【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 所示， 其工作原理：當(dāng)開(kāi)關(guān) S 閉合時(shí)，輸入電壓 inV 對(duì)電感 L充電，至 inL VV ? ；當(dāng)開(kāi)關(guān) S 斷開(kāi)后，為了維持電流不突變，保持輸出電壓穩(wěn)定，電感L上電壓反向，整流二極管導(dǎo)通，電感 L釋放能量以維持輸出電壓 outV 穩(wěn)定。 可知： LtVLtV o ffo u tonout ??? 即得： inout VDDV ?? 1 所以電壓增益系數(shù)： DDVVM inout ??? 1 圖 23 升降壓型變換器 升降壓型變換器的電壓增益隨 D 變化，可以降壓也可以升壓，這是它的主要特點(diǎn)。但是，它的實(shí)際應(yīng)用電路稍顯復(fù)雜，因?yàn)檩斎腚娏?，輸出電流是脈動(dòng)的，為了平波要加濾波器。 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(shuō)明書 11 此也稱為三端開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。本章節(jié)只對(duì)其作簡(jiǎn)短的介紹，第三章將作具體的選擇分析。 LED 照明 反饋電路 的確定 驅(qū)動(dòng)電源電路中的輸入電壓、輸出電壓、開(kāi)關(guān)器件電流、電感電流均可作為反饋取樣控制信號(hào)，從而有電壓模式、電流模式 (也稱為峰值 電流模式 )、平均電流模式、滯環(huán)電流模式和相加模式五種反饋控制模式，其中電壓模式和電流模式為最常用的兩種反饋控制模式。 1．電壓控制模式 圖 24 是電壓控制模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，基本原理是：對(duì)輸出電壓檢測(cè)得到反饋信號(hào) VFB 與參考電壓 VREF 比較放大，得到誤差信號(hào) V， V 和鋸齒波信號(hào)比較后， PWM 比較器輸出一系列時(shí)鐘信號(hào)，這些時(shí)鐘信號(hào)的寬度隨誤差信號(hào) 源 的變化而變化。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。這種電壓控制開(kāi)關(guān)電源只需 要一個(gè)反饋信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的負(fù)反饋而維持輸出恒定。由于在整個(gè)控制電路中只有一個(gè)反饋回路，所以是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 24 電壓型反饋控制原理圖 電壓控制模式開(kāi)關(guān)變換器是一個(gè)二階系統(tǒng)，系統(tǒng)存在兩個(gè)狀態(tài)變量：輸出濾波電容器上的電壓和輸出濾波電感中的電流。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。驅(qū)動(dòng)電源的電流郜要通過(guò)電感，對(duì)于電壓信號(hào)有 90 度 的相位延遲。而對(duì)整個(gè)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)初級(jí)的勵(lì)磁電流改變高頻變壓器中的磁通，以適應(yīng)輸入電壓和負(fù)載的變化 而保持輸出電壓恒定的要求。這種檢測(cè)輸出電壓的方法在調(diào)節(jié)過(guò)程青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書 12 中存在一定滯后，結(jié)果必然是響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差，大信號(hào)變動(dòng)時(shí)甚至產(chǎn)生振蕩。 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)。 電壓控制模式的缺點(diǎn)： (1) 對(duì)輸入電壓變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢； (2) 閉環(huán)增益隨輸入電壓的變化而變化，使補(bǔ)償網(wǎng) 絡(luò)的設(shè)計(jì)復(fù)雜； (3) 輸出 LC 濾波器給控制環(huán)增加了雙極點(diǎn)，在補(bǔ)償設(shè)計(jì) EA 時(shí)需要對(duì)主極點(diǎn)進(jìn)行低頻衰減或增加一個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償。 2．電流控制模式 圖 25 電流型反饋控制原理圖 由于電壓控制模式是單環(huán)控制系統(tǒng)，控制過(guò)程中電源電路內(nèi)的電流值并未參與，因而存在上述的諸多缺點(diǎn)。為了克服電壓模式的缺點(diǎn)，電流模式應(yīng)運(yùn)而生。峰值電流模式控制簡(jiǎn)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(cè)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。它并不是用電壓誤差信號(hào)直接控制 PWM 脈沖寬度，而是直接控制輸出一側(cè)的電感電流或功率管電流大小，然后間接地控制 PWM 脈沖寬度。它是一種固定時(shí)鐘開(kāi)啟、峰值電流關(guān)斷的控制方法。電流控制型開(kāi)關(guān)變換器正是在青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書 13 傳統(tǒng)電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加電流內(nèi)環(huán)，使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓電感上的電流不再是一個(gè)獨(dú)立變量，從而使開(kāi)關(guān)變換器的二階模型去掉了電感電流而成為一階系統(tǒng)。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。當(dāng) v 十 v 的幅值達(dá)到 v 時(shí)，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，功率管截止，逐個(gè)地檢測(cè)和調(diào)節(jié)電流時(shí)鐘達(dá)到控制電源輸出的目的，并且電流模式控制 PWM 具有比電壓模式控制大得多的帶寬。 電流控制模式較電壓控制模式有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對(duì)輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化瞬態(tài)響應(yīng)均較快； (2) 逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會(huì)因過(guò)流而使開(kāi)關(guān)管損壞，大大減小過(guò)載與短路的保護(hù)； (3) 優(yōu)良的電流電壓調(diào)整率； (4) 環(huán)路穩(wěn)定，易補(bǔ)償； (5) 紋波系數(shù)電壓控制型小得多； (6) 整個(gè)反饋電路變成了一階電路，由于反饋信號(hào)電路與電壓型相比，減少了一階，因此誤差放大器的控制環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得以簡(jiǎn)化，穩(wěn)定度得以提高且改善了頻響； (7) 簡(jiǎn)化了反饋控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載限流； (8) 逐個(gè)檢測(cè)電流脈沖的幅度，自動(dòng)平衡變壓器中的磁通量； (9) 自動(dòng)均流并聯(lián)功能。 電流控制模式的缺點(diǎn)： (1) 占空比大于 50％的開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差； (2) 閉環(huán)響應(yīng)不如平均電流模式控制理想； (3) 容易發(fā)生次諧波振蕩，即使占空比小于 50％，也有發(fā)生高頻次諧波振蕩的可能性，因而需要斜 坡補(bǔ)償； (4) 對(duì)噪聲敏感，抗噪聲性差，因?yàn)殡姼刑幱谶B續(xù)儲(chǔ)能電流狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流電平相比較，開(kāi)關(guān)器件的電流信號(hào)的上斜坡通常較小，電流信號(hào)上較小的噪聲就很容易使得開(kāi)關(guān)器件改變關(guān)斷時(shí)刻，使系統(tǒng)進(jìn)入次諧波振蕩； 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書 14 (5) 電路拓?fù)涫芟拗疲? (6) 對(duì)多路輸出電源的交互調(diào)節(jié)性能不好。 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。 LED 照明 調(diào)制 控制方式的確定 LED 需要調(diào)節(jié)其發(fā)光亮度來(lái)滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的照度需求，因此需要對(duì)其調(diào)光，常用的調(diào)光應(yīng)用主要采用 PFM、 PSM、 PWM 三種調(diào)制方式。脈沖頻率調(diào)制 (PFM)方式為時(shí)鐘寬度恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率改變通斷比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路控制的調(diào)制方式稱為定寬調(diào)頻；脈沖跨周期 (PSM)方式為時(shí)鐘寬度恒定，選擇性地跳過(guò)某些工作周期調(diào)節(jié)電路的調(diào)制方式；脈沖寬度調(diào)制 (PWM)方式為開(kāi)關(guān)頻率恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)鐘寬度來(lái)改變占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路控制的調(diào)制方式稱為定頻調(diào)寬。下面分別介紹三種調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。 1． PFM 調(diào)制方式 PFM 調(diào)制方式是開(kāi)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。通過(guò)負(fù)載端反饋信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，輸出誤差 信號(hào)對(duì)工作頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后輸出一個(gè)恒寬變頻的方波信號(hào)對(duì)功率管進(jìn)行控制，依據(jù)負(fù)載狀況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，穩(wěn)定輸出電壓。 優(yōu)點(diǎn)：在負(fù)載較輕的情況下工作效率很高，工作頻率高，頻率特性好電壓調(diào)整率高，適用于 (峰值 )電流或者電壓控制模式。 缺點(diǎn)：負(fù)載調(diào)整范圍較窄，濾波成本相對(duì)較高。 2． PSM 調(diào)制方式 PSM 調(diào)制方式是開(kāi)關(guān)電源變換器中一種新的控制方式。將負(fù)載端反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平，在時(shí)鐘上升沿檢測(cè)該反饋信號(hào)電平，決定是否在該時(shí)鐘周期內(nèi)工作，調(diào)節(jié)功率管的導(dǎo)通時(shí)間，穩(wěn)定輸出電壓。 優(yōu)點(diǎn)：在負(fù)載較輕情況下效率很高 ，工作頻率高，頻率特性好，功率管開(kāi)關(guān)次數(shù)少，適用于小功率電源管理 IC。 缺點(diǎn)：輸出紋波大，輸入電壓調(diào)整能力弱。 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(shuō)明書 15 PWM 調(diào)制方式是開(kāi)關(guān)電源變換器最普遍的調(diào)制方式。通過(guò)負(fù)載端反饋信號(hào)與內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，然后輸出一路恒定頻率占空比變化的時(shí)鐘控制信號(hào)對(duì)功率管進(jìn)行控制，并且依據(jù)負(fù)載狀況實(shí)時(shí)調(diào)整開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，穩(wěn)定輸出電壓。 優(yōu)點(diǎn)：在負(fù)載較重的情況下效率較高，電壓調(diào)整率高，線性度高，輸出紋波小，適用于電壓或電流控制模式。 缺點(diǎn)：輕負(fù)載時(shí)效率下降。 綜上所述，由于 PWM 調(diào)制方式憑借自身的優(yōu)點(diǎn) ，在開(kāi)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。 小 結(jié) 本章對(duì) LED 照明驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行分類歸納，并總結(jié)了各類電路拓?fù)?以及反饋電路和電路調(diào)制方式。再結(jié)合本次設(shè)計(jì)要求，通過(guò)對(duì)各個(gè)電路的經(jīng)濟(jì)效益和效率等方面的綜合考慮對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的各個(gè)回路進(jìn)行了確定。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書 16 第 3 章 開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鐵芯變壓器電源，是時(shí)代的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展。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(kāi)關(guān)電源 有不同的標(biāo)準(zhǔn)要求。開(kāi)關(guān)電源有一般的注意事項(xiàng)，也有通用規(guī)程。不同國(guó)家也有不同的標(biāo)準(zhǔn)，所以在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)要充分考慮各方面的條件和相應(yīng)的規(guī)定，才能設(shè)計(jì)出性價(jià)比較高的開(kāi)關(guān)電源。 主電路拓?fù)浼靶酒倪x擇 主電路拓?fù)涞倪x擇 目前，開(kāi)關(guān)電源廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備。開(kāi)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。 LED 應(yīng)用于照明通常需要較多的 LED 以串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接，在需要驅(qū)動(dòng)較多 LED 的情況下，一般采取先串聯(lián)再并聯(lián)的方式，這樣既可 以減少并聯(lián)擴(kuò)展時(shí)需要的元件，也可縮小不同支路的電學(xué)特性差異。并且由于下面LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的是散熱較好的小功率 LED，為了能夠串聯(lián)驅(qū)動(dòng)更多的 LED，因此有必要在這里選擇 boost 變換器拓?fù)?，而?boost 拓?fù)涞囊肭『脴?gòu)成了單級(jí)功率因數(shù)校正電路。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)以及 LED 照明的一般要求， LED正常工作需要較為穩(wěn)定的電壓電流，需要對(duì)輸出電壓和輸出電流進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。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。其主電路原理框圖如圖 31 所示。 圖 31 主電路原理圖 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書 17 芯片的選擇及簡(jiǎn)介 根據(jù)上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)目標(biāo)，選擇了一種驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)設(shè)計(jì)主電路。該芯片屬于美國(guó) PI 公司生產(chǎn)的 TOPSwitch單片開(kāi)關(guān)電源芯片 TOP224Y，它屬于TOPSwitch－ II 系列中一種最常用的芯片 ， 其封裝形式是 TO220， 自帶小散熱片，是典型的三端集成器件，三個(gè)管腳分別為控制端 C， 源極 S， 漏極 D，其內(nèi)部功率 MOSFET 器件的耐壓值高達(dá) 700V，可設(shè)計(jì)成 40W以上儀器儀表的多路隔離式內(nèi)置控制電源， TOPSwitch－ Ⅱ系列產(chǎn)品具有以下顯著特點(diǎn)： (1) 將脈寬調(diào)制 (PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中 ， 內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路 ， 通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離 ， 真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離式開(kāi)關(guān)電源的單片集成化 ， 使用安全可靠。 由于采用 CMOS 電路，使器件功耗顯著降低。 (2) 采用漏極開(kāi)路輸出 ， 并利用控制極反饋電流 IC 來(lái)線性調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)AC/DC 變換的 ， 即屬于電流控制型單片開(kāi)關(guān)電源。 (3) 輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí) ， 可選110V/115V/230V交流電 ， 允許變化177。 15%。在寬電壓范圍輸入時(shí) ， 適配 85～ 265V交流電 ， 但輸出功率峰值 POM 要比前者降低 40%。 (4) 它 只有三個(gè)引出端能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的單端反激式開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)頻率的典型值為 100kHz， 允許范圍是 90k～ 110kHz， 占空比調(diào)節(jié)范圍是 1． 7%～ 67%。 (5) 外圍電路簡(jiǎn)單 ,電磁干擾小 ， 成本低廉。由于芯片本身功耗很低 ， 電源效率可達(dá) 80%左右 ， 最高可達(dá) 90%。 因此 ， 被譽(yù)為“綠色”電源。 TOP224Y 工作原理 ： OP224Y 的內(nèi)部框圖如圖 32 所示 ，主要包括 10 個(gè)部分 ,其中 Zc 為控制端的動(dòng)態(tài)阻抗， RE是誤差電壓檢測(cè)電阻。 RA 與 CA 構(gòu)成截止頻率為 7kHz的低通濾波器。主要特點(diǎn)是： (1) 前沿消隱設(shè)計(jì)，延遲了次級(jí)整流二級(jí)管反向恢復(fù)產(chǎn)生的尖峰電流沖擊； (2) 自動(dòng)重啟動(dòng)功能，以典型值為 5％的自動(dòng)重起動(dòng)占空比接通和關(guān)斷； (3) 低電磁干擾性（ EMI）， TOP 系列器件采用了與外殼的源極相連，使金屬底座及散熱器的 dv/dt=0，從而降低了電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制； (4) 電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書 18 下面簡(jiǎn)要敘述一下