90V264），VDC,max=374V，由上式可得：3.5.5正常工作频率 CR6850允许根据系统的使用环境需要自行调整系统的工作频率,其 PWM 频率为：50K100K；CR6850的典型工作频率为 67kHz，其应用电路如图3-11，RI的取值决定了系统的工作频率，工作频率的设定可由以下公式计算出来。 3-14 图 3-11 频率设置电路虽然 CR6850推荐系统 PWM 的工作频率范围可为 50k100kHz，但是芯片系统性能优化主要是被设计在 50KHz67KHz 的应用范围，在 PCB layout时应尽可能使 RI 的接地端靠近芯片的 GND 端，以便减少干扰。 3.5.6 FB脚输入端CR6850的FB端口各电压阈值相对应的系统工作状态可通过下图表示。图 3-12 FB 端电压对应系统工作状态0.9V1.4V 为系统在空载或轻载时工作在 CRM 工作模式下的 FB 端电压；1.2V4.7V 为系统在常态工作模式下的 FB 端电压；4.7V 为系统开环状态时FB端电压，FB端的短路电流典型值为2.2mA。 CR6850采用传统的电流模式结构设计，其关断时间根据峰值电流调整，通过与主开关管 MOSFET 源极相连接的电流反馈电阻转化成电压反馈到 CR6850的 SENSE端来实现控制。在正常工作时，这个峰值电流与 FB 具有如下关系式： 3-15VFB为FB端的电压；Rs为与主开关管MOSFET源极相连接的电流反馈电阻阻值。3.5.7 异常保护功能1）逐周期电流限制在每个周期，峰值电流检测电压由比较器的比较点决定。该电流检测电压不会超过峰值电流限制电压。保证初级峰值电流不会超过设定电流值。当电流检测电压达到峰值电流限制电压时，输出功率不会增大,从而限制了最大输出功率。2）过压保护当UDD电压超过OVP保护点时，说明负载上发生了过压，首先关闭输出GATE，同时内部泄流电路开启。该状态一直保持，直到UDD端口电压降到UDD_OFF后进入再次启动序列。发生过压保护后，如果UDD端口电压超过箝位电压阀值（典型 25.5V）时，内部箝位电路将UDD电压箝位在 25.5V，以保护 CR6850不被损坏，UDD钳位电路能承受的电流大约为10mA，如果系统由于其他原因导致UDD钳位电路动作后UDD端电压仍然持续上升且超过芯片的耐受能力，那么芯片就可能会被烧毁。3）过功率保护(OLP)：芯片 SENSE端通过监控系统初级流过主开关管的电流信号活动，芯片能检测到系统过流或过功率的状况。当系统输出发生过功率现象时，如果SENSE端的电压UTH_OC超过0.75V(典型值)时，Gate端输出脉宽将会被限制输出，这时系统处于恒功率输出状态Pout=UoutIout，即如果增加输出负载电流，那么系统输出电压相应会下降，芯片将使系统进入过功率保护(OLP)状态，Gate会立即关闭输出，芯片UDD上的端口电压也随之被拉低，然后芯片重新启动，当故障依然存在时系统将重复上述现象（即打咯现象）。当系统进入过功率保护状态时，系统损耗的平均功率非常低。4) 欠压保护(UVLO)： CR6850C 都内置有欠压保护电路(UVLO)，当UDD端电压小于10.2(Vmax)时(考虑温度的影响建议设计参考值为 11.5V)，芯片就会进入欠压保护状态，这时 Gate停止输出PWM。设计中需要检查交流输入全电压范围内，当输出负载瞬间由满载转为空载时芯片的Vdd端电压是否受影响而误触发UVLO,即UDD端电压瞬时低于10.2V(考虑温度的影响建议设计参考值为11.5V)否则这样很容易造成空载输出电压会不稳跳动的现象。3.5.8 PWM控制电路原理图电路原理图如下图3-13所示：图 3-13 PWM控制电路原理图3.6 反馈电路设计 CR6850系列产品采用电流模式控制，反馈环路只需采用一个单极点和单零点补偿电路即可实现。反馈电路如下图3-14.图 3-14反馈控制电路 确定Rbias和RD的值，使能够为 TL431提供合适的工作电流并确保 CR6850反馈电压的完整工作变化范围。对于TL431最小阴极工作电压和电流分别为2.5V和1mA。 3-16 3-17其中：UOP为光耦的正向导通压降（通常为1.2V），IFB为CR6850反馈短路电流（通常为 1.42mA），CTR为光耦的电流传输比。例如当Uout=5V，光耦的CTR为80%时，RD670且Rbias 1.2K。 对于 CCM 模式，采用 CR6850的反激式开关电源的控制-输出传递函数由下式3-18给出： 3-18式中， ，UDC为直流输入电压，Rout为等效输出负载电阻。控制-输出传递函数中有一个右半平面（RHP）零点（Wrz）。由于 RHP 零点使相位减少了 90，所以穿越频率应小于 RHP零点（Wrz）。系统极点和零点以及直流增益均随输入电压的变化而变化。直流增益在高输入电压条件下最高，RHP零点在低输入电压条件下最低。低频增益并不随负载条件的变化而变化，RHP 零点在满载条件下最低。图3-15 CCM模式反激电源的控制-输出传递函数随输入电压的变化情况图3-16 CCM模式反激电源的控制-输出传递函数随负载的变化情况图3-17 DCM模式反激电源的控制-输出传递函数随负载的变化情况对于 DCM 模式，采用 CR6850的反激式开关电源的控制-输出传递函数为： 3-19式3-19中，。与工作于CCM模式的反激式开关电源相比，此时没有RHP零点，而且直流增益不随输入电压的变化而变化。总增益在满载条件下最高。图 3-14的反馈补偿网络传递函数由下式获得： 3-20式中，。当输入电压和负载电流的变化范围很宽时，反馈环路设计的最坏情况是不易确定的。增益以及零点和极点均根据工作条件的变化而移动。不仅如此，随着负载电流的减小或（和）输入电压的增大。工作于CCM模式将进入DCM模式。解决这一问题的一种简单而实用的方法是设计出低输入电压和满载条件下具有足够的相位和增益裕量的反馈环路。对于90V264V交流输入，当开关电源工作于CCM模式时，RHP零点在低输入电压和满载条件下最低。不过，当工作条件从低压输入变为高压输入时，增益增加不大。因此，通过设计在低压输入和满载条件下具有超过45的增益裕量的反馈环路即可保证整个工作范围内的稳定性。反馈环路实际电路原理图如下图3-18所示： 图3-18 反馈电路3.7 输出整流管及电容的选择 输出整流管可以有以下方法确定：UR1.25USR，UR为整流二极管的反向额定电压；ID3Iout，ID为二极管的直流电流额定值，实际中需注意温升、反压、及实际测得的最大电流。查询常用输出整流管选型手册，这里选用MBR2010，其参数UR（V）为100V，ID（A）为20A。输出平滑电路的优劣直接影响到输出，是LED能正常工作的保证。由于电解电容具有较高的ESR，所以有的时候只使用一个输出电容是不能满足纹波规格要求的。此时，可以附加一个 LC 滤波器。在使用附加 LC滤波器时，不要把截至频率设置得过低。截至频率过低可能导致系统不稳定或者限制控制带宽。将滤波器的截至频率设定在开关频率的 1/101/5左右比较合适。为减少大电流输出时的纹波电流 IRI，可将几只滤波电容并联使用，以降低电容的R0值和等效电感Lout。电感L：2.2uH4.7uH，对于低电流（小于1A）的输出使用磁珠是可以的。而较高电流输出可以使用非定制的标准电感。如有必要，可以增大电感的电流额定值从而避免电感上的损耗。电容C的容量与最大输出电流IOM有关。 输出整流滤波电路如下图3-19所示：图 3-19 输出整流滤波电路3.8 样机制作及实验结果 PCB Lay out如下图3-20所示：（a）Bottom Layer（b）Bottom Overlay（c）Top Overlay图 3-20 PCB Lay out电路采用反激式拓扑结构，使用外围元件少，成本低。PWM控制芯片选用CR6850型号 Green-Power PWM 控制芯片，该芯片可以完全替代OB2263芯片，性能稳定集成度高，功耗低，且具有明显价格优势。本文的设计思想和方法都是基于已经成熟的理论。可靠性和可行性都很高。在考虑系统性能的同时兼顾了电源成本控制，是满足现在LED节能灯驱动电源发展需求的。不可避免的这个设计也还存在许多不足之处，所选用的反激式拓扑结构本身存在一定的局限性，输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高。同时由于经验不足在PCB版图设计时，元件布局以及布线有一些做得不好的地方，影响了驱动电源的整体性能。在设计中对于电路板的EMI方面考虑不够，还有一些干扰没有解决好。在今后的工作中会努力将这些方面做好。4 总结目前LED灯杯产品驱动电路主要以电容降压式电路为主，该类产品目前在LED应用中占有量较大，广泛应用于商场，酒店，展厅，家居照明等场所。具有体积小，价格低，电流相对恒定等优点。但是电容降压电路所能提供的电流较小，不适用于驱动大功率LED。且电路功耗大，电路转换效率低，输出随电网波动变化较大，会致LED亮度不均，影响节能灯寿命。以开关电源技术为基础的LED节能灯驱动技术克服了电容降压电路的上述不足。恒流精度高；电网电压波动对电源影响较小；电能转换效率较高，目前的技术水平可以达到70%-80%。但明显其体积，成本都要高，这就使其应用于不同的灯具产品。基于开关电源的LED节能灯驱动方案，适用于大功率灯具，一般应用于路灯，景观灯，洗墙灯等。具体来说本课题主要做了以下工作：（1）LED节能灯驱动技术发展趋势，国内外研究现状的调研；（2）深入学习了LED的发光原理，结构以及电气特性；（3）电容降压式LED驱动电路的原理研究以及Pspice建模分析；（4）设计了输出功率60W的驱动电源，对PCB板设计软件Altium Designer进行了深入学习，掌握了双面PCB图制作技术。了解了常用电子元器件知识；（5）完成LED节能灯驱动电源的样机制作，并进行实验，调试，以满足系统要求。LED节能灯技术是近十年才开始兴起的一项新技术，在这十年的发展中以显示了其良好的发展前景和巨大的潜力。LED体积小，环保无污染，在加上寿命长，光效高等优点与传统光源比较就有了巨大优势。目前LED节能灯驱动技术的主要瓶颈是散热问题，转换效率不高，电源寿命与LED寿命的不匹配以及成本方面。这些都大大限制了LED节能灯的市场推广，随着各国政府的政策支持，各大厂商积极投入产品研发，LED驱动新技术不断涌现。LED节能灯驱动技术也将日益成熟，这必将成为继白炽灯，荧光灯之后的人类照明史上的又一次重大变革。致谢本论文是在罗志会老师的指导下完成的。从开始到完成罗志会老师给予我莫大的帮助，尤其是在文献参考资料方面和论文细节处理上。在此我十分感谢罗志会老师。参考文献：01 余德方.新型的半导体光源-白光LEDJ.世界产品与技术，2003（3），46-48.02 毛兴武，张燕雯.新一代绿色光源LED及其应用技术M.北京：人民邮电出版社,2008.03 张国斌.CFL-LED照明驱动设计IC应用全攻略M/OL.深圳：创意电子网，20102011-4-15. 04 张玄.LED光源驱动电路研究D.武汉：华中科技大学，2008.05 毛兴武，祝大卫.电子镇流器原理与制作M.北京：人民邮电出版社，1999.06 周志敏.LED驱动电路实例M.北京：电子工业出版社，2008.07 杨恒.LED驱动电路设计与实例精选M. 北京：中国电力出版社，2008.08 周太明 周详等.光源原理与设计M.上海：复旦大学出版社，2006,12.09 李永平，董欣.PSpice电路优化程序设计M.北京：国防工业出版社，2004.10 陈元灯.LED制造技术及应用M.北京：电子工业出版社，2007.11 全新实用电路丛书编辑委员会.灯光控制应用电路M.北京：机械工业出版社，2005.12 罗静华.大功率LED驱动控制技术D.西安:西安电子科技大学,2010.13 毛兴武等.交流电源供电的大电流LED驱动电路J.中国照明电器，2006.6（5）：4-714 谭俊延.LED光源设计及其在生物医学工程中的应用研究D.石家庄：河北科技大学.2010.15 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