【正文】 .............................. 26 致 謝 .................................................... 27 第 1 頁(yè) 1 概述 選題的目的與意義 隨著社會(huì)的高速發(fā)展，能源問(wèn)題日益被世界關(guān)注，其 中電能的合理利用是節(jié)約能源的重要方面。目前，我國(guó)照明用電在經(jīng)濟(jì)用電中僅次于電動(dòng)機(jī)居第二位，而且以低效照明光源為主。 因此 采用發(fā)光效率高的照明光源、可靠性和效率高的照明電源具有重要意義。如何提高照明系統(tǒng)的能源利用率 ，延長(zhǎng)照明系統(tǒng)的壽命，并且是綠色無(wú)污染的成為當(dāng)前各國(guó)研究的熱點(diǎn)。 隨著 LED 光效的迅速提高、成本的不斷下降 LED 做為近年來(lái)興起的第四代照明光源與傳統(tǒng)的照明光源相比有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）節(jié)能：大功率 LED照明的第一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能。由于 LED 的 光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光區(qū)域，效率可達(dá) 80%~90%，而白 熾燈的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換效率僅為 10%~20%，因此， 從 節(jié)能方面來(lái)說(shuō)， LED 具有很大的優(yōu)勢(shì)。 （ 2）光線質(zhì)量高、光色純：由于 LED光譜中幾乎沒(méi)有紫外線和紅外線，因此沒(méi)有熱量，沒(méi)有輻射，可見(jiàn)其屬于典型的綠色照明光源并且 LED 與傳統(tǒng)照明光源相比，其光譜相對(duì)狹窄。 （ 3）壽命長(zhǎng)： LED 芯片的壽命是半永久性的，而作為光源的壽命還取決于封裝材料品質(zhì)的優(yōu)劣。一般 LED 光源光通量衰減到 70%的標(biāo)稱壽命為 10 萬(wàn)小時(shí)，是白熾燈的數(shù)十倍，是熒光燈和 HID 燈的數(shù)倍。 （ 4）可靠性高：大功率 LED 以其特殊的電子結(jié)構(gòu)保證其 工作時(shí)有良好的穩(wěn)定性和可靠性，甚至在水下也能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作。而且它沒(méi)有傳統(tǒng)光源的鎢絲、玻璃殼等易損部件，維護(hù)費(fèi)用低廉。 （ 5）靈活度高：體積小，便于造型，可做成點(diǎn)、線、面等各種形式。 LED不但使用靈活而且控制也靈活，通過(guò)控制電路很容易調(diào)控亮度，實(shí)現(xiàn)多樣的動(dòng)態(tài)變化效果。 （ 6）響應(yīng)快：因?yàn)?LED 利用了電子空穴湮滅的直接發(fā)光現(xiàn)象，因此，發(fā)光的響應(yīng)時(shí)間非常短，通常在 100ms 以下，雖然實(shí)際中會(huì)受到驅(qū)動(dòng)電路的影響，但仍然屬于毫秒級(jí)別。大功率照明 LED 的響應(yīng)為納秒級(jí)，無(wú)頻閃。 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT2 （ 7）環(huán)保：大功率 LED 的工作環(huán)境 為低壓直流電，因而沒(méi)有電磁干擾。而且不同于日光燈點(diǎn)亮后會(huì)產(chǎn)生汞蒸氣及二氧化碳和其他溫室氣體等污染物， LED 產(chǎn)生的廢物很少，同時(shí)，其熒光粉的用量也僅為普通熒光燈的十分之一 。 由于 LED 具有以上 諸多 的優(yōu)點(diǎn)，隨著照明用電量的迅猛增加以及電能消耗的加劇，我國(guó)的供電勢(shì)態(tài)和環(huán)境與生態(tài)保護(hù)的現(xiàn)狀日益嚴(yán)峻，根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)觀念要求， LED 作為未來(lái)社會(huì)照明光源成為一種必然趨勢(shì)。 因此 設(shè)計(jì)出效率高、工作穩(wěn)定的 LED 驅(qū)動(dòng)電源對(duì)解決世界能源問(wèn)題則具有重要現(xiàn)實(shí)意義。 大功率 LED 恒流驅(qū)動(dòng) 電源 發(fā)展趨勢(shì) 隨著 LED 在照明領(lǐng)域的 普及，用市電驅(qū)動(dòng) LED 越來(lái)越成為人們關(guān)注的問(wèn)題。但用市電驅(qū)動(dòng) LED 不僅需要解決降壓和恒流問(wèn)題，還要有比較高的轉(zhuǎn)換效 率、有較小的體積、長(zhǎng)時(shí)間工作能力、較低的成本、電磁干擾和功率因數(shù)等問(wèn)題。因此大功率 LED恒流驅(qū)動(dòng)的發(fā)展要從 解決 上述問(wèn)題著手。 （ 1）驅(qū)動(dòng)器與 LED 工作特性的匹配。大功率 LED 驅(qū)動(dòng)電源 是低電壓大電流的驅(qū)動(dòng)器件，由 LED 的電氣特性可知其各項(xiàng)性能參數(shù) 對(duì)電流的敏感性高于電壓 ，因此為保證大功率 LED使用的安全性和理想性， LED 的驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源。 （ 2）驅(qū)動(dòng)器的高可靠性 、 高效率 。由 于 LED 是具 有長(zhǎng)壽命的高可靠性固體照明光源決定了與其配套的驅(qū)動(dòng)器也要能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作。發(fā)熱問(wèn)題一直是 阻礙 LED 發(fā)展 的難題，因此對(duì) LED驅(qū)動(dòng)器 的 效率 有較高的要求 。驅(qū)動(dòng)器的效率提高不僅節(jié)約了能源，同時(shí)由于其損耗的降低，在燈具內(nèi)的發(fā)熱量也相應(yīng)的減少，提高了 LED 的使用壽命。 （ 3）多功能保護(hù)。電流過(guò)強(qiáng)時(shí)，會(huì)引起 LED 衰減，導(dǎo)致其壽命縮短。恒定電流在 LED 照明中極其重要，這就需要驅(qū)動(dòng)器在能滿足恒流的基礎(chǔ)上還要有過(guò)流保護(hù)功能。良好的 LED驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能必不可少，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)和安全保護(hù)等。 （ 4）熱管理設(shè)計(jì) 。 LED 照明應(yīng)用的最突出問(wèn)題是發(fā)熱和散熱問(wèn)題， LED 本身無(wú)法通過(guò)紅外線的形式輻射散熱，只能通過(guò)散熱墊以傳導(dǎo)的形式將熱量傳導(dǎo)到外裝的散熱片上，因此在對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮從導(dǎo)熱和散熱兩方面綜合考慮。 第 3 頁(yè) （ 5）體積小型化。隨著半導(dǎo)體照明在民用市場(chǎng)的逐漸普及 ，小型化能夠使LED照明能夠適應(yīng)更多的工作環(huán)境。因此， 大功率 LED電源設(shè)計(jì)的小型化發(fā)展成為了一種必然趨勢(shì)。 （ 6）其他。由于 LED 的驅(qū)動(dòng)器越來(lái)越多的采用基于開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)模式，而以高頻工作來(lái)提高功率密度和效率的開(kāi)關(guān)電源不可避免的涉及到了電磁兼容問(wèn)題，因此 在電磁兼容方面對(duì)未來(lái)的 LED驅(qū)動(dòng)器提出了更高要求。 本課題研究的主要內(nèi)容 基于對(duì) LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的理解，在現(xiàn)有科研條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì) 出 多路輸出的 大功率 LED 恒流驅(qū)動(dòng)器并對(duì) LED恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究。 本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn)：（ 1）介紹 LED照明 的特點(diǎn)、并對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行闡述（ 2）分析開(kāi)關(guān)電源的基本原理，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 、控制芯片、驅(qū)動(dòng)電路 研制 LED 恒流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源。（ 3）對(duì)開(kāi)關(guān)電源各個(gè)功能模塊進(jìn)行了 具體的 分析 和 公式推導(dǎo)，計(jì)算出最佳參數(shù)作為設(shè)計(jì)參考設(shè)計(jì)出電路 ，最后設(shè)計(jì) 出整體電路原理圖和 PCB圖 。 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT4 2 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案 開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇 驅(qū)動(dòng) LED 的開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本有 Buck(降壓型 )、 Boost（ 升壓型 ）、BuckBoost（降 升壓型）和 Flyback（反激式） 等 ， 不 同 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)流過(guò) LED的 電流控制 效果不同 。 圖 1 Buck 變換器的 LED驅(qū)動(dòng)電路 圖 1所示為采用 Buck 型變換器的 LED驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路與傳統(tǒng)的 Buck 變換器不同，開(kāi)關(guān)管 VT 移到了電感后面，使得開(kāi)關(guān)管源極接地，而續(xù)流二極管 VD 反并聯(lián)到該串聯(lián)電路。這種驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單 、 不需要輸出 濾波電容， 降低了成本。但該變換器不適用于輸入電壓過(guò)低或過(guò)多 LED 串聯(lián)的場(chǎng)合。 圖 2 Boost 變換器的 LED 驅(qū)動(dòng)電路 圖 2 所示為采用 Boost 變換器的 LED 驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電感儲(chǔ)能將輸出電壓泵升至比輸入電壓更高的期望值，實(shí)現(xiàn)在低輸入電壓下對(duì) LED驅(qū)動(dòng)。 Boost 變換器輸入電流是連續(xù)的，這減輕了對(duì)電源的電磁干擾 ,開(kāi)關(guān)晶體管發(fā)射極接地．使 第 5 頁(yè) 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 。但是它 輸出側(cè)二極管的電流是脈動(dòng)的，使輸出紋波較大 。 所以實(shí)際應(yīng)用中，在二極管與輸出之間常加入一個(gè)輸出濾波 網(wǎng)絡(luò) 。另外 電壓變比 永 遠(yuǎn)大于 1，即它只能升壓，不能降壓 。 圖 3 BuckBoost 變換器的 LED 驅(qū)動(dòng)電路 圖 3所示為采用 BuckBoost 變換器的 LED驅(qū)動(dòng)電路。與 Buck 電路類(lèi)似，該電路中開(kāi)關(guān)管 VT 的源極可以直接接地。 BuckBoost 變換器 電路簡(jiǎn)單 ， 電壓變比可由零到無(wú)窮大，即可升壓又可降壓。 但是它的 輸入、輸出電流皆有脈動(dòng)，使得對(duì)輸入電源有電磁干擾且輸出紋波較大。所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)常加有輸入，輸出濾波器 。 并且 開(kāi)關(guān)晶體管發(fā)射極不接地， 驅(qū)動(dòng)電路 變得 復(fù)雜 。 圖 4 反激式 變換器的 LED 驅(qū)動(dòng)電路 圖 4 所示 為 反激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路。 反激變換器又稱 Flyback 式變換器。反激式開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件數(shù)少，體積小，因此成本較低。雖然該電路變換器的磁芯單向磁化，利用率低，而且開(kāi)關(guān)器件承受的電流峰值很大，但當(dāng)用于數(shù)瓦至數(shù)十瓦的小功率開(kāi)關(guān)電源中時(shí)，影響相對(duì)不大。在用恒壓電源控制芯片實(shí)現(xiàn)恒流功能的 LED恒流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)勢(shì)。反激式電路拓?fù)涞倪@些特性符合 LED對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求， 因此 本 文 設(shè)計(jì) 的LED恒流開(kāi)關(guān)電源 采用反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT6 反激式開(kāi)關(guān)電源原 理 反激式開(kāi)關(guān)電源其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在 Boost 變換器中，用一個(gè)變壓器代替升壓電感，即構(gòu)成了反激式變換器。 所謂的反激，是指當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器Ｔ初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT截止時(shí)，變壓器Ｔ初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量，通過(guò)次級(jí)繞組及整流和電容 C濾波后向負(fù)載輸出 。反激式開(kāi)關(guān)電源以主開(kāi)關(guān)管的周期性導(dǎo)通和關(guān)斷為主要特征。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器一次側(cè)線圈內(nèi)不斷儲(chǔ)存能量；而開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將一次側(cè)線圈內(nèi)儲(chǔ)存的電感能量通過(guò)整流二極管給負(fù)載供電，直到下一個(gè)脈沖 到來(lái)，開(kāi)始新的周期。 反激式拓?fù)溟_(kāi)關(guān)電源有兩種工作方式： (1) 完全能量轉(zhuǎn)換，也叫做非連續(xù)導(dǎo)通模式。該模式的特點(diǎn)是，變壓器在儲(chǔ)能周期中儲(chǔ)存的所有能量在反激周期都轉(zhuǎn)移到輸出端。 (2) 不完全能量轉(zhuǎn)換，也叫做連續(xù)導(dǎo)通模式。存儲(chǔ)在變壓器中的一部份能量保留到下一個(gè)儲(chǔ)存周期開(kāi)始。 以非連續(xù)導(dǎo)通模式為例分析反激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理。該模式反激式拓?fù)溟_(kāi)關(guān)電源的一個(gè)工作周期中有勵(lì)磁、去磁、非連續(xù)導(dǎo)通三個(gè)階段。 (1) 勵(lì)磁階段：當(dāng)開(kāi)關(guān) VT導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感中的電流從零開(kāi)始上升。由于次級(jí)邊的二極管具有單向?qū)ㄐ裕?此時(shí)二極管反偏，在次級(jí)不導(dǎo)通電流，輸出濾波電容 C向負(fù)載供電。由于此階段的作用是向初級(jí)勵(lì)磁電感補(bǔ)充能量，以為在下一個(gè)階段向次級(jí)繞組轉(zhuǎn)移能量做準(zhǔn)備，因此這個(gè)階段被稱為勵(lì)磁階段。 (2) 去磁階段：當(dāng)勵(lì)磁階段結(jié)束后， VT停止導(dǎo)通。由于電感電流不能突變，勵(lì)磁電感電流開(kāi)始在初級(jí)電感上續(xù)流，能量通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)移到輸出端，在次級(jí)邊上，二極管正向?qū)ǎ敵龆说玫侥芰?。此時(shí)，勵(lì)磁電感上的電壓反向，勵(lì)磁電流開(kāi)始下降，因此該階段被稱為去磁階段。 (3) 非連續(xù)導(dǎo)通階段：當(dāng)勵(lì)磁電感的電流下降到零時(shí)，變壓器初級(jí)邊的能量己經(jīng)完全轉(zhuǎn)移到次 級(jí)邊，次級(jí)邊上二極管不再導(dǎo)通。此時(shí)反激式拓?fù)渲械某跫?jí)和次級(jí)繞組都不導(dǎo)通電流，等待著下一個(gè)周期的到來(lái)。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，不存在這個(gè)階段。 第 7 頁(yè) 恒流驅(qū)動(dòng)方式選擇 LED 需要恒流驅(qū)動(dòng)，技術(shù)上主要有三種恒流驅(qū)動(dòng) 方案 。第一，先恒壓再電阻限流；第二，使用專(zhuān)用 LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片；第三，使用傳統(tǒng)的恒壓電源控制芯片實(shí)現(xiàn)恒流。上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，本節(jié)設(shè)計(jì)的 LED 驅(qū)動(dòng) 電源使用兩級(jí)驅(qū)動(dòng)。即先使用光耦與 TL431 組合電路實(shí)現(xiàn)恒壓，然后使用 AMC7150 控制芯片實(shí)現(xiàn)恒流 。