【正文】 業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 3 LED 在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用主要包括以下四個(gè)方向的技術(shù)： LED 光源技術(shù)、LED 驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)、 LED 配光技術(shù)和 LED 散熱技術(shù)。目前 LED 的光效為 50～ 1001m／ W左右，世界各國均加緊提高 LED光效的研究，按現(xiàn)在 LED技術(shù)發(fā)展的速度預(yù)測，到 2020～ 2020 年，白光 LED 的光效將達(dá)到 l50～ 2020m／ W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他所有照明光源的光效。由于壽命長，經(jīng)久耐用，減少了維護(hù)和更換的費(fèi)用，降低了成本?？梢灶A(yù)見，未來 LED 將逐漸替代白熾燈、熒光燈等光光源，成為人造光青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 2 源逐流產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種照明、顯示和標(biāo)識(shí)，專家估計(jì)將會(huì)有 1000 億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。 2020 年 l0 月，國家“十一五” 863 計(jì)劃“半導(dǎo)體照明工程 ”重大項(xiàng)目正式啟動(dòng)。 LED 照明市場已經(jīng)逐步形成規(guī)模，如日本松下電工已開始生產(chǎn)“袖珍型 LED 照明燈”，德國 Hella 公司利用白光 LED 開發(fā)了飛機(jī)閱讀燈，國內(nèi)明達(dá)光電廈門有限公司開始生產(chǎn) LED 路燈等。與傳統(tǒng)照明技術(shù)相比， LED 的最大區(qū)別是結(jié)構(gòu)和材料的不同，它是一種能夠?qū)㈦娔?轉(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體。回顧 20 世紀(jì)的照明史，熒光燈、汞燈、高／低壓鈉燈、金屬鹵化物燈、緊湊型熒光燈、高頻無極熒光燈以及微波硫燈等新光源層出不窮。 本論文介紹了一種基于 TOP224Y 三端離線式 PWM 集成芯片的反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源；分析了 TOP224Y 的特性和工作原理，設(shè)計(jì)了一款直流輸出電壓電、流分別為 +12V， +350mA 的單片開關(guān)電源，并對(duì)系統(tǒng)開關(guān)電源實(shí)用電路及主要單元電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析， 進(jìn)行了參數(shù)值計(jì)算、器件的選取與電路設(shè)計(jì)；最后，給出 PCB 板電路圖。實(shí)驗(yàn)證明：該開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、波紋小、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。白熾燈從其問世的那一天起就帶有先天性的缺陷，壽命短，鎢絲加熱耗電大，燈泡易碎，而且容易使人觸電。 LED 屬于全固體冷光源，體積極小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、重量輕、而且工作電壓低，使用壽命長，節(jié)能環(huán)保。由于石化資源的匱乏，世界性的能源危機(jī) 引起了各國的重視，并紛紛把照明節(jié)電特別是白光 LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展納入國家發(fā)展戰(zhàn)略中。我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入自主創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大歷史機(jī)遇。 并且 LED 照明與其他照明相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 高效節(jié)能：傳統(tǒng)的照明光源存在光效低 (一般白熾燈光效 20％ 左右，普通節(jié)能燈只有 40％ ~50％ 左右 )、耗電量大、光線中含有大量的紫外線、紅外線輻射，電能絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能。 (3) 綠色環(huán)保：現(xiàn)在廣泛使用的熒光燈、汞燈等光源中含有危害人體健康 的汞，這樣在發(fā)光過程和廢棄后都會(huì)對(duì)人體的健康和環(huán)境造成危害。 (5) 光色純、光束集中：傳統(tǒng)照明光源的光譜較寬，且發(fā)光方向?yàn)檎麄€(gè)立體空間，不利于配光和光線的有效利用。本論文主要從 LED 驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)介紹 LED 照明的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。不同的情況在 LED 電源變換器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有不同的方案。對(duì)于 LED 這樣的低功率照明器件，這是一種常見的使用情況，如 LED 手電筒、 LED 應(yīng)急燈、節(jié)能臺(tái)燈等。如一節(jié)或者兩節(jié)鋰電池串聯(lián)的鉛酸電池，滿電時(shí)電壓在 4V 以上，電快用完時(shí)電壓在 3V以下。 (3) 高電壓驅(qū)動(dòng) ： 高電壓驅(qū)動(dòng)是指給 LED 供電的電壓 值始終高于 LED 管壓降，如 5V、 12V，24V的電源。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 4 (4) 市電驅(qū)動(dòng) ： 市電驅(qū)動(dòng)，顧名思義就是用 220V、 50Hz 的交流市電經(jīng)過電源變換裝置給LED 供電。對(duì)中小功率的 LED，現(xiàn)在普遍使用的電路結(jié)構(gòu)是反激變換器。 無論是何種驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)，歸根到底對(duì)于 LED 照明而言只有恒壓和 恒流的區(qū)別。故本設(shè)計(jì)采用的是市電驅(qū)動(dòng) LED 照明目前存在的問題與解決方法 目前， LED 照明光源的光效雖然還不是很理想，但隨著時(shí)間的推移和制作工藝的進(jìn)步，其光效將達(dá)到甚至超過現(xiàn)有的其他照明光源的光效。并且現(xiàn)有的大部分驅(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)普遍偏低，降低了電能的有效利用率。 綜上所述，解決 LED 照明的方法只有從 LED 自身的光學(xué)、電學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境和條件要求，因地制宜，才能解決 LED 照明技術(shù)上存在的問題，使 LED 照明真正成為值得廣泛推廣使用的綠色照明。 (4) 開關(guān)電源輸入電路要求：寬電壓輸入，要求可在交流 85～ 265V 范圍內(nèi)正常工作； (5) 開關(guān)電源輸出電路要求 ：單路輸出，恒壓輸出： 12V，精度 177。其中， LED 的電源轉(zhuǎn)換、控制和驅(qū)動(dòng)是本節(jié)討論的重點(diǎn)。 具體地說，根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和 LED 的驅(qū)動(dòng)特性要求，在選擇和設(shè)計(jì) LED照明驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)： 1．高可靠性 特別像 LED 路燈的驅(qū)動(dòng)電源，裝在高空，維修不方便，并且維修的花費(fèi)也大。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但靈活性差，還要解決某個(gè) LED 故障，不影響其他 LED 運(yùn)行的問題。對(duì)于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。 4． 高功率因素 功率因素是電網(wǎng)對(duì)負(fù)載的要求。 5．浪涌保護(hù) LED 抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。因此 LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù) LED 不被損壞的能力。 9．要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。自 20 世紀(jì) 60 年代，人們發(fā)明了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 LED照明驅(qū)動(dòng)電源的 確定 為了保證 LED 在照明中得到良好的應(yīng)用，需要采用恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電源與之搭配。在照明級(jí) LED 的應(yīng)用中，雖然存在著效率低、調(diào)節(jié)性差等問題，但是由于其電路簡單、體積小巧，能滿足一般要求，因此在一些特定的場合應(yīng)用較多。 綜上所述，出于對(duì)效率和實(shí)用性的考慮，本設(shè)計(jì)將采用的是開關(guān)型電路。開關(guān) S 導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間段里，電感的電流變化量應(yīng)相等，即： toffton II ??? 可知： ? ? L tVL tVV o f foutonoutin ???? 即得： inout VDV ?? 所以電壓的增益系數(shù)： DVVM inout ?? 式中： D 為占空比，上面的推導(dǎo)皆是建立在假設(shè)變換器工作在非 CCM 的工作模式下的， ont 為開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間， oft 為開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間， offon ontt tD ?? ，忽略整流二極管的壓降。在開關(guān) S 導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間里，電感電流變化量應(yīng)相等。因?yàn)橹灰米儔浩魈娲姼?，升壓型變換器即可變?yōu)楹苡袃r(jià)值且應(yīng)用廣泛的反激變換器拓?fù)洹? 比較上述三種變換器，有一個(gè)共同特點(diǎn)：輸入輸出的一根線是公用的，因青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 11 此也稱為三端開關(guān)式穩(wěn)壓器。而輸出時(shí)鐘寬度取決于輸出能量的大小，當(dāng)負(fù)載消耗能量增大時(shí)，時(shí)鐘寬度增大，而輸出能量減少時(shí)，輸出時(shí)鐘寬度減小，從而維持輸出電壓恒定。二階系統(tǒng)是一個(gè)有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對(duì)控制回路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，在滿足一定條件下，閉環(huán)系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。 電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)： (1) PWM 鋸齒波幅值較大，時(shí)鐘寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗干擾裕量； (2) 占空比調(diào)節(jié)不受限制； (3) 對(duì)于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好； (4) 單一反饋電壓控制設(shè)計(jì)，調(diào)試比較容易； (5) 對(duì)于輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)。峰值電流模式控制簡稱電流模式控制，它的工作原理就是在脈寬比較器的輸入端直接用檢測到的輸出電感電流信號(hào)或功率管電流信號(hào)與誤差放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而控制輸出脈沖的占空比，以此達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電感的峰值 電流跟隨誤差電壓變化。圖 25 所示為電流型反饋控制的原理圖，電流信號(hào) 源 和斜坡補(bǔ)償信號(hào)源 疊加后跟誤差放大器的輸出電平進(jìn)行比較，輸出時(shí)鐘與 OSC 信號(hào)得到 Logic，驅(qū)動(dòng)功 率管導(dǎo)通，電源回路中的電流時(shí)鐘逐漸增大。 綜上所述，出于效率和經(jīng)濟(jì)效益的考慮，本設(shè)計(jì)采用的是電 流 控制模式反饋電路。 1． PFM 調(diào)制方式 PFM 調(diào)制方式是開關(guān)電源變換器中常用的調(diào)制方式，多與 PWM 結(jié)合達(dá)到最佳控制效果。 2． PSM 調(diào)制方式 PSM 調(diào)制方式是開關(guān)電源變換器中一種新的控制方式。 3． PWM 調(diào)制方式 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 15 PWM 調(diào)制方式是開關(guān)電源變換器最普遍的調(diào)制方式。 綜上所述，由于 PWM 調(diào)制方式憑借自身的優(yōu)點(diǎn) ，在開關(guān)電源中得到最廣泛的應(yīng)用，所以本文中驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)采用 PWM 調(diào)制方式。要求所有的電子設(shè)備體積小、重量輕、節(jié)省電能是眾望所求， 但是各種電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)不同，因此，也對(duì)開關(guān)電源 有不同的標(biāo)準(zhǔn)要求。開關(guān)型電路具有自身功耗小，效率高、穩(wěn)壓范圍寬及體積小、重量輕等特點(diǎn)，也已經(jīng)在 LED 照明驅(qū)動(dòng)電源中得到了應(yīng)用。這里采用常用的 PWM 調(diào)制方式的電流反饋控制電路，以電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制模式保證驅(qū)動(dòng)電源能夠向負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓和電流。 由于采用 CMOS 電路，使器件功耗顯著降低。 15%。 (5) 外圍電路簡單 ,電磁干擾小 ， 成本低廉。 RA 與 CA 構(gòu)成截止頻率為 7kHz的低通濾波器。剛起動(dòng)電路時(shí)由 DC 極之間的高壓電流源提供控制端電流 Ic， 以便給控制電路供電并對(duì) Ct 充電。 (4) 放大器 誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗 Zc 來設(shè)定。第一、改變控制端電流 Ic 的大小，即可調(diào)節(jié)占空比 D，實(shí)現(xiàn)脈青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 19 寬調(diào)制。 MOSFET 管的漏 源擊穿電壓 U(bo)ds≥ 700V。 (8) 過熱保護(hù)電路 當(dāng)芯片結(jié)溫 TJ135℃ 時(shí)，過熱保護(hù)電路就輸出高電平，將觸發(fā)器Ⅱ置位， Q=1，關(guān)斷輸出級(jí)。倘若故障己排除， Uc 又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式，自動(dòng)重新起動(dòng)電源恢復(fù)正常工作。當(dāng) TOP 開關(guān)起動(dòng)操作時(shí)，在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下，漏極端有電流流入芯片，提供開環(huán)輸入。 由于 TOPSwitch 芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。 交流濾波采用技術(shù)成熟的 Ⅱ型 濾波電路，具體參數(shù)如下：去除查謨干擾的C C9 為 0． 1 VF250? ； 去除共模干擾的 C C11 為 10Nf； 濾波線圈 L1 為10~33mh， 采用 雙線并繞。在當(dāng)前的供電條件下電容 C1 的值可根據(jù)輸出功率按照 1 F? /W 來取值，在考慮余量后，取C1=22 F? /400V。在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)只儲(chǔ)存能量，而在截至?xí)r向負(fù)載傳遞能量。 第三步：確定并檢查其他相關(guān)參數(shù)，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要 求。 (2) 計(jì)算最大占空比 maxD )( m inm a x DSOR OR VVV VD ??? (34) 式中 ， ORV — 次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓，取 135V； DSV — MOSFET 的漏 — 源極通態(tài)電壓，取 10V。 (5) 計(jì)算氣隙長度 gL 為： PePrg LANL 2?? (36) 式中 ， PL — 氣隙長度 (mm)； r? — 常數(shù)， mH7104 ??? ； eA — 磁芯截面積 ( 2mm )； 代入數(shù)值 計(jì)算得： gL =0． 68mm 這里應(yīng)注意，如果在中心柱開氣隙，則高度為 L，為了達(dá)到同樣效果且簡單易行，在兩個(gè)外柱上應(yīng)各墊 1／ 2L 高度的絕緣墊片。 箝位保護(hù)電路 的 設(shè)計(jì) 當(dāng) TOP224Y 的功率 MOSFET 管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，在高頻變壓器 T 的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏 感而形成，直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞 MOSFET 管。 本設(shè)計(jì)中 VD1 采用反向擊穿電壓為 200V 的 TVS(瞬態(tài)電壓抑制器 )P6KE200， VD2 采用反向耐壓為 600V的超快恢復(fù)二極管 MUR1560。選取的原則是根據(jù)最大反向峰值電壓。當(dāng)電容兩端電壓小于 35V 時(shí)， ESR 只與電容的體積有關(guān)，本設(shè)計(jì)選擇細(xì)高型的VF 35120? 低 ESR 電容。 為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容，如主電路圖中的 7C 。 0． 2%。 從 TL431 的技術(shù)參數(shù)可知，陰極工作電壓 KAU 的允許范圍為 2． 5~37V，陰極工作電流 KAI 在 1~100mA 內(nèi)變化，一般選 30mA 即可，不但可以穩(wěn)定工作，又能提供一部分死負(fù)載。再確定 2R 、 3R ， 由 主 電路 圖 可知： ? ? 32 RIIVIR fKAff ??? (39) 式中， fV — 光耦二極管的正向壓降 。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 27 第 4 章 PCB 板設(shè)計(jì) PCB 的英文全稱是 Printed Circuie Board,中文含義為印制電路板 ?，F(xiàn)階段 PCB 的電磁兼容性 (EMC)問題是設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)最難解決的問題。 優(yōu)秀的版圖設(shè)計(jì)可以節(jié)