LED恒流电源毕业论文.doc

摘 要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，近年来在各行各业应用得意快速发展，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。本文通过对LED照明的电压电流特性及几种驱动方式的分析，最终选定采用恒流的方式来设计驱动电源。以达到保证LED的使用安全性、亮度稳定、使用寿命高的目的。本设计由主电路，反馈电路及PWM控制电路组成，主电路通过对输入交流电的整流、滤波、降压、稳压等功能得到输出所需的直流电流，反馈电路检测输出电流的改变，并由PWM控制电路控制场效应管的开断，改变其输出脉冲占空比实现输出电流相对恒定的目的。关键词：开关电源；恒流；LED驱动电路AbstractWith the power of the development of electronic technology, LED because of environmental,long life,high efficiency photoelectric many advantages,In recent years in all sectors to rapid application development,while In recent years, the switching power supply in electrical and electronic industries accounted for a very important position. This drives the LED Switching Power Supply concerns have become hot focus.This paper mainly through analysis of the voltage and current characteristics of LED lighting and the several driven approach，the final selection of a constant current approach to the design driven power. In order to achieve to ensure the security of the use of the LED, the brightness and stability, the life of high purpose. Designed by the main circuit, the feedback circuit and the PWM control circuit, the main circuit by the AC input rectifier, filter, blood pressure, and voltage regulator functions to output the desired DC current, feedback circuit detects the output current changes by PWM control circuit to control the FET switching, changing its output pulse duty cycle is relatively constant output current. Keywords: Power Supply;Constant current; LED目 录第1章 概 述11.1 LED的发明11.2 LED的工作原理21.3 LED照明应用的国内外现状31.4 LED驱动简介7第2章 开关电源原理92.1 原理简介92.2 电路原理102.3 脉宽调制（PWM）技术112.4 功率因数校正122.5 本章小结13第3章 硬件电路设计143.1 系统设计框图及工作原理简介143.2 主要元器件介绍143.3 输入电路的设计183.4 控制及反馈电路的设计193.5 输出电路的设计203.6 整体电路图213.7 典型性能参数223.8 本章小结22结 论23参考文献24致 谢25附录1 实物图26附录2 系统原理图27附录3 PCB图28附录4 元器件清单29第1章 概 述白炽灯时代即将过去了。整个20世纪，爱迪生发明的白炽灯经受住了时间的考验，成为标准的通用照明工具。但新的照明技术尤其是发光二极管必将最终代替白炽灯和荧光灯LED 这几年发展较快，在大功率照明市场使用LED 越来越变为可能，虽说还不是特别成熟，最少是广众关心的话题之一，照明未来被LED 光源取代将无可置疑。受世界经济影响，都在寻找未来的新的经济增长点，投资LED 方面的资金，会越来越多，加速LED 进程是必然的。LED由于环保，寿命长，光电效率高等众多优点，近年来在各行业得以快速发展，LED的驱动电源也成了关注的热点，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，随着LED应用的日益广泛，LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。本文将介绍基于PT4201的离线式LED照明方案的工作原理。1.1 LED的发明 发明LED的是Nick Holcnyak JR, LED的学理名称是正式发光二极体，是一种半导体固体发光器件，固体半导体芯片作为发光材料，透过环氧树脂封装，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛1。在业界有人称LED光源为长寿灯，意为永不熄灭的灯。由于LED体积小、响应快、寿命长，LED灯具抗震动性好且小，可以提高汽车有限空间的利用率，尤其是在节能问题上，LED成为前照灯新光源的不二之选。目前石油价格飞速上涨，当我们在前照灯上使用普通灯泡时，每个所需的功率为55-60瓦，而使用LED后可能只要3-5瓦，这样就节省了许多能源和消耗。而LED灯具造型的多变不仅为前照灯的设计提供了更大的设计空间和自由度，甚至会导致汽车造型的变革，也就是可能会更具流线型、更新颖时尚。火热的LED议题成为举世焦点，那么最早发明LED的人又是谁呢？很多人也许还不知道，在1962年发明LED的Nick Holonyak Jr.，他当时只是美国大厂通用电气公司(General Electric Company，GE，又称为奇异)的一名普通研究人员，打造出了第一颗红光LED，而且他还认为未来能够发出其他波长的光，意味着LED将有很多种不同的顏色光，未来白炙灯一定会被LED取代掉。1.2 LED的工作原理1.2.1 LED发光机理PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理2。1.2.2 LED发光效率一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如组件材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。因此，关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的，因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。目前的方法主要是：晶粒外型的改变TIP结构，表面粗化技术。1.2.3 LED电气特性电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。在实际使用中，应选择 。LED正向电压随温度升高而变小，具有负温度系数。LED消耗功率 ，一部分转化为光能，这是我们需要的。剩下的就转化为热能，使结温升高。1.2.4 LED光学特性LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移。 LED发光亮度L与正向电流I近似成比例：K=L/I，K为比例系数。电流增大，发光亮度也近似增大。另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。1.2.5 LED热学特性小电流下，LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。所以散热设计很关键。1.2.6 LED寿命LED的长时间工作会光衰引起老化，尤其对大功率LED来说，光衰问题更加严重。在衡量LED的寿命时，仅仅以灯的损坏来作为LED寿命的终点是远远不够的，应该以LED的光衰减百分比来规定LED的寿命，比如35%，这样更有意义。1.3 LED照明应用的国内外现状1.3.1 国内外发展现状半导体灯作为典型的绿色照明光源，孕育出诱人的市场前景。LED应用市场的规模，2004年全球超过120亿美元；2010年全球将达到500亿美元，中国将达到600亿元人民币。据中国光学光电子协会统计，国内市场将保持30%以上的成长速度。据专门对高亮度发光二极管和氮化镓的市场调研公司Strategies Unlimited的主管罗伯特.斯蒂尔表示，由于移动应用的需求巨增（手机，掌上电脑和数码相机）2004年全球高亮度发光二极管市场增长了37%增至37亿美元。斯蒂尔表示，高亮度发光二极管在移动领域的应用的收入为21.5亿美元，占了58%的市场，比2003年增长了7个百分点。不过它在标志、信号以及汽车等领域会稳健增长，会占有13%的市场。至于产品细分，斯蒂尔就表示，白光发光二极管占需求的50%，而蓝绿光发光二极管就占29%。以生产地区来分，45%的高亮度发光二极管来自台湾，韩国和中国的制造商，而25%是由美国生产。 另外，白光发光二极管在手持应用的全色彩显示背光的渗透率已经达到75%。随着移动应用趋于饱和，高亮度发光二极管的增长速度在未来几年会放缓。因此，斯蒂尔建议那些发光二极管的制造商应该集中在其它应用领域比如说汽车照明领域，更大的LCD背光和交通信号灯领域的应用上.科技部建议，在将半导体照明产业纳入国家重点发展的高新技术产业的同时，以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明中的应用。国家计划先从863计划和攻关计划中拿出8000元作为引导经费，安排一些急需上马的项目。 2003年3月，随着大连方大集团“大功率高亮度半导体芯片”等我国“十五”科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目的正式立项，国家半导体照明工程已进入实质性推进阶段。 2003年6月17日，“国家半导体照明工程”协调领导小组召开了第一次电视电话会议。这一会议的举行，表明“国家半导体照明工程”正式启动。2004年3月22日协调领导小组又同中国照明协会中国照明电器协会联合主办了“2004年中国（上海）国际半导体照明论坛”。 去年4月，国家科技部确定厦门、上海、大连和南昌为首批4个国家半导体照明产业基地，今年4月深圳又成为第5个国家半导体照明产业基地。2004年深圳LED产值已超过50亿元，有些企业的产值也达到10亿元，分布在上中下游产业链上的企业有300多家。到2004年全国已有LED各类企业约3500余家，从业人员50余万人，LED器件产量400亿只/年以上（LED应用产品的产量与规模则无法统计），年市场规模大于300亿人民币。国内近年许多高校、研究所和企业在发光材料器件结构封装方式等方面做了大量的研究开发工作，目前功率LED器件光通量已能达到2530lm/瓦。内地众多后道封装企业中，国内较有基础的有佛山光电、宁波升谱光电、厦门华联等企业。台湾LED封装产能在迅速的膨胀已成为世界上最大的LED生产基地，目前主要有光宝、亿光、百鸿等企业。据有关资料，我国针对国外发展趋势和国内的实际情况，去年正式实施了国家半导体照明工程，政策鼓励企业研究开发半导体照明工程，尽快实现产业化，推动传统照明工程转型。1.3.2 全球LED产业现状与发展趋势目前，全球有近200家公司和300多所大学以及研究机构从事氮化镓基LED的材料生长、器件制作工艺和相关装备制造的研究和开发工作，居于领先水平的公司主要有日本的Nichia、Toyota Gosei、索尼、三洋、美国的Cree Lumileds，欧洲的Osram、菲利普、中国台湾的芯片厂家主要有国联、晶元、光磊、广镓、灿元、连威等，封装方面主要有亿光电子、鼎元光电、佰鸿工业等。 这些跨国大公司多有原创性的专利，引领技术潮流，占有绝大多数的市场份额，其中日本的日亚公司是全世界研究和生产LED的"顶尖"单位，十余年来其氮化镓基LED的研究和开发水平一直领先其它单位2-3年。日亚公司在生产白色LED的荧光粉材料方面拥有多项专利，在InGaN白色LED芯片供应上一直占统治地位，但专利技术一直控制在内部使用。Lumileds公司也已开发出最大发光功率达120 lm的白光LED，美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出效率为200 lm/W的白光LED。 面对半导体照明将要形成的巨大市场，世界上各半导体公司和照明公司纷纷投入巨资进军半导体照明市场，美国自2000年起投资5亿美元实施"国家半导体照明计划"。美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体照明所替代，目前，世界上掌握半导体照明技术的半导体公司，都已经纷纷和老牌灯泡制造商结盟，如美国HP联合了日本Nichia和德国西门子，美国Cree、西门子和德国欧斯郎联合，美国EMCORE和GE联合，日本的东芝和本田联合等，其中欧斯郎和GE公司都是世界著名的灯泡制造巨商，通用电气、飞利浦、欧斯郎等世界三大照明巨头，全都启动大规模商用开发计划，与半导体公司合作或并购，成立半导体照明企业，他们还指出，要在2010年前使半导体灯的发光效率再提高8倍，价格降低到现在的1%。1.3.3 国内外LED产业发展现状与态势呈现出的特点全球产业格局呈现垄断局面，主要集中于日本与台湾地区半导体照明产业已形成以亚洲、美国、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。全球LED产业主要分布在日本、台湾两大地区，其中日本2005年的LED产值达287亿美元，占据全球LED产值近50，台湾(包括台湾岛内及大陆分厂生产)LED产值2005年达12亿美元，约占全球LED产值的21列第二。国际大厂引领产业发展，利用技术优势占据高附加值产品的生产日本Nichia、ToyodaGosel，美国Cree、Lumlleds、Gelcore、欧州0rsam等国际厂商代表了LED的最高水平，引领着半导体照明产品产业的发展。日本和美国两大区域的企业利用其在新产品和新技术领域中的创新优势，主要从事最高附加价值产品的生产。其中日本几乎垄断全球高端蓝、绿光LED市场，为全球封装产量第二大、产值第一大的生产地区。产业投资继续加大，国际知名厂商间合作步伐加快，以占据有利市场地位随着市场的快速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产加快抢占市场份额。日本Nicha、ToyodaGosel，美国Cree、Lumlleds等国际著名半导体照明厂两均加大了投资力度。随着LED产业分工与竞争的加剧，国际大厂间的参股投资、代加工、代理销售、专利交互授权、策略联盟等合作步伐正日益加快。如日本住友电工成为美国Cree在日本的销售总代理、Cree和0sram签署长期供货协议，种种迹象表明国际厂商的合作步伐正在加快，以策略联盟共同占据有利市场地位。我国已成为重要封装基地，海内外企业纷纷投资抢占国内巨大市场自2003年实行半导体照明工程以来，我国LED产业已进八快速发展时期，我国下游封装已实现了大批量生产，正在成为世界重要的中低端LED封装基地。受国内下游应用产品巨大的制造能力及市场消费的吸引，除积极介入的民营资本外，台湾地区、香港、韩国及日本的众多投资者都已在我国投资，在提高我国的半导体照明产业技术水平和产业国际竞争力同时，也加剧了国内市场的抢夺大战。行业发展关键驱动因素：(1)新兴市场不断形成，持续推动产业规模增长随着LED发光效率与性能的持续提升与改善，LED已从指示灯、手机背光、显示屏、交通信号灯等成熟应用领域，正逐步向中大尺寸LCD背光、汽车、照明等新兴应用市场渗透应用。从市场发展情况看，中大尺寸液晶背光和汽车灯用LED正在成为增长最快的应用市场，预计未来几年高亮LED的市场仍将以14的速度增长，2009年高亮度LED市场将达到72亿美元。(2)技术创新步伐明显加快，推动LED照明实用化进程面对巨大的市场机会，世界主要公司的新技术不断取得突破性进展，半导体照明技术创新的步伐正在不断加快。日本Nichia继2006年6月推出100lmw,20mA的白光LED产品后，2006年12月又开发出了150lmw的实验室内照明灯用白光LED20062，7月Cree开发出了发光效率达131lmw,20mA的白光LED，2007年初LumIIeds成功开发出了发光效率达115lmw,350mA，光通量为136Lm的大功率白光LED。可以说，白光LED进入普通照明领域的曙光已经显现。(3)联合制定检测与安全标准，规范与促进照明市场发展美日等LED发达国家已广泛联合业界相关机构与厂家，共同协商制定白光LED照明技术标准。检测标准与安全认证的制定出台，将为LED的消费使用保驾护航。如2006年8月美国能源部和北美照明工程(IESNA)联合制定固态照明技术的产业规则和标准，这些规则将是把固态照明产业带入“能源之星”计划的基础之一。“能源之星”标准计划有助于消费者认清市场上LED照明产品的能源效率和高性能，从而促进LED照明产品的采购使用。(4)传统照明巨头主动出击，垂直整合加速形成LED照明体系，传统照明巨头Osram、GE等纷纷看好LED照明发展前景，均已通过外部收购或内部培植组建LED照明业务公司，并已形成LED与照明技术的垂直整合的优势体系。随着LED产业的在照明领域的快速发展，传统照明巨头也希望通过引入新光源的设计而使照明产品更富创新性。因此，LED照明和传统照明两个领域正逐步合二为一，加速形成一种新的照明商业模式，这非常有利于LED照明的迅速推广使用。1.4 LED驱动简介1.4.1 LED驱动简介LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源3。LED驱动一般特性要求（1）高可靠性：特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大。（2）高效率：LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升,对延缓LED的光衰有利。 （3）高功率因素：功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。对于30瓦至40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因素方面有一定的指标要求。 （4）浪涌保护： LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启用和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。（5）保护功能： 电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。（6）防护方面： 灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。（7）驱动电源的寿命：要与LED的寿命相适配。1.4.2 LED的驱动方式 LED驱动简单的来讲就是给LED提供正常的工作条件（包括电压，电流等条件）的一种电路，也是LED能正常工作必不可少的条件，好的驱动电路能随时保护LED，避免LED被损坏。LED驱动通常分为以下三种方式：镇流电阻驱动：就是简单的在LED的回路中串接电阻，通过调节电阻的组织，可以改变LED的驱动电流。 LED的工作电流为： (1-1)图1-1 镇流电阻驱动原理图所以I与镇流电阻成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED的允许范围。此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用小功率LED范围，所以不选择此方案。恒压驱动：就是保持LED两端的电压不变，因为每种颜色的LED的电压都不一样，所以很少用恒压的方式来驱动LED。恒流驱动：顾名思义就是保持LED的电流一直不变，让LED在恒定的电流条件下工作。由于大功率LED是低电压、大电流的驱动器件，当LED电压变化很少时，电流变化很大。LED发光强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED的使用安全性。同时达到理想的发光强度。如果采用恒压方式驱动，LED正向电压的任何变化都会导致LED电流变化。由温度或电压变化引起的特定变压，导致正向电流的降低，正向电压变化11%会导致更大的正向电流变化达30%。电流的变化较大，使LED的亮度不能恒定。所以一般都会选用恒流驱动IC。第2章 开关电源原理2.1 原理简介开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。因为开关三极管总是工作在 “开” 和“关” 的状态，所以叫开关电源。开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。开关电源与变压器相比具有效率高、稳定性好、体积小等优点，缺点是功率相对较小，而且会对电路产生高频干扰,变压器反馈式振荡电路，能产生有规律的脉冲电流或电压的电路叫振荡电路，变压器反馈式振荡电路就是能满足这种条件的电路,开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为其提供了广阔的发展空间。开关电源的框图如图2-1所示。图2-1 开关电源的框图开关电源一般由开关元件、控制电路和滤波电路三部分组成。开关串联在电源的输入和负载之间，构成串联型的电源电路。实际的开关元件常常是功率开关晶体管或MOS场效应管。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。开关接通时，输入电压通过滤波器加在负载电阻上。开关截止时，等于零。开关交替通断，则在滤波器的输入端产生矩形脉冲波。此矩形脉冲再经滤波电路滤波，即可在负载两端产生平滑的直流电压。很明显，直流电压的大小与一个周期中开关管截止时间成正比。越长，越大。因为开关管截止时，从扼流圈流过的电流不能立刻降到零，故增设了一只续流二极管，为此电流提供一条返回通路。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压1。 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。 2.2 电路原理所谓开关电源，顾名思义，就是这里有一扇门，一开门电源就通过，一关门电源就停止通过，那么什么是门呢，开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管，这两个元器件性能差不多，都是靠基极（开关管）、控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。振荡脉冲负半周到来，电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，电源调整管截止，300V电源被关断，开关变压器次级没电压，这时各电路所需的工作电压，就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时，重复上一个过程。这个开关变压器就叫高频变压器，因为他的工作频率高于50Hz低频。那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢，这就需要有个振荡电路产生，我们知道，晶体三极管有个特性，就是基极对发射极电压是0.650.7V是放大状态，0.7V以上就是饱和导通状态， -0.1V-0.3V就工作在振荡状态，那么其工作点调好后，就靠较深的负反馈来产生负压，使振荡管起振，振荡管的频率由基极上的电容充放电的时间长短来决定，振荡频率高输出脉冲幅度就大，反之就小，这就决定了电源调整管的输出电压的大小。那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢，一般是在开关变压器上，单绕一组线圈，在其上端获得的电压经过整流滤波后，作为基准电压，然后通过光电耦合器，将这个基准电压返回振荡管的基极，来调整震荡频率的高低，如果变压器次级电压升高，本取样线圈输出的电压也升高，通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高，这个电压加到振荡管基极上，就使振荡频率降低，起到了稳定次级输出电压的作用，详细的工作情况再次就不做过多介绍了，这样大功率的电压由开关变压器传递，并与后级隔开，返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开，所以前级的市电电压，是与后级分离的，这就叫冷板，是安全的，变压器前的电源是独立的，这就叫开关电源。2.3 脉宽调制（PWM）技术脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。2.4 功率因数校正2.4.1 功率因数校正技术近年来，迅猛发展的电力电子技术使大量的直流开关电源更加广泛的应用在计算机、通讯设备、电力电子系统等众多领域，老式笨重、低效率的电源被众多轻巧、高性能的新型电源所取代。传统的AC/DC电能变换器和开关电源，其输入电路普遍采用了全桥二极管整流，输出端接到大容量电容器滤波器。虽然整流器电路简单可靠，但它们会在电网中吸取高峰值电流，使输入端的交流电流波形发生畸变，产生谐波，导致功率因数比较低。许多先进国家已经明文规定单台机器入网的最低功率因数限制，以提高电网供电质量，节约能源。2.4.2谐波的产生及防范措施目前，在广泛应用的电力电子设备中，整流装置所占的比例很大，常用的整流电源大部分采用晶闸管相控整流或二极管不控整流方式。其中，电容滤波式不控整流器的输入电流基波分量与电源电压相位大体相同，但是输入电流的谐波含量很高，这样就会给电网带来很大的谐波污染，使得功率因数较低。解决谐波问题的主要思路有两种，一种是被动的方式，即在电网侧对已经产生的谐波进行补偿。另一种是主动的方式，即对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控制策略进行改进。使其产生较少甚至不产生谐波，使得输入电流和输入电压同相，达到提高功率因数的目的。2.4.3谐波补偿和功率因数校正概念的提出在过去的几十年中，为了补偿由电力电子设备带来的无功功率和谐波，已经提出了很多方法。大体上可以分为无源补偿和有源补偿两种方式。功率因数校正技术大致可分为无源和有源两类。无源PFC：对于早期的无源PFC,电网输入端先串联笨重的大电感器、大电容器。而之后产生的改进的无源PFC，在全波整流器之后再串接C-L-C滤波网络，它可用于镇流器和小功率电源中。新型的无源PFC是在全波整流器之后串接多个二极管与电容器组合的D-C网络。这种功率因数校正方式又被称为“填谷式”PFC电路，它主要是在二极管整流桥前面串接一个电感和电容组成的滤波器，可以使得整流桥中二极管的导通角增大，从而使得电流波形得到明显改善。这种无源的功率因数校正电路结构简单可靠。无源补偿的基本原理是利用电容器提供的超前无功电流补偿电网的滞后无功，利用电感、电容构成的各次谐波滤波器、陷波器，吸收电网基波频率以外的谐波。有关无源滤波器的研究已趋于成熟，在实际系统中已经得到广泛的应用。但是，无源滤波器也存在明显的缺陷。主要表现为电容器对无功的补偿是固定的，对负载变化的适应性差。无源滤波器尤其是低次谐波器的体积重量都相当可观。并且容易和系统发生谐振，使得滤波器过载甚至烧毁。有源PFC：低频有源PFC主要指大功能晶闸管电路。高频有源PFC是基于Boost变换器的PFC电路。另外还有其他PFC新技术如软开关PFC、三电平PFC、磁放大器PFC技术等。高频有源功率因数校正技术是抑制电网交流输入谐波电流污染最佳的方法。它通过相应的一个或两个反馈控制电路。使输入电流平均值能自动跟随全波整流电压基准，并维持支流输出电压稳定。PFC电路使变换器的输入电流于输入电流波形均为正弦波形，并把两者校正为相同相位，它的作用可以看成把变换器电路当作一个电阻器，故也称为“电阻仿真器”。有源功率因数校正技术主要有乘法控制PFC技术和电压跟随控制PFC技术。2.5 本章小结 本章重点介绍了开关电源原理，脉宽调制技术及功率因数校正，为更好的设计电路做了理论上的准备。第3章 硬件电路设计3.1 系统设计框图及工作原理简介交流输入整流滤波功率变换整流滤波稳压电路恒流输出取样电路光耦反馈电路PWM控制电路开关管电路控制电路 图3-1 系统设计框图本电源的主要电路是由整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路、反馈电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。通过光耦检测输出电流并通过改变输出脉冲占空比达到控制输出电流相对恒定的目的。3.2 主要元器件介绍由于本设计是采用恒流源驱动，故采用目前应用较为广泛，廉价且性能比较稳定的驱动芯片PT4201。PT4201是一款工作于电流模式、可驱动1W至30W照明或射灯的高亮度LED驱动控制器，适用于1W至30W的各种LED照明和射灯应用，包括E27、PAR30、PAR38等。基于PT4201的隔离式光耦反馈的高亮度LED驱动系统具有恒流精度高、外围电路简单、无闪烁和EMI辐射低的显著优点。在正常工作状态下控制器的振荡频率可以通过外部电阻精确设定。同时，PT4201的前侧消隐电路帮助克服外部功率器件开启瞬间的电压毛刺，能有效避免控制器的误动作造成的LED灯闪烁。内部集成的电流斜率补偿功能提高了系统稳定性。PT4201提供完善的保护功能以提高LED照明系统的可靠性，包括逐周期过流保护（OCP）、VDD过压保护（OVP）以及VDD欠压保护（UVLO）等。OUT输出脉冲高电压被嵌制在18V保护外部功率MOS。短路保护功能防止LED负载短路时损坏系统。PT4201提供SOT23-6封装。特点：(1)低成本反激方案；(2)频率抖动改善系统