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1、 湖南文理学院芙蓉学院 本科生毕业论文(设计)题 目：LED照明开关电源的研究与设计 学生姓名：_黄亚_ 学 号： 08210111 专业班级： 自动化0801 指导教师： 曹玲玲 完成时间： 目 录第一章 绪论21.1引言21.2 LED基本特性介绍21.3 LED的照明应用现状41.4 LED驱动电路现状51.5半导体灯应用存在问题6第二章 LED原理及驱动分析72.1 LED发光原理72.2半导体发光二极管的特点82.3 LED的选择92.4驱动方式102.5 LED驱动器介绍112.5.1直流驱动器112.5.2交流驱动器122.5.3 LED的直流驱动和脉冲驱动选择13第三章 主电路
2、结构设计143.1主电路结构介绍143.1.1开关电源的应用与发展143.1.2反激电路153.1.3正激电路163.1.4半桥电路173.1.5全桥电路183.1.6推挽电路193.1.7几种电路结构的比较203.2功率开关原件设计223.3电感、电容的计算223.4变压器分布参数及材料选择223.4.1高频变压器的分布参数223.4.2磁芯材料243.5导线材料及绝缘问题253.5.1导电材料选用253.5.2绝缘问题263.6高频变压器设计26第四章 控制电路设计284.1控制电路主要功能和结构284.2.TL494管脚配置及其功能294.2.1TL494基准电压单元304.3具体电路设
3、计314.3.1基准电压电路设计314.3.2软起动电路设计314.3.3反馈和调节电路设计32第五章 LED布阵及系统调试335.1布局的设计335.2布线的设计335.3系统调试335.4基本调试345.4.1半桥控制电路的调试345.4.2主电路他激工作方式调试345.4.3主电路整体调试34致 谢35参考文献36摘 要LED照明在日常的生产、生活中，因其具有节能、长寿、安全、环保、色彩丰富、体积小、耐闪烁、可靠性高、调控方便等诸多优点，正作为一种新型照明光源获得越来越广泛的应用。LED的应用，需要合适的驱动控制电路，本文研究工作是针对LED照明设计合适的驱动电源。本论文首先介绍了LED
4、照明的优点及应用现状，以及LED照明的广阔前景。其次介绍了LED发光的基本原理，测试分析了LED电压、电流和光功率之间的关系；比较了几种LED的光通量、价格等，选择了合适参数的LED作为发光元件。通过分析比较常用的LED电源驱动方式，提出了以半桥式变换器为主电路结构形式。开关电源以其自身的优点已经成为电源行业的主流形式。开关电源技术的应用，使电源变得体积小，重量轻，效率高，性能更好。关键词：LED照明;驱动电源;开关电源ABSTRACTThe LED lighting in daily production, life, due to its energy-saving, longevity,
5、 safe, environmental protection, colour is rich, small volume, flashing resistance, high reliability, regulation, convenient, and many other advantages, is as a new lighting source obtains more and more widely. LED application, need appropriate drive control circuit, this paper research work is aims
6、 at the LED lighting design suitable driving power.This paper firstly introduces the advantages of LED lighting and application status of LED lighting, and broad prospects. Secondly introduces the basic principle of LED, test analysis LED voltage, current and light power relationship; Compare severa
7、l LED of the flux, and prices, select the appropriate parameters LED as light emitting components.Through the analysis and comparison of power driven approach used LED, put forward the half bridge type converter circuit structure form mainly. Switching power supply with his own advantage has become
8、the main form in power supply industry. Switch power technology of application, make power becomes small volume, light weight, high efficiency, better performance.Key words: the LED lighting ;driving power supply;Switching power supply LED开关电源的研究与设计第一章 绪论1.1引言 随着全球经济发展和生产水平的提高，人均年能源需求越来越大。以煤、油、天然气、核
9、能等人类赖于生存的能源具有不可再生性，人类面临着空前的源危机。能源的大量消耗同时也造成了生态环境的急剧恶化。为了解决这些问题不仅要开发新的可替代清洁能源，还要大大提高能源的利用效率。人们日常消的能源中80%是电能，各种照明用电则是电能的重要组成部分，大约占全球19的电力。众多照明产品中，白炽灯的光效仅有825lm/w8，开发高效率的照明产品则成了人类的共识，寿命长、高效率、高可靠性的白光LED将是未来最理想的产品。MOCVD技术使得白光LED器件设计制造技术有了重大突破。目前实施的白光LED发光效率已远远超过荧光灯，伴随着LED制造成本降低和光效的进一步提高，白光LED取代荧光灯成为人类主要的
10、照明工具这一趋势已经是毋庸疑了。 半导体照明(semi-conductor lighting)是未来照明领域重要的发展方向。半导体照明与一般光伏电源配用的节能灯泡相比具有节能、长寿、安全、环保、色彩丰富、体积小、耐闪烁、可靠性高、调控方便等诸多优点。发光二极管作为一种新型照明光源正在获得越来越广泛的应用。1.2 LED基本特性介绍半导体发光二极管是常用电子元件二极管中的一种类型。发光二极管又叫光发射二极管(Light Emitting Diode，简写为LED)，是一种可将电能变为光能的一种器件，属于固态光源。 LED本质是PN结，是电流驱动器件，当它两端加上正向电压时半导体中的少数载流子和多
11、数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。它的光强度随着正向电流IF 的变化而变化。在正向导通之前，LED几乎无电流流过，当电压超过开启电压时，电流急剧上升。因此LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位为cd/mc2）与正向电流IF，近似成正比8。式中K为比例系数在小电流下（IF1，10MA），M1.31.5；当L10mA时，m=l，此时上式可简化为LKIF。，即发光亮度与正向电流成正比。另外，工作电流对光的颜色有一定的影响，随着电流改变不仅亮度会发生变化，颜色也会跟着变化。 LED的正向电压和正向电流与管芯的半导体材料有关，使用时要
12、根据所要求的显示亮度来选取合适的IF，值。若选取的值太小，则不能完全发挥LED的性能，若选取的值太大，则很容易损坏PN结。I-V特性是表征LED芯片的主要参数。LED的伏安特性具有非线性、单向导电性等特征。典型的正向特性曲线测试如图1-1所示：图1-1高亮度白光伏安特性曲线从特性曲线可以看出，LED在开启以前有一段“死区”，该区域的最大电压叫做开启电压。对于不同材料制作成的LED其值不同，GaAsP约为1v，GaAsP约为1.2V，GAP约为1.8V1，GaN约为2.5V。开启后的区域为正向工作区，正向电流IF，和外加电压呈指数关系8：式中IF。为反向饱和电流。由于伏安特性正向指数式变化，LE
13、D在正向导通后其正向电压的细小变动将引起电流的很大变化；另外，温度也会影响LED的电气特性，当环境温度升高时，LED的正向工作电压将下降。假设流过LED的电流为IF，管压降为V，则正常工作下的功耗P=VF*IF。 LED光输出将随着输入电压、环境温度等因素的变化而变化。LED的光输出直接与LED电流相关，所以在LED应用中应控制补偿输入电压变化和环境温度等因素的变化。若LED的电流失控，LED长期工作在大电流下将影响其可靠性和寿命。从理论上，相同材料、工艺的LED管性能完全一致，但在实际生产应用中不同批次或者同一批次的不同芯片在性能上都会有差异。对于需要多个管子串联和并联工作的情况来说，个体之
14、间的差异性也是驱动电路设计的考虑因素之一。 对于照明应用，超高亮度白光LED才是目标器件。HBLED基本原理和普通信号显示用LED原理上相似，但从原材料的选择、芯片设计制造到芯片的封装设计都要面临许多特殊的问题。本文主要关注与驱动电路相关的特殊性能，至于PN结芯片的设计和封装已超出了我们的讨论范围。大功率LED在室内外通用照明领域应用是其发展的最终目标。与普通仪表显示用的LED不同的是，HBLED的工作压降和工作电流都相当大，一个1W管芯正常情况下的压降为3v4v之间，工作电流能达到300mA以上。1.3 LED的照明应用现状初期的LED以红色为主，由于光效率较低，光通量很小，因此只能在电器设
15、备和仪器仪表上做为指示灯使用。随着管芯材料、结构、封装技术和驱动电路技术的不断进步，LED光色种类的增加，发光效率和光能量的提高，目前LED已在科研和生产领域得到了广泛的应用，产业建设快速发展，市场应用数量增长迅猛。传统的LED光源集中应用领域：汽车市场、背景光源市场、交通信号灯市场3。近年来高光效、高亮度的白色LED的开发成功，使得LED在照明领域的应用成为可能。目前，LED在照明工程中的应用主要体现在以下一个方面：(1) 夜景照明。由于LED光源小而薄，安装便捷，可以水平也可以垂直方向 安装,可与建筑物表面完美地结合，也可以与城市街道陈设很好的有机结合。如四川成都在火车南站的立交桥上安装了
16、30000多盏LED灯，我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序灯眵3。(2) 指示照明。如影剧院的地面引导灯或座椅侧面的指示灯，以及购物中心的导购指示灯和建筑物消防疏散指示灯等。(3) 特殊场所照明。现已被广泛应用于象博物馆、展示厅这样对光源的颜色、辐射等指标要求高的场所照明。(4) 室内装饰照明。由于大功率白光LED照明灯具还处在研发和试生产阶段，目前市面上的LED灯具还不能达到普通灯泡所具有的亮度，在室内装饰工程中基本还局限于背景照明和局部照明。由于LED的动态(数字化)控制色彩、亮度和调光及活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果，且长寿命、高流明的维持值(10，000小
17、时后仍然维持90的光通)，与金卤灯的50-250小时的寿命相比，降低了维护费用和更换光源的频率，且没有热辐射，可以使室内空间变得更加舒适和谐。LED照明在室内装饰装修工程中的应用不仅节能、环保，还解决了最头痛的维护问题。(5)电子显示屏。目前，世界上最大的LED显示屏矗立在卡塔尔多哈的哈里发体育场，该屏幕面积足足有10个标准篮球场，呈半月形，宽157米，高38米，面积达4480平方米。据悉，在2008北京奥运会将建造更大的LED显示屏，其面积大约6.000平方米(长200米，宽30米)。(6) 逐步取代传统照明灯具。随着大功率、高光效、高显色性的自光LED照明灯具的研发和逐步投产，使其照度不断
18、提高而成本不断降低，LED照明将成为未来照明的主体，逐步取代白炽灯和荧光灯。如日本松下电工已开始生产“袖珍型LED照明灯，该产品包括筒灯和聚光灯，其驱动电路做在灯头内，可直接用于市电(220VAC)，每套价格在116万214万日元(约合人民币12001800元之间，光源寿命4万小时；德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明3。明达光电(厦门)有限公司也己开始试生产大功率白光LED路灯，该产品已在厂区内安装,其驱动电路安装在灯杆底部，亮度比普通路灯高，且寿命长，免维护，每套灯具成本约1万元人民币。面对LED照明市场的巨大诱惑，世界三
19、大照明工业巨头：通用电气、飞利浦和奥斯拉姆集团已纷纷成立LED照明企业，并提出要在2010年前使LED灯的发光效率提高8倍价格降低到1%。若此目标能得以实现，那么LED灯具将完全取代传统的白炽灯和荧光灯心4。国内很多厂家也研制了LED日光灯、壁灯、吊灯等。如深圳市鑫明蕊科技有限公司研制18W的LED日光灯；深圳市晶明固体光源有限公司研制的LED日光灯综合应用LED电光源，超高亮度，显色指数高，是最新型的室内照明产品不需使用镇流器、启辉器，无频闪；浙江星碧照明科技有限公司研制的LED吊灯。1.4 LED驱动电路现状 基于发光二极管的半导体照明光源与灯具的制造是下游产业。驱动电路属于下游产业中技术
20、含量较高的领域。虽然LED驱动部分占LED灯具的成本比重只有1/9，但若没有高性能驱动电路的配合，LED的优点根本没办法发挥。由于先进的集成工艺，驱动电路外围原件越来越少，电路核心在于集成驱动芯片的设计。 白光LED的应用场合从手机、手持式装置、液晶面板背光源、汽车头灯到户外、办公室与家中的灯光来源等等。由于通用室内照明还没有普及，驱动IC主要集中在低压便携式电子设备领域。汽车照明和道路交通照明的应用需求使得相关驱动IC随之增加。 LED驱动将往高效率、更高驱动能力、小体积、高集成度、低电磁干扰、可靠性方向发展。在避免电磁干扰的情况下，缩小储能器件的体积，提高效率依然是未来发展的重点。随着新技
21、术的成熟，LED驱动控制将与电源技术、太阳能等技术有机地结合。1.5半导体灯应用存在问题虽然LED作为照明光源有如此多的优点，但由于超高亮LED也具有效率低、需要严格控制温度、价格高这样的缺点，近期内还不可能全面替代目前普遍使用的白炽灯或荧光灯。要做好半导体灯必须解决好三个方面的问题：(1)有光效高、成本低、寿命长的发光管单纯的增加输入功率，亮度也会增加，但LED芯片的发热量也会随之增加，过多的发热将损坏它的结晶和封箱而缩短其寿命，因此使输入功率电能高效的转为光能是重要的关键技术。(2)有工作可靠、性能好、成本低的驱动器。由于单个LED功率小，光亮度低，对于照明来说，不可能单独使用，为此必须将
22、多个LED组装在仪器，设计成为使用的LED照明系统。这就存在LED选择，使其特性保持相近的问题。由于多个LED在仪器组装，还要考虑其中一个或一些LED出现问题时不能影响LED的照明，这就有一个电路保护的要求。(3)有热设计、结构设计、造型设计好的灯体。LED在照明过程中，同样会出现发热的现象，特别是多个LED组装工作时，就有考虑其散热问题。在这三个问题中，发光管可以到生产厂家选用合适的产品，灯体结构设计许多打算生产半导体灯的厂家自己都有能力解决。但是对于不同的原始电源怎样针对不同灯型做合适的电源变换驱动发光管，确是做好半导体灯的关键环节。针对不同的应用设计不同的驱动器，这就使驱动器的规格品种繁
23、多，电路结构各异。考虑到在不久的将来LED会进入千家万户，故研究交流市电作为主要电源来驱动发光二极管的驱动技术，具有重要的意义。第二章 LED原理及驱动分析2.1 LED发光原理用于照明的电光源，根据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源等几大类。目前广泛应用的是以白炽灯为代表热辐射光源和以荧光灯为代表的气体放电线光源，而场致发光则是一种正在发展中的新型面光源。场致发光又成为电致发光，根据发光原理的区别，场致发光有本征场致发光和注入式场致发光之分，半导体发光二极管的发光为注入式发光，是一种固体在电场作用下直接发光的一种现象。半导体发光二极管发光原理：发光二极管是有III一I
24、V族化合物，如GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型和B型半导体之间有一个过渡层，成为PN结，因此它具有一般PN结的IU特性，即正向导通，反向截止，击穿特性；此外在一定的条件下，它还具有发光特性。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。当发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地
25、方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射。当在发光二极管的PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。发光的波长取决于材料的禁带宽度，所以选用不同禁带宽度的半导体材料，就可以制造出发光颜色不同的发光二极管。现在常见的有红、黄、绿、蓝发光二极管，其中蓝色发光二极管生产的技术要求较高，因此价格高，使用不是很普遍。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(允。=465nm，Wb=30nm)，
26、高温烧结制成的含Q3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白光1。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。发光二极管发光亮度可以通过工作电压(电流)的大小来调节，在很宽的工作电流范围内，发光二极管的发光亮度与工作电流大小成线性关系7。图2-1所示为白色LED电流大小与光功率之间的折线图。LED电流mA图2-1 LED电流和功率的关系2.2半导体发光二极管的特点发光二极管和普
27、通二极管一样是一种用半导体材料制作的PN结器件，除了能发光之外，其他特性和普通二极管相似。发光二极管以下的2个如下：(1)单向导电性。发光二极管和普通二极管一样具有单向导电的特性，即在发光二极管的正极加正电压，负极加负电压时发光二极管导通发光，相反则不导通也就不能发光。这就决定了发光管必须使用直流电源或者单向脉动电源供电。(2)发光二极管有负温度系数的势垒电势。发光二极管上施加的正向电压低于某个电压值时发光二极管不导电，但外加电压一旦超过这一电压值时发光二极管的电流就会随着外加电压的变化急剧增加，对外电路呈现很低的动态电阻，这一电压值就是发光二极管的势垒电势，不同颜色的发光管其势垒电势不同。红
28、外线管最低，大约l伏多。红光管约1.5-2伏，黄光管2伏左右，绿光管2.5-2.9伏，蓝光管和白光管3伏多。并且发光管的势垒电势具有负的温度系数，即随着温度的升高势垒电势会降低，使用中的外特性表现为随着温度的升高管压降低。LED电流LED电压图2-2 电压与电流关系从上图2-2曲线可见，当加在其上的正向电压小于开启电压时，正向电流很小，亮度很低。当加在其上的正向电压超过了开启电压时，LED开始导通并发光。随着正向电压的进一步加大，正向电流突然地上升，发光的亮度也逐渐加大，正向电压与正向电流基本上呈现出线性的关系，因此必须要严格控制正向电流的大小，防止在使用的过程中超过其最大电流而严重缩短其使用
29、寿命，甚至于造成永久性的损坏。2.3 LED的选择目前普通的草帽白光LED(直径5mm，工作电压3.23.4V，工作电流lO-20mh)，单个光通量在4-51m，售价为0.250.4元，量大批发能在0.2元以下。单个食人鱼1w的LED(扁平状，工作电压3.23.4V，工作电流300350mA)，光通量在30-501m，售价为20元以上。若是单个3W、5w的LED器件，售价会更贵。即使是1w的LED，其30-401m的光通量，相对于普通照明而言仍然太小，一只普通的60W白炽灯的光通量大于7001m。也就是说，要代替传统照明需要多个LED器件，10个1w美人鱼白光LED售价为200元，100个草帽
30、白光LED为25元，还要加上点灯线路、灯壳、灯头等，如此高的成本是白光LED在普通照明中的最大问题。同时，由于LED芯片的表面面积均为小于lmm2，工作时电流密度大，二极管内发热严重，如不加以疏导，将使芯片损坏，由于照明要求多个LED组合而成，LED密集度大，长时间发光温升在所难免。而单个1w以上的大功率白光LED，由于自身的发光芯片表面面积较大，所以发光芯片中心部位散热更加困难。实际的生产中，白光LED仍然没有能完全解决这一问题，也就是说，相对而言,1W以上的美人鱼白光LED，要比普通的草帽LED，寿命小的多。因此，在比较了价格和单个LED的流明及效率后，本设计选用普通的草帽LED，预计使用
31、100个。而单个1w以上的大功率LED是大势所趋，所以本设计的驱动电源，要能方便的调整输出电压，以适应不同的工作电路。在大电流工作时，随着点燃时间增长，LED自身光衰加上荧光粉及封装材料的劣化等造成光通下降，照明领域通常将光通下降到初始值的某一百分值定义为灯的有效寿命结束了。因此使用中发光管实际工作电流的确定也十分重要，这也是选用驱动器的依据。以白光发光管为例，对于一般5mm的小功率发光管，厂家产品样本上给的正向电流的技术指标一般是20mA，但实践证明，普通小功率发光管在20mA正向电流下连续使用光衰很快，在1518mA电流下工作比较合适。对于1瓦的大功率白、蓝光发光管，厂家产品样本上给的正向
32、电流技术指标一般是350mA，可是，1瓦的白、蓝光发光管给350mA电流实际功率已经接近1.2瓦，如果散热不太好长期工作会加快光衰。一般连续工作的1瓦蓝、白光发光管应该给到300一-320mA电流当然，由于大功率发光管的稳定性比较好，如果散热条件好也可以给320340mA正向电流。实际使用中，不管是大功率管还是小功率管，使用中电流也不能太小，否则实际功率比标称值小的太多，影响亮度。2.4驱动方式图2-3 并联（左）和串连（右）发光管实际制作半导体灯时，常常使用多只发光管，这就有个发光管的连接方式问题。对于发光管来说，应该优先选用串联连接，如图2-3。发光管的管压降呈现负的温度系数，直接并联，如
33、图2-3时各并联发光管管压降不可能完全相同，这样并联管之间的电流就会略有差异，使用时管压降略低的管电流略大，其温升就会比其他相并联的管高，温升高的管管压降会降低的比较多，这样就导致其电流进一步加大，电流大引起更大的温升，使其管压降进一步降低，如此热电正反馈使电流逐渐向管压降小的发光管偏移，最终导致其失效。因此，应该优先串联使用发光管。串联使用只有一个问题，即一只LED不亮导致此路其他发光管都不亮。但实际使用证明，在驱动电流正常的情况下，即使发光管自身发生故障一般也保持通路状态，其他发光管照样亮。如果驱动器损坏大电流冲击烧毁发光管，常常会使发光管内部引线烧断开路，但是，驱动器都坏了就是发光管并联
34、整个灯也不亮了。所以还是应该优先选用发光管串联结构。如果使用的管数较多时全部串联不可能，也只好连串带并，但各串并联管之间必须要有均流措施，最简单的均流措施就是在每一串并联管中串联一个电阻n们牵制电流的偏移。电阻上的压降太大，使功耗增加，压降太小则均流效果不好，一般可以取串联LED灯总压降的5%左右。本设计中，采用十个LED串联，由驱动电源提供+35V电压。串联之后再并联。2.5 LED驱动器介绍实际应用中种类繁多的驱动器按照工作特点可以分为两大类：直流供电的驱动器和交流供电的驱动器。2.5.1直流驱动器直流驱动器使用直流电供电，根据不同的应用可以有串联降压型；升压型：变换器型三种电路结构12。
35、(1) 直流降压型驱动器直流降压型驱动器的基本原理是用开关器件配合电抗性器件对外界电源降压限流以后驱动发光管工作。串联降压型驱动器结构简单，变换效率比较高。串联降压驱动器比较适合用于输入电压和负载管压降差别不太大的情况下驱动发光管。这种驱动器的主要缺点是一旦主开关器件损坏大电流会直接通过发光管使发光管烧毁。显而易见，这种方案当供电电压低于负载管压降时不能使用。(2) 直流升压型驱动器直流升压型驱动器的基本原理是用开关器件配合电抗性器件储能升压限流的方式工作的。升压驱动器的变换效率也比较高。这种方案制作的驱动器的一个显著的优点是自身出现故障时不会损坏发光管。升压型驱动器只能用在负载管压降始终高于
36、电源电压的情况。如果负载管压降低于电源电压驱动器会失控，大电流直接经过发光管使发光管烧毁。输入直流低电压时所用的发光管数量少可以选用降压驱动器也可以选用升压驱动器，尽量串联不并联或者少并联发光管。如果发光管数量多应该选用升压驱动器，也是尽量串联不并联或者少并联发光管6。(3)直流变换器型驱动器变换器型驱动器n町用开关器件配合高频变压器实现能量从初级到次级的传输，同时做电压电压变换驱动发光二极管工作。这种驱动器输出端的电压不受输入电压的制约，可以按照所需要串联的发光管数任意设计，应用灵活，适合用在供电电压在负载管压降附近波动的情况，也适合供电电压和负载管压降差别很大的情况。其缺点是电路复杂，变换
37、效率比以上两种类型的驱动器略低。如果输入直流高电压驱动小功率管可以用串联降压驱动器，驱动大功率管从安全角度考虑应该选用变换器结构的驱动器。2.5.2交流驱动器交流驱动器使用交流市电供电，根据不同的应用也分为降压型、升压型、变换器型三种电路类型。交流驱动器和直流驱动器的区别除了需要对输入的交流电做整流滤波之外，从安全角度考虑还存在一个隔离和不隔离的问题。(1) 交流串联降压型驱动器交流串联降压型驱动器2把输入的交流市电整滤波后直接用开关器件和电抗性器件对输入的高电压进行降压限流。这种驱动器和直流降压驱动器具有同样的优缺点，适合串联驱动多只发光管。很显然，这种电路结构属于不隔离电路，使用时应注意安
38、全，制作的灯具发光二极管的引线也不能在外部裸露。由于这电路主开关管损坏时打电流会通过发光管使发光管烧毁，因此，高电压输入串联驱动多只大功率发光管时要谨慎使用。(2) 交流升压型驱动器交流升压型驱动器把输入的交流市电整滤波后直接用开关器件和电抗性器件对输入的高电压进行升压限流。这种驱动器和直流升压驱动器具有同样的优缺点。但是，直接市电输入时输入的电压较高，220交流势电需要整流升压到直流电压400伏以上，负载的发光管需要串联125只以上白光或者蓝光发光管才能保证在电源电压有较大波动时安全工作。由于这种驱动器当负载管压降低于输入电压时会失控使大电流直接通过发光管使发光管烧毁，因此也要谨慎使用。(3
39、) 交流变换器型驱动器交流变换器型驱动器是把输入的交流市电整流后经过高频变换变压限流驱动发光二极管工作，这种驱动器有高频变压器做隔离，因此输出端是安全的，并且输出端的电压不受输入电压的制约，可以按照所需要串联的发光管数任意设计，应用灵活，其他优缺点和直流变换器型驱动器相同。变换效率约90%。220伏交流市电输入时驱动200只以下小功率管都可以考虑用串联降压驱动器，驱动200只以上小功率管应该选用升压或者隔离驱动器。2.5.3 LED的直流驱动和脉冲驱动选择发光管发光靠电能激发，不管是直流驱动还是脉冲驱动，输入的电能量决定了输出的光能量，脉冲驱动不可能使发光管提高光效，相反，应该是直流驱动光效更
40、高。因为发光管的输入电流过大光通量随电流增加的速度将变缓，发光管的管小降低。另外，过大的电流还会引起发光管发射的光谱向长波方向偏移，对于白光发光管来说，这将导致激发荧光粉效能的降低，使光效下降。所以，脉冲驱动不可能使发光管省电，但设计合理的脉冲驱动器也不会明显的引起光效的下降，因此也就不会比直流驱动更明显的费电。但是脉冲驱动器常常具有电路结简单生产成本低的特点，所以还是值得使用。因此，究竟用脉冲驱动还是用直流驱动要根据具体情况而定4。如果用脉冲驱动发光管，一般不会缩短发光管的使用寿命发光管是一种量子器件适合高速工作，这正是发光管的优点之一。如果有闪烁使用的发光管频频损坏，那应该是其他方面的原因
41、引起的，比如过热，电流过大等等，而不会是发光管自身不耐闪烁。一般的驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低在用于低功率的普通LED驱动时，由于电流只有几个mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百mA甚至更高的高亮LED的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。综合以上特点，本电路采用交流变换器型驱动器、直流驱动LED。对于市电供电的驱动器来说，由于火线可以对地形成回路，这样有可能导致人、畜触电者引起其他事故。如果驱动器的输出端能和市电隔离就会更为安全。隔离驱动虽然电路结构比不隔离驱动器略微复杂、驱动器体积也会增大、生产成本会提高，而不隔离驱动器结构简单、生产成本低、体积也可以做得更小，但
42、不隔离降压驱器的一个最大的危险是驱动器一旦损坏高电压大电流会直接通过发光管是发光管损坏。因此，还是使用隔离驱动器为好。交流变换器型驱动器变换效率较高，从节能的角度来说，更有意义。 第三章 主电路结构设计本章的主要目的是研究常用的驱动器结构，提出自己的电源主结构形式，并对其中的关键参数进行计算。3.1主电路结构介绍3.1.1开关电源的应用与发展以高频变压器取代工频变压器，采用脉冲调制技术的直流一直流变换器型稳压电源，通常称它为开关电源。它具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等特点，目前己在各种电子仪器和设备、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放机中得到了应用。开
43、关晶体管、开关二极管和开关变压器是组成开关电源的三个关键元件，减小开关电源的体积和重量就须提高电源的开关频率，大功率，高反压和高速开关晶体管，快速恢复开关二极管以及开关电源变压器中使用的高频，低损耗磁性材料的技术发展，使开关电源的开关频率从数十kHz发展到数百kHz。开关电源的基本电路由“交流一直流转换电路”、“开关型功率变换器”、“控制电路”和“整流滤波电路”等组成(见图3-1)。输入的电网电压通过“交流一直流转换电路中的整流器和滤波器转换成直流电，该直流电源作为“开关型功率变换器的输入电源，经过“开关型功率变换器”将直流电转变为高频脉冲方波电压输给“整流滤波电路”，变成平滑直流供给负载，控
44、制电路则起着控制“开关型功率变换器”工作的作用。图3-1 开关电源原理框图开关型功率变换器是开关电源的主电路，开关电源的能量转换，电压变换就由它来承担。在直流变换器的基础上，由于高频脉冲技术及开关变换技术的进一步发展，出现了推挽式开关型功率变换器，全桥式功率变换器，半桥式功率变换器，单端正激式功率变换器，单端反激式功率变换器，快速磁放大器式开关型功率变换器等。其控制方式可分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)两种。3.1.2反激电路图3-2 反激式变换器原理图反激电路原理如图3-2所示，图中为电网交流电压，经“交流一直流转换电路”中整流滤波而得到的直流电压。控制电路包括开关频率振荡
45、器、脉宽调制器、驱动器、比较放大器、保护器等。当开关晶体管BG被驱动脉冲激励而导通时，Ui加在开关变压器T的初级绕组N，上，此时次级绕组N1的极性使D处于反偏而截止，因此N1上没有电流流过，此时电感能量储存在N1中，当BG截止时，N2上电压极性颠倒使D处于正偏，N1上有电流流过，在BG导通期间储存在N2中的能量此时通过D向负载释放。反激式变换器工作波形见图图3-3 反击式变换器工作波形反激式变换器电源的稳压原理是：当输出电压U。降低时，其差值经过比较放大器放大，使脉宽调制器输出脉冲的宽度变宽，因而BG导通时间加长，N1中储能增大，于是输出电压升高，以补偿其下降部分。反之，当输出电压升高时，脉宽
46、调制器输出脉冲的宽度变窄，因而导通时间缩短，N1中储能减小，于是输出电压降低，以补偿其上升部分12。3.1.3正激电路正激电路原理图如图3-4所示，正激电路和反激电路相比，变压器T的次级绕组IV，的极性连接正好相反，它是在BG导通时通过Dl向负载传递能量并在电感L中储能。在BG截止时q截止，N2相当于开路，此时L中储能通过续流二极管D：向负载释放。正激变换器工作波形见图3-5。 图3-4 正激电路原理图3-5 正激变换器工作波形正激电路的稳压原理是：当输出电压U。降低时，控制电路的输出脉冲变宽，BG导通时间加长，输出电压升高，以补偿其下降部分，当输出电压U。上升时，控制电路的输出脉冲变窄，BG导通时间缩短，输出电压降低，以补偿其上升部分。3.1.4半桥电路典型的半桥式变换电路如图3-6所示。图3-6 典型板桥市变换电路半桥式变换电路是双端电路，在一个周期内，BGl和BG2交替导通，其集电极电位一个上升，另一个则下降。随着BGl和BG2的导通和截止，在电容C1和C上极性相反的电压分别施加于开关变压器初级绕组上。变压器初级在整个周期内都有电流流过，磁芯得到了充分利用，晶体管B