毕业设计（论文）-基于OB2532的LED恒流源驱动设计.doc

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1、基于 OB2532 的 LED 恒流源驱动设计 摘要摘要 与人们日常生活息息相关的照明技术已经延续了一百多年的发展，近年来 LED 作为一种较新的电光源，有着高效、耐用、安全等优点，在照明领域有着非常广阔的 应用前景。 LED 器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，需要设计复杂的变换电路，不同用途 的LED 灯，要配备不同的电源适配器。国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效 功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，因为电源在整个灯具中的作 用就好比像人的心脏一样重要。 本论文主要研究 LED 恒流源驱动电路，对常见的恒流源驱动电路进行了比较， 通过对比选择出较好的电路拓扑结构，然后进行电

2、路设计，相关元器件参数的选择， 与最后电路的调试工作，最后形成成品，对所遇见的问题进行分析解决。 关键词关键词：LED 开关电源 SEPIC 电路 恒流源 ABSTRACT Lighting technology, which is closely related to our daily life, has developed for more than one century. In recent years, LED(light-emitting diode), due to its high efficiency, durability, and security, has had a

3、n extensive application in the field of lighting. The requirements of drive power on LED device is demanding: we need to design complex inverters, besides, we need to prepare different power adapter for LEDs of different usages. For foreign customers, they set a high standard on LED drive powers con

4、version efficiency, effective power, constant current accuracy, battery life and electromagnetic compatibility, because they know that the power supply plays a vital role in the whole light. This paper mainly focused on the drive circuit of LED constant current source, compared different common driv

5、e circuits and selected the circuit topology which has higher efficiency. Then we carried on the circuit design and selected the parameters of related components. Finally, we tested the circuit, made out the product and discussed problems occurred during the test. Key Words: LED Switching Power Supp

6、ly SEPIC constant current source 目录目录 摘要摘要 ABSTRACT 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 本课题研究的目的意义1 1.2 LED 发光原理2 1.3 LED 驱动电源的使用现状2 1.4 LED 驱动电源面临的问题3 1.5 LED 驱动电源的展望3 1.6 论文的主要工作4 第二章第二章 LED 驱动电源工作原理驱动电源工作原理 5 2.1 PWM 调制简介5 2.2 控制方式5 2.3 恒压和恒流的选择8 2.4 DC-DC 功率变换电路概述.11 第三章开关电源设计过程第三章开关电源设计过程17 3.1 芯片介绍17 3.2 提高单片开关电

7、源效率的方法21 3.3 EMC 设计.23 3.4 电路参数的计算25 3.5 变压器绕法29 3.6 测试数据29 第四章第四章 结论结论35 参考文献参考文献37 致谢致谢38 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 本课题研究的目的意义本课题研究的目的意义 LED（Lighting Emitting Diode）照明即是发光二极管照明，它 是一种节能、 环保、快速、多色彩、长寿命的新型光源，它将成为未来照明的发展趋势，但由 于其对电源的稳定性要求很高，所以就需要各种驱动电路配合才能达到高的发 光效率。LED 的寿命和电源有很大的关系，电源供电不稳定，将会导致LED 发光效率降低，寿命缩短，

8、颜色发生变化，甚至烧毁，所以驱动电路将会成为 LED 照明发展的瓶颈，同时也是从事 LED 照明企业的技术难题，如果不能很 好的掌握这项技术，就会被淘汰，丧失市场份额从而导致亏损的恶性循环。所 以说对驱动电路的研究是至关重要的。 本课题研究是为了推动 LED 更接近被主流普通照明市场所采用，设计出好的 电源驱动会有助于提高 LED 的发光效率，降低照明产品的制造成本，这都是大势 所趋，因为 LED 照明产业正在持续走热，其中最主要的推动因素是各国政府对节 能环保新能源产业的日益重视和大力扶持。无论是 09 年闭幕的哥本哈根世界气候 大会，还是当前世界许多国家应对金融危机的重要举措，扶持发展新能

9、源始终处 于决定性的重要地位。所有迹象表明新能源将是近代基于低碳经济的一场技术革 命。未来新能源产业的价值链将围绕新能源收集和新能源利用，更有效的收集和 开拓新能源的新应用会为各领域开拓新的价值增长点，如 LED 照明。在这里必须 提出的一点是，在太阳能系统中，为了把电能并入电网，需要用逆变器把直流电 变成交流电，当照明负载为直流时无需使用(如 LED 照明)，目前已经有太阳能直 接供电的 LED 照明系统，相信这个趋势将在未来得到更多应用，从这点上看， DC-DC 功率变换器研究的价值很高，会为我们节省很多资源。 本课题所研究的就是一种 LED 恒流源驱动，通过对 SEPIC 和 FLYBA

10、CK 电路 的研究与分析，对比两者优缺点，选择出更适合应用实际的电路。 2 1.2 LED 发光原理发光原理 图 1-1 LED 发光原理图 LED（Light Emitting Diode） ，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可 以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支 架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。 半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另 一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们 之间就形成一个 P-N 结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候

11、，电子就会被推 向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成 P-N 结的材料决定的。 1.3 LED 驱动电源的使用现状驱动电源的使用现状 标准电灯正在经历一场革命。出于保护能源和应对全球气候变暖的考虑，美 国一些州和其它一些国家开始禁止使用低能效的白炽灯泡。各种新技术正纷纷被 用于替换白炽灯泡，其中紧凑型真空荧光灯(CFL)是主要替代方案。尽管这种CFL 灯的功耗仅为白炽灯的20%，但却含有有毒物质汞。相比之下，LED灯可以提供更 高效和更环保的解决方案。 LED最初的商业应用出现在上世纪七十年代，但因

12、其光输出极低，应用范围 也仅限于指示灯和计算器显示屏等领域。如今，能够产生白光的高功率LED在效 率方面不断得以提升，价格也在逐年下降，因此它已成为主流照明应用值得考虑 的选择之一。预计随着LED技术的发展，到2012年其发光效率将达到150 流明/ 瓦， 1000流明的成本将不足5 美元。2010上海世博会举办期间，世博园区内所有的景 观灯光都将使用LED，而大多数照明路灯、指示灯也将使用LED.届时，LED照明 有望占到世博园区总照明的七成以上，LED在一个区域内如此大规模、密集地使 用，在全球尚属首次。通过全球LED 技术领导厂商对材料、工艺和封装技术的努 3 力改进，高亮度LED的发光

13、效率和性能得到了显著提升，除了传统的背光和显示 面板市场外，高亮度LED开始走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交 通灯等全新应用。这些都预示着LED驱动电源将有一个广阔的应用前景1。 1.4 LED 驱动电源面临的问题驱动电源面临的问题 由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中 需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电 源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。 LED是23伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要 配备不同的电源适配器。国际市场对LED驱动电源的效率

14、转换、有效功率、恒流 精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，设计一款好的电源必须要综合考虑 这些因数，因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。 在市场一片繁荣的背景下，LED产品质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱， 市场上LED产品如火如荼的发展态势下，就LED驱动电源企业而言，目前面临几个 挑战。首先是驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影 响到电源的寿命。其次是LED驱动器需挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功 率LED 时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效 率的过低，影响了LED节能效果的发挥。第三，以大调光比和高效率地对LE

15、D调光， 同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。同时要降低成本，目前在功率较小 (15W)的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源 的成本，一定程度上影响了市场推广2。 1.5 LED 驱动电源的展望驱动电源的展望 未来的方式是，先恒压，再线性恒流整合方式。电压保证在一定范围内适应 负载需要，按 LED 有不同的 Vf值 3-3.6V 之间，那按 LED 实际数量乘于 3V 计算 出最低值，再按 3.6V 电压乘于数量计算出最大可能电压值，最终确定电源部分需 要调整的电压范围。再线性恒流源后端恒流，可以多路恒流源并联使用，也可以 单路多个恒流源增加电流使用。前端电

16、压源部分采样检测恒流源压差，调整合适 负载需求电压，从而达到高效、灵活的驱动线路需求。恒流源需要低压差线性恒 流器件，线性恒流源有着很好的电流误差，也会有很好的灰度表现。在小电流时 可以有 13V 的压差，在大电流方面必须要 200300mV 低压差，才会有较高的 效率，那样线性恒流源需要另外供电。总之，随着技术的不断完善，我们的日常 生活会因 LED 而变得多姿多彩。 4 1.6 论文的主要工作论文的主要工作 本设计根据实际需要，做出 AC-DC 的 LED 恒流源驱动电源，而 AC-DC 的 核心就是 DC-DC 变换。就 DC-DC 解决方案而言，其中，标准降压型转换器是最 简单和最容易

17、实现的方案，设计中拟采用单端初级电感变换器。实现高压和低压 的隔离不仅能满足安全需要，还能有效的减少高压高频区的干扰附加到低压输出 端，提高输出电流的稳定性。 本设计预驱动功率为 10W 的 LED，要求在全电压（85-264V）范围内实现恒 流，其恒流精度0.5，并通过 EMC 测试。 论文主要工作是为通过理论比较为设计提供合理系统方案和充足的理论依据。 5 第二章第二章 LED 驱动电源工作原理驱动电源工作原理 2.1 PWM 调制简介调制简介 脉冲宽度调制方式，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲的宽度来改变占空 比，从而实现对能量向负载传递的控制，称之为“定频调宽”。 PWM 调制方式是开

18、关功率变换器中最常采用的方式，通过反馈端的反馈信号 和基准信号的差值与内部产生的锯齿波进行比较，然后输出一路恒频变宽的方波 信号对功率开关管进行控制，可以依据负载快速调节开关管的导通时间，从而稳 定输出电压。 PWM 调制方式具有以下的优点：在负载较重的情况下效率很高，电压调整率 高，线性度高，输出纹波小，适用于电压和电流控制模式；PWM 调制方式存在以 下的缺点：输入电压调制能力弱，频率特性差，轻负载下效率下降。 2.2 控制方式控制方式 开关电源 DCDC 变换器从控制模式上可以分为两类，电压控制模式 （Voltage Control Mode）和电流控制模式（Current Contro

19、l Mode） 。下面以 PWM 调制方式为例，介绍电压控制模式和电流控制模式的原理和特点。 2.2.1 电压控制模式电压控制模式 电压模式控制的基本原理就是通过将误差放大器的输出电压与一个锯齿波进 行比较，产生控制用的 PWM 信号。PWM 电压模式的控制原理图如图 2.5 所示， 其原理为：采样电阻 R1 和 R2 检测输出电压 V。 ，并将其输入误差放大器 EA 与参 考电压 Vref 进行比较，被放大的误差电压 Vea 被输入到脉宽调整器(电压比较器)。 照明 LED 恒流源驱动的设计。 6 图 2-1 PWM 电压模式控制原理图 PWM 电压比较器的另一个输入是周期为 T 的锯齿波，

20、如图 2-1 所示，其幅值 一般为 3V。EA 的输出 Vea 与锯齿波进行比较，当锯齿波电压高于 Vea 的时候 PWM 电压比较器的输出由高电平转化为低电平，Q1关断，以此来调节 Q1的导通 时间，保证输出电压恒定。其逻辑关系是，当 VDC 上升时，则 Vo 上升，误差放 大器输出电压 Vea 下降，锯齿波高于 Vea 的时间提前，也就是 Q1导通时间 Ton 缩 短，使得 V o =VDCTon/T 保持不变；同理，如果 VDC 下降，则 Q1导通时间 Ton 延长，最终的结果也保证 Vo 不变。由此可以总结出，无论输入电压 VDC 如何波 动，电压控制系统都会改变 Q1的导通时间 To

21、n，使得最终的输出电压维持在 Vo =Vref(1+R2 R1)。从控制理论的角度分析，电压模式控制在整个控制电路中只有一 个反馈环路，是一种单环控制系统。电压控制型变换器是一个二阶系统，它有两 个状态变量：输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条 件稳定系统，只有对控制电路进行精心的设计和计算后，在满足一定的条件下， 闭环系统方能稳定的动作，开关电源的电流流经电感，对电压信号有 90 度的相位 延迟。因此，仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号 时产生振荡，从而损坏功率器件。 电压控制模式的优点是：1 单环反馈的设计和分析比较容易进行；2 锯齿波振 幅较

22、大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余度；3 低阻抗功率输出，对多第二 章开关电源原理输出电源具有较好的交互调节特性。 电压控制模式的缺点是：1 动态响应速度较慢；2 输出滤波对控制环增加了两 个极点，这就需要一个零点补偿；3 由于环路增益随输入电压而变化，使得补偿变 得更加复杂化3。 2.2.2 电流控制模式电流控制模式 针对电压控制模式的缺点，最近十几年发展起来了电流控制模式技术。电流 控制模式可以分为峰值电流模式控制（PCM：Peak Current Mode）和平均电流模 7 式控制（ACM：Average Current Mode） ，ACM 是在 PCM 的基础上发展起来的， 通常

23、情况下电流控制模式所说的就是峰值电流控制模式。电流控制模式是在电压 控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节，电感电流不再是一个独立变量， 从而使开关电源变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和 90 度 相位滞后，从而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特 性。根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统是最优控制系统，可以实现最小 的动态响应的误差平方积分指标。因此，在 PWM 中取输出电压和电感电流两种反 馈信号实现双环控制是符合最优控制规律的。 图 2-2 为 PWM 峰值电流控制模式的原理框图。与电压控制模式不同的是，电 流控制模式的 PWM 电压比较器的输

24、入由电压控制模式中的锯齿波信号换成了对电 感电流采样值转换成的电压 Vs，比较器的另一端仍然是输出电压采样值与参考基 准的误差放大值。每个周期开始时，时钟信号控制将开关开启，流过开关和电感 的电流增大，当电流增大到 Vs超过 Vea时，触发器 R 端置高电位，开关被关断。 如果 VDC 增大，则开关导通时 Vs上升速度加快，Vs超过 Vea所需要的时间缩短， 于是 Ton被缩短；反之 VDC 减小，则 Vs超过 Vea让 PWM 控制信号翻转所需时 间更长，增加了 Ton维持对负载提供的能量大小。由此可以总结出，无论输入电 压 VDC 如何波动，电流控制模式同样也能通过改变开关的导通时间 To

25、n（也就是 改变了占空比） ，使得最终的输出电压维持在 Vo =Vref(1+R2R1)。照明 LED 恒流源 驱动的设计 图 2-2PWM 峰值电流型控制原理框图 从图 2-2 上观察可以发现，与电压模式控制单一闭环相比，电流控制模式是双 闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，由电压外环控制电流内环，即内 环电流在每个开关周期内上升，直到达到电压外环设定的误差电压阈值，电流内 环是瞬时快速地对每个周期的脉冲电流采样，检测输出电感的电流动态变化，电 压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压控制模式大得多 8 的带宽，无论是理论分析还是电路测试，都证明电流型控制比电压型控制有

26、许多 优点，归纳起来主要有以下几点。 （一）对输入电压变化的响应快。这可直观的从电路的工作原理中分析出来： 电源输入电压的变化，必然会引起周期初始电流上升的斜率的变化，如电压升高， 则电流增长变快，反之则变慢，但是只要电流脉冲幅值达到预定的幅度，电流控 制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。而在电压控制模 式电路中，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，一直要等到输出电压发 生一定的变化后才会调节脉冲宽度。一般电压控制模式要 510 个周期才能响应 输入电压的变化。 （二）过流保护和可并联性。在电流控制型 DC-DC 变换器中，由于内环采用 直接的电感电流峰值限制，可以及时

27、准确地检测功率开关管和电感上的瞬态电 流，自然形成了对每个周期内峰值电流脉冲检测电路。只要给定或者限制参考 电流，就可以准确地限制流过功率开关管和电感中的最大电流，也可以有效地克 服输入电压浪涌产生很大地尖峰电流从而损坏功率开关管等这类故障诱因。同时， 在设计开关电源时不必给开关管的最大电流限制和电感最大储能留有较大的余度， 在保证可靠工作的前提下，尽可能的降低了成本。 由于电流控制模式特有的电流限制能力，当多台开关电源并联运行时，每台 电源都有独立的电流负反馈，并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路，使 各个电流反馈系统有相同的电流参考值，这样就可以有多台开关电源之间并联均 流，这在当今电

28、源规格要求繁多，电子设备整机可靠性要求提高的形式下，为模 块化电源系统和电源冗余结构设计提供了捷径。 （三）回路稳定性好，负载响应快。电流型控制可以看作是一个受输出电压 控制的电流源，而电流源的大小就反映了电源输出电压的大小，这是因为电感中 电流的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了3。 2.3 恒压和恒流的选择恒压和恒流的选择 2.3.1 LED 伏安特性伏安特性 首先来看一下 LED 到底是什么样的器件。因为 LED 的亮度是和它的正向电流 成正比，而且一些 LED 的结构决定了它的散热也就是功耗。所以大多数 LED 会给 出额定电流，例如 5 为 20mA，1

29、W 的为 350mA等，但这并不等于 LED 只能工 作于这些额定电流，更不意味着 LED 就是一个恒流器件。例如 Cree 的 1 瓦 LED 和 3 瓦 LED 是同一型号，电流从 350mA 加大到 700mA，功率就从 1W 加大成 3W，所以这个 LED 可以工作在 350-700mA 之间的任意值。 9 1、LED 的伏安特性 LED 的中文名字就是发光二极管，所以它本身就是一个二极管。它的伏安特 性和一般的二极管伏安特性非常相似。只不过通常曲线很陡。例如一个 20mA 的 草帽 LED 的伏安特性如图 1 所示。 图 2-3.小功率 LED 的伏安特性 如果用干电池或蓄电池供电，

30、那么因为 LED 伏安特性的非线性，很小的电压 变化就会引起很大的电流变化，上图中电源电压在 3.3V 时正向电流为 20mA 的 LED，假如用 3 节干电池供电，新的电池电压超过 1.5V，3 节就是 4.5V，LED 的 电流就会超过 100mA，很快就会烧坏。对于 1W 的大功率 LED 也是如此，图 2 是 某公司 1W 的 LED 伏安特性，而一个 12V 蓄电池的电压，在布满电到快放完电的 电压可以从 14.5V 降到 10.5V。相差将近 20%。从伏安特性上可以看出，电源电压 的 10%的变化（3.4V-3.1V），就会引起正向电流的 3.5 倍的变化（从 350mA 变到

31、100mA）4。 2、LED 伏安特性的温度特性 虽然它的样子和一般二极管没有什么两样，但是最大的不同在于它的温度特 性。其实所有二极管的伏安特性都有温度特性的问题，可是就是 LED 是需要特别 加以注意的。这是因为：大功率 LED 的工作电流比较大，1W 为 0.35A，3-5W 为 0.7A，20W 为 1.05A，30W 为 1.75A，50W 为 3.5A。不过可能也会有人觉得，整 流二极管的正向电流也可能达到这样大的数值的。LED 因为目前的发光效率还是 比较低，所以大部分的输入电功率都是转化为热，所以它的发热很高，假如散热 器做得不好，那么结温就会升得很高。LED 不同于整流二极管

32、，它不是采用一般 的硅材料做成的，而是采用特殊的材料（例如氮化镓）制成。所以它的伏安特性 的温度特性也不同于一般二极管，而是要明显大于一般二极管。例如一般二极管 10 的伏安特性的温度特性为-2mV/C，但是 Cree 公司的 XLamp7090XR-E 的伏安特性 的温度特性却高达-4mV/C，要比一般的二极管大一倍。 3、结温升高产生的问题 图 2-4. XLamp7090XR-E 的相对光输出随结温的升高而降低 结温升高引起伏安特性的左移因为伏安特性的温度系数是负的，这意味着温 度升高，特性左移。例如，假定结温升高 50 度，那么伏安特性就会左移 200mV。 4、用恒压电源供电会使 L

33、ED 正向电流随温升的增加而增加。 电源电压是恒定的，而伏安特性却左移了，其结果就是正向电流增加。从图 2 的伏安特性可以看出，假如常温下用 3.3V 的恒压电源供电，其正向电流为 350mA；结温升高 50 度以后，伏安特性左移 0.2V，那么相当于电源电压升高到了 3.5V，这时候，正向电流就会增加到 600mA。 5、用恒压电源供电会引起温升增加的恶性循环 正向电流增加以后，因为电源电压没有变化，所以 LED 的输入功率增加到 3.3Vx0.6A=1.98W，几乎增加了一倍。但从图 2-4 看出，结温升高以后，光输出会 降低，这意味着更多的输入功率转换为热能，也就是说如果这时候增加正向电

34、流， 它的光输出并不随着增加，反而降低。所以，这时的正向电流的增加只会引起结 温增加，而不会使光输出增加5。 图 2-5 结温电流恶性循环 这就引起结温升高的恶性循环。结论：采用恒压电源供电会使结温升高，光 衰加大，寿命缩短所以，从前面的分析，可以得出这样的结论：采用恒压电源供 电会使结温升高，而结温增加的结果是光衰增大，寿命缩短。假定 LED 在常温 25 度时开机，开机以后结温就会升高，假定散热器设计为温升至 75 度，也就是结温 增加了 50 度，那么就会使得正向电流增加至 600mA。总功率从 1.155W 增加到 结温增加正向电流增加结温再增加正向电流再增加 11 1.98W，增加了

35、 0.825W。而这部分所增加的功率几乎全部转换为热量。假定原来 LED 的发光效率为 30%，也就是 70%的输入功率（0.8W）都转换为热能。现在又 多了一倍的热能需要从散热器散出去。显然，这是原来的散热器设计没有考虑到 的。 2.4 DC-DC 功率变换电路概述功率变换电路概述 DC-DC 功率变换电路将取自各种直流源的电压变换成另一种电平的直流电压。 DC-DC 功率变换电路的基本原理是通过开关器件首先对输入直流进行斩波，然后 将所得高频脉冲变换到合适的电平，再经整流滤波恢复成所需的直流输出值。高 频斩波信号对输入直流而言，相当于一种调制信号，故 DC-DC 功率变换电路有时 也称高频

36、调制型 DC-DC 功率变换电路。为维持功率变换电路输出电压稳定不变， 通常采用脉冲宽度调制（PWM） 、脉冲频率调制（PFM）或脉宽与脉频兼调措施。 高频调制型 DC-DC 功率变换电路是 MPEVD1则选 用 BYV26C 型快速恢复二极管。 3、输入滤波电容(C1) 输入滤波电容 C1用于滤除输入端引入的高频干扰,C1的选择主要是正确估算 其电容量。通常输入电压 U1增加时,每瓦输出功率所对应的电容量可减小。 4、交流输入端电磁干扰滤波器(EMI) 图 3-4 中的和 C6 用于构成交流输入端的电磁干扰滤波器(EMI)。C6 能滤除输 入端脉动电压所产生的串模干扰,L2 则可抑制初级线圈

37、中的共模干扰。 22 5、限流保护电路 为限制通电瞬间的尖峰电流,可在输入端接入具有负温度系数的热敏电阻(NTC)。 选择该电阻时应使之工作在热状态(即低阻态),以减小电源电路中的热损耗 6、输出整流管(VD2) 正确选择输出整流管 VD2可以降低电路损耗, 提高电源效率。其方法一是选 用肖特基整流管,原因是其正向传输损耗低,且不存在快恢复整流管的反向恢复损耗; 二是将开关电源设计成连续工作模式,以减小次级的有效值电流和峰值电流。输出 整流管的标称电流应为输出直流电流额定值的 3 倍以上14。 7、输出滤波电容(C2) 电源工作时,输出滤波电容(C2)上的脉动电流通常很大。一般在固定负载情况

38、下,通过 C2的交流标称值 IC2必须满足下列条件:IC2=(1.52)IR1式中,IR1是输出滤 波电容 C2上的脉动电流。设输出端负载为纯电阻性 R1,那么,R1C2愈大,则 C2放电 愈慢,输出波形愈平坦。也就是说,在 R1一定的情况下, C2愈大,输出直流电压愈平 滑。 8、确保高频变压器的质量 设计时应确保高频变压器有合理的结构,同时应保证其具有较低的直流损耗和 交流损耗且漏感小,线圈本身的分布电容及各线圈之间的耦合电容也要足够小。为 达到上述目标,最主要的是要正确确定磁芯的形状、尺寸、磁芯材料以及线圈的绕 制方法等。 (1)降低高频变压器的直流损耗 交流损耗是由高频电流的趋肤效应以

39、及磁芯损耗引起的。趋肤效应会使导线 的有效流通面积减小,并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。由于高频电流对导 线的穿透能力与开关频率的平方根成反比。为了减小交流铜损耗,其导线半径不得 超过高频电流可达深度的两倍。事实上,在根据开关频率确定导线直径 后,实际制 作时应用比 更细的导线多股并绕而不是用一根粗导线绕制。 (2)减小漏感 因为漏感愈大,产生的尖峰电压幅度愈高;而初级尖峰电压幅度愈高,初级钳位电 路的损耗就愈大,从而将导致电源效率降低。所以,在设计高频变压器时,必须把漏感 减至最小。对于低损耗的高频变压器,其漏感量应是开路时初级电感量的减小漏感 的措施有减小初级线圈的匝数、增大线圈的宽度

40、、增加线圈尺寸的高度与宽度之 比、减小线圈之间的绝缘层以及增加线圈之间的耦合程度等15。 (3)减小线圈的分布电容 在开关电源的每个通、断转换期间,线圈分布电容将反复充、放电,这样,其上的 能量被吸收将使电源效率降低。此外,分布电容与线圈的分布电感也会构成 LC 振 荡回路,并产生振荡噪声。对于初级线圈的分布影响,可以采取如下措施来减小线圈 23 的分布电容:一是尽量减小每匝导线的长度;二是将初级线圈的始端接漏极;三是在 初级线圈之间加绝缘层16。 3.3 EMC 设计设计 图 3-5EMI 电路图 3.3.1 电磁干扰源电磁干扰源 元器件固有噪声。它们主要有热噪声，散粒噪声、接触噪声等，但是

41、在功率 转换的电子应用中，这类噪声并不重要，它只在信号变换，信息处理，通信接收 等微弱信号处理中才有十分显著的影响。 半导体二极管在开关过程中产生的电磁噪声。在快速开通和关断的同时，瞬 时变化的电压和电流，如其 di/dt 很大，就会形成很强的电磁噪声，例如二极管整 流时由于非线性而产生的电流尖脉冲，不仅会产生二次、三次及高次谐波的 干扰，而且还会形成连续频谱的电磁干扰噪声，分布在较低的高频范围内。 功率半导体器件（如双极性三极管、场效应管、IGBT 等） ，在开关过程中， 存在很高的 di/dt。 3.3.2 电磁干扰中传导干扰的两种形式电磁干扰中传导干扰的两种形式 电磁干扰按其性质来说，可

42、以划分成两种形式：差模干扰和共模干扰。差模干 扰是指在相线 L 与中线 N 之间存在相位相反的信号；共模干扰是在在相线 L 与地 GND 之间以及中线 N 与地 GND 之间存在的相位相同、幅度也基本相等的干扰信 号。后一类来自电磁空间辐射、分布电容的寄生耦合，漏磁感应，即同一干扰源 通过寄生参数耦合到相线和中线上，它对电源线的每一根的作用基本上相同的， 因而所产生的干扰电压是同相位的、幅度也差不多一样。一般两种干扰是同时存 在的，由于线路的阻抗不平衡，两种干扰在传输过程中还会相互转化，情况十分 复杂17。 24 3.3.3 如何消除和减少传导干扰如何消除和减少传导干扰 为了消除和减少传导干扰

43、，满足电磁兼容要求，通常采取的措施有：电路布线 设计、屏蔽、接地、加滤波电路等。 1、电路布线设计 产品内部的干扰主要来源于寄生耦合，在电路设计时要抑制寄生耦合的产生， 减少那些寄生参数。实际布线时，将不同工作频率的走线分开，高压与低压的走 线分开；处于强磁场的地线不应形成回路，以免感应出地环电流而造成干扰；产 生电磁场较长的元器件和对电磁场敏感的元器件布置时应互相垂直、远离或加以 屏蔽以减少互感耦合；各级电路最好按电原理图顺次排列，而不要交叉排列，务 必使各级电路自成回路，前后电路间避免形成不良的寄生反馈。PCB 的布线应尽 量缩短，输入线最好远离带有高频电流的导线。 2、 外壳接地 （1）

44、实现对电场的屏蔽，用屏蔽来消弱外界噪声引起的干扰。如对某些元器 件单独进行小范围的屏蔽，其抑制电磁干扰的效果会更好。 （2）接地具有很低的阻抗，使系统中各路电流通过该公共阻抗直接接地，例 如电源的相线和中线通过 Y 电容接外壳和大地，可以减小系统的传导干扰。为了 避免漏电，伤及人身，Y 电容一定要能足够承受较高的耐压而不击穿。 （3）保证人身和设备安全，这类接地分为防止设备漏电的安全接地和防止雷 击的安全接地两种。 3、加装去耦电容 在开关管附近的电源加装去耦电容，使开关管开通瞬间所需的电流不再由电 解电容提供，而由去耦电容就近为器件产生的 I 噪声提供一个电流补偿源。一般 去耦电容用一个容量

45、较大的电容和容量较小的电容（相差 100 倍）来并联承担。 如果不接去耦电容，则开关管开通瞬间的所需的 I 由电源提供，在电源及接 地系统中会引起电流的波动，从而在 PCB 的走线上产生电流噪声。 4、采用无源滤波器 抑制传导干扰的方法虽有很多方法，但最有效的方法还是采用无源滤波器。对 差模干扰和共模干扰所采用的滤波电路是不同的，要根据传导干扰的类型而采用 不同形式的滤波电路18。 3.3.4 差模滤波器及共模滤波器在差模滤波器及共模滤波器在 EMC 测试的各个频段的作用测试的各个频段的作用 根据 GB17743-1999电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限制和测量方 法的规定。在不同频率下

46、允许的电磁干扰的准峰值及平均值如下表表示。 25 表 3.2 EMC 各频段限值 允许值 DbV 频率准峰值平均值 9-50KHz110 50-150KHz90-80 150KHz-0.5KHz66-5656-46 0.5-2.51MHz5646 2.51-3MHz7363 3.0-5.0MHz5646 5.0-50MHz6050 1、低频段 9-15KHz 该频段主要以差模干扰为主。加大差模电容或是串一个差模电感，均会使干 扰幅度大大降低。说明在这个频段差模干扰影响是较大的。同时串接共模电感后， 干扰幅度也会降低，说明共模干扰也是存在的13。 2、中频段 150KHz-2MHz 这个频段同时

47、存在差模干扰和共模干扰，不过以共模干扰为主。所以要采用 比较全面的滤波电路，对各个频段的干扰都有抑制作用。电路中的共模滤波 Y 电 容要接地，这样才能达到效果。测试证明，采用两个 2200H 的 Y 电容并接大地 来抑制中频段的共模干扰，会得到满意的效果19。 3、总结：在设计滤波器时，除了对滤波器的效果有要求外，还要考虑成本问题， 使电路结构最简单，占用空间最小，尽量将不必要的，价格昂贵而又作用不明显 的元器件去掉。 3.4 电路参数的计算电路参数的计算 （一） 前沿计算 最小直流电压 （3- 5） 最大直流电压 （3- 6） 输入功率 26 （3- 7） 视在功率 （3- 8） （二） A

48、P 计算磁芯大小和型号 （3- 14 1 0 *10 () T X fsWj P AP K K f B K 9） 为和的乘积（） ；AP 为变压器的视在功率（W） ； T P 1 122 V IV I 工作磁通密度（T） ； W B 开关工作频率（） ；铁心的选择就是选择一合适的 AP 值，使它输送功率时，铜损和 铁损引起的温升在额定温升之内。 窗口使用系数（K0 75 % 图 3-8 不同负载时效率折线图 （三）EMC 测试通过 GB17743 标准 32 图 3-9EMC 测试 L 线 图 3-10EMC 测试 N 线 表 3.7 测试仪器 ItemModule AC sourceEVER

49、FINE_PF9800 Digital Power MeterVICTOR Vc9808+ Elictrical loadCHROMA6312 OscilloscopeTEKtrouix_DPO3034 33 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:12-May-2010Sheet of File:C:UsershanjpingDesktop20100430hanjping0408.ddbDrawn By: F1 F 2 4 1 3 DB1 SM D DI106 1A 400V 21 C1 22UF 400F 21 C4 10UF 50V R2 1M 1206 R7A 30K 0805 R4 150R 0805 R5B 200K 1206 R5A 200K 1206 R11 47R 1206 R10B 2.1R 1206 R10A 2.4R 1206 2 1 D5 FR107 2 1 D7 FR107 21 D8 SM D 1N4148 R12 20K 1206 C6 102 1206 C5