LED路灯驱动电源汇总.docx

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LED路灯驱动电源汇总

分类号：

学校代号：

11845

UDC：

密级：

学号：

2111104179

广东工业大学硕士学位论文

（工程硕士专业学位）

大功率反激式LED路灯驱动电源的设计

周瑜

指导教师姓名、职称：

王钦若教授专业或领域名称：

控制工程

学生所属学院：

自动化学院

论文答辩日期：

2014年5月27日

ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfor

theDegreeofMaster

（MasterofEngineering）

DesignofHigh-powerFlybackLampDrivingPower

SupplyonLED

Candidate:

ZhouYu

Supervisor:

Prof.WangQinruo

May2014

SchoolofAutomation

GuangdongUniversityofTechnology

Guangzhou,Guangdong,P.R.China,51006

摘要

LED照明的低能耗、长寿命凸显了其在节能降耗方面的优势，同时具有环保无汞、体积小等突出特点，这些都必将成为未来路灯照明的趋势。

但是目前，LED路灯驱动电源仍存在效率低且寿命不能与LED匹配等问题，成为制约LED路灯照明装置进一步推广应用的瓶颈。

因此，设计高效率、高功率因数、高可靠性长寿命驱动电源具有重要的实用价值，对推动LED照明技术的具有重要的意义。

本文首先详细介绍了LED的工作原理，分析与总结了国内外相关研究文献，介绍了LED驱动电源的发展方向。

系统的阐述了开关电源的回路拓扑、工作方式、调制模式和反馈模式。

在此基础上本文利用L6561控制芯片设计了一款高功率因数、高效率的反激式LED路灯驱动电源。

其次，在反激式变换器工作原理分析的基础上，设计了电源的主电路、控制电路和保护电路，并对电路中器件参数进行确定。

本文将PFC和DC/DC变换电路有效结合，与传统LED路灯驱动电源相比，本文设计取消了单独的PFC电路，从而不需要使用PFC电路中的大功率MOS管及高频变压器，同时也取消了PFC电路与电压变换电路之间的大功率、高反压、快恢复二极管和大体积、大容量、高耐压的电解电容等元器件。

最后，论文完成了电路的设计，制作了一台输入宽电压范围，输出功率为150W的LED驱动电源样机，并对样机进行了测试，采集了关键点的波形和功率损耗进行分析。

测试结果显示，该样机能够很好的实现150W/3.3A恒流输出，功率因数0.98,效率高达91.5%，测试结果符合设计要求。

关键词：

LED驱动；大功率；开关电源；DC/DC变换；恒流

ABSTRACT

LEDlighting,withthefeaturesoflowenergyconsumptionandlonglife,hashighlighteditsadvantageintheenergysaving.Besides,environmentalprotection,nomercury,smallvolumeandotherprominentfeatures,allthesewillbecomethefuturetrendofstreetlighting.Butatpresent,LEDstreetlampdriverpowerwiththeproblemoflowefficiencyandlifecannotmatchwiththeLED,hasbecomethebottleneckthatrestrictsLEDstreetlamplightingdevicefurtherapplication.Therefore,thedesignofhighefficiency,highpowerfactor,highreliabilityandlonglifedrivepowerhasimportantpracticalvalue,isofgreatsignificancetopromoteLEDlightingtechnology.

Firstly,thispaperintroducestheprincipleofLED,analysisandsummarizestherelevantresearchliteratureathomeandabroad,andintroducesthedevelopmenttrendofLEDdrivingpowersupply.Thesystemdescribestheswitchingpowerfromthelooptopology,supplymode,modulationmodeandfeedbackmode.UsingL6561chip,itdesignsaflybackLEDstreetlampdriverwithahighpowerfactor,highefficiency.

Secondly,thispaperdesignsthemaincircuit,powersupplycontrolcircuitandprotectioncircuit,andfixesthedeviceparametersinthecircuit,basisontheanalysisofflybackconverteroperatingprinciple.ThisdesignhasefficientlycombinedthePFCandDC/DCconversioncircuit,comparedwiththetraditionalLEDdriverpowersupply,iteliminatesthePFCcircuit.ThisdesigndoesnotrequiretheuseofhighpowerMOStubeandhighfrequencytransformerinPFCcircuits,butalsocancelledlargepower,thePFCcircuitandthevoltageconversioncircuitofhighpressure,fastrecoverydiodeandlargevolume,largecapacity,highvoltageelectrolyticcapacitors.

Finally,thethesishascompletedthecircuitdesign,andmadeaLEDdriverprototypewithawiderangeinputvoltage,and150Woutputpower.Italsohastestedtheprototype,includingthewaveformandthepowerlossofthekeypointsanalysis.Thetestresultsshowthat,theprototypecanrealize150W/3.3Aconstantcurrentoutput,0.98powerfactor,efficiencyashighas91.5%,thetestresultsmeetthedesignrequirements.

Keywords:

LEDdriver;high-power;switchingpower;DC/DCconverter;constant

current

mwi

ABSTRACTIll

smv

CONTENTSVII

第一章绪论I

1.1课题的研究背景及其意义1

1.2LED基本工作原理2

1.2.1LED发光原理2

1.2.2LED伏安特性3

1.3LED驱动电源的国内外研究现状5

1.4LED驱动电源的发展方向9

1.5本文研究的主要内容10

第二章开关电源设计理论12

2.1开关电源主回路拓扑12

2,1,1主回路拓扑介绍12

2.1.2主回路拓扑的选择15

2.2开关电源调制模式15

2.2.1概述15

2.2.2PWM控制方式16

2.2.3PFM控制方式16

2.3开关电源的反馈模式17

2.3.1电压反馈控制模式18

2.3.2电流反馈控制模式19

2.4本章小结20

第三章基于L6561的反激式驱动电源的设计21

3.1系统整体架构的设计21

3.2PFC+DC/DC变换电路一体化的设计22

3.3反激式变换器的参数设计25

3.3.1反激变压器的设计26

3.3.2功率开关管和输出二极管的选取30

3.3.3缓冲电路的设计31

3.4芯片供电电路设计34

3.5电流过零检测电路设计35

3.6控制电路设计37

3.6.1电流环电路设计39

3.6,2电压环电路设计40

3.7保护电路设计41

3.7.1过压保护电路设计41

3.7.2短路保护电路设计42

3.8本章小结43

第四章系统测试与数据分析44

4.1基本调试44

4.2实验波形及数据分析46

4.2.1实验波形46

4.2.2性能测试数据分析48

4.3功耗分析50

4.3.1变压器损耗分析51

4.3.2功率MOS管损耗分析51

4.3.3整流二极管损耗分析51

总结与展望53

##雜55

攻读硕士学位期间发表论文59

学位论文独创性声明60

学位论文版权使用授权声明60

StM61

附录1系统原理图62

附录2PCB图63

CONTENTS

ABSTRACT（Chinese）I

ABSTRACT（English）Ill

CONTENTS（Chinese）V

CONTENTS（English）VII

Chapter1Introduction1

1.1Theresearchbackgroundofthesubjectanditssignificance1

1.2ThebasicprincipleofLED2

1.2.1LEDlight-emittingprinciple2

1.2.2LEDvoltamperecharacteristic3

1.3TheresearchstatusofLEDdrivingpowersourceathomeandabroad5

1ADevelopmentofLEDdriver9

1.5Themaincontentsofthispaper10

Chapter2Switchingpowersupplydesigntheory12

2.1Theswitchpowermaincircuittopology12

2.LIThemaincircuittopology12

2.1.2Themaincircuittopologyselection15

2.2Modulationmodeswitchingpowersupply15

2.2.1Summary15

2.2.2ThePWMcontrolmode16

2.2.3ThePFMcontrolmode16

2.3Feedbackmodeswitchingpowersupply17

2.3.1Voltagefeedbackcontrolmode18

2.3.2Currentfeedbackcontrolmode19

2.4Thesummaryofthischapter20

Chapter3DesignofflybackconverterbasedonL6S6121

3.1Thedesignoftheoverallsystemarchitecture21

3.2DesignofPFC+DC/DCconversioncircuitintegration22

3.3Parameterdesignofflybackconverter25

3.3.1Thedesignoftheflybacktransformer26

3.3.2Selectthepowerswitchandtheoutputdiode30

3.3.3Designofsnubbercircuit31

3.4Chippowersupplycircuitdesign34

3.5Zerocurrentdetectioncircuitdesign35

3.6Controlcircuitdesign37

3.6.1Circuitdesignofcurrentloop39

3.6.2Circuitdesignofvoltageloop40

3.7Designofprotectioncircuit41

3.7.1Overvoltageprotectioncircuitdesign41

3.7.2Shortcircuitprotectioncircuitdesign42

3.8Thesummaryofthischapter43

Chapter4Testanddataanalysissystem44

4.1Basicdebugging44

4.2Analysisofexperimentalwaveformsanddata46

4.2.1Theexperimentalwaveforms46

4.2.2Performanceanalysisofthetestdata48

4.3Poweranalysis50

4.3.1Transformerlossanalysis51

4.3.2AnalysisofMOSFETloss51

4.3.3Analysisofrectifierdiodeloss51

TheconclusionandProspect53

Reference55

PublishedPapers59

Thesisoriginalstatement60

Thesiscopyrightlicensestatement60

Acknowledgments61

Appendix1Thesystemprinciplediagram62

Appendix2PCBdiagram63

第一章绪论

1.1课题的研究背景及其意义

随着全球气候变暖，能源供应问题日趋严重，LH）（LightEmittingDiode,LED）光源以其高效节能、绿色环保、寿命长等诸多优点受到人们的青睐，被誉为“第四代光源”。

我国把LED作为节能、环保的重要技术，己被纳入国家中长期科技发展规划与国家高新技术产业化重大项目（“863”计划），并得到了大力支持11]。

2011年，高亮度LED市场规模由2010年的82.5亿美元成长至126亿美元，年增长率高达53%。

受全球主要国家的政策推动、LED发光效率显著提升、照明灯具整体设计趋向成熟，以及LED照明价格预估每年将有20%〜30%下跌空间等因素的影响，预计2015年全球LED照明市场规模将达217亿美元121。

国家发改委在2011年11月4日宣布，从2012年10月1日起，按照功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯，这为LED市场的发展带来了巨大的商机。

与传统的白炽灯相比，LED照明存在明显优势。

例如，普通40W白炽灯使用8h的耗电量，折合碳排放量约为0.30kg，而照度相当于40W白炽灯的白光LED照明灯，其碳排放量仅为〇.〇4kg，二者相差7.5倍'此外，用LED逐步取代节能灯也势在必行，因为每支节能灯的含汞量为3〜5mg，而汞的沸点很低，常温下即可蒸发，进入人体会损害中枢神经系统，并且汞能以不同形式对土壤、江河、大气层造成污染，如将全国的白炽灯换成节能灯，其潜在的危害令人堪忧。

因此LED照明是绿色照明的首选。

大功率LED具有许多其他光源不具备的一系列优点，被应用到各种照明场合，并具有广阔的发展前景。

LED的发展必须与LED驱动电源的发展紧密联系在一起，开关电源具有效率，质量小，输出电压可实现升、降压，输出功率大等优点，是LED驱动电源的首选|<]。

但目前存在许多技术和设计上的问题尚未解决，例如，开关电源的可靠性（使用寿命）问题正是其中之一15'LED灯具主要由LED芯片、散热系统及LED驱动电源三部分组成，而这三个因素中驱动电源对LED灯具的寿命起着关键性的作用，也可能是当前推广大功率LED的瓶颈M。

例如，Cree公司的Xlamp的系列产品，其典型参数为3.5V、700mA，当PN结温度为80摄氏度，光通量衰减到初始值的70%时，散热系统是寿命为51000h，芯片的寿命为50000h，而驱动电源的寿命仅为20000h。

因此LED灯具的寿命主要取决于驱动电源，在LED照明系

统中最薄弱的一环往往是驱动电源〜21。

Figurel-1Probabilitydistributionofthepowerelectronicdevicefailure传统驱动电源在整流后都会接一个独立的功率因数控制电路，这个电路需要大功率、高反压的开关管和大体积、大容量、高耐压的电解电容。

图1-1是LED驱动电源的电子器件失效概率分布图％15]，高压电解电容的故障率高达61%，高压电解电容的性能很大程度上决定了LED驱动电源的可靠性。

因此，设计无高压大容量电解电容、高功率因数的高可靠性长寿命驱动电源具有重要的实用价值，对推动LED照明技术的具有重要的意义。

1.2LED基本工作原理1.2.1LED发光原理

发光二极管（LED）是将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件，LED的工作原理如图1.2所示。

LED不仅具有一般PN结的正向导通、反向截止及击穿。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

N区和P区的交界处形成的PN结组成发光层|16]。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

1.2.2LED伏安特性

7-f/特性是表征LED芯片PN结性能的主要参数，LED的/-f/特性具有非线性、单向导电性，即外加正偏压为低电阻，反之为高电阻，如图1-3所示％。

当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。

由于PN结是LED的核心，与PN结一样，LED具有单向导电性。

如果在PN结的两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。

使LED开始导通的临界电压称为开启电压％„。

当LED两端的电压小于时，LED中电流较小或没有电流流过；当大于时，LED中电流将随电压增大而急剧增大。

LED工作电流的大小决定其发光亮度。

在近似分析时，仍然用PN结电流方程来描述LED的付安特性_。

如图1-3所示。

LED的伏安特性曲线可分为四个部分：

Figure1-3CurveofLEDI—Ucharacteristic

（1）正向死区（图1-3中的0A段）。

A点电压„为开启电压，当„时，外加电场尚未克服少数载流子扩散而形成的势垒电场，此时LED的电阻很大，正向电流很小。

对于不同的LED有不同的开启电压。

（2）正向工作区（图1-3中的AB段）。

LED所加端电压与流过它的电流八的关系为：

式中：

八为正向饱和电流。

在的正向工作区，心与匕的关系呈指数规律上升。

正向工作电流/F是指LED正常发光时的正向电流值，一般选择心在〇.6

在心=20W时测得的电压为正向工作电压Ff，^为1.4〜3V。

在环境温度升高时，正向工作电压匕将下降。

根据伏安特性曲线可知，LED在正向导通后，电流急剧上升，其正向电压的微小的变动就会引起电流很大的变化。

LED发光亮度Z与正向工作电流&的关系如下：

式中：

尺为比例系数。

在/F=l~10肌4，w=1.3〜1.5。

当/f>10/W/4时，w=l。

则式（1.3）可简化为

即LED的发光亮度与正向电流成正比。

其相对发光强度与正向电流有关。

（3）反向死区（图1-3中的0C段）。

当在LED两端加反向电压，反向电流很小，此时LED处于截止状态。

（4）反向击穿区（图1-3中的CD段）。

当F<-Fe时，LED被反向击穿，^称为反向击穿电压，所对应的电流/e称为反向漏电流。

当反向偏压F<-re时，&将突然增加而出现击穿现象|2"。

1.3LED驱动电源的国内外研究现状

LED常用的恒流驱动有电阻限流电路、线性电源、开关电源三种方式以下

分别介绍。

（1）电阻限流电路

电阻限流电路是LED最简单的驱动方式，如图1-4所示，图中R为限流电阻，LED的正向电压为匕，正向电流为/F。

它们的关系式如下：

由图1-4可知，使用串联电阻调节电流是最简单，其优点是成本低、实施简单，而且不会由于开关而产生噪声。

虽然这种驱动电路比较简单，但是通过LED的电流会跟随输入电压的波动而变化，因此调节性能差。

电阻上的功率损耗导致系统效率降低；并不能控制大功率LED的发光亮度。

而且，这种方案需要稳压源来得到恒定

的电流。

（2）线性电源

线性电源驱动LED的电路图如图1-5所示。

把线性电源作为驱动LED的原因有很多。

线性电源相对于开关模式驱动器的优点是电流结构简单，易于实现，因为没有高频开关，完全没有任何EMI辐射，从商用角度看其成本也很低|2‘_25]。

LED是电流驱动器件，其亮度与正向电流成正比。

线性电源是采用正向电流下对应的LED工作电压，然后采用限流电阻来驱动LED发光。

LED两端的电压波动影响其工作电流的大小，LED结温的升高，LED的正向压降会降低，正向压降下降又导致正向电流的增大，这样就形成了正反馈，导致限流电阻损耗和LED光衰的增加，甚至减少LED寿命或者导致LED损坏。

线性LED驱动电路的一个缺点是效率低，效率为LED电压与输入电压的比。

如果输入电压高于LED电压，其效率就低。

在这种情况下，效率低下将引起热问题，可能要使用散热片，而这也将导致电路体积增加，成本也有所增加1262”。

而且线性电源还没有考虑EMI滤波和屏蔽电路。

这些附加电路将使LED驱动电路的整个成本增加两倍。

线性LED的主要局限性在于，LED电压总是低于电源电压。

线性电压源和电流源不能提高其输