LED灯带驱动电源的设计【毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）LED 灯带驱动电源的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录引言 .11 本文研究的主要内容 .12 电路设计 .22.1 设计的技术指标 .22.2 开关电源电磁干扰（EMI）滤波器设计 .42.2.1 电磁干扰滤波器的电路结构 .42.3 输入整流桥的选择 .52.4 有源功率因数校正电路（APFC） .62.4.1 输入电容计算 .72.4.2 Boost 电感计算 .72.4.3 输出电容计算 .82.5 变压器的设计 .82.5.1 反激电路 .82.5.2 正激电路 .92.5.3 变压器的分布参数 .

2、102.6 反馈电路 .133 PCB 制作 .143.1 布局的设计 .143.2 布线的设计 .14结论 .15摘 要LED 因其高效、节能、环保、寿命长、色彩丰富、体积小、耐闪烁、可靠性高、调控方便等诸多优点等特点受到人们的广泛关注，被认为是21世纪最有前途的照明光源。目前市电供电的 LED 驱动电源质量参差不齐、效率和可靠性较低、EMC 不达标等，因此研究适合市电照明的 具有很强的理论意义与现实意义。本文首先阐述了 LED 技术及发展、开关电源技术、开关电源功率因数和PFC 技术的发展及现状，其次制定了整个系统的设计方案，包括各项技术指标以及保护功能。接着对有源两级 PFC 和有源单级

3、 PFC 进行了分析和对比，还对正激拓扑和反激拓扑进行比较，EMI 介绍。采用带控制芯片 TOPswitch-GX 的反激式电路。最终实现高效率的24WLED 驱动电源，输出为12V/2A 设计的24W 电源效率达到85%以上，功率因数达到90%以上，高效率降低了电源的温升，提高了电源的可靠性。关键词LED；开关电源；功率因数；EMI 滤波器1引言随着社会的不断发展，人类对能源的需求越来越大，当今能源危机加重，使得各行各业不得不考虑节能，低功耗、节能已经成为衡量各项技术的关键指标。照明是人类能源消耗的重要方面，目前在电力的消耗中，欧美发达国家照明用电占发电总量的比例约是 20%，我国也达到 1

4、2%，这一比例每年将会逐步提高。随着 LED（Light-Emitting Diode）技术的发展，LED 照明在能源告急的今天得到世界各国的高度重视，LED 具有高效节能、无汞毒害、长寿命等优点。采用 LED 技术可以节电 50%以上,LED 灯驱动成为当前研究的热点。本文根据 LED 特性对此架构进行了描述，同时在对其原理进行描述的基础上提出了一种适合 LED 灯照明的驱动电源。标志开关电源特性的参数有功率、电压、频率、谐波及带负载时参数的变化等，在同一参数要求下，又有体积、重量、形式、效率、可靠性等指标。随着人们对电源质量的要求不断提高，效率高、体积小和谐波污染低的开关电源已成为研发的主

5、要方向。采用新型电路结构，尽可能地提高 AC/DC 变换效率，并采用控制电路简单的有源功率因数校正（Active Power Factor Corrector ，APFC）控制器是提高开关电源的效率一个有效的途径。本课题将设计出一种功率因数高、谐波小的开关电源，而且整机效率高，控制简单，结构紧凑，可靠性较强，因而具有一定的实用价值。1 本文研究的主要内容本课题从 LED 的电、光、热特性出发，对当前 LED 的驱动电路进行分析和总结。针对要求安全隔离、高 PF、高效率的场合，选择适合 LED 驱动的低成本方案，对选定的电路进行优化，设计采用单级 APFC 反激式电源并联驱动串并混连的 LED

6、灯带，较好的实现 LED 灯的驱动。在单级电路中实现了高 PF，通过优化变压器的设计、采用高集成度开关电源控制芯片提高了 LED驱动电源的效率，降低了 LED 驱动电源的体积，降低了温升，提高了可靠性。本文的主要研究内容如下：（1）LED 灯驱动电源设计方案的确定2LED 灯用的驱动电源方案较多，本文选用了单级 APFC 反激式开关电源作为 LED 灯的驱动方案。（2）单级 APFC LED 驱动电源的研究确定 LED 灯驱动方案后，对电源系统优化设计 1。硬件电路设计包括EMI 滤波电路设计、功率因数校正电路设计、变压器的优化设计、提高效率设计、恒流限压驱动电路设计等。其中，对电路器件参数优

7、化设计确保有较高的功率因数；分析变压器的工作原理，优化变压器的设计使其具有高的传输效率和较低 EMI；功率因数校正电路采用基于 Boost 电路的 PFC 变换器，实现功率因数校正的同时也实现了降压和高低压的电气隔离，设计出专用EMI 滤波器降低电源对电网的干扰，优化了电源 PCB 的热设计。（3）系统测试与结果分析设计制作了一块输出 24W，输出电压为 12V，输出电流为 2A 的电源 2。对设计的驱动电源的功率因数，恒流限压、高效率及稳定性进行验证与分析；箝位电路与效率进行了测试分析；对变压器的效率和电源电磁兼容传干扰等进行测试分析及优化，并对结果分析。2 电路设计2.1 设计的技术指标本

8、次设计中的开关电源的整体方案。开关稳压电源指标要求为：输入电压：单相 AC220(14-15)V,50Hz输出电压：DC12+1.5V输出电流：2A稳定度：大于或等于 90功率因数：大于 09效率：大于等于 85具有输入过压、欠压、过流保护，输出过流、过载保护等功能3LED 灯带驱动电源是 220V 市电输入，经过整流滤波，变压器变换，再整流滤波，输出平稳的直流电，用来驱动 LED3。LED 驱动电源系统结构的组成框图如图 2-1 所示。该系统包括 EMI 电路、整流桥、变换器、PFC 功能、PWM 控制、反馈电路等六部分组成。图 2-1 电源系统结构框图最终的设计结果如下图所示图 2-2 最

9、终设计电路图EMI 电路整流变换器 整流、滤波 输出PFC PWM控制器反馈电路42.2 开关电源电磁干扰（EMI）滤波器设计开关电源电磁干扰滤波器是无源网络，它具有双向抑制性能 4。将它插入在交流电网中与电源之间，相当于这二者的 EMI 噪声之间加上一个阻断屏障，这样一个简单的无源滤波器起到了双向抑制噪声的作用，从而在各种电子设备中获得广泛的应用。开关电源由于功耗小效率高，体积小，重量轻，稳压范围广，电路形式灵活等特点，广泛地应用于计算机、通信等各类电子设备。但是随着开关电源的小型化，开关就要高频化，这种高频化，其基波本身也就构成了一个干扰源，发出一种更强的传导干扰波，此外通过改进元器件达到

10、高频化的同时，也会因辐射干扰波而导致一种超标准值的杂散的信号。这些信号构成了电磁干扰(EMI)，被干扰对象是无线电通信。为使无线电波不受电磁干扰的影响，就要采取措施限定这种电磁干扰，使之符合有关电磁兼容(EMC)标准或规范，这已经成为电子产品设计者越来越关注的问题。2.2.1 电磁干扰滤波器的电路结构开关电源 EMI 滤波器的电路如图 2-3 所示。图 2-3 电磁干扰滤波器基本电路该五端器件有两个输入端，两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地 5。电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感)L、滤波电容 C1C4。L 对5串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过精

11、合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。当有共模电流通过时，两个线圈上产生的磁场就会互相加强。L的电感量与 EMI 滤波器的额定电流 I 有关，见表 2-1。当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流 6。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。C 1和 C2采用薄膜电容器，容量范围大致是 00lF047F，主要用来滤除串模干扰。C 3和 C4跨接在输出端，并将电容器的重点接通大地，能有效地抑制共模干扰。C 3和 C4的容量范围是2200pF0.1F。为减少漏电流，电容器

12、量不宜超过 0.1F。C 1C4的耐压值均为 630VDC或 250VAC。表 2-1 电感量范围与额定电流的关系额定电流 I(A) 1 3 6 10 12 15电感量范围 L(mH) 823 24 0.40.8 0.20.3 0.10.15 0.00.082.3 输入整流桥的选择整流桥的反向击穿电压 UBR应满足： max25.1uRM交流输入电压范围是 180250V， ， ，计算出max0V42RMUUBR=442V。输入有效电流： cosminuPIRMS其中，P O=24W， ，设电源效率 ，取开关的功率因数min180uV%85，则 。整流桥额定的有效值电流为 IBR,应使9.0c

13、os7.RMSI6,取 IBR=0.4。34.017.2RMSBI由上，可选用 1N4005(1A/600V)整流桥。2.4 有源功率因数校正电路（APFC）APFC 包括外接有源滤波器、ACDC 变换型电流补偿、DCDC 变换型电流补偿 3 种方法 7。其中 DCDC 变换型电流补偿法因所需器件较少而更适合于中小功率的应用，它可以采用多种拓扑结构，其中，升压型(Boost)功率因数校正电路因功率因数高，总谐波失真(THD)小，效率高而在中小功率变换器中得到了广泛的应用。其简化电路拓扑如图 2-4 所示。图 2-4 Boost 变换器拓扑结构由于所采用的开关器件其开关频率很高，远大于工频电压的

14、频率，所以个开关周期内输入的工频交流电压可视为常数，而电感电流 的瞬时值，LI可视为个开关周期内电流的平均值 8。从图 2-4 可见，峰值开关电流为PKI PsINPKLfDVI式中： 输入交流电压瞬时值INV开关频率sfBoost 电感量PL占空比D7在一个开关周期内，平均开关电流 由下式决定：TI2DIPKT而流过 Boost 二极管上的平均电流 由下式决定：avgI INOsPKPKavgDVfLI21流过电感的平均电流 应是二极管平均电流 与开关管平均电流 之LI TI和：5TOLII分析上式可见：由式 5 可推得占空比 D 与 的函数关系为：INVINOILPsf22.4.1 输入电容计算输入电容用于抑制电感上高频纹波电流所引起的高频开关噪声，可由下式确定： RMSsINVrfIC2假定由高频纹波电流产生的纹波电压为 =500mv由上式可求得=2.19uF，实际取 4.7uF/400V 电解电容。INC2.4.2 Boost 电感计算最佳电感值应使变换器在最大输入电压和最重负载时工作在连续和不连续的边界。此时峰值电流最小，效率最高，EMI 最小。正弦输入电流峰值：MAXOPKTVI2.