LED路灯恒流开关电源设计.docx

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LED路灯恒流开关电源设计

LED路灯恒流开关电源设计

电气工程及其自动化学院：

周月阁指导教师：

任万滨

摘要：

目前LED路灯驱动电源存在着输出功率低、转换效率差、功率因数不高、输出特性不稳定及可靠性差等问题，严重制约了LED路灯的推广使用，本文针对以上问题完成了LED路灯驱动电源的设计与优化。

首先根据用户提出的技术指标，提出了采用反激式DC/DC变换器为主拓扑结构，并具有有源功率因数校正环节的恒流驱动电源总体设计方案。

在参数设计中，采用基于MC33260的临界模式升压电路实现功率因数校正，采用基于NCP1230的连续模式反激电路实现DC/DC变换。

在参数设计基础上，本文研究了驱动电源的热分布和电磁兼容性问题，并进行了优化，提高了驱动电源的可靠性。

实验测试表明，本文设计的LED路灯驱动电源完全满足用户提出的性能指标，可以稳定可靠地工作在实际应用环境中。

关键词：

LED；功率因素校正；恒流驱动电源；反激式变换器

Abstract：

Presently,theusageofLEDstreetlampisrestrictedforthereasonoflowpower,lowefficiency,lowpowerfactor,instabilityofoutputandshortlifespan.ThispaperdesignsandoptimizesaLEDdrivertosolvethoseproblems.Aschemeforconstant-currentdriverfollowingtheuser’srequirementshasbeendeveloped,whichappliesasingleendedflybackDC/DCconverterasthemaintopologyandhasanactivepowerfactorcorrectioncircuit.ThispaperadoptsthechipMC33260workinginthecriticalconductionmodeasthecontrolleroftheactivepowerfactorcorrectioncircuit,andthechipNCP1230workinginCCMmodeasthecontrolleroftheflybackconverter.ConsideringthermaldistributionandtheEMCcondition,onthebaseofparameterdesignthispaperoptimizesthedrivertoincreaseitsreliability.Theexperimentsshowthatthedrivercanfullymeettherequirementsandworkreliablyundertheactualworkingconditions.

Keywords：

LED;powerfactorcorrection;powerdrivenbyconstantcurrent;flybackconverter

1引言

照明是人类消耗能源的一个重要方面，据研究统计，若使用固态LED光源代替传统的白炽灯和荧光灯照明，将节约全球照明能耗的50%以上，有助于缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题。

城市道路照明是重要的LED应用领域，LED路灯照明装置能否实际应用推广的关键因素之一是其驱动电源的优劣。

LED路灯驱动电源需要较高的输出功率，工作环境较为复杂，要求有较高的电磁兼容性，且由于LED本身的寿命很长，驱动电源的可靠性也被要求与之匹配。

现阶段，市场上的LED路灯驱动电源大多无法满足以上要求。

针对这个问题，本文设计100W恒流驱动电源，以满足LED路灯的实际应用条件。

本课题来源于哈尔滨工业大学车辆电器研究所与大连九久光电科技有限公司合作开发的LED路灯开关电源项目。

本课题的研究和设计任务包括：

提出大功率LED路灯恒流开关电源的总体设计方案，对开关电源进行参数设计、热设计和电磁兼容设计，对开关电源进行实验测试。

2LED路灯恒流开关电源的总体方案设计

2.1电源的主要技术指标

本课题研究的驱动电源的负载是由40颗大功率白光LED串联组成的路灯，额定功率100W。

图2-1和图2-2中，以CREE公司生产的LED为例，表现了大功率白光LED的伏安特性和光通量与电流的关系。

根据LED特性、实际应用环境和用户要求，可得到本课题要设计的LED驱动电源的技术指标，其具体参数如下：

（1）输入电压：

AC185V~265V；

（2）输出电流：

700±15mA；

（3）输出额定功率：

100W；

（4）输出额定功率下效率：

>83%；

（5）输出额定功率下功率因数：

>0.95；

（6）输出电流纹波：

<1%；

（7）具有过压保护、过流保护、空载保护等功能；

（8）电源平均寿命：

>5年。

图2-1LED伏安特性曲线图2-2LED光通量与前向电流的关系

2.2电源的总体方案设计

电源首先应将输入的交流电转变为直流，若采用整流桥后加大滤波电容的方式，功率因数会非常低，一般为0.6左右。

为减小交流输入端对开关电源的噪声干扰和开关电源对电网产生的谐波污染，减小线路损耗，各个国家和地区均制定了相关标准，我国要求照明设备在功率大于75W时进行功率因数校正。

由于无源校正电路很难使功率因数达到0.95以上，因此，本设计采用有源功率因数校正（APFC）环节作为电源的输入级。

此外，本文在输入端设计增加短路和过压保护电路以提高LED路灯驱动电源抗瞬态浪涌干扰和抗快速脉冲群干扰的能力。

为保护电网和用电设备的安全，LED路灯驱动电源需要采用带变压器隔离的方案，保证LED路灯灯体与电网的隔离，从而减小电网对LED灯体的影响。

本文采用反激拓扑结构实现电能的转换、控制和电路的隔离。

图2-3为LED路灯驱动电源的硬件结构框图。

图2-3LED路灯驱动电源硬件结构框图

3LED路灯恒流开关电源的参数设计

LED路灯恒流开关电源的硬件电路包括有源功率校正电路、反激变换电路和反馈控制电路三部分，本章将分别对各部分电路进行参数设计。

3.1有源功率因数校正电路设计

有源功率因数校正电路的作用是在电网和负载之间插入校正环节，使输入电流跟随输入电压的变化，以提高功率因数，本文选用的是Boost有源功率因数校正电路，图3-1为其原理图。

图3-1Boost有源功率因数校正电路原理图

本文选用安森美公司的MC33260作为APFC环节的控制器，该芯片是工作于临界导通模式的APFC控制器。

在稳定工作时，MOSFET的单次导通时间恒定，由输出电压决定；MOSFET关断后，电感电流下降，当其下降到零时MOSFET才重新导通，因此其关断时间随输入电压变化。

图3-2为半个周波内开关管驱动波形和电感电流波形，可见该电路可以实现功率因数校正功能，并有效地减小了电路的损耗。

MC33260外围元件参数可以使用安森美公司提供的专门工具进行设计。

图3-2半个周波内开关管驱动波形和电感电流波形

3.2单端反激式DC/DC变换器设计

单端反激式变换器具有使用元器件少、本身固有频率比较高的特点，适合功率低于150W的应用。

该变换器是Boost-Buck变换器的变形，同时具有隔离和变压的作用。

单端反激式变换器有两种不同的工作模式，分别是连续工作模式（CCM）和断续工作模式（DCM）。

在CCM下，变压器电流连续，电流峰值较小，输出电压纹波较小；但整流二极管强行关断会引起较大损耗，并产生一定的电磁串扰，其适合于功率较大的场合。

在DCM下，整流二极管自然关断，其损耗较小；但变压器电流断续，电流峰值较大，输出的纹波较大，其适合于功率较小的场合。

本文所设计电源输出功率较高，因此采用CCM模式。

单端反激DC/DC变换器的变压器承担着储能、变压和传递能量等工作，是决定电路性能的关键元件。

本文使用AP法选择变压器磁芯材料，

（3-1）

式中AP——磁芯窗口面积与磁芯截面积的乘积；

Aw——磁芯窗口面积；

Ac——磁芯截面积；

L1——变压器原边电感；

I1max——变压器原边电流峰值；

Bw——磁芯工作磁.数，一般为0.2~0.4；

Kj——电流密度系数，一般取395A/cm2。

根据计算得到的AP值，本文选择了ER35型磁芯，在选定磁芯基础上，根据电感值可以得到变压器原、副边匝数和气隙长度。

本文选用安森美公司的NCP1230作为单端反激式变换器的控制器，该芯片是一种峰值电流控制模式PWM控制器，工作频率为65kHz，具有过流保护和轻载保护功能，并可向APFC控制芯片供电。

安森美公司为NCP1230外围电路参数设计同样提供了专门工具。

3.3恒流反馈控制电路设计

如图3-3所示，输出电流经采样电阻RS转换为电压信号，该电压信号与精密宽电压稳压管TL431产生的参考电压进行比较，误差信号经PI调节电路后驱动光藕，光藕的集电极与NCP1230的FB端相连，实现电流反馈控制。

图3-3电流反馈电路原理图

3.4限压保护电路设计

为防止恒流源在输出空载情况下输出电压过高，本文设计了限压保护电路，图3-4为其原理图。

图3-4限压保护电路原理图

本文选用的光耦为EL817，其电流传输比CTR约为1，其中发光二极管的前向电压值Uopto约为1.2V。

稳压管Dz2的稳压值为39V，R1和UFB由控制芯片决定，这时保护电压只与R16和R17有关。

本文设计的限制电压为160V，计算可得R16=120

，R17=56

。

4开关电源的热设计和电磁兼容设计

上一章介绍了LED路灯恒流驱动电源的参数设计过程，给出了各功能单元的电路结构及参数。

在本文设计的开关电源中使用了很多功率开关器件，因此在完成电路设计后必须解决散热问题和电磁兼容问题。

本章根据电源实际工作要求对电路布局、内部介质、外壳结构进行了综合热设计；同时分析开关电源的电磁兼容性，并进行了优化。

4.1开关电源的热设计

开关电源的热设计主要包括三部分：

电路布局、内部介质和外壳。

开关电源由多个热源组成，因此必须对板上发热器件进行合理布局。

在不影响电路性能的情况下，主要发热部件应尽量分散，并且靠近电路板边缘。

经调整后，开关电源布局模型如图4-1所示。

图4-1布局调整后的开关电源布局模型

在开关电源内热量主要以传导方式由内部器件传到电源盒外壳，再以对流换热的方式散发到空气中。

电源盒内部温度梯度与内部介质的导热系数成反比关系，为减小盒内温度梯度，本文在电源盒内采取灌胶的方式来增大内部介质的导热系数。

外壳的结构设计是指对电源盒的壁厚和壳体表面肋片的设计。

实际工作环境要求电源盒的长宽高分别不大于215mm、70mm和56mm。

电路板上最高的器件是变压器，因其高度的限制，电源外壳的高度不能小于48mm。

为减少多热源温度场耦合，要尽量保持热源之间的距离。

图4-2为本文设计的电源盒外壳整体截面图，其中肋片的高度为

，

，

。

图4-2电源盒外壳整体截面图

4.2开关电源的电磁兼容设计

在开关电源中，开关管和变压器是产生电磁干扰的主要器件，其电磁干扰以传导干扰为主。

为抑制传导干扰，本文在电路输入端增加EMI滤波器，并在变压器原边并联RCD缓冲器。

开关电源的EMI滤波器是一个低通网络，其原理图如图4-3所示。

图4-3开关电源EMI滤波器的原理图

为了抑制开关管在关断瞬间产生的电压尖峰，本文采用RCD缓冲电路并联在变压器原边绕组上，以吸收漏感中的能量。

电容C可根据公式（4-1）求得，

（4-1）

式中

——变压器漏感；

——原边电感电流峰值；

——开关管最大漏源电压；

——电容C设置的初始电压；

——输入直流电压。

电阻R可根据公式（4-2）求得，

（4-2）

缓冲电路消耗的功率可由下式表示，

（4-3）

经计算，RCD电路电阻上消耗的功率约为2W，在实际应用中采用三只47kΩ的电阻相并联，以降低单只功率电阻的温升，提高可靠性。

5电源的PCB设计与测试

在完成开关电源设计的基础上，本章对其进行了各种相关实验测试。

综合考虑设计过程，对本文设计的开关电源进行了经济效益分析，讨论了其在实际产品应用中所具有的优势。

5.1电源的PCB设计

本文在PCB布局过程中，将易受干扰的元器件、输入与输出元件、具有较高的电位差的元器件或导线间距离尽可能加大，提高电路的抗干扰能力。

本文遵守以下原则进行PCB布线：

（1）尽量避免相邻的线平行排列，平行走线的最大长度小于3cm，避免线间电容使电路发生反馈耦合和电磁振荡；

（2）为避免高频回路对整个电路的影响，尽可能减小其面积，并使用较细的导线；

（3）合理设计PCB导线的宽度，电源进线线宽1.5mm，开关电源输入线的相线与中线间距3.5mm，电源地与输出地间距、变压器的初级与次级间距均大于8mm；

（4）PCB的地线和电源输出线应尽可能采用较宽的线。

合理选择接地方式是是抑制干扰的重要方法。

低频电路中接地电路形成的环流对电路干扰较大，因而采用单点接地。

当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，采用就近多点接地来降低地线阻抗。

当工作频率在1~10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。

本文在PCB设计时，采用了两级控制电路分别就近单点接地的方式。

5.2实验测试

本文对所设计的开关电源进行了各种相关的实验测试。

图5-1为采用有源功率因数校正的LED路灯驱动电源的输入电压和输入电流波形，经计算可知电源的功率因数达0.98，输入电流谐波畸变率低于0.155，可以满足指标要求。

图5-2是变压器原边的电流波形，开关管导通瞬间的电流尖峰是由变压器的漏感和副边整流二极管的反向恢复造成的。

图5-3为开关管漏源电压波形，可见其最大值为590V，处于开关管承受范围内。

图5-4为LED路灯驱动电源的输出电流波形，其上升时间约为20ms，超调较小，稳定值为700mA。

图5-5为LED路灯驱动电源的输出电压纹波，从图中可知输出电压纹波比较小，约为280mV，占额定输出电压140V的0.2%，满足指标要求。

图5-1输入电压电流波形图5-2变压器原边电流波形

图5-3开关管漏源两端电压波形图5-4输出电流波形

图5-5输出电压纹波

表5-1是LED路灯驱动电源效率测试结果。

测试驱动电源在极限电压和额定电压下的效率。

从表中可以得知该驱动电源在规定的输入电压范围内可以保持大于83%的效率，满足指标要求。

表5-1LED路灯驱动电源效率测试结果

输入电压（VAC）

负载状态

输出功率（W）

输入功率（W）

效率（%）

176VAC

满载

100.5

120.44

83.44

220VAC

满载

101.2

120.08

84.28

260VAC

满载

101.2

119.12

84.95

经空载过压测试，该驱动电源的空载保护电压为162V，满足指标要求。

5.3经济效益分析

表5-2为本文研制的LED路灯恒流驱动电源的部分元器件价格统计表。

由统计的价格可知，单个开关电源的价格较高，这主要是由于本文在设计中为保证可靠性和稳定性，选用了大量性能较高的元器件，并全部采用降额设计。

当驱动电源的可靠性增加、使用寿命延长时，可以降低灯具的维修成本；保证驱动电源输出特性的稳定，就可以提高产品的一致性和成品率，从而减少人力物力的浪费，降低生产成本；稳定的输出电流还会降低LED的光衰，延长LED本身的使用寿命。

因此，虽然本文设计的驱动电源单价较高，但由于减小了其它多个方面的损失，可以达到较高的综合性价比。

表5-2LED路灯恒流驱动电源的成本统计

器件名称

单价（元）

数量

总额（元）

3W无感绕线电阻

6.40

2

12.80

扼流圈

15.50

1

15.50

饱和电感

8.00

1

8.00

变压器

15.00

1

15.00

NCP1230

12.40

1

12.40

MC33260

10.30

1

10.30

BOOST升压电感

12.00

1

12.00

HFA08TB120二极管

8.30

3

24.90

STW10NK60Z

12.50

1

12.50

STW12NK80Z

16.80

1

16.80

印刷电路板

10.50

1

10.50

总计

--

--

191.29

结论

本文以100W的LED路灯为研究对象，提出了采用APFC和反激式变换器的两级控制方案，完成了参数设计、热设计和电磁兼容设计。

本文的主要研究成果如下：

（1）针对目前LED路灯驱动电源存在的问题和缺陷，提出了采用APFC和反激式变换的两级控制方案。

（2）完成了对LED路灯驱动电源硬件电路的参数设计。

（3）针对本文设计的LED驱动电源，研究了它存在的热问题和电磁兼容性问题，完成了电源的PCB设计。

（4）对系统进行了实验测试，测试结果表明该电源完全满足性能指标的要求。

参考文献

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