LED照明驱动电源的设计本科毕业设计.docx

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LED照明驱动电源的设计本科毕业设计

LED照明驱动电源的设计——本科毕业设计

随着电力电子技术的发展，LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点，近年

来在各行业应用得以快速发展，同时，由于近年来的开关电源在电子电器各行业中占了

非常重要的位置，由此驱动LED的开关电源就成了关注热点。

理论上，LED的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的

设计及驱动方式选择不当，使LED极易损坏。

我们设计LED驱动电源时，有必要知道LED电流、电压特性，由于LED的生产厂家及LED规格不同，电流、电压特性均有差异。

因

此对驱动电源的设计提出了严格要求。

根据LED电流、电压变化特点，采用恒流驱动方

式，是比较理想的LED驱动方式，它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动，同时

恒定的电流使LED的亮度稳定。

因此众多厂家选用恒流方式驱动LED，从而设计的开关电源就需要一个能恒流的直流驱动电源。

传统的开关电源控制集成电路具有效率高、输

出稳定、可靠性高，并可实现远程控制等功能。

完全适合用来驱动LED的开关电源。

本文主要通过设计一个恒流驱动电源来驱动LED。

通过各种电力电子组件和电力电

子电路组成一个恒流的电源，达到设计的要求。

开关电源，恒流，LED驱动电路

I

Abstract

Withthepowerofthedevelopmentofelectronictechnology,LEDbecauseof

environmental,longlife,highefficiencyphotoelectricmanyadvantages,Inrecentyearsinall

sectorstorapidapplicationdevelopment,whileInrecentyears,theswitchingpowersupplyin

electricalandelectronicindustriesaccountedforaveryimportantposition.Thisdrivesthe

LEDSwitchingPowerSupplyconcernshavebecomehotfocus.

Theoretically,theservicelifeoftheLED100,000hoursormore,butinactual

applicationprocess,Asthepowersupplydesign-drivenapproachandapoorchoice,LED

easilydamaged.WedesignedLEDdrivepower,itisnecessarytoknowLEDcurrentand

voltagecharacteristics.SincetheLEDandLEDmanufacturersspecifications,currentand

voltagecharacteristicsaredifferent.Sorightdrivepoweronthedesignofthestrict

requirements.UndertheLEDcurrentandvoltagecharacteristics,constant-current-driven

approachisidealLEDdriver,ItwouldavoidtheLEDforwardvoltagechangescaused

changesinthecurrent,constantcurrentsothattheLEDbrightnessstability.Somany

manufacturersuseconstantcurrentmodeLEDdriver,thusthedesignofswitchingpower

supplywillneedaconstantcurrentoftheDCpowersupply.TraditionalSMPScontrolIC

withhighefficiencyandoutputstability,highreliabilityandcanremotecontrol,andother

functions.WellsuitedtodrivetheLEDSwitchingPowerSupply.

Thispapermainlythroughconstant-currentpowersupplycircuitdesigntotheLED

driver.Throughavarietyofelectroniccomponentsandelectricalpowerelectroniccircuits

composedofaconstantcurrentpowersupply,meetdesignrequirements.

Keywords:

PowerSupply，Constantcurrent，LED

II

1概述...........................................................................................................................1

1.1本课题研究背景及意义...........................................................................................11.2开关电源和LED的发展概况...................................................................................11.3开关电源和LED的国内外研究现状........................................................................31.4开关电源和LED的技术性能....................................................................................4

2开关电源的各个基本电路分析.......................................................................................72.1开关电源的组成电路..............................................................................................7

2.1.1组成电路的综述.............................................................................................7

2.1.2电路组成........................................................................................................8

2.2输入EMI滤波器设计..........................................................................................10

2.2.1EMI电源滤波器的类型.............................................................................10

2.2.2基本设计思想...............................................................................................10

2.4高频变压器设计....................................................................................................12

2.4.1综合分析......................................................................................................12

2.4.2参数计算......................................................................................................12

2.5输入整流滤波电路设计.........................................................................................15

2.5.1电源系统框图及各部分介绍.......................................................................15

2.5.2主电路结构及其工作原理..........................................................................162.6输出平滑电路设计................................................................................................18

2.6.1整流二极管的选取......................................................................................18

2.6.2滤波电感设计...............................................................................................19

2.6.3输出滤波电容参数计算...............................................................................192.7稳压电路.................................................................................................................19

2.7.1原理图和电路图............................................................................................20

2.7.2组件选择和参数的选定................................................................................21

3反馈和保护电路设计....................................................................................................22

3.1综述.......................................................................................................................22

3.2软启动电路设计.....................................................................................................22

III

3.3功率因数校正电路设计.........................................................................................23

3.3.1功率因数校正的方法及其优缺点...............................................................23

3.3.2方案确定及设计..........................................................................................23

3.4输入欠电压、过电压及过热保护....................................................................24

3.5短路保护..........................................................................................................27

3.6开关电源的接地处理要点..............................................................................27

4PWM控制电路.............................................................................................................28

4.1组件选择和基本原理应用.....................................................................................28

4.2接线方式................................................................................................................32

结束语.................................................................................................................................34参考文献.............................................................................................................................35致谢.................................................................................................................................36

IV

1.1

以电力电子学为核心技术的电源产业，从20世纪60年代中期开始形成。

以整流技

术（AC/DC）为主的各种电源装置，如电解、电镀和中小容量的AD/DC变换器的出现是这个时期的主要标志。

开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，

[1]现己成为稳压电源的主流产品。

采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出

稳定、可靠性高，并可实现远程控制等功能，是开关电源的发展趋势。

经过近十年的努

[1]力，我国电力半导体器件的研制和生产有了长足的发展。

20世纪九十年代以来是我国

电力电子技术和电源产业快速发展的期。

产业界也涌现一些技术难度较大、具有国际先

进水平的产品，如多谐振双环控制的通信开关电源1、1单芯片控制的500W以下PFC控制器，智能化高频开关电源.用于空调和冰箱的无位置传感器的变频调速器部件和数千

kW级的IGBT中压变频器等。

但与国际发达国家相比，在应用基础研究深度方面差距

为5-10年;在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平等综合实力方

面差距估计为10-15年。

前国际上流行的开关电源向着以下几个方面发展:

（l）进一步提高电能变换效率，降低待机损耗;

（2）避免电力公害:

尽量减少网侧电流谐波，并使网侧功率

因数接近1;（3）提高电源装置和系统的电磁兼容性（EMC）;（4）降低电噪声;（5）小型轻量化:

通过高频化、组件小型化和先进工艺加以实施;（6）高性能。

能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经疲惫不堪，

改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。

新型高效光

源，特别是白色光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降低照明用电量具有很重要

的作用，因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减少新增电网容量的费用，降低能源

消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其它污染物。

LED，特别是白色光LED，因其

[2]与传统光源相比所具有的理论以及现实的优越性，受到广大专业人士的青睐。

它的出

现也为照明界开拓出了一个全新的技术领域，并为照明节能设计提供了更多的选择。

要发展LED要必须发展LED的配套的设施，驱动电源就是最主要的。

因此驱动LED的开关电源亟需得到大力的发展。

1.2

1

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，性能优劣直接关系到电子设备的技术指

标及能否安全可靠地工作。

目前常用的直流稳压电源分线形电源和开关电源两大类。

线

形稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波纹很小，但它必须使

用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和

[3]重量大，效率低。

开关电源SPS被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，

现已成为稳压电源的主流产品。

开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消

耗的能量很低，电源效率可达80%-90%，比普通性能稳压电源提高近一倍。

开关电源亦

称为无工频变压器的电源。

它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离

的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波组件和散热器，这就为研

究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源莫定了基础。

在开关

电源中，为了实现功率调节、远程控制等功能，以及减小体积、减轻重量，高压功率集

成电路得到广泛应用和快速发展。

采用了这种集成电路来调节和控制的开关电源，不但

外部电路简单，组件数目少，而且可以和微处理器直接接口或通过局域网（LAN）来实现

编程或控制功能，是目前75W以下高效率、多功能开关电源的最佳解决方案。

在晶体管

发明以后，微电子技术对电子系统的发展起到了巨大的推动作用，尤其是在计算机和信

号处理方面的成果更是有目共睹。

目前，绝大部分电子系统中都大量使用了集成电路来

减小体积，减轻重量，提高可靠性。

同样微电子技术对电力电子的影响也非常明显，这

一点可以从各种功率电子器件和功率集成电路的广泛应用看出，并且这一趋势将一直继

续下去。

IC产品在功率电子中的应用可以简单分为两类。

第一类为分立器件，包括

晶闸管、大功率双极型晶体管、DMOS和现在更常用的LDMOS,IGBT,MCT等。

这些器件具有功率容量大、能量损耗低、开关速度快等特点，适用于电力电子装置，得到了大量

应用。

关于性能更优的分立器件一直是研究的对象，也将进一步提高整机系统的性能。

但这种器件需要采用与集成电路不同的纵向工艺和较厚的外延层来达到耐压要求，另一

类得到广泛应用的产品是功率集成电路（Power）。

由于发光二极管产业不断涌现新技术、新产品、新的应用，呈现了朝阳工业的欣欣

向荣的景象，相信在下世纪的头十年中，LED产业会得到持续发展。

发光二极管的应用

十分普遍，由于工作电压低、耗电省、色彩丰富、价格低，因而受到电气工程师和科研

[13]人员的欢迎，早期传统的产品发光效率低，光强一般几个到几十个光照度，适宜使用

在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用，由于应用技术日

2

趋发展，传统产品出现新的应用商机，正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖，有鸭嘴

型圣诞灯、多彩球型灯、珠廉窗灯，而且色彩丰富，不易碎破，低压使用的安全性，近

期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣

诞市场；一种受到儿童欢迎的闪光鞋，利用走睡时LED闪铄发光，非常醒目，既有单色

光，也有双色光，据浙江一家鞋业公司总经理介绍，仅温州地区一年要用去500KK的发光二极管；具有健康保健作用的牙刷，在发达国家使用普遍，利用发光二极管作为牙刷

的电量指示十分方便，每把牙刷都带一个LED灯，LED经电容降压后，可以使用220V、

[4]280V电源，市场还有扩张的潜力，由于主动发光指示清晰，寿命长，耗电少等特点，很受用户欢迎，不久可以全部替代电泡型AD11产品，总之传统发光二极管的市场不仅

会随着原有应用面产品的成长而提升，而且新的应用面开拓了市场商机。

从而引发出驱

动LED的开关电源的巨大的潜力。

1.3和

开关电源已有几十年的发展历史。

早期产品的开关频率很低.成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。

20世纪60年代出现的晶闸管（旧称可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分离组件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率底、电路复杂、调

试困难而难于推广，使之应用受到限制。

70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技

术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。

目前，开

关频率已从20kHZ左右提高到几百、千赫兹甚至兆赫兹。

与此同时，供开关电源使用的

元器件也获得长足发展。

MOS功率开关管（MOSesFET））、肖特基二极管（SBD）、超快恢复二极管（SRD）.PWM调制开关电源的研究瞬态电压抑制器（TVS）、压敏电阻器（TL431）、电磁干扰滤波器（EMIFilter）,高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠（magneticbead）等一大批新器件、新材料正被广泛采用。

所有这些，都为开关电源推广与普及提供了必

要条件。

随着我国经济建设高速的持续增长，人民生活的不断改善，新住宅的建设和人均使

用面积的大幅度提高，照明灯具增加了装饰功能，这大大提高了照明用电的需求和照明

[4]节电的空间。

科技部紧急启动的半导体照明工程，动作快，效率高，为我国固态