毕业设计18W LED日光灯开光电源设计.doc

目录摘 要31 概 述31.1 选题的目的与意义31.2 研究现状31.3 电源性能指标42 方案选择42.1 主要方案42.2 方案选择52.3 芯片选择52.3.1芯片功能52.3.2芯片特性说明52.3.4内部功能简单框图62.3.5封装示意图73 方案设计73.1设计思路及系统组成框图73.1.1设计思路73.3.2系统组成框图83.2 总体功能描述83.3 硬件电路设计93.3.1总体电路原理图93.3.2电路元件列表114 小结12结束语12参考文献13致谢1318WLED日光灯开光电源设计Xxx 指导老师 xxx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。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得亮度稳定。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。关键词 开关电源；恒流；LED驱动电路1 概 述1.1 选题的目的与意义全球能源紧张，提高电器的效率是行之有效的方法。照明用电占据全球21%的总用电量，如果能提高照明用的效率，可以有效缓解能源紧张。如何提高照明系统的能源利用率，延长照明系统的寿命，并且是绿色无污染的？取代白炽灯、荧光灯、节能灯的第四代照明灯具是什么？业界给出的答案就是LED等照明。LED照明每W流明数可达120lm。远高于白炽灯和日光灯，此外LED灯珠寿命可长达十万小时，并且绿色无污染。LED照明具备的这些优点决定了其应用前景是非常广阔的。LED照明应用上的限制在于LED有固定的正向压降，电流也有上限（工作电流使影响LED寿命的主要因素）。大功率白光LED上的正向压降一般为3-4V，不能直接使用市电驱动。因此一个和LED灯珠匹配的高效、环保长寿命的电源时必须的，这正是这次选题的意义与目的所在。1.2 研究现状开关电源的技术已经非常成熟，由于LED驱动的压降技术大部分采用开关电源。因此即使是LED驱动电源真正进入研究的时间不算长，却无碍其技术的成熟。LED驱动要求的技术特点是：寿命长、体积小（特别商用照明和家用照明，最好可以内嵌到灯头）。总所周知，绝大部分开关电源都需要一个输出滤波的电解电容，即使高品质的电解电容，工作在100摄氏度左右，寿命也只有1Wh左右。毫无疑问，电解电容正是LED灯整体寿命的瓶颈。而内嵌式驱动板上的电解电容，由于LED的发热以及驱动板本身的发热，长期在高温工作，更使电解电容寿命减短。目前已经有集成电路，无需输出电解电容，仅需几个外围就能直接驱动LED发光。这使得LED照明的长寿命的特点确实得到保障。另外一点，限制LED灯寿命是工作时的温度，目前台湾某技术机构方法解决，使LED灯珠像一个灯一样可拨插，使LED等成为可维护产品。除了技术上的创新外，还有组合上的创新，例如加入调光技术（模拟调光、数字调光、Triac调光）；用三色LED组成色光可调系统；采用频率抖动技术减少EMI；加入功率因数校正电路等。1.3 电源性能指标1、主输出最大功率为18W；2、输出电流为恒定240mA；3、最大输出电压为72V；4、满负荷下转换效率85%；5、负载为240mA时最大纹波为5mV；6、因为没有添加功率因数模块，因此PF值0.90；7、可以驱动288个高亮度LED。2 方案选择电源首要的要求是效率高，效率高的产品，发热就低则稳定性就必然高。通常在电源部分有用隔离及非隔离两种方案，隔离的体积偏大，效率较低，在使用中，安装方面都会产生很多问题，不如非隔离产品的市场前景大，在此主要采用非隔离的驱动方案。以下列出四个非隔离的电源设计方案。2.1 主要方案方案1 LED专用宽电压线性恒流驱动器（恒流三极管）恒流三极管为LED电路提供恒定电流的器件,使电路具有简单、经济、可靠等特点。LED三极管在一定电压范围内恒定电流。带有负温度系数，在极端的电压和工作温度下保护LED免受热失控影响。线性恒流三极管为在宽电压内恒定电流效果最佳的产品，体积小，封装有TO-92（普通直插的三极管）、SOT-89-3、SOT-223三种，恒流三极管只需要保证输入电压减去LED串总电压的数值不超过90V（输入-输出的最大电压）即可，可完全替代复杂且烦琐的恒流源电路，非常适合用于体积小的LED灯具产品。具有成本低廉、结构简单、寿命可靠等特点。LED恒流器不需外加元件，可直接应用于120/220Vac交流供电回路中，120/220Vac交流市电输入经过桥式整流后，只需要保证输入电压减去LED串总电压后所剩下的电压不超过恒流三极管输入-输出90V即可。方案2 SMD802 非隔离型 内置方案SMD802芯片特点:效率大于90%，输入电压范围85VAC265VAC或8VDC450VDC，恒流方式驱动LED，驱动电流从几毫安至1A，能驱动1个至数百个LED，外部PWM调光，并带有EN使能,同时支持线性调光。电源模块特点:过压保护，过温保护，短路保护，开路保护。输出电流从几mA至1A 输入电压90264VAC，功率因素大于0.85 纹波小于100mVp-p，效率大于91% （注:在模块组装完,没有调试之前,Pf通常能达到0.83,效率能达到90%），可提供15W、18W、20W方案及DEMO板及芯片SMD912隔离型外置方案。输入电压范围：AC90V264V 输出电压：恒压12V 输出电流：恒流1A 效率：大于75% 输出纹波及噪声：小于130mVp-p 具有短路保护,过流保。方案3 基于PT4107的电源设计PT4107是一款高压降压式PWM LED驱动控制器，通过外部电阻和内部的齐纳二极管，可以将经过整流的110V或220V交流电压箝位于20V。当Vin上的电压超过欠压闭锁阈值18V后，芯片开始工作，按照峰值电流控制的模式来驱动外部的MOSFET。在外部MOSFET 的源端和地之间接有电流采样电阻，该电阻上的电压直接传递到PT4107芯片的CS端。当CS端电压超过内部的电流采样阈值电压后，GATE端的驱动信号终止，外部MOSFET关断。阈值电压可以由内部设定，或者通过在LD端施加电压来控制。如果要求软启动，可以在LD端并联电容，以得到需要的电压上升速度，并和LED电流上升速度相一致。PT4107的主要技术特点：从18V到450V的宽电压输入范围，恒流输出；采用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源来调制振荡频率，这样可以扩展音频能量谱，扩展后的能量谱可以有效减小带内电磁干扰，降低系统级设计难度；可用线性及PWM调光，支持上百个0.06W LED的驱动应用，工作频率25kHz-300kHz，可通过外部电阻来设定。方案4 基于SM8013的电源设计SM8013恒流驱动IC为85265V交流电全电压输入范围，可驱动高功率LED，具多重保护机制的LED照明控制IC，用于LED日光灯管，LED省电灯泡，LED吸顶灯，LED球泡灯等应用。为快速成长的全球照明用LED驱动市场需求提供简单高效率的解决方案。已经被韩国与中国大陆的灯具厂广泛地使用在LED日光灯管，LED球泡灯等应用,并通过多项国际认证机构之认证。SM8013采用非隔离型高端降压式控制架构，以固定操作频率来降低干扰。广鹏科技创新专利的辅助电源及负载故障保护技术，除了提高整体效率，降低IC本体温度以外，更提供输出过电压保护，输出短路保护等多重保护机制，可提高系统运作时的稳定性与安全性。SM8013的最大可驱动电流由外部电晶体规格决定，实际LED驱动电流则由一电阻设定。30uA超低启动电流，可降低系统功率消耗提高效率。欠压锁定保护(UCLO)电路在多颗LED发生短路，或是输出级发生异常短路时，使IC停止工作，直至异常短路状态被排除，以避免IC温度升高，过热保护电路会在IC温度过高时，触发过热保护机制并关闭整个驱动电路以免烧毁，当温度下降后，会自动重新启动并输出电流。2.2 方案选择方案1 虽然比较简单经济，但它也存在局限性：其一，对于体积小的LED灯具产品很适用，然而对于功率大的，体积大的LED灯具不太适用了；其二，需要保证输入电压减去LED串总电压后所剩下的电压不超过恒流三极管输入-输出90V，这个要求限制了它适用的范围。方案2 虽然没有什么明显的缺点，但相对于方案4 ，就略显下风。目前非隔离方案因其效率高而占主流，而用PWM LED驱动控制器来做LED日光灯驱动电源的又占绝大多数。PT4107是一个典型的PWM LED驱动控制器，而方案3 是一个典型的LED电源方案，但它设计起来相对于方案4 较为繁琐和昂贵。所以，在这里我们便采用了方案4 来设计LED日光灯电源。2.3 芯片选择2.3.1芯片功能SM8013是一个高性能的电流型PWM控制芯片,通过驱动外部高压MOSFET管,组成大功率的开关电源.它有很小的启动电流和工作电流,保证较低的待机功耗和很高的工作效率.通过调整外围器件,改变PWM工作频率,使之满足各种客户的需要.空载或者轻载的情况下,芯片会降低PWM工作频率(>22KHz),从而进一步降低开关损耗. SM8013还拥有性能优异的过电流保护(OCP)、过载保护(OLP)、芯片VDD过压嵌位和欠压锁定功能(UVLO).同时芯片驱动输出最大电压保持在18V,保证外部高压MOSFET管安全可靠的工作.内部抖频功能,保证电源系统有很好的EMI性能. 2.3.2芯片特性说明1. 外围电路元件少,成本低 2. 很低的待机功耗(AC240V,功耗小于0.3W) 3. 过流保护、过载保护 4. 优异的芯片过压嵌位和欠压锁定功能(UVLO) 5. 封装格式: DIP-8 SOT23-6 6. 很小的启动电流(5A)和很小的工作电流(2mA) 7. 通过调整外围电阻,改变开关频率. 8. 驱动输出电压小于18V,保护高压MOSFET管 9. 输出功率为:70W以下 2.3.3 芯片应用1. 各种电池充电器,适配器等 2. DVD、VCD、机顶盒等各种电源 3. 通用离线式开关电源系统 4. 非隔离式电源系统(白色家电,电磁炉等)2.3.4内部功能简单框图图1 芯片SM8013内部功能框图2.3.5封装示意图图2 SM8013管脚图表1 管脚说明表名称功能说明VDD芯片电源GND芯片地FB反馈输入脚。PWM占空比变化取决于FB和SENSE脚的输入电压RIPWM振荡频率设置脚。通过调节连接在RI和GND之间的电阻来改变PWM频率。SENSE电流检测输入脚。GATE标识电极的门驱动电源MOSFET的输出表2 元件参数表极限参数（TA= 25） 符号 说明 范围 单位 VDD 芯片工作电压 <23 V VDDclamp芯片嵌位电压 VDD0.1 V IDDclamp芯片嵌位电流 10 mA VFBFB输入电压 0.37 V VRIRI电压 0.32 V Tj结温 -20150 Tstg存储温度 -55160 3 方案设计3.1设计思路及系统组成框图3.1.1设计思路考虑到家庭常用的是5*1W，或6*1W，商用照明常用的是1*1W到12*1W，本设计采用恒流输出，输出电压随负载大小自动调节的适用广泛的设计。考虑到国内采用50HZ、220V的供电系统，而美国、欧洲、日本居民用电从110V-240V不等，再考虑到网压10%的波动，系统把输入放宽到从85V-265V。本着设计一款符合社会要求的真正节能、节钱、长寿的LED驱动电源的思想。在能效转换和产品成本上作出折中的选择，转换效率要求在75%以上；元件选择尽可能采用了常见型号，满足要求的情况下，尽可能采用国产的元器件。对于批量生产，能有效降低成本，使LED照明更容易走进人民生活。3.3.2系统组成框图过压、欠压、过热保护电路LED灯源阵列输出电流软启动电路续流二极管镇流电感保护与EMC滤波整流滤波与PFC电路降压稳压PWM控制电路电流取样图3 系统框图3.2 总体功能描述SM8013是一个高度集成的PWM控制芯片，针对75W以内的离线式反激转换电源进行优化设计。优异的突变模式控制(BURST MODE CONTROL)极大的降低待机功耗，使系统更好的满足国际上节约能源的需求。1） 启动电流和启动控制SM8013的启动电流很小，大约5A,使芯片快速充电越过UVLO阀值电压，保证系统快速启动。因此在实际应用中可以使用一个阻值较大的启动电阻来降低系统的功耗。例如在AC/DC适配器，在通用的输入电压范围内，可以使用2M 1/4W的电阻，进一步降低系统的功耗。2） 芯片工作电流SM8013的工作电流大约为2.8mA，在空载或者轻载的情况下，并通过突变工作模式，使系统的功耗降低。3） 频率抖动为满足EMI的要求，SM8013内部含有频率抖动，减少传导波段的电磁干扰，降低系统EMI设计的难度。4） 突变工作模式在空载或者轻负载的情况下，开关电源的功耗主要是高压功率管的开关损耗、变压器的线损、吸收回路的损耗等等。功耗跟在一定时间内开关次数成正比关系，因此降低高压功率管开关次数，可以降低功耗。SM8013可以根据不同的负载，自动调整开关模式。在空载或者轻负载的情况下，FB脚被拉低到突变模式阀值以下，芯片进入突变工作模式，也就是降低PWM工作频率。只有当VDD电压降低到某个预置电压和FB脚处于开启状态时，GATE脚才有开关输出。否则，GATE脚一直保持关闭状态，尽最大可能的降低开关损耗，减少待机状态的功耗。不管在任何负载的情况下，PWM的工作频率总高于音频（即：>22KHz）。5） 振荡器通过调整RI脚到地的电阻，改变芯片内部恒流源电流的大小。这个电流对内部的电容进行冲放电，改变电流的大小，也就改变了冲放电的时间，振荡频率也就确定下来。其中RI跟PWM振荡频率的关系有以下公式可得： 6） 电流检测和内置前沿消隐电路SM8013是电流模式的PWM控制芯片，内部含有逐周期电流限制。芯片通过检测SENSE脚外接电阻的电压来检测开关电流。内置前沿消隐电路通过延时消除了高压功率管在开启瞬间产生的尖峰，这样就不需要在SENSE脚外接RC滤波电路。因此在这个延时时间内，电流限制比较器不工作，也就消除避免由于尖峰干扰，关闭外部高压功率管。 7） 内部同步斜率补偿内置的斜率补偿电路在SENSE脚输入电压上增加了一个电压斜率补偿，极大的提高了电源系统的稳定性，同时还避免了次谐波振荡的发生，从而降低了输出纹波电压。8） GATE驱动SM8013的GATE脚直接与MOSFET的栅极连接。GATE输出内部有一个18V输出嵌位二极管，保护高压MOSFET的栅极，避免由于芯片VDD的电压过高导致MOSFET的栅极击穿。9） 保护控制有可靠的过流保护（OCP）、过载保护（OLP）、过压嵌位、欠压锁定功能（UVLO）。3.3 硬件电路设计3.3.1总体电路原理图图3 总体电路原理图输入保护与EMC电路图4输入保护与EMC电路通过FS1保险丝对电路起到短路保护作用，为了使设计的设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力，设计了该电磁兼容性（EMC）电路，采用NTC热敏电阻和5D471压敏电阻，由于 NTC 为负温度系数的电阻，即冷态电阻较大，而当周围温度上升时其电阻值表现出随温度上升而下降的趋势；NTC与CY2组成RC电路，CY2与L4组成LC电路，其共同组成滤波电路，其目的是消除导线上的干扰信号，防止电路中的干扰信号传到导线，借助导线辐射，也防止导线接收到的干扰信号传入电路。整流滤波与PFC电路图5 整流滤波与PFC电路(1)整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电.   在小功率直流电源中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和三相整流电路等。由图可看出，本设计采用单相全波桥式整流电路，用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此，利用四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的直流电压和电流。(2)填谷式电路分析：阶段一：在交流电正半周上升的阶段，D2导通，电压沿着从C2到D2到C3的串联电路给C2和C3，同时向负载提供电流，其充电时间常数很小，充电速度很快。阶段二：正半周的输入电压到达峰值UP时，C2和C3上的总电压等于峰值的电压UP，所以两者的压降等于UP/2。此时D2导通，D1和D3被反向偏置而截至。阶段三：当电压UP下降时，D2截至，立刻停止对C2和C3进行充电。阶段四：当电压下降到UP/2时，D1和D3被正向偏置而变成导通状态，C2和C3上的电荷分别通过D1和D3构成的并联电路进行放电，维持负载上的电流不变。由此可知，从阶段一到阶段三，都是由电网供电，仅在阶段四由C2和C3上的存储电荷给负载供电。(3)采用有源PFC电路至少具有以下特点：1） 输入电压可以从90V到270V；2） 高于0.99的线路功率因数，并具有低损耗和高可靠等优点；3） IC的PFC还可用作辅助电源，因此在使用有源PFC电路中，往往不需要待机变压器；4） 输出不随输入电压波动变化，因此可获得高度稳定的输出电压；5） 有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/120Hz（工频2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容续流二极管图6续流二极管续流二极管UF208和T1、R17元件构成回路，防止电压电流突变，提供通路。电感可以经过它给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用。当开关管7N60关断时，续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量，防止感应电压过高，击穿开关管。稳压电路：当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也将随之变化，因此，稳压电路的作用是使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电网电压和负载的变化而变化。3.3.2电路元件列表元件数量规格描述IC11SM8013 AC/DC PWM ICFS11保险丝NTC1负温度系数热敏电阻器CY211UfX2 275VAC2,3,7310Uf/400VC41682J/630VC5133Uf/35V-DIPC61104-0805L412MhDB1MBIOSD1,2,33M7D41IN4148-LL34D5-A,D5-B2UF208-DIPD6,7,83SS210M7R1,22220K-1206R31470K-1206R411K-1206R51100R-0805R6191K-0805R7151R-1206R811R8-1206R9,1021K-1206R11133R-1206R12124R-1206R13147R-1206R1415R6-1WR15,162200R-0805R171220KZD1,2224V-LL34T11TIBT11TIAQ114N60-DIP 7N60U21PC8174 小结这种非隔离式电源的主要技术特点：72V 的宽电压输入，240mA恒流输出；采用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源来调制振荡频率，这样可以扩展音频能量谱，扩展后的能量谱可以有效减小带内电磁干扰，降低系统级设计难度；可用线性及PWM 调光，支持288个LED 的驱动应用，工作频率25KHz-300KHz，可通过外部电阻来设定。 非隔离恒流源的优点是简单、指标高，它的输出电流可以按LED 串并联的个数决定。但是大多数情况下，它的输出电流不能太大，输出电压也不能太高。本设计是由288 个小功率LED连接成24 个串联，12 串并联，每串20mA，一共240mA。体积也可以做得很小，通常是做成长条形的，以便放进T10 或T8 的管子里。结束语由于时间上的关系和实验设备，本设计的技术参数和很多相关的标准并没有通过具体的有力验证。只能在理论上给以论证和说明。本论文绝大多数的设计思想和方法都是现有的、成熟的理论支持下进行的，可靠性和可行性都很高，不但符合开关电源的设计要求，而且符合驱动LED在各方面的条件。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，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、重量轻的开关电源奠定了基础。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借口或通过局域网来实现编程或控制功能，是目前高效率、多功能开关电源的最佳解决方案。亦能为驱动LED设计出最佳大方案。本文主要通过对电源的各个电路模块和反馈电路和PWM控制回路的设计和优化达到本次设计的要求，还对LED本身的电压电流特性的认真考虑，针对恒流驱动LED串做出的电路设计。随着电子技术的发展，电子产品的集成度和布线密度都将大大提高，电子产品正向着多功能、小型化和高效率的方向发展，其中离不开电源的小型化和高效率。开关电源的发展还将很长远。而且对于驱动LED的电源方向目前的研究还没有完全应用到开关电源的高品质的设计，所以LED驱动电源的发展是有很大的前景的。参考文献1 杨旭、裴云庆、王兆安。开关电源技术。北京：机械工业出版社2沅喜明，姚为正。电力电子技术。北京：高等教育出版社3pdf资料.电流型PWM控制芯片SM8013。深圳市启芯微电子有限公司网站提供4LED照明驱动开关电源设计。百度文库5AC-DC非隔离式LED驱动电路的设计。豆丁网文档6LED驱动电源的知识。豆丁网文档7 茂于海.LED日光灯的性能、电源、结构和寿命。上海龙茂微电子有限公司 致谢对于本次毕业设计，由于经验和所学知识的局限性，难免有许多的事情不是很完整，存在着比较多的问题。幸好此次的设计得到了同学们的极大帮助，尤其是指导老师的悉心关照。值此论文浮子之际，谨向我的导师、老师致以最深的谢意！感谢一直以来他们给予学习和生活上无微不至的关怀和帮助！*老师在论文设计的各个阶段都给予了细心的指导，帮助解决设计上的各种问题。所以本次的论文得以顺利完成，万分感谢陈老师。同时，我要感谢学校、学院，以及四年来教导过我的老师表示衷心的感谢，是他们教会了我专业的知识。在这里我特别要感谢07电子的同学们。无论是在学习上还是生活上，他们都给予了极大的支持和悉心的指导。在课题的研究、论文的整理、资料的收集等方面，得到了同学们很大的帮助，占有了他们许多宝贵的时间，而且在生活方面也给予了极大的帮助，在此也向他们表示由衷的感谢。在论文即将付印之时，对以上老师、朋友以及同学们给予我真诚的帮助再次表示万分的感谢。