【正文】 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。而 LED 則為分立的光譜，譜線較窄，色彩豐富、鮮艷，可以有多樣化的色調(diào)選擇和配光，并且 LED 光源發(fā)光大部分集中會聚于中心，發(fā)散角較小，可以有效地控制眩光，從而簡化燈具結(jié)構(gòu)，節(jié)省設(shè)計和制造成本。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (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方向的技術(shù)： LED 光源技術(shù)、LED 驅(qū)動電源技術(shù)、 LED 配光技術(shù)和 LED 散熱技術(shù)。 LED 驅(qū)動電源技術(shù)：原始電源有各種形式，但無論哪種電源，一般都不能直接給 LED 供電。現(xiàn)有用原始電源給 LED 供電主要有以下四種情況：低電壓驅(qū)動、過渡電壓驅(qū)動、高電壓驅(qū)動以及市電驅(qū)動。下面簡要介紹這四種不同的驅(qū)動電源技術(shù) 。低電壓驅(qū)動 LED就是要把電壓升高到足以使 LED 導(dǎo)通的電壓值。由于受單節(jié)電池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比較高的變換效率。 (2) 過渡 電壓驅(qū)動 ： 過渡電壓驅(qū)動是指給 LED 供電的電源電壓值在 LED 管壓降附近變動，這個電壓有時略高于 LED 管壓降，有時略低于 LED 管壓降。用這類電源供電的典型應(yīng)用有 LED 礦燈等。一般情況下功率也不大，其最高性價比的電路結(jié)構(gòu)是反極性電荷泵式變換器。典型應(yīng)用有太陽能草坪燈、太陽能庭院燈、機動車的燈光系統(tǒng)等。變換器的最佳電路結(jié)構(gòu)是串聯(lián)開關(guān)降壓電路。這是一種對 LED 照明應(yīng)用最有價值的供電方式，是半導(dǎo)體照明普及應(yīng)用必須要解決好的問題。另外，考慮到對電網(wǎng)的影響，還要解決好電磁干擾和功率因數(shù)問題。對于大功率的應(yīng)用，則是使用橋式變換電路。LED 負(fù)載的連接形式直接關(guān)系到其可靠性和使用壽命，現(xiàn)有的連接方式有全部串聯(lián)、全部并聯(lián)、混聯(lián)三種。采用恒壓設(shè)計會危害 LED 的未來。恒壓方式是暫時的過渡，很快會被恒流技術(shù)取代。同時，高功率LED 照明的散熱效果也有望進(jìn)一步得到改善。當(dāng)前很多廠家生產(chǎn)的 LED 燈類產(chǎn)品采用阻容降壓的方式向 LED 供電，這樣做使得效率低。精確設(shè)計驅(qū)動電源是解決上述問題的關(guān)鍵，只有根據(jù) LED 照明產(chǎn)品的要求、應(yīng)用場合，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，合理選用 LED 驅(qū)動方式，才能提高 LED 照明的效率和可靠性，將 LED 照明的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。解決上述問題，只有從 LED 自身的結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性出發(fā)，尋求一種能夠滿足 LED 照明要求的，且具有 LED 照明特點的配光方法。 論文主要工作及設(shè)計目標(biāo)要求 ① ． 論文的主要工作： (1) 熟悉 LED 照明系統(tǒng)工作原理，發(fā)展趨勢，開關(guān)電源的控制方式以及工作原理。 (3) 研究 LED 照明系統(tǒng)開關(guān)電源的控制級電路和功率級電路，按設(shè)計要求設(shè)計合理的控制方式及反饋電路。5%，恒流輸出： 350mA，精度為 177。 ② ． LED 照明對驅(qū)動電源的設(shè)計要求 在開發(fā)高能效的 LED 通用照明系統(tǒng)時，需要從系統(tǒng)的角度來分析其要求，總的來看， LED 照明系統(tǒng)涉及以下幾個方面的要求： LED 光源、電源轉(zhuǎn)換、控制和驅(qū)動、熱管理、光學(xué)設(shè)計。 總體來說，對于 LED 照明驅(qū)動電源而言，它面臨的主要問題是 LED 的非線性。而 LED 照明驅(qū)動電源的主要作用，青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 6 就是在工作條件范圍內(nèi)穩(wěn)定電流，無論輸入條件和正向電壓如何變化，始終能夠保持 LED 的工作電流穩(wěn)定，從而保證 LED 的工作壽命和滿足可靠性的要求。 2． 驅(qū)動方式 現(xiàn)在通行的 有兩種：其一是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路 LED 供電。另一種是直接恒流供電， LED 串聯(lián)或并聯(lián)運行。這兩種形式，在一段時間內(nèi)并存。 3． 高效率 LED 是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動電源的效率要高。因為 LED 的發(fā)光效率隨著 LED 溫度的升高而下降，所以 LED 的散熱非常 重要。對延緩 LED 的光衰有利。一般 70 瓦以下的用電器，沒有強制性指標(biāo)。對于 30 瓦～ 40 瓦的 LED驅(qū)動電源，據(jù)說不久的將來，也許會對功率因素方面有一定的指標(biāo)要求。加強這方面的保護(hù)也很重要。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導(dǎo)致 LED 的損壞。 6．保護(hù)功能 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 7 電源除了常規(guī)的保護(hù)功能 (過流、過壓、短路、過載等保護(hù) )外，最好在恒流輸出中增加 LED 溫度負(fù)反饋，防止 LED 溫度過高。 8． 驅(qū)動電源的壽命要與 LED 的壽命相適配。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 8 第 2 章 驅(qū)動電源整體方 案設(shè)計 電是工業(yè)的動力，是人類生活的源泉。我們用的電，一般都是需經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能適合使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。 所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。開關(guān)電源作為一種綠色電源以及其高效的特點而廣泛應(yīng) 用 于各種驅(qū)動電源的設(shè)計當(dāng)中。本文將目前常用的 LED 照明 驅(qū)動電源按照電路功能和應(yīng)用要求的不同分為線性型電路、開關(guān)型電路 。線性型驅(qū)動應(yīng)用可分為兩種：穩(wěn)壓電源 +鎮(zhèn)流電阻和穩(wěn)流電源 +鎮(zhèn)流電阻。這種類型的電路 主要用于較小功率級的照明，如手機的背光照明等。利用開關(guān)型電路可以獲得良好的電流控制精度和較高的總體效率。由于本文的設(shè)計采用的是開關(guān)型電路，所以這小節(jié)詳細(xì)討論一下電路的功率級部分，按照輸入電壓和輸出電壓的大小關(guān)系分為降壓型變換器、升壓型變換器和升降壓型變換器三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)開關(guān) S 打開時，為了維持電流不突變， L兩端電壓反向，整流二極管導(dǎo)通，貯存在 L中的能量釋放出來，以維持負(fù)載穩(wěn)壓。下面討論的 前提條件都一樣。 2．升壓型變換器 (boost 變換器 ) 如圖 22 所示，其工作原理：當(dāng)開關(guān) S 閉合時，輸入電壓 K 刀對電感 L 充電，整流二極管兩端電壓方向不導(dǎo)通；當(dāng)開關(guān) S 斷開后，電感 L兩端電壓反向，整流二極管導(dǎo)通，輸出電壓為輸入電壓與電感電壓之和。 可知： ? ?L tVVLtV of finou tonin ???? 即得： inout VDDV ?? 1 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 10 所以電壓的增益系數(shù)： DVVM inout ??? 1 1 圖 22 升壓型變換器 由于需要將低壓升為高壓的場合不多，升壓型變換器沒有降壓型變換器應(yīng)用廣泛。盡管如此，對升壓型變換器多做研究還是很有益的。 3．升降壓型變換器 (buck． boost 變換器 ) 如圖 23 所示， 其工作原理：當(dāng)開關(guān) S 閉合時，輸入電壓 inV 對電感 L充電，至 inL VV ? ；當(dāng)開關(guān) S 斷開后，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。但是，它的實際應(yīng)用電路稍顯復(fù)雜，因為輸入電流，輸出電流是脈動的，為了平波要加濾波器。本章節(jié)只對其作簡短的介紹，第三章將作具體的選擇分析。 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：對輸出電壓檢測得到反饋信號 VFB 與參考電壓 VREF 比較放大，得到誤差信號 V， V 和鋸齒波信號比較后， PWM 比較器輸出一系列時鐘信號，這些時鐘信號的寬度隨誤差信號 源 的變化而變化。這種電壓控制開關(guān)電源只需 要一個反饋信號，用于實現(xiàn)整個電路的負(fù)反饋而維持輸出恒定。 圖 24 電壓型反饋控制原理圖 電壓控制模式開關(guān)變換器是一個二階系統(tǒng)，系統(tǒng)存在兩個狀態(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。驅(qū)動電源的電流郜要通過電感，對于電壓信號有 90 度 的相位延遲。這種檢測輸出電壓的方法在調(diào)節(jié)過程青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 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，大信號變動時甚至產(chǎn)生振蕩。 電壓控制模式的缺點： (1) 對輸入電壓變化的動態(tài)響應(yīng)較慢； (2) 閉環(huán)增益隨輸入電壓的變化而變化，使補償網(wǎng) 絡(luò)的設(shè)計復(fù)雜； (3) 輸出 LC 濾波器給控制環(huán)增加了雙極點，在補償設(shè)計 EA 時需要對主極點進(jìn)行低頻衰減或增加一個零點補償。為了克服電壓模式的缺點，電流模式應(yīng)運而生。它并不是用電壓誤差信號直接控制 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。電流控制型開關(guān)變換器正是在青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 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獨立變量，從而使開關(guān)變換器的二階模型去掉了電感電流而成為一階系統(tǒng)。當(dāng) v 十 v 的幅值達(dá)到 v 時，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，功率管截止，逐個地檢測和調(diào)節(jié)電流時鐘達(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。 電流控制模式的缺點： (1) 占空比大于 50％的開環(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 坡補償； (4) 對噪聲敏感，抗噪聲性差，因為電感處于連續(xù)儲能電流狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流電平相比較，開關(guān)器件的電流信號的上斜坡通常較小，電流信號上較小的噪聲就很容易使得開關(guān)器件改變關(guān)斷時刻，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 (論文 )說明書 14 (5) 電路拓?fù)涫芟拗疲? (6) 對多路輸出電源的交互調(diào)節(jié)性能不好。 LED 照明 調(diào)制 控制方式的確定 LED 需要調(diào)節(jié)其發(fā)光亮度來滿足各種應(yīng)用場合的照度需求，因此需要對其調(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。下面分別介紹三種調(diào)制方式的優(yōu)缺點。通過負(fù)載端反饋信號與基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，輸出誤差 信號對工作頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后輸出一個恒寬變頻的方波信號對功率管進(jìn)行控制，依據(jù)負(fù)載狀況實時調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時間，穩(wěn)定輸出電壓。 缺點：負(fù)載調(diào)整范圍較窄，濾波成本相對較高。將負(fù)載端反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平，在時鐘上升沿檢測該反饋信號電平，決定是否在該時鐘周期內(nèi)工作，調(diào)節(jié)功率管的導(dǎo)通時間，穩(wěn)定輸出電壓。 缺點：輸出紋波大，輸入電壓調(diào)整能力弱。通過負(fù)載端反饋信號與內(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鐘控制信號對功率管進(jìn)行控制，并且依據(jù)負(fù)載狀況實時調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間，穩(wěn)定輸出電壓。 缺點：輕負(fù)載時效率下降。 小 結(jié) 本章對 LED 照明驅(qū)動電源進(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。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 16 第 3 章 開關(guān)電源主電路的設(shè)計 開關(guān)電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鐵芯變壓器電源，是時代的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展。開關(guān)電源有一般的注意事項，也有通用規(guī)程。 主電路拓?fù)浼靶酒倪x擇 主電路拓?fù)涞倪x擇 目前，開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備。 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)展時需要的元件，也可縮小不同支路的電學(xué)特性差異。根據(jù)設(shè)計目標(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，需要對輸出電壓和輸出電流進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。其主電路原理框圖如圖 31 所示。該芯片屬于美國 PI 公司生產(chǎn)的 TOPSwitch單片開關(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： (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、功率開關(guān)場效應(yīng)管 (MOSFET)、自動偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路 ， 通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離 ， 真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化 ， 使用安全可靠。 (2) 采用漏極開路輸出 ， 并利用控制極反饋電流 IC 來線性調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)AC/DC 變換的 ， 即屬于電流控制型單片開關(guān)電源。作固定電壓輸入時 ， 可選110V/115V/230V交流電 ， 允許變化177。在寬電壓范圍輸入時 ， 適配 85～ 265V交流電 ， 但輸出功率峰值 POM 要比前者降低 40%。開關(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%。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%。 TOP224Y 工作原理 ： OP224Y 的