毕业论文大功率led恒流开关电源的研制.docx
- 文档编号:14186046
- 上传时间:2023-06-21
- 格式:DOCX
- 页数:34
- 大小:517.58KB
毕业论文大功率led恒流开关电源的研制.docx
《毕业论文大功率led恒流开关电源的研制.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业论文大功率led恒流开关电源的研制.docx(34页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
毕业论文大功率led恒流开关电源的研制
2012届本科生毕业论文存档编号
湖北文理学院
毕业论文(设计)
论文(设计)题目:
大功率LED恒流开关电源的研制
Englishtopic:
ConstantCurrentLEDSwitchingPowerSupply
系别物理与电子工程学院
专业自动化
学号********
学生张巍
指导教师王见乐
2012年5月25日
大功率LED恒流开关电源的研制
摘要:
目前,电能的合理利用越来越成为节约能源的重要方面。
LED由于其节能、高效、高稳定性、长寿命等特点,得到越来越广泛的应用。
LED本身的光学特性对电流的敏感性高于电压。
由于LED的这些特点,一种与之匹配的高效、节能、稳定的电源必不可少。
本文设计了一种市场需求量大的拥有多路输出的大功率LED恒流驱动开关电源,它在输入电压和负载LED灯串电压(即个数)在一定范围内变化时,仍具有高恒流精度和控制结构简单、成本低、体积小、效率高等特点。
文章首先对大功率照明LED的特性及其驱动电路的性能要求进行了介绍。
接着分析了恒流开关电源作为LED驱动电源的可行性及优势所在,介绍了开关电源相关关键性技术,确定本设计采用反激式的括扑结构,驱动电路采用先恒压再恒流的两级驱动形式,控制芯片使用PI公司的TNY274系列控制芯片。
然后,论文对开关电源各个功能模块进行了设计并通过公式推导计算出最佳参数作为设计参考。
最后整合各功能模块,设计出两级驱动LED总电路,绘制出整体电路PCB图,并对本次设计进行了总结。
关键词:
LED;恒流;开关电源;驱动电源;大功率
ConstantCurrentLEDSwitchingPowerSupply
Abstract:
Atpresent,therationaluseofelectricityhasincreasinglybecomeanimportantaspectofenergyconservation.LEDtobemorewidelyusedduetoitsenergysaving,highefficiency,highstability,longlifecharacteristics.HigherthanthevoltageofthecurrentsensitivityoftheopticalpropertiesoftheLEDitself.BecauseofthesecharacteristicsoftheLED,amatchingefficiency,energysaving,stablepowersupplyisessential.
Designamarketdemandofhigh-powerLEDconstantcurrentdriverswitchingpowersupplywithmultipleoutputs,andchangewithinacertainrangeintheinputvoltageandloadLEDstringvoltage(ie,number),stillhasahighcurrentprecisionandcontrolstructureissimple,lowcost,smallsizeandhighefficiency.Thearticleintroducesthefirsthigh-powerLEDlightingcharacteristicsandperformanceofthedrivecircuitrequirements.Thenanalyzesthefeasibilityandadvantagesoftheconstant-currentswitchingpowersupplyasanLEDdriverpowersupply,switchingpowersupplykeytechnologiestodeterminethedesignofflybackincludingflutterstructureusingtwoofthefirstconstantvoltageconstantcurrentdrivecircuit-drivenformofcontrolchipusingthePIseriesTNY274controlchip.Then,thepapersonthevariousfunctionalmodulesoftheswitchingpowersupplydesignandderivedformulatocalculatetheoptimalparametersasadesignreference.Thefinalintegrationofthefunctionalmodules,designedthetwoLEDdrivecircuit,PCBplanstomapouttheoverallcircuit,anddesignaresummarized.
Keywords:
LED;constantcurrent;switchingpowersupply;powersupply;highpower
[参考文献]26
致谢27
1概述
1.1选题的目的与意义
随着社会的高速发展,能源问题日益被世界关注,其中电能的合理利用是节约能源的重要方面。
目前,我国照明用电在经济用电中仅次于电动机居第二位,而且以低效照明光源为主。
因此采用发光效率高的照明光源、可靠性和效率高的照明电源具有重要意义。
如何提高照明系统的能源利用率,延长照明系统的寿命,并且是绿色无污染的成为当前各国研究的热点。
随着LED光效的迅速提高、成本的不断下降LED做为近年来兴起的第四代照明光源与传统的照明光源相比有如下优点:
(1)节能:
大功率LED照明的第一个突出优点就是节能。
由于LED的光谱几乎全部集中于可见光区域,效率可达80%~90%,而白炽灯的可见光转换效率仅为10%~20%,因此,从节能方面来说,LED具有很大的优势。
(2)光线质量高、光色纯:
由于LED光谱中几乎没有紫外线和红外线,因此没有热量,没有辐射,可见其属于典型的绿色照明光源并且LED与传统照明光源相比,其光谱相对狭窄。
(3)寿命长:
LED芯片的寿命是半永久性的,而作为光源的寿命还取决于封装材料品质的优劣。
一般LED光源光通量衰减到70%的标称寿命为10万小时,是白炽灯的数十倍,是荧光灯和HID灯的数倍。
(4)可靠性高:
大功率LED以其特殊的电子结构保证其工作时有良好的稳定性和可靠性,甚至在水下也能长时间稳定的工作。
而且它没有传统光源的钨丝、玻璃壳等易损部件,维护费用低廉。
(5)灵活度高:
体积小,便于造型,可做成点、线、面等各种形式。
LED不但使用灵活而且控制也灵活,通过控制电路很容易调控亮度,实现多样的动态变化效果。
(6)响应快:
因为LED利用了电子空穴湮灭的直接发光现象,因此,发光的响应时间非常短,通常在100ms以下,虽然实际中会受到驱动电路的影响,但仍然属于毫秒级别。
大功率照明LED的响应为纳秒级,无频闪。
(7)环保:
大功率LED的工作环境为低压直流电,因而没有电磁干扰。
而且不同于日光灯点亮后会产生汞蒸气及二氧化碳和其他温室气体等污染物,LED产生的废物很少,同时,其荧光粉的用量也仅为普通荧光灯的十分之一。
由于LED具有以上诸多的优点,随着照明用电量的迅猛增加以及电能消耗的加剧,我国的供电势态和环境与生态保护的现状日益严峻,根据可持续发展的科学观念要求,LED作为未来社会照明光源成为一种必然趋势。
因此设计出效率高、工作稳定的LED驱动电源对解决世界能源问题则具有重要现实意义。
1.2大功率LED恒流驱动电源发展趋势
随着LED在照明领域的普及,用市电驱动LED越来越成为人们关注的问题。
但用市电驱动LED不仅需要解决降压和恒流问题,还要有比较高的转换效
率、有较小的体积、长时间工作能力、较低的成本、电磁干扰和功率因数等问题。
因此大功率LED恒流驱动的发展要从解决上述问题着手。
(1)驱动器与LED工作特性的匹配。
大功率LED驱动电源是低电压大电流的驱动器件,由LED的电气特性可知其各项性能参数对电流的敏感性高于电压,因此为保证大功率LED使用的安全性和理想性,LED的驱动需要提供恒流电源。
(2)驱动器的高可靠性、高效率。
由于LED是具有长寿命的高可靠性固体照明光源决定了与其配套的驱动器也要能够长期稳定可靠地工作。
发热问题一直是阻碍LED发展的难题,因此对LED驱动器的效率有较高的要求。
驱动器的效率提高不仅节约了能源,同时由于其损耗的降低,在灯具内的发热量也相应的减少,提高了LED的使用寿命。
(3)多功能保护。
电流过强时,会引起LED衰减,导致其寿命缩短。
恒定电流在LED照明中极其重要,这就需要驱动器在能满足恒流的基础上还要有过流保护功能。
良好的LED驱动器保护功能必不可少,如过流保护、过温保护、短路保护和安全保护等。
(4)热管理设计。
LED照明应用的最突出问题是发热和散热问题,LED本身无法通过红外线的形式辐射散热,只能通过散热垫以传导的形式将热量传导到外装的散热片上,因此在对驱动器进行设计时就要考虑从导热和散热两方面综合考虑。
(5)体积小型化。
随着半导体照明在民用市场的逐渐普及,小型化能够使LED照明能够适应更多的工作环境。
因此,大功率LED电源设计的小型化发展成为了一种必然趋势。
(6)其他。
由于LED的驱动器越来越多的采用基于开关电源的设计模式,而以高频工作来提高功率密度和效率的开关电源不可避免的涉及到了电磁兼容问题,因此在电磁兼容方面对未来的LED驱动器提出了更高要求。
1.3本课题研究的主要内容
基于对LED驱动技术发展趋势的理解,在现有科研条件的基础上,设计出多路输出的大功率LED恒流驱动器并对LED恒流驱动技术进行研究。
本文的主要研究内容包括以下几点:
(1)介绍LED照明的特点、并对LED驱动电路的发展现状及趋势进行阐述
(2)分析开关电源的基本原理,选择合适的拓扑结构、控制芯片、驱动电路研制LED恒流驱动开关电源。
(3)对开关电源各个功能模块进行了具体的分析和公式推导,计算出最佳参数作为设计参考设计出电路,最后设计出整体电路原理图和PCB图。
2开关电源设计方案
2.1开关电源的拓扑结构选择
驱动LED的开关电源的拓扑结构基本有Buck(降压型)、Boost(升压型)、Buck-Boost(降-升压型)和Flyback(反激式)等,不同拓扑结构对流过LED的电流控制效果不同。
图1Buck变换器的LED驱动电路
图1所示为采用Buck型变换器的LED驱动电路。
该驱动电路与传统的Buck变换器不同,开关管VT移到了电感后面,使得开关管源极接地,而续流二极管VD反并联到该串联电路。
这种驱动方式简单、不需要输出滤波电容,降低了成本。
但该变换器不适用于输入电压过低或过多LED串联的场合。
图2Boost变换器的LED驱动电路
图2所示为采用Boost变换器的LED驱动电路,通过电感储能将输出电压泵升至比输入电压更高的期望值,实现在低输入电压下对LED驱动。
Boost变换器输入电流是连续的,这减轻了对电源的电磁干扰,开关晶体管发射极接地.使驱动电路简单
。
但是它输出侧二极管的电流是脉动的,使输出纹波较大。
所以实际应用中,在二极管与输出之间常加入一个输出滤波网络。
另外电压变比永远大于1,即它只能升压,不能降压。
图3Buck-Boost变换器的LED驱动电路
图3所示为采用Buck-Boost变换器的LED驱动电路。
与Buck电路类似,该电路中开关管VT的源极可以直接接地。
Buck-Boost变换器电路简单,电压变比可由零到无穷大,即可升压又可降压。
但是它的输入、输出电流皆有脉动,使得对输入电源有电磁干扰且输出纹波较大。
所以实际应用时常加有输入,输出滤波器。
并且开关晶体管发射极不接地,驱动电路变得复杂。
图4反激式变换器的LED驱动电路
图4所示为反激式开关电源的典型电路。
反激变换器又称Flyback式变换器。
反激式开关电源电路拓扑结构简单,元件数少,体积小,因此成本较低。
虽然该电路变换器的磁芯单向磁化,利用率低,而且开关器件承受的电流峰值很大,但当用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中时,影响相对不大。
在用恒压电源控制芯片实现恒流功能的LED恒流驱动开关电源设计中,反激式拓扑结构有一定的优势。
反激式电路拓扑的这些特性符合LED对驱动电源的要求,因此本文设计的LED恒流开关电源采用反激式电路拓扑结构。
2.2反激式开关电源原理
反激式开关电源其结构相当于在Boost变换器中,用一个变压器代替升压电感,即构成了反激式变换器。
所谓的反激,是指当开关管VT导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管处于截止状态,在初级绕组中储存能量。
当开关管VT截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及整流和电容C滤波后向负载输出。
反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。
开关管导通时,变压器一次侧线圈内不断储存能量;而开关管关断时,变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电,直到下一个脉冲到来,开始新的周期。
反激式拓扑开关电源有两种工作方式:
(1)完全能量转换,也叫做非连续导通模式。
该模式的特点是,变压器在储能周期中储存的所有能量在反激周期都转移到输出端。
(2)不完全能量转换,也叫做连续导通模式。
存储在变压器中的一部份能量保留到下一个储存周期开始。
以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工作原理。
该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、去磁、非连续导通三个阶段。
(1)励磁阶段:
当开关VT导通时,变压器初级励磁电感中的电流从零开始上升。
由于次级边的二极管具有单向导通性,此时二极管反偏,在次级不导通电流,输出滤波电容C向负载供电。
由于此阶段的作用是向初级励磁电感补充能量,以为在下一个阶段向次级绕组转移能量做准备,因此这个阶段被称为励磁阶段。
(2)去磁阶段:
当励磁阶段结束后,VT停止导通。
由于电感电流不能突变,励磁电感电流开始在初级电感上续流,能量通过变压器转移到输出端,在次级边上,二极管正向导通,输出端得到能量。
此时,励磁电感上的电压反向,励磁电流开始下降,因此该阶段被称为去磁阶段。
(3)非连续导通阶段:
当励磁电感的电流下降到零时,变压器初级边的能量己经完全转移到次级边,次级边上二极管不再导通。
此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流,等待着下一个周期的到来。
在连续导通模式下,不存在这个阶段。
2.3恒流驱动方式选择
LED需要恒流驱动,技术上主要有三种恒流驱动方案。
第一,先恒压再电阻限流;第二,使用专用LED恒流驱动芯片;第三,使用传统的恒压电源控制芯片实现恒流。
上述方法各有优缺点,本节设计的LED驱动电源使用两级驱动。
即先使用光耦与TL431组合电路实现恒压,然后使用AMC7150控制芯片实现恒流。
TL431是一个热稳定性良好的三端可调分流基准源,其输出电压用两个电阻就可以随意设置从2.5V到36V范围内的任何值。
因其价格低、性能好,广泛用于可调压电源,开关电源等。
TL431基本连接方法如下图5。
图5TL431基本连接方法
传统使用光耦与TL431组合实现恒流如图6所示,TL431的精确基准电压2.5V加在R4两端,对流过LED串的电流检测。
当LED正端电压增大,电流增大,R4端电压大于2.5V,使TL431工作在放大状态,从而流过光耦输入端的电流增大,使输出端的大电流拉低/抬高反馈电压,最终使IC强迫关断初级向次级侧传递能量。
R3、C2对TL431补偿。
图6使用TL431恒流驱动连接方式
采用这种连接方式的电路的优点:
稳定性好,电路简单,元器件少,成本低,恒流精度高。
电路的缺点:
以0.35A/1W为例,R4消耗的功率为P=2.5V×0.35A=0.875W。
可见此电路不适合做输出电流过大的电源。
另外,电路不可以工作在空载状态下。
本次设计的开关电源即在此电路基础上再加一级AMC7150控制芯片实现恒流驱动,采用两级驱动的恒流开关电源保证了在恒流精度高、稳定性好的前提下能够驱动多路大功率LED。
2.4恒流驱动芯片选择
恒流驱动部分由ADD公司的LED专用驱动芯片AMC7150实现。
AMC7150是一个以PWM(脉冲宽度调变)方式工作的的LED驱动IC。
驱动电流可以从几个毫安上升到1.5A,它可以使LED工作在输入电压从4V到40V的高效、高亮的情况下。
工作频率由外部电容控制可以达到200KHz,在一个LED或者一串的LED工作时,如果需要改变输出电流的话,只要调节外部的电阻就可以达到改变输出的目的。
图7是AMC7150最简单的电路结构图,包括芯片内部结构和外围电路结构。
AMC7150的引脚描述如表2.1所示。
图7AMC7150最简电路结构图
表2.1AMC7150引脚描述表
引脚序号
引脚名
引脚功能
1
VCC
输入电压4V-40V
2
CS
峰值电流判断脚
3
GND
电源地
4
OUT
驱动输出脚
5
OSC
振荡调速电容引脚
2.5电源控制芯片选择
本设计使用PI公司的TNY274系列控制芯片。
它使用先进的PSM控制方式。
因为芯片内部集成开关管,所以整个电源结构简洁,工作稳定,效率高。
现阶段LED恒流驱动开关电源的功率普遍较小,大都在30W以内,这个功率正是开关管内置芯片适用的范围。
TNY274系列控制芯片的特点:
集成了一个700V的功率MOSFET、振荡器、高压开关电流源、电流限流(用户可选)及热关断电路,频率抖动降低EMI滤波成本,自偏置,精确的迟滞热关断保护并具备自动恢复功能。
TNY274系列内图结构如图8所示。
图8TNY274内部结构图
TNY274系列控制芯片的管脚功能:
漏极引脚(D):
功率MOSFET的漏极连接点。
旁路/多功能引脚(BP/M):
一个外部旁路电容连接到这个引脚,用于生成内部5.85V的供电电源。
作为外部限流点设定,根据所使用电容的数值选择电流限流值。
使能/欠压引脚(EN/UV):
输入使能信号和输入线电压欠压检测。
源极引脚(S):
内部连接到MOSFET的源极。
3开关电源电路功能模块设计
3.1电路总体参数
本文设计的LED恒流驱动开关电源使用两级驱动。
设计指标220V(±20%)输入,恒压23V,0.9A输出,额定功率20W,效率75%。
LED恒流350mA输出,驱动5个串联的1W(350mA)白光LED,效率85%,3路输出。
3.1.1直流输入电压和电流的计算
直流输入电压是指经过桥式整流器整流后得到电压,因为220V市电有波动,所以要计算最小直流输入电压
,最大直流输入电压
和直流输入电压
。
用于计算开关管耐压、最大占空比、初次级匝比和桥式整流管参数等。
3-1
3-2
式3-1、3-2中
为正常输入电压,即220VAC,
为最小输入电压,
为最大输入电压。
为桥式整流管最大导通时间,典型值为3ms。
为输入滤波电容,在220V输入时,根据经验输出1W的功率需要1uH的输入滤波电容。
3-3
最大占空比
:
3-4
式3-4中,
为反射电压,
为开关管导通压降。
KP为电流波形参数,表示电路的工作状态。
K
P<1.0时,表示电路工作在连续模式;当KP>1.0时,表示电路工作在不连续模式。
因为设计希望电路工作在不连续模式,根据控制芯片的数据手册选择KP=1.7。
对于变压器初级电流,需要计算初级平均电流
,初级等效直流电流
和初级峰值电流
。
用于计算初级绕组线径、开关管参数、桥式整流管参数和变压器参数等。
3-5
3-6
3-7
3.1.2输出电流的计算
对于变压器次级电流,需要计算次级峰值电流
,次级等效直流电流
和输出电容纹波电流
。
用于计算次级绕组线径、输出整流管参数、输出电容和采样电路参数等。
3-8
3-9
3-10
3.1.3输出整流管和输出电容的设计
输入整流电路,选择桥式整流管需要考虑二极管的耐压
和导通电流
。
3-11
3-12
根据计算,可以选用用4个1N4006或选用DB106。
输出整流管的选择要考虑最大反向峰值电压
和导通电流
。
3-13
3-14
3-15
根据计算,考虑RCD电路对输出整流管的影响。
选择的输出整流二极管应当具备正向压降低、反向漏电流小、反向恢复时间短等特点。
选择快速恢复管MUR420(规格VR=200V、
=4A)。
实际使用时选用肖特基管效率会更高,但由于肖特基管耐压较低,最大耐压已经接近计算值,出现过整流管击穿的现象。
输出电容的大小直接影响输出电压纹波,反激式变换器可以没有输出滤波电感和电容,同时由于LED的恒流设计,所以电容取值应大于恒压控制的电源。
输出电压纹波电压等于
3-16
铝电解电容的
。
3-17
由于设计的输出电压比较高,等效电阻低的钽电容耐压较低,耐压较高的钽电容容量又较小。
实际设计制作时,通常用2个或多个铝电解电容,紧靠输出端用2~3个高耐压小容量的钽电容并联减少输出电容的等效电阻。
3.2输入整流滤波电路设计
如图9所示,输入整流滤波电路包括输入EMI交流滤波器、整流二部分。
交流滤波主要是滤除交流输入端的共模干扰和差模干扰,其中电感L0为共模电感,采取双线并绕,是为了去除共模干扰。
C01、C02接于相线和中线之间为差模电容,C03、C04接于相线或中线与地之间为共模电容。
整流电路一般选用满足电流阈值的整流桥。
电感的取值、材料的选取要考虑:
磁芯材料的频率范围要保证最高频率在1GHz,另外磁导率高。
图9输入整流滤波电路
3.3钳位保护电路的设计
钳位电路主要用来限制高频变压器漏感所产生的尖峰电压并减小漏极产生的振铃电压。
作用原理是将周期性变化的波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上。
3.3.1几种基本的钳位电路比较
反激变换器在开关管关断时向次级提供能量,在开关管关断时,初级会产生由次级反射的电压,感应电压的极性和直流输入电压相同,开关管此时需要承受直流输入电压加次级反射电压。
由于反射电压有电压尖峰存在,所以必须有钳位电路保证反向感应电压和直流输入电压之和不超过开关管的最大耐压值。
表3.1对几种钳位保护电路做了简单的比较。
综合元件成本、空载功耗、轻载效率、EMI噪声等方面的因素考虑,本设计采用RCD稳压管钳位电路。
表3.1几种箝位电路的比较
开关管钳位电路
稳压管钳位
RCD稳压管钳位
RC
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业论文 大功率 led 开关电源 研制