1、 毕 业 设 计中文题目 60W 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计英文题目 Design of 60W Flyback LED Constant Current Drive Switching Power Supply专业：电气工程及其自动化60W 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计I60w 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计【摘 要】:如今，全世界资源稀缺，节能意识深入人心。随着 LED 的出现，全球的照明行业迎来了一场巨大的改革，LED 的节能、轻便、小巧等优点使它广受欢迎。随着LED 的发展，LED 开关电源的重要性日益突出，因此，研究高效率的 LED 驱动电源的任务被提上
2、了进程。本文设计的 60w 反激式 LED 恒流驱动开关电源，结合了电路的拓扑、EMI 电路、钳位电路、整流电路、控制电路和反馈电路等电路进行了开关电源的设计。选用 KBP206 代替传统的整流桥，并且使用 UC3842 专用芯片进行控制电路的设计，通过阻容电路进行UC3842 开关频率的设置，通过反馈电路调节输出电流，提高恒流精度。此外，RCD 钳位电路还能起到吸收尖峰电压的作用，EMI 电路起到平缓电压突变、消除干扰和滤波的作用。运用 AP 法进行变压器磁芯的选择，并且计算变压器的各个参数，包括:占空比、原边匝数、副边匝数、导线直径等。在实际中运用示波器检测开关电源的各个部分输出波形，进行
3、理论与实际的比较，判断设计达到了设计目标。【关键词】：开关电源；反激式；LED 驱动；恒流源60W 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计IIDesign of 60W Flyback LED Constant Current Drive Switching Power Supply【Abstract】:Nowadays, energy-saving consciousness is deeply rooted for the shortage of global energy, and the global lighting industry has ushered in a tremend
4、ous reform with the advent of LED. A large number of merits contribute to the popularity of LED, such as saving energy, being portable and compact, etc. With the development of LED, the importance of LED switching power supplies has become increasingly noticeable. Thus, the necessity of investigatin
5、g high-efficiency LED driving power supplies has been put on the course.This paper aims at analyzing the design of a 60W flyback LED constant current drive switching power supply. It is designed based on circuit topology, EMI circuit, clamp circuit, rectifier circuit, control circuit and feedback ci
6、rcuit. The KBP206 is made used of rather than the traditional rectifier bridge, and a UC3842 dedicated chip is a microcircuit to design the control circuit. The UC3842 switching frequency is set by the RC circuit, and the output current is adjusted by the feedback circuit to improve the constant cur
7、rent accuracy. Whats more, the RCD clamp circuit can absorb the spike voltage as well. The EMI circuit plays a part in smoothing the abrupt voltage change, eliminating interference, and filtering waves. It adopts AP method to select the transformer core, and calculate the various parameters of the t
8、ransformer, containing duty cycle, the number of primary side turns, the number of secondary side turns as well as wire diameter.The oscilloscope is used for detecting the output waveforms of various parts of the switching power supply in practice, and a comparison between theory and practice is mad
9、e to determine that the design target is reached.【Key words】: Switching power supply; flyback; The LED driver; Constant current source60W 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计III目录第一章 绪论 .11.1 研究背景及其意义 .11.2 开关电源的发展趋势 .21.3 开关电源的国内外发展现状 .21.4 课题主要研究工作 .2第二章 开关电源的基本拓扑及原理 .42.1 电路的主要拓扑结构 .42.1.1 降压电路 .42.1.2 升压电路 .52.1
10、.3 升降压电路 .52.1.4 正激电路 .62.1.5 反激电路 .72.2 反激电路的适用性 .7第三章 反激开关电源的设计 .93.1 开关电源的性能指标和总体框架 .93.2 输入端保护电路与 EMI 电路的设计 .103.2.1 输入端保护电路 .103.2.2 EMI 电路 .103.3 输入整流电路的设计 .113.4 控制电路设计 .113.4.1 开关管的选型 .113.4.2 控制芯片选择 .123.4.3 基于 UC3842 的脉冲控制电路 .123.5 钳位电路设计 .143.5.1 钳位保护电路基本类型 .143.5.2 钳位保护电路的设计 .153.6 变压器设计
11、 .1660W 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计IV3.6.1 变压器磁芯的选择 .163.6.2 变压器的参数设计 .183.7 反馈电路的设计与光耦的作用 .213.8 开关电源设计及测试 .223.8.1 开关电源的原理图及 PCB 板 .22第四章 仿真与实测 .244.1 开关电源测试平台搭建及成果展示 .244.2 仿真电路与波形 .254.3 开关电源模块波形 .27第五章 总结 .30致谢 .31参考文献 .3260W 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计第 1 页第一章 绪论1.1 研究背景及其意义随着全球温室效应日益严重，全世界的能源总量越来越少，照明耗能也越来越多
12、，传统的钨丝灯已经不能适应最新的生态环境。LED 的使用寿命高、传输效率大和体积小，广泛应用在许多领域中。据资料统计，许多国家的电能占据总能量损耗的 10%-20%1 。发达国家的照明电量占据总电能的 18%;在我国，这一比例也达到 12%，而且还将逐年提高。显而易见，LED 照明使用的电能总量越来越大。LED 是科学家们的伟大结晶，它具有许多优点，是传统电源所不能比拟的。LED 的应用领域十分广泛，且深受人们喜爱。LED 的使用寿命与许多因素有关，开关电源无疑是最大的影响因素。研究开关电源对 LED 的发展十分重要。LED 驱动开关电源的转换效率高、体积小，对于 LED 无疑是绝佳的电源。但
13、是，开关电源的使用寿命的问题目前尚未解决。就目前而言，LED 的使用寿命很大程度上受开关电源的影响。开关电源的的优化将会推动LED 的发展。例如：Cree 公司的 Xlamp 的系列产品，它的参数为 3.5V/700mA2 ，当 PN结温度为 80时，51000h 的系统散热系统，5OOOOh 的芯片寿命，但是开关电源只能运作20000 小时。因此，开关电源对 LED 的使用寿命中有着巨大的影响。传统开关电源中都配有整流电路、控制电路、滤波电路等电路。在控制电路中，往往都要用到大功率、高承受反向电压能力。图 1-1 为 LED 驱动电源的电子器件损坏概率图，电解电容的损坏率比其他电子器件高的多
14、。因此，对于高电压、大电流、高效率的电子器件的研究对于开关电源的发展作用巨大。图 1-1 3 电子器件损坏概率图60W 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计第 2 页1.2 开关电源的发展趋势目前，国际大多使用开关电源。开关电源有利于节约能源损耗和利用效率高，但是开关电源的设计复杂，维修困难且噪声大，不适合运用于一些需要低噪音的场所。到目前为止，开关电源的发展趋势有五个方面：（1） 小型化、轻量化、高频化（2） 高使用寿命（3） 噪声低（4） 低输出技术（5） 计算机辅助设计随着科技的更新换代，开关电源技术也在一直成长。MOSFET、IGBT 等元器件相继出现，对于开关电源的发展有着巨大贡献
15、。1.3 开关电源的国内外发展现状随着智慧的提升，开关电源呈现集成化。在 1997 年的时候，国外研制出了一种脉宽调制电路，引起了国际的轰动。近些年，国外又发明了高达 1MHZ 频率的高速 PWM 型单片开关电源，例如意大利、法国半导体公司所研制的 Viper 系列，无疑对当时的国内电源业产生了巨大冲击。与国外的电源比起来，国内的发展就显得后劲不足了。但是随着国内工程师的不懈努力，国内的开关电源研发技术不断进步，越来越先进，进而扩大了生产规模。伴随着国内开关电源的日益兴旺，国外进口电源逐渐别国内电源所取代。开关电源的产生对人类的生活环境产生了巨大的影响，推动着事物朝着美好的方向发展。1.4 课
16、题主要研究工作本文在 60w 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计中，基于开关电源的拓扑构造和控制电路，选用专门的电流控制芯片 UC3842 作为 PWM 电路的控制芯片，设计反激式电源的变换电路、控制电路、滤波电路和钳位电路等。考虑到实际与理论的偏差，我们重点研究了变压器的磁芯及各个参数设定。运用模电、数电、电路等原理，对开关电源的总体进行优化，通过实际去调整参数值，以便电源能够更好的克服外界因素，从而达到理想工作的状态。最后对开关电源的各个模块进行测试，验证实际指标。开关电源的主要研究包括以下几方面:（1）研究了开关电源的研究背景及其意义，了解了国内外发展现状和现今开关电源60W 反激式
17、 LED 恒流驱动开关电源的设计第 3 页的发展趋势。（2）在了解开关电源的基本拓扑结构、工作原理及其基本公式，研究各个拓扑的优缺点，实事求是，探究使用合适的拓扑结构。（3）本文使用 KBP206 整流器件代替传统的 4 个二极管构成的整流桥，减少了元器件的占用空间，减少了电路复杂程度，之后使用 EMI 电路对整流后的电压进行除尖峰、滤波等。（4）在 60w 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计中，研究控制电路的控制芯片和开关管的选型。了解开关频率的设定与芯片外围电路的构建。（5）RCD 钳位电路是反激式电路中不可缺少的一部分，有利于尖峰电压的吸收，保护电路元器件，保护变压器受到不必要的干扰
18、，并且结合相关计算公式对 RCD 电路进行了 R、C 的参数计算。（6）EMI 电路有平缓电压突变、消除干扰和滤波的作用，并且对钽电容和安规电容作了简要的说明，研究安规电容在 EMI 电路中的作用。（7）变压器是开关电源的关键部分，所以变压器的制造，变压器参数的计算十分重要。在本设计中，认真研究了磁芯的选择方法，设定变压器匝数比、变压器磁通是否饱和、变压器一次侧和二次侧绕组的匝数等参数。（8）使用电流反馈电路作为 PWM 控制电路的检测信号，通过对输出信号进行检测实现开关管的导通与关断。（9）通过示波器测试各个部分的输出波形，与理论相结合，分析开关电源的设计是否达到设计指标。60W 反激式 L
19、ED 恒流驱动开关电源的设计第 4 页第二章 开关电源的基本拓扑及原理开关电源是新时代电源的代表者，主要是利用电力电子技术实现占空比的调节。开关电源主要包括 PWM 控制电路、EMI 滤波电路、反馈电路及 RCD 钳位电路等。随着研发人员的不懈努力，开关电源的制作越来越精细。现在，开关电源发展目标主要是高频化和小型化，且广泛应用于电子设备中，促进着当今电子信息业的发展。2.1 电路的主要拓扑结构反激变压器主要运用于功率小于 100W 的开关电源，应用范围十分广泛。因此，我也将采用反激式拓扑结构来设计 54w 反激式 LED 恒流驱动开关电源。本章将介绍几种常见的拓扑结构并着重介绍反激式变压器。
20、2.1.1 降压电路图 2-1 降压斩波电路图 2-1 为降压斩波电路，降压斩波电路包括电源、控制开关 V、电感 L、二极管 VD及电阻 R。其中，开关器件为 IGBT，控制导通与关断；二极管 VD 主要的运用单向导通性完成电感电流的续流。降压斩波电路的工作原理：开关管在 时导通，负载电流逐步变大，负载电压与t=0电源电压相同。开关管 V 在 时关断，二极管中流过电感电流，并且电感电流逐渐衰t=t1减至 0。负载电压的平均值为= +ff= #（ 2-1）导通时间 ，关断的时间 ，开关周期 T，占空比 。 ff则负载电流的平均值为60W 反激式 LED 恒流驱动开关电源的设计第 5 页o=o-m
21、 #（ 2-2）2.1.2 升压电路图 2-2 升压斩波电路图 2-2 为升压斩波电路。在开关管 V 导通时，电源与电感 L、V 构成一个电流环路，供电流运转。当开关管 V 关断的时候，电源 E、二极管 VD、电容 C 与电阻 R 形成回路，电源向电容 C 充电，电阻 R 消耗能量。根据电感的伏秒特性，当升压斩波电路处于稳态时，有：=()1#（ 2-3）=+=#（ 2-4）上式中 为输出电压， 为流经电感的电流， 为流经二极管的电流。 由于上式中 ，所以称这个电路为升压斩波电路。 12.1.3 升降压电路图 2-3 为升降压斩波电路。当 V 导通时，电源 E、V 及电感 L 构成回路，电容 C 中储存的能量被电阻 R 消耗。当 V 处于断开的时候，二极管 VD、C、L 和 R 构成一个电路，电感和电容 C 中的能量流向电阻 R，并且被电阻 R 所消耗，此时的输出电压与电源电压的极性相反。根据伏秒特性，当电路处于稳态时，一个周期 T 内电感的能量有：
