非隔离式恒压恒流LED驱动电源的设计毕业作品Word文档格式.docx
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ThisLEDdriverpowersupplywithnon-isolatedBuckcircuit,controlcircuitusingpulsewidthmodulationPWM,UC3842controlchipisoneofmanyinthePWMcontrolchipofawidelyusedlow-powerswitchingpowersupply.ThispaperconductedacomprehensiveanalysisofBuck,UC3842controlchipwasdesignedbasedonaninputAC85-265V,outputDC12V/0.35A,throughuc3842constantcurrentcontrolwithconstantpressurecontrol.AndsoftwaredesignedtobuildthecircuitinSIMtrixloopsimulationmodel.Simulationresultsshowthat:
BasedontheUC3842Buckcircuitconsistingofinput-outputstabilitycanbeachievedwithaconstantfeatureofnon-isolatedconstantcurrentLEDdriverpowersupply.
Keywords:
non-isolated,constantvoltageconstantcurrent,LEDdrivepower
1绪论
1.1课题的背景
近年来,随着能源短缺现象的日趋严重,节约能源成为了全世界共同关注的话题,同时也是衡量各项技术关键的指标。
能源问题是全球面临的共同问题,节约能源将从照明开始。
照明是人类消耗能源的重要方面,在电能消耗中,发达国家照明用电占发电总量的19%,我国也达到了10%。
随着经济的发展,我国的照明用电将有大比例的提高。
因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。
据统计,如果使用固体LED光源代替传统的荧光灯和白炽灯照明,节约的能耗将达到全球照明能耗的50%以上,对缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题起到举足轻重的作用。
与现行的照明设备相比较,LED照明有许多突出的优点。
如果能以LED照明取代目前低效率、高耗能的传统照明,对缓解当前越来越紧迫的能源短缺和环境恶化问题起到重大的作用[1]。
1.2课题的意义
随着我国经济建设的高速发展,城市化进程的加速,城市照明得到了快速的发展。
城市照明对改善城市人居环境、提高城市整体素质、推动内需、拉动城市夜间经济发挥了积极作用,为城市的社会效益、环境效益、经济效益做出了巨大贡献。
半导体照明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。
1.3非隔离式恒压恒流LED驱动电源的发展与现状
1.3.1LED驱动电源的发展方向
高亮度LED将会全面取代目前普遍使用的白炽灯和荧光灯,成为通用照明的主导产品,对其驱动电源也提出了较为严格的要求。
性能优良、高效率、低成本、小体积、高可靠性、长寿命的驱动电源是保证LED发光品质及整体性能的关键[2]。
因此,高亮度LED的驱动电源在设计时需要考虑以下几个因素:
(1)恒定电流输出
首选的电流调节方式是利用恒流源驱动LED,但由于恒定输出电流会增加驱动电源的成本和复杂性。
鉴于高亮度LED的光通量输出仅与流过它的平均电流成正比的特性,采用脉动电流驱动高亮度LED,只需控制脉动电流在变化周期内的平均值,就可以精确控制LED的光通量[3]。
(2)提高驱动电源的使用寿命
LED的光源寿命为50,000小时,而传统LED驱动电源中,电解电容器的寿命一般只有5000小时,并且随着温度的升高,电解电容的寿命会大大缩短。
因此,新型高功率LED驱动电源应该避免使用电解电容[4]。
(3)解决散热问题
LED驱动电源将面临的另一挑战是散热问题[5]。
温度的升高会加速LED的光衰,而且使LED和驱动电路的寿命缩短短。
对于高亮度LED,建议采用铝极板散热,功率器件均匀排布,尽可能避免将LED驱动电路与散热部分贴近设计,减少封装至印制电路的热阻抗,提高LED芯片的散热畅通性以降低系统工作温度。
(4)实现功率因数校正
为了防止谐波对电网的污染,LED的驱动电源必须实现PFC。
根据Energy-Star标准,商业照明驱动电源的输入功率因数要求不低于90%,家用照明不低于70%[6]。
参照这样的标准,考虑到效率和成本,LED驱动电源在电路拓扑和控制策略上应根据不同的应用场合有所侧重。
(5)LED并联驱动均流
同时驱动多个LED时,一般采用LED串联驱动,容易实现恒流控制,但是要求的驱动电压也较高。
如果采用LED并联驱动,需要解决各支路之间的均流问题。
目前实现并联均流驱动的方式有:
多路输出中各支路独立调节,或者单路输出中采用电容实现各支路的均流。
(6)解决电磁干扰和电气隔离问题
LED驱动电源必须符合严格的EN55015/CISPR22B传导电磁干扰(EMI)要求。
为了保障用户的用电安全,便于系统的维护,驱动电源应该实现电气隔离,其解决方案是选用隔离式开关变换器拓扑[7]。
但隔离式变换器需要通过光耦实现原副边信号的传递,其寿命和稳定性存在隐患。
(7)提高可靠性
电源的浪涌电压及接通电路时电容充放电瞬时冲击电流,可能造成造成严重损伤,所以LED驱动电源中应该有过压、欠压、过流等保护电路,不能因为电路故障而造成LED的损坏。
1.3.2LED驱动电源发展的要求
1.放弃大功率、超大功率,发展较高稳定性的中小功率电源,最好是在30W-40W之间,最大不超过50W[8]。
因为功率越大,发热量越大,里面的零部件也越紧凑,不利于散热,而温度正是电源发生故障的重要原因。
其次,小功率电源相对来说发展较为成熟,稳定性和成本方面都有显著的优势。
很多电源厂方都知道功率越大越不好生产,都不愿意做大功率的,但迫于应用厂家的压力,被动开发大功率电的源,很多方案都没有经过时间验证和实践证明,都是急于求成的项目,成为了实验性的产品,因此故障出现很频繁。
相比之下中小功率电源由于发展较早,技术方面要成熟很多。
这就大大的降低了故障率,提高灯具产品品质,电源企业,灯具企业,业主都受益,一举多得。
最后,大功率及超大功率电源因为体积较大,安装也不方便,中小功率电源因为体积小,安装方式也更为灵活。
2.放弃4路以上的输出,发展单路或两路输出,放弃大电流和超大电流,发展小电流[9]。
输出路数越多越难制作,故障率也就越高。
同时输出路数越多,总输出电流也就越大,因为电流是发热的主要原因,有电压可以不发热,但是有电流则必定发热,并且简单的计算可以认为发热功率和电流的平方成正比,也就是说电流增加到原来的2倍,发热功率将增加到原来的4倍,电流增加到原来3倍,发热功率将增加到原来9倍。
所以我建议电流最好控制在1A以下。
3.智能控制应该是LED照明最大的优势之一,而智能控制也就是电源的智能控制。
智能控制在路灯和隧道灯照明应用上尤为重要。
就路灯来讲,智能控制能在不同时间段,根据道路车流密度来实现灯具功率的无级控制,既满足应用的要求,又达到节能的效果。
在隧道照明上的应用就更为重要,它可以按照隧道外的亮度情况自动调节隧道出入口亮度,给司机提供一个安全的驾驶环境。
4.散热和防护是电源故障主要的外部因素[10]。
不仅电源本身会发热,灯具也会发热,这两种热源如何合理的散发出去是灯具设计工程师必须考虑的问题,必须要防止热量的过度集中,形成热岛效应,影响电源寿命;
另外防护问题也很重要,水分的渗透可能会引起电源的短路,外壳上的沙尘会影响电源的散热,暴晒则容易引起高温和电线及其他元器件的老化,防护实际上就是要解决这一系列的问题[11]。
5.维护的可行性。
尽管我们都满足前面四步的要求,但是电源的故障问题仍旧不可能完全避免,这是我们提出维护可行性的原因。
灯具设计工程师要考虑电源的维护问题,只有我们把电源的更换做的和常规照明的光源的更换一样简便时,我们才具备把维护任务转交给路灯单位的可能。
我们应该在灯具的维护上下功夫,设计者要把自己当成维修工要求越简便越好。
大家已经认识到模块化的合理设计方法,应该在模块电源一体化上想出更好的办法,因为模块化的整体功率较小,如果电源能用插拔的方式解决维护为题,让路灯单位库存的就是是电源。
1.3.3LED驱动电源的研究现状
LED最初的商业应用出现在上世纪七十年代,但因其光输出极低,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,届时LED有望成为室内照明的主要来源。
2008年的北京奥运会通过众多具体的产品形态和新技术的应用为绿色奥运、科技奥运、人文奥运等理念做了完美诠释。
LED照明产品,在2008年北京奥运会中广泛的应用,更是光芒闪烁,为2008北京奥运会增添了绚丽异彩。
通过全球LED技术领导厂商对材料,工艺和封装技术的努力改进。
高亮度LED的发光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。
这些都证明LED驱动电源将有一个广阔的应用前景。
根据供电方式不同,LED的驱动电源分为DC/DC和AC/DC两大类[12]。
其中DC/DC驱动电源一般由电池、蓄电池或稳压电源供电,主要用于便携式电子产品及汽车车灯和特种照明场合。
AC/DC驱动电源直接由市电供电,多用于景观和通用照明的场合。
目前LED的驱动主要基于直流电源输入,常见的驱动方式有电阻限流型,线性控制调节,电荷泵变换器和开关变换器等[13]。
电阻限流电路是通过串联合适的电阻来限制输出电流,此方式十分的简单,但由于输入电压的变化会导致LED电流的变化,无法实现恒流控制和调光。
此外,限流电阻会消耗较大的能量,系统效率低。
线性控制是通过晶体管调节输出电流,这种方法可以很好地保证恒流输出,但是与电阻限流电路一样,效率很低。
电荷泵变换器又称为开关电容变换器,它采用电容存储能量,通过开关阵列、振荡器、逻辑电路和比较控制器来实现电压的提升[14]。
其电路成本比较低,只能提供有限的输出电压范围,不能实现恒流控制。
开关变换器通过控制开关管的占空比,实现电压或电流的变换,并可实现恒流控制和调光。
与前三种驱动方式相比,开关变换器具有很高的变换效率、功率密度和控制精度,特别适合用作高亮度LED的驱动电源[15]。
与传统的电压型开关变换器不同的是,LED驱动电源的反馈量是流过LED的电流信号,通过与电流基准进行误差调节,实现闭环控制。
开关变换器依据电气隔离分为非隔离式和隔离式两类,非隔离式包括Buck、Boost、Buck-Boost变换器等(图1)近年来,随着高亮度白光LED本体的不断发展,TI、MAXIM、ON-SEMI等各大半导体公司均有不同系列的LED驱动芯片推出,其基本工作原理是通过DC/DC变换和镜像电流源产生恒定电流以驱动LED[16]。
鉴于LED驱动芯片的发展状况,各大电源厂商针对市电输入的日常照明场合,将高亮度LED的驱动电源分为适配器和驱动器两部分,如图1所示
(a)Buck变换器(b)Boost变换器(c)Buck-Boost变换器
图1开关变换器
1.4本设计的主要任务
a)了解LED作为显示器的优缺点,掌握LED工作特性
b)设计一个LED驱动电源,要求:
(1)输入交流85-265V
(2)输出直流12V/0.35A,即输出功率4.2W
(3)输出稳定,具有恒压恒流功能,输入输出非隔离
(4)负载为LED灯
c)理论设计电路,利用电路仿真软件仿真,并测试相应数据。
1.5本章小结
随着我国经济的高速发展,能源的日益短缺,由于LED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,LED将取代传统照明。
但在LED驱动的发展过程中也要符合一定的要求,本设计的主要任务就是设计一个LED驱动电源。
2LED驱动电路结构
2.1目前主要的拓扑结构
2.1.1Buck变换器
Buck变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关降压稳压器[17]。
1)线路组成
图2(a)所示为由单刀双掷开关S、电感元件
和电容
组成的Buck变换器电路1。
图2(b)所示为由以占空比D工作的晶体管Tr、二极管D1、电感
、电容
组成的Buck变换器电路2。
电路完成把直流电压Vs转换成直流电压Vo的功能。
(a)Buck变换器1(b)Buck变换器2
图2 Buck变换器电路
2)工作原理
当开关S在位置a时,有图3(a)所示的电流
流过电感线圈
,电流线性增加,在负载
上流过电流Io,两端输出电压Vo,极性上正下负。
当
时,电容在充电状态。
这时二极管D1承受反向电压;
经时间D1Ts后(
,ton为S在a位时间,Ts是周期),当开关S在b位时,如图3(b)所示,由于线圈
中的磁场将改变线圈
两端的电压极性,以保持其电流iL不变。
负载
两端电压仍是上正下负。
在
时,电容处在放电状态,有利于维持Io、Vo不变。
这时二极管D1,承受正向偏压为电流iL构成通路,故称D1为续流二极管。
由于变换器输出电压Vo小于电源电压Vs,故称它为降压变换器。
工作中输入电流is,在开关闭合时,is>
0,开关打开时,is=0,故is是脉动的,但输出电流Io,在
、D1、
作用下却是连续的,平稳的。
(a)开关on(b)开关0ff
图3Buck变换器电路工作过程
2.1.2Boost变换器
Boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。
1)线路组成。
线路由开关S、电感
组成,如图4所示,完成把电压Vs升压到Vo的功能。
(a)Boost变换器1(b)Boost变换器2
图4Boost变换器
当开关S在位置a时,如图5(a)所示电流iL流过电感线圈
,电流线性增加,电能以磁能形式储在电感线圈
中[18]。
此时,电容
放电,
上流过电流Io,
两端为输出电压Vo,极性上正下负。
由于开关管导通,二极管阳极接Vs负极,二极管承受反向电压,所以电容不能通过开关管放电。
开关S转换到位置b时,构成电路如5(b)所示,由于线圈
两端的电压极性,以保持
不变。
这样线圈
磁能转化成的电压VL与电源Vs串联,以高于Vo电压向电容
、负载
供电。
高于Vo时,电容有充电电流;
等于Vo时,充电电流为零;
当Vo有降压趋势时,电容向负载
放电,维持Vo不变。
由于VL+Vs向负载
供电时,Vo高于Vs,故称它为升压变换器。
工作中输入电流is=iL是连续的。
但流经二极管
电流确实脉动的。
由于有
的存在,负载
上仍有稳定、连续的负载电流Io。
(a)开关on(b)开关off
图5 Boost变换器电路工作过程
2.1.3Buck-Boost变换器
Buck-Boost直流变换器的主电路拓扑如图6所示,主电路由全控型器件
、滤波电感
、滤波电容
、续流二极管和负载
组成。
全控型器件
的控制信号如图6所示。
图6Buck-Boost变换器
在晶体管导通,二极管截止期间,输入电压Vs向电感输入能量,靠滤波电容维持输出电压基本不变;
在晶体管截止,二极管导通期间,电感
把前一阶段贮存的能量释放给负载
。
显然,晶体管导通时间越长,即
越大,电源输入给负载的能量也越多,因此,输出电压就越高。
2.2本设计的总体框架
图7总体框图
2.3本章小结
由于Buck降压变换器可以实现本设计的输入220V输出12V的降压过程,所以本设计的主电路选用Buck拓扑结构,恒压恒流由芯片UC3842来控制,LED作为负载,最终设定了总体框架图。
3LED恒压恒流驱动电路设计
3.1Buck电路降压分析及计算
3.1.1Buck电路的降压分析
图8Buck电路
(1)从电路可以看出,电感L和电容C组成低通滤波器,此滤波器设计的原则是使
的直流分量可以通过,而抑制
的谐波分量通过;
电容上输出电压
就是
的直流分量再附加微小纹波uripple(t)。
(2)电路工作频率很高,一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t)很小,相对于电容上输出的直流电压Uo有:
电容
上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时,输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成,宏观上可以看作是恒定直流,这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。
(3)一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时,电容电压升高,导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加,使电容电压上升速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,此时电压维持不变;
反之,如果一个周期内放电电荷高于充电电荷,将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小,使电容电压下降速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,最终维持电压不变。
这种过程是电容上电压调整的过渡过程,在电路稳态工作时,电路达到稳定平衡,电容上充放电也达到平衡,这是电路稳态工作时的一个普遍规律。
(4)开关S置于1位时,电感电流增加,电感储能;
而当开关S置于2位时,电感电流减小,电感释能。
假定电流增加量大于电流减小量,则一个开关周期内电感上磁链增量为:
,此增量将产生一个平均感应电势:
,此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度,最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零;
一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。
这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量(磁链平均增量)为零的现象称为:
电感伏秒平衡[19]。
这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。
3.1.2电感电流连续工作模式(CCM)下稳态工作过程分析
(a)Buck电路结构
(b)晶体管导通时工作模式(c)晶体管D导通工作模式
图9Buck电路工作分析
(一)晶体管导通工作模式
(二)晶体管D导通工作模式
综上所得
3.2整流电路分析
图10整流电路
本设计的任务是要把输入220V的交流电压转化成输出12V的直流电压,由于单相交流电压220V用二极管整流桥整流是不能转成直流220V的,这样整流的结果只是有效值220V的单向脉动电压,并不是直流电,直流电的定义是方向和大小都不变。
如果把整流后的电压用电容滤波,可以得到直流电(直流成分为主、带有少量交流纹波的直流电压),但是电压却不是220V了,这样得到的电压是220V交流电压的峰值(约311V)。
由图10可知:
交流电220V经过D3,D4,D5,D6四个二极管整流桥,再经过
,
滤波后得到直流电压约311V,由于220V是有效值,与交流电峰值
关系是
,即220V交流电的峰值
3.3控制电路分析
3.3.1UC3842芯片简介
UC3842是一种高性能固定频率电流型控制器,包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元[20],其结构图如图11所示
图11UC3842内部结构图图12UC3842
1脚COMP是内部误差放大器的输出端,通常此脚与2脚之间接有反馈网络,以确定误差放大器的增益和频响。
2脚FEEDBACK是反馈电压输入端,此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较,产生控制电压,控制脉冲的宽度。
3脚ISENSE是电流传感端。
在外围电路中,在功率开关管(如VMos管)的源极串接一个小阻值的取样电阻,将脉冲变压器的电流转换成电压,此电压送入3脚,控制脉宽。
此外,当电源电压异常时,功率开关管的电流增大,当取样电阻上的电压超过1V时,UC3842就停止输出,有效地保护了功率开关管。
4脚RT/CT是定时端锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端。
5脚GND是接地。
6脚OUT是输出端,此脚为图滕柱式输出,驱动能力是±
lA
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