1、1LED 照明驱动开关电源设计摘要LED 照明驱动设计了恒流输出、空载保护、隔离输出及 EMC 等功能。系应用于 LED 照明驱动的开关电源电路。采用 PWM 自动调节实现恒流输出，稳压管过压锁定实现空载保护，电磁隔离和光隔离实现隔离输出。经过多次的运行与检测，实践证明该电路恒流输出稳定，发热量低。本设计体积小,微调反馈电路可设置作为为 LED 驱动常用的 350mA 或 700mA 恒流输出。可广泛适用于生活照明，商用照明。关键词：LED 驱动电源；发热低；恒流；隔离；低成本Driving switch power LED lighting designLED lighting design
2、 drive the constant-current output, the output and protection, isolation no-load EMC etc. Function. Is applied to the switch power LED lighting driving circuit. Using PWM automatic adjustment output voltage, the constant-current over-voltage protection tube, electromagnetic no-load realize locking a
3、nd isolation realize isolation output isolation. After many operation and test, the practice has proved that the constant-current circuits, low heat stable output. This design, small size, fine-tuning feedback circuit can be set as the common 350mA LED drive or 700mA constant-current output. Life ca
4、n be widely used in commercial lighting, lighting.Key words：Leds driving power；Fever is low； Constant flow；Isolation； Low cost广东技术师范学院本科毕业论文（设计）目 录1 概 述 .11.1 选题的目的与意义 .11.2 研究现状 .11.3 系统性能指标 .11.4 系统组成及设计思路 .21.5 总体功能描述 .32 硬 件 电 路 的 设 计 .42.1 电路设计 .42.2 磁路设计 .8参 考 文 献 .10致 谢 .10附 录 .10广东技术师范学院本科毕业
5、论文（设计）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 灯照明。LED 照明每 W 流明数可达到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（工作电流是影响 LED
6、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，长寿命的电源是必须的，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 驱动的降压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） 。众所周知，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
7、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解决方法为，使LED 灯珠像一个灯一样可拔插，使 LED 灯成为可维护产品。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 组成色光可调制系统；采用频率抖动技术减少 EMI；加入功率因数校正电路等1. 3
8、 系统性能指标：1、主输出最大输出功率为 14W，辅助输出为 0.5W，总输出小于 15W；2、输出电流为恒定 350mA；3、最大输出电压为 40V；4、满负荷下转换效率大于 85%；5、负载为 350mA 时最大纹波为 5mV；6、因为没有添加功率因数模块，因此 PF 值最低仅为 0.45 左右；7、最少可以接一个 1W 的高亮度 LED，最多可以驱动 12 个 1W 的高亮度 LED（全LED 照明驱动开关电源设计功率输出时 TNY280 应添加散热片） 。1.4 系统组成及设计思路：1 设计思路：考虑到家庭常用的是 51W，或 61W，商用照明常用的是 11W 到121W，本设计采用恒
9、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（例如采用常用的 1N4007,1N4148，PI 公司的 TinySwitch-系列，电容采用国产的 BHA，Jwco） 。对于批量生产，能有效降低成本，使 LED
10、照明更容易走进人民生活。2 系统组成：系统框图如图示本系统采用了 LED 驱动电路中常用的单端反激式拓扑，该拓扑设计较为简单。输入采用了四个 1N4007 作为全波整流，而后经过 型滤波器整流，采用了 PI 公司的 TinySwich-系列中功率容量最大的 TNY280 作为开关控制 IC，采用 EE19 磁芯实现初次级隔离，采用双路输出实现运放的独立供电，采用运放和电压比较器作为反馈控制以实现高精度恒流控制。采用低导通压降的肖特基整流管 ER303 减少二极管发热，滤波电容采用 ESR 可接受的普通电解电容降低电容温升。此图为 PI 软件设计出的参考框图广东技术师范学院本科毕业论文（设计）1
11、. 5 总体功能描述：1、实现隔离输出（1）变压器 T1 提供隔离，储能，变压的功能。使用高频变压器，初次级能量传输通道为磁通道，实现隔离。（2）光耦 817B 提供隔离、反馈功能。使用光耦合器，次级反馈信号传输通道为光通道，实现隔离。（3）初次级用安规电容 CT7 实现静电释放，防止静电堆积引起的高压打火。同时该电容值较小，次级不会造成触摸电击。2、实现 LED 恒流，实现过压保护（1）次级采用 LM358 双运放实现恒流和过压保护。LED 升高伏安特性随温度左移（如图 1.1） 。假设驱动为恒定电压 V2（如图 1. 2） ，工作中灯珠温度从T1 到达 T2,流经灯珠的电流明显增大，电流增
12、大又导致温度升高，如此恶性循环，最后势必烧毁灯珠。解决办法有两个，一是恒压驱动的同时串接一个电阻在输出回路（如图 1. 3） ，当 LED 灯珠由于温度升高而导致电流增大时，串接的电阻压降增大，LED 端电压得以降低，起到对 LED 的保护作用。但是这种方法将在串联电阻处耗散一定功率，降低整个电路转换效率，有悖设计初衷。因此，不采用这种方式。最理想的方法是采用整体的思想，通过控制开关 IC 的占空比调节输出电压，控制次级始终输出恒定电流。本设计正是采用此方案。图 1.1 图 1. 2 图 1. 3 LED 照明驱动开关电源设计2 硬件电路的设计2.1 电路设计电路原理图如图 2.1 所示。图
13、2.1用 PI 公司的软件 PI Expert 7 设计出电路框图如图 2.2。该软件设计出的原理图基本都采用比较极限的参数。因此修改了高频变压器从 EE19 改为EE20/20/5（磁芯气隙改小） 。开关 IC 也从 TNY275 改为 TNY280。目的是使得整个电路发热量减少，更加稳定，以适应各种恶劣的工作环境。广东技术师范学院本科毕业论文（设计）改为仅采用一个 0.1 的 X 电容作为差模抑制，把单电容滤波改为 型滤波。此外改动较大的是反馈回路，如果只采用 TL431 作为恒压控制，控制精度较低，且不好实现恒流控制；假设采用三极管 S8550 加 TL431 作为恒流稳压控制，精度不够
14、高，并且电流采样电阻一定要取较大阻值，导致效率下降。因此本设计采用 SOP 封装的双运放 LM358，可实现高精度（变化小于 2%）的恒流控制，稳妥的过压保护。电流取样电阻可改为小至 0.5（为减小体积，用两个1 电阻并联）的高精度（误差值为 1%）金属膜电阻。先看运放 LM358 的 B 部分组成的电压比较器，连接比较器 B 反相端的外围电路，是可控稳压管 TL431 组成的恒压源。TL431 的阳极和 ref 端连接在一起，此时阳极的电压约为 2.5V。因此电压比较器 B 反相端的电压接近于 2.5V。图 2.31、运放 358 的 A 部分：通过 0.5（两个 1 的并联，阻值应尽量减少
15、，以提高效率）的金属膜高精度电阻串接接到输出回路作为电流取样电阻，经 4702 电阻连接到运放 A 同相端进行加大。应该令运放 A 的输出电压（也就是电压比较器 B 同相端输入电压）在额定输出恒流（1W LED 灯珠的工作点，350mA）时刚好等于电压比较器 B的反相端电压，也就是 2.5V。图 2.2LED 照明驱动开关电源设计通过电压比较器 B（运放 358 的 B 部分）与稳压管的过压回馈进行电压比较。正常工作时，电压比较器同相端的电压围绕 2.5V 波动。假设某种原因导致输出电流过大，则比较器 B 同相端电压高于反相端，电压比较器输出高电平，光耦内部发光二极管导通，于是光耦的 C 脚将
16、从 TNY280的 EN/UV 脚引出较大电流，导致 TNY280 内部 MOS 管的 PWM 方波占空比降低，使得输出电压回落，输出电流也就降低了，就这样达到恒流的目的。同样的，当某种原因导致输出电流降低，比较器反相端电平高于同相端电平，光耦 C 脚引出较小电流，导致 TNY280 内部 MOS 管的 PWM 方波占空比升高，使得输出电压回升，输出电流也就增大了，达到恒流的目的。可见环路为负反馈控制，实现恒流。2、过压保护主要由电压比较器 B 实现：空载时，输出端电压 VCC1 不断上冲，达到两个稳压管的稳压值之和以后。稳压管导通，微电流约为 0.04mA。该电流在同相端产生约 5V 的高电
17、平，电压比较器 B 同相端比反相端电压要高，电压比较器输出高电平。通过光耦令TNY280 的使能引脚 EN/UV 导出较大电流，控制 TNY280 的脉冲信号减少，所以输出将稳定在 40V 上下。不会一直上冲而导致炸机。广东技术师范学院本科毕业论文（设计）图 2.42.2 磁路设计变压器也采用 PI 公司提供的 PI Expert 7 作为参考，如图 2.5。PI 公司提供的建议是采用 EE19 磁芯，磁芯面积 Ae 为 23.00mm，132KHZ 的工作频率下，磁芯功率裕量应该留大点，降低占空比，以减少磁芯发热，因此改用了EE20/20/5 磁芯，磁芯面积 Ae 值为 31.00mm。由于 PI 公司提供的库文件当中没有 EE20/20/5 磁芯，因此设计时参考 Ae值与 EE20/20/5 相近的 EF20（Ae 值为 32mm） ，匝数比也完全参照 PI Expert 7 提供的 EF20 的设计。增大磁芯的面积，根据 dB=（Edt10）/（NAe） ，为保持 dB 不变，则 N 应当减少，这就是为什么初次级匝数有所改变。 此外，匝数减少了，为保证利用更广的磁滞回线，气隙长度也相应减少了，本设计采用软件给出的气隙为 0.153mm 的建议。图 2.5
