1、（2011届）毕业设计题目智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计姓名专业电子信息工程专业班级学号指导教师导师职称2011年5月20日智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计摘要主要阐述了开关电源产生干扰的原理。介绍了阻抗几种干扰的方法。通过设计实验表明抑制干扰的方法有一定的作用。本文设计了一种LED驱动开关电源具有良好的抗干扰优点体积小、重量轻、效率高等。但是，功率密度的增大和频率的提高所产生的电磁干扰对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成了影响。本文简单简述了开关电源的抗干扰设计。高频化是开关电源发展的方向，高频化使开关电源体积减少，并使开关电源有了更广泛的应用范围特别是在高新科技的应用推动
2、了高新科技产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源及保护环境方面都具有很重要的意义。关键词LED,开关电源，噪声干扰，EMC,滤波器IINTELLIGENTBUSTYPESWITCHSYSTEMDESIGNANTIINTERFERENCEDESIGNABSTRACTTHISPAPEREXPOUNDSTHESWITCHPOWERSUPPLYMECHANISMOFINTERNALDISTURBANCEINTRODUCESTHEMETHODOFSEVERALINTERFERENCESUPPRESSIONTRIALSHOWSTHATTESTINGMETHODSTHROUGHPRODUC
3、THASCERTAINPRACTICALTHISPAPERINTRODUCESADESIGNPROVIDESLINESWITCHPOWERSUPPLYINCOMPARABLEADVANTAGESHANG,SMALLVOLUME,LIGHTWEIGHT,HIGHEFFICIENCYHOWEVER,THEPOWERDENSITYINCREASESANDIMPROVEMENTINTHEFREQUENCYOFTHEELECTROMAGNETICINTERFERENCEPRODUCEDFORPOWERITSELFANDTHESURROUNDINGTHENORMALWORKOFTHEELECTRONICE
4、QUIPMENTARETHREATSTHISARTICLESIMPLYDESCRIBESTHEEMCDESIGNOFSWITCHPOWERHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYISTHEDIRECTIONOFDEVELOPMENTOFSWITCHPOWERSUPPLY,HIGHFREQUENCYOFMINIATURIZATION,ANDSWITCHPOWERSUPPLYINTOMOREEXTENSIVEAPPLICATIONFIELDSESPECIALLYINTHEHIGHTECHFIELDSPUSHINGTHEHIGHTECHPRODUCTSOFMINIATURI
5、ZATION,LIGHTANOTHERDEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFSWITCHPOWERSUPPLYINSAVINGENERGY,SAVINGRESOURCESANDPROTECTINGTHEENVIRONMENTHASIMPORTANTSIGNIFICANCEKEYWORDSSWITCHPOWER,NOISE,EMC,FILTER,CIRCUITBOARDII目录摘要IIIABSTRACTIV1绪论111课题的来源112课题的意义113开关电源技术国内外发展现状1131高性能碳化硅（SIC）功率半导体器件1132高频开关变换器中用了多种磁元件，有许多基本问题要研究1
6、133新型电容器2134功率因数校正ACDC开关变换技术2135高频开关电源的电磁兼容研究214课题研究的主要内容32LED驱动开关电源设计421LED光能原理422LED驱动电源4221直流驱动5222交流驱动5223LED的直流驱动和脉冲驱动选择623主电路结构介绍7231LED开关电源介绍7233半桥电路8234全桥电路9235推挽电路9236电路结构的比较1024LED连接方式1225DCDC变换电路13251两种拓扑结构类型电路结构的比较13252控制方式13253控制模式13254拓扑结构1326驱动电路性能分析14261功能性能指标14III262智能控制模块153开关电源抗干扰
7、方案设计1831滤波器1832高频变压器滤波器1933软开关技术1934共模干扰的有源抑制技术1935印制线路板19351导线阻抗的影响19352元器件的布局2036结构上的措施2037开关电源的电磁兼容性问题204开关电源中的噪声干扰源2441二极管的反向恢复时间引起的干扰2442开关管工作时产生的谐波干扰2443交流输入回路产生的干扰2544抑制干扰的一些措施25结论27参考文献28致谢29附录30附录图1LED电流和光功率的关系30附录图2开关电源原理框图30附录图3反激电路30附录图4半桥电路31附录图5全桥式变换器原理图31附录图6推挽式交换器原理图31附录图7输出电压与幅值的关系3
8、2附录图8驱动电源主电路32附录图9电源滤波器32IV毕业设计01绪论11课题的来源电子技术的快速发展一方面促进了开关电源技术的发展，另一方面也给开关电源技术带来了更多的要求。开关电源的优点重量轻、体积小、效率高等。但功率密度的增大和频率的提高，产生的干扰对电源本身和周围电子设备的正常工。12课题的意义开关本身具有一定的干扰，会在电源的输入端产生共模差模干扰信号。开关电源本身特点产生了电磁干扰，是无法消失的。关键是减小干扰。电子设备最重要的就是电源。随着现代电子技术运用变广，需要更加高科技的电源。开关电源的发展方向是高频化，它使开关电源体积更小，并使开关电源的应用更多，特别是在高新科技中的运用
9、，促进了高新科技产品的轻便。另外开关电源的发展与应用在节能、环保方面都有重要作用。对于一些在恶劣环境下的工作下，电子设备对稳压电源的需要，如果有既可遥控又有稳压电源，这种电源不但保证安全，又能提高工作效率。13开关电源技术国内外发展现状开关电源的发展状况，主要有以下几个方面131高性能碳化硅（SIC）功率半导体器件可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料，其优点是禁带宽，工作温度高（可达600C），通态电阻小，导热性能好，漏电流极小，PN结耐压高等等。132高频开关变换器中用了多种磁元件，有许多基本问题要研究（1）随着开关电源的高频化，在低频下可以忽略的某些寄生参数，
10、在高频下将对某些电路性能（如开关尖峰能量、噪声水平等）产生重要影响。尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻RAC和分布电容等，在低频和高频下的表现有很大不同。高频磁技术理论作为学科前沿问题，仍受到人们的广泛重视，如磁心损耗的数学建模，磁滞回线的仿真建模，高频磁元件的计算机仿真建模和CAD、高频变压器一维和二维仿真模型等。有待研究的问题还有高频磁元件的设计决定了高效率开关电源的性能、损耗分布和波形等，人们希望给出智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计1设计准则、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系，明确设计的自由度与约束条件等。（2）对高频磁性材料有如下要求损耗小，散热性能好，磁性能优越
11、。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，如56M超薄钴基非晶态磁带，1MHZ时，损耗仅为071W/CM，是高频铁氧体的1/31/4。纳米结晶软磁薄膜也在研究。（3）研究将铁氧体或其他薄膜材料高密度集成在硅片上。或硅材料集成在铁氧体上，是一种磁电混合集成技术。磁电混合集成还包括利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。133新型电容器研究开发适合于功率电源系统用的新型电容器和超级大电容。要求电容量大、等效电阻（ESR）小、体积小等。据报道，美国在20世纪90年代末，已开发出330F新型固体钽电容，其ESR有显著下降。134功率因数校正ACDC开关变换技术一般高功率因数ACDC电源
12、由两级组成在DCDC变换器前加一级前置功率因数校正器，至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路。这样对于小功率开关电源，总体效率低、成本高。对输入端功率因数要求不特别高的情况，用PFC和变换器组合电路构成小功率ACDC开关电源，只用一个主开关管，可使PF校正到08以上，称为单管单级PF校正ACDC变换器，简称为S4。例如一种隔离式S4PF校正AC/DC变换器，前置功率因数校正器用DCM运行的BOOST变换器，后置电压调节器主电路为反激变换器，按CCM或DCM运行；两级电路合用一个主开关管。135高频开关电源的电磁兼容研究高频开关电源的电磁兼容问题有特殊性。通常，它涉及到开关过程产生的DI/DT和
13、DV/DT，引起强大的传导型电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，开关电源内部的控制电路也必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于上述特殊性和测量上的具体困难，专门针对开关电源电磁兼容的研究工作，目前还处于起始阶段。显然，在电磁兼容领域，存在着许多交叉科学的前沿课题有待人们研究。如典型电路与系统的近场、传导干扰和辐射干扰建模；印制电路板和开关电源EMC优化设计软件；低中频、超音频及高频强磁场对人体健康的影响；大功率开关电源EMC测量方法的研究等。毕业设计214课题研究的主要内容电磁
14、兼容EMC是指在有限的空间、时间和频率范围内各种电器设备共存而不引起性能下降。它包括电磁干扰和电磁敏感两方面的内容。EMI是指电器产品向外发出干扰1。EMS是指电子产品抑制电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性能的设备应既不受周围电磁噪声的影响。也不对周围环境造成电磁干扰。智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计32LED驱动开关电源设计21LED光能原理用于照明的LED光源，根据发光原理主要分为热辐射光源、场致发光光源和气体放电光源等。目前主要应用于白炽灯和气体放电光源，而场致发光是一种正在研究中的新型光源。场致发光又称为电致发光，根据发光原理的区别，有本征场致发光和注入式场致发光两种，注入式
15、发光的应用就是半导体发光二极管，是一种由固体在电场作用下直接发光的现象。半导体发光二极管的发光原理发光二极管是由I,一族化合物组成半导体制成的。P型半导体和N型半导体组成的晶片是发光二极管的核心部分，在P型和B型半导体之间有一层过渡层，称为PN结，因此它具有一般PN结的IU特性，此外在特定条件下，它还有发光特性。制作半导体发光二极管的材料是繁杂的。一般的照明是白光，发光LED就具有优良的白色光源。得到白光LED的方法，结构简单、成本低、技术成熟，得到了广泛的应用。二极管的发光亮度可以通过工作电压电流的大小来决定，在很宽的工作电流范围内，二极管的发光亮度与工作电流大小成线性关系如图21所示，LE
16、D电流和光功率的关系2所示为LED电流大小与光功率的关系图。图21LED电流和光功率的关系22LED驱动电源生活中驱动电源按照工作特点可以分为直流供电和交流供电。毕业设计4221直流驱动直流驱动使用直流电供电，由于不同的要求可以有升压型；降压型；变换器型三种电路结构。1直流降压型驱动3直流降压型驱动的基本原理是用开关器件配合电抗性器件对外界电源降压限流后让发光管工作。串联降压型驱动结构简单，变换效率高。串联降压驱动比较适合于输入电压和负载压降差别不大的情况。这种驱动有一旦主开关器件损坏后电流会直接使发光管烧毁的缺点。很明显，这种方法在供电电压低于负载电压时不能使用。2直流升压型驱动4直流升压型
17、驱动的基本原理是用开关器件配合电抗性器件储能升压限流的方式工作。升压驱动也有较高的变换效率。这种方法的一个显著的优点是自身出现故障时不会使发光管爆炸损坏。升压型驱动只能用在负载压降始终高于电源电压的情况。如果负载压降低于电源电压会出现故障，大电流通过发光管使发光管烧坏。输入直流低压时，使用的发光管数量少一点可以用降压驱动也可以用升压驱动，尽量串联或者少并联发光管。如果发光管数量多就要用升压驱动，也是尽量串联或者少并联发光管。3直流变换器型驱动变换器型驱动用开关器件配合高频变压器来完成能量从初级传输到次级，同时让发光二极管工作。该驱动的输出电压不受输入电压的影响，可以任意设计，应用灵活，适合供电
18、电压在负载管压降附近有变化的情况，同时适于供电电压和负载电压差别太大的情况。它的缺点是电路复杂，变换效率比以上两种低。如果输入直流高压驱动小功率管，可以用串联降压驱动，驱动大功率管，从安全角度应该用变换器驱动。222交流驱动交流驱动使用交流电供电，分为降压型、升压型和变换器型三种。交流驱动和直流驱动的区别是需要对输入的交流电进行整流滤波，而从安全上看还有一个隔离和不隔离的问题。1交流串联降压型驱动交流串联降压型驱动的原理是把输入电整流滤波后，再用开关和电抗性器件对输入电压降压限流。这种驱动和直流降压驱动有相同的优缺点，适合串联驱动多只发光管。很明显，这种电路结构属于不隔离电路，要注意安全使用，
19、灯具的发光二极管的导线也不能放在外面。由于这种电路主开关损坏时大电流智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计5会通过发光管，烧毁发光管，因此，高压输入串联驱动多只大功率发光管时要注意安全。2交流升压型驱动交流升压型驱动的基本原理是把输入的交流电整滤波后，直接用开关器件和电抗器件对输入电压进行升压限流。这种驱动和直流升压驱动优缺点相同。但直接电输入时输入电压较高，220V交流电需要整流升压到直流电压400V以上，负载的发光管需要串联125只以上发光管才能保证正常工作。这种驱动当负载管压降低于输入电压时会失控，使大电流直接通过发光管，导致发光管烧坏，所以要注意使用安全。3交流变换器型驱动交流变换器型
20、驱动的基本原理是把输入的交流电整流后，通过高频变换变压限流让发光二极管工作，这种驱动有高频变压器隔离，保证了输出端的安全，而且输出电压不受输入电压的影响，可以任意设计，灵活应用。其他优缺点和直流变换器型驱动一样。变换效率在93左右。220V交流电输入时，驱动200只以下小功率管都能用串联降压驱动，驱动200只以上小功率管时，要用升压或隔离驱动。223LED的直流驱动和脉冲驱动选择发光管靠电能发光，不论是直流驱动还是脉冲驱动，输出光能量的多少由输入电能量决定，脉冲驱动不能让发光管提高光效。相反，直流驱动的光效更高。因为发光管的输入电流过大，光通量随电流增加的速度降低。另外，太大的电流还会使发光管
21、的发射光谱偏向长波。对于白光发光管来说，这将导致激发荧光粉效能的降低，使光效下降。所以，脉冲驱动不可能使发光管省电，但设计合理的脉冲驱动也不会明显的引起光效的下降，因此也就不会比直流驱动更明显的费电。但是脉冲驱动常常具有电路结构简单生产成本低的特点，所以还是值得使用。因此，究竟用脉冲驱动还是用直流驱动要根据具体情况而定。如果用脉冲驱动发光管，一般不会缩短发光管的使用寿命发光管是一种量子器件适合高速工作，这正是发光管的优点之一。如果有闪烁使用的发光管频频损坏，那应该是其他方面的原因引起的，电流过大等等，而不会是发光管自身不耐闪烁。一般的驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低在用于低功率的普
22、通LED驱动时，由于电流只有几个MA，因此损耗不大，当用作电流有几百MA甚至更高的高亮LED驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。综合以上特点，本电路采用交流变换器型驱动、直流驱动LED。对于市电供电的驱动来说，由于火线可以对地形成回路，这样有可能导致人、畜触电或者引起其他事故。如果驱动的输出端能和市电隔离就会更为安全。隔离驱动虽然毕业设计6电路结构比不隔离驱动复杂、驱动体积也会增大、生产成本也会提高，而不隔离驱动结构简单、生产成本低、体积小，但不隔离降压驱动的缺点是驱动一旦损坏，高电压大电流会直接通过发光管使发光管损坏。因此，还是使用隔离驱动为好。交流变换器型驱动变换效率较高，从节能的
23、角度来说，更有意义。23主电路结构介绍231LED开关电源介绍开关晶体管、开关二极管和开关变压器是组成开关电源的三个关键元件，减小开关电源的体积和重量就须提高电源的开关频率，大功率，高反压和高速开关晶体管，快速恢复开关二极管以及开关电源变压器中使用的高频，低损耗磁性材料的技术发展，使开关电源的开关频率从数十KHZ升到数百KHZ。开关电源的基本电路由“交流一直流转换电路”、“开关型功率变换器”、“控制电路”和“整流滤波电路”等组成如图22开关电源原理框图。输入的电网电压通过“交流一直流转换电路“中的整流器和滤波器转变成直流电，该直流电源作为“开关型功率变换器“的输入电源，经过“开关型功率变换器”
24、将直流电转变为高频脉冲方波电压然后进入“整流滤波电路”，变成平滑直流供给负载，控制电路则起着控制“开关型功率变换器”工作的作用。图22开关电源原理框图开关型功率变换器是开关电源的主电路，开关电源的能量转换，电压变换就由它来承担。在直流变换器的基础上，由于高频脉冲技术及开关变换技术的进一步发展，出现了推挽式开关型功率变换器，全桥式功率变换器，半桥式功率变换器，单端正激式功率变换器，单端反激式功率变换器，快速磁放大器式开关型功率变换器等。其控制方式可分为脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM两种。232反激电路智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计7图23反激电路正激电路的稳压原理是当输出电压U。
25、降低时，控制电路的输出脉冲变宽，BG导通时间变长，输出电压上升，来补偿下降部分，当输出电压U。增大时，控制电路的输出脉冲变窄，BG导通时间减少，输出电压减小，来补偿上升部分。反激电路结构如图23反激电路所示。233半桥电路典型半桥式变换电路如图24半桥电路所示。图24半桥电路半桥式变换电路是双端电路，在一个周期内，BGL和BG2交替导通，其集电极电位一个上升，另一个则下降。随着BGL和BG2的导通和截止，在电容C1和C2上极性相反的电压分别施加于开关变压器初级绕组上。变压器初级在整个周期内都有电流流过，磁芯得到了充分利用，晶体管BGL和BG2的集电极与发射极峰值电压要求较低，去。主要缺点是晶体
26、管流过的电流较大，与推挽式电路相比，要输出相同功率，晶体管必须流过两倍的电流。这种电路另一个优点是，为了避免磁饱和，通过耦合电容E的作用可以自动修正，也就是说具有抗不平衡的作用。但是耦合电容E要选的合适，不然效果不佳。按下式选择。（2LNFCR/412231）毕业设计8式中L一输出电路电感H,NLN2一变压器初级与次级匝比FR一谐振频率HZ。电容两端的电压应是0102V2的值，如果超出这个范围应按下式重新计算。（2CDVTI32）式中I一流过变压器初级的平均电流ADT一充电时间间隔SDVC是01V2到02V2之间的任一个数。234全桥电路图25全桥式变换器原理图全桥式电路如图25全桥式变换器原
27、理图5所示。这种电路每半周期内同时导通两个晶体管，如BGL、BG4或BG2、BG3。开关变压器的初级绕组在一个周期内交替受相反极性的输入电压。开关变压器的次级绕组通过整流滤波，输出所直流电压。它的主要优点有晶体管集电极和发射极峰值电压低，每个晶体管的电流比半桥少50。但缺点是需要四只晶体管，和四个相互隔离的晶体管驱动电路，会增加控制驱动电路成本，而且没有抗不平衡能力。235推挽电路智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计9图26推挽式变换器原理图推挽式变换电路实际上是由两个正激式变换电路组成的，只是它们在工作时相位相反。一般的推挽式电路结构如图26推挽式变换器原理图6所示。在每个周期里，BGL和
28、BG2交替导通，集电极电位一个上升，一个下降，形成推挽式动作，将开关变压器T具有中心轴头的初级绕组的两个异名端分别被激励。在各自的半个周期内，分别传递能量给负载。在电路中每一个晶体管的平均电流都比单端正激式电路减少了一半。但这种电路还是没有广泛应用。主要原因是一方面受开关晶体管额定电压的影响，理论上晶体管集电极和发射极的峰值电压应为R264耳。但实际在正式产品中，如果不能保证，产品损坏率将会大大提高，这样会选不出合适的晶体管另一方面变压器的磁芯饱和问题。由于推挽式电路的特殊结构，极易发生磁饱和，为了避免饱和现象，要增加相应的辅助电路，并要求两只晶体管的特性参数高度一致，这难度很大7。双极性变换
29、器电源的稳压原理如果因为一些原因使输出电压变化U，经过脉宽控制电路处理后就产生可以改变宽度的控制脉冲。驱动开关晶体管变换功率，输出改变了脉冲宽度的方波电压。并且将输出电压回到额定电压。这种开关电源是通过改变脉冲宽度或占空比率来完成稳压的。设输出电压平均值，方波电压的幅值，并忽略电路内阻，从图27输出电压与幅值的关系可得823PONUT0图27输出电压与幅值的关系236电路结构的比较开关电源变压器的工作状态与开关功率变换器的电路形式有关，一般根据功率大小，使用要求，采用不同形式的功率变换器。如表21各种电路比较所示，不同的电路形式，开关电源变压器工作状态也不同，对开关电源变压器提出了不同的设计要
30、求。以输出功率来看全桥式第一，推挽式第二，半桥式第三，单端正激式和反激式最小。毕业设计10以开关晶体管的数量来看推挽式和半桥式是两个，全桥式是四个，单端正激式和反激式都是一个。以效率来看，用E133变压器做例子，在工作频率为50KHZ、温度升高50摄氏度时，全波全波的效率为099101，桥式全波的效率为099198，桥式桥式的效率为099299。表21各种电路比较电路优点缺点功率适用场合反激电路简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单适合小功率，变压器单项激磁，利用率低几瓦至几十瓦小功率电子设备，计算机设备，消费电子设备电源正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几
31、瓦至几百瓦各种中小功率电源半桥变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要隔离驱动电路几百瓦至十几千瓦各种工业用电源，计算机电源全桥变压器双向激磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百瓦至几百千瓦大功率工业用电源，焊接电源，电解电源推挽变压器双向激磁，变压器一次测电流回路中只有一个开关，通态损耗低，驱动简单有偏磁问题几百瓦至十几千瓦低输入电压电源综合各电路特点和本次设计要求，决定选用半桥式变换器作为主变换器。半桥式变换器是目前应用较广泛的变换器，它所适用的功率范围满足设计要求，电路的结构也不复杂，功率开关组装器件
32、较少。而上下开关的直通问题，一般用合适的PWN控制芯片和通过设置死区时间来避免。在功率器件的隔离驱动问题上，由于电力电子技术的完善和成熟，隔离驱动已经成为大功率器件必不可少的控制方式，因此不构成不利因素。在电源进线端通常采用如图28驱动电源主电路8所示电路。该电路对共模纹波干扰均有较好抑制作用。LL，L2，C1，C2用于滤除共模干扰信号。智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计11CL，C2为旁路电容，又称Y电容。电容量要求2200PF左右。电容量过大，影响设备的绝缘性能。LL，L2要求圈数相同，电感量2MH左右。在同一磁芯上绕两个匝数相等的线圈，电源往返电流在磁芯中产生大小相等、方向相反的磁通
33、。LL、L2对于相线与地线问共模信号，呈现为一个大电感。对共模信号而言，共模电感呈现很大的阻抗。图28驱动电源主电路24LED连接方式一般情况需要同时驱动几个LED，因此对于特殊要求需选用合适的连接方式。LED作为发光体，连接方式可分为并联、串联或串并结合三种。并联方式负载电压较低，所有LED两端输入相同的电压，要求LED驱动输出电流要大。当LED出现相差太大的一致性时，由于并联方式连接的LED电流及亮度不能自动匹配，需要限流电阻或电流源来保证相同的偏置电流和均匀的光源亮度。但是，使用限流电阻或电流源时，将使电池的使用寿命减少，并且转换效率也会降低。当有一颗LED品质差而断路时，如果用稳压式L
34、ED驱动例如稳压式开关电源，驱动输出电流会减小，却不影响其他LED正常工作。但是恒流式LED驱动，容易导致其它LED的损坏。解决办法是多并联。其次，LED由于VF值特性而无法达到相同，随着温度和电流大小变化，有些VF值也会发生变化，一般不适合并联设计。但有时不得不并联来解决多颗LED驱动成本问题，这时则采用有亮度控制电路的驱动来确保亮度的一致。串联需要LED驱动输出电压要大。当LED的一致性相差太大时，分配在不同LED两端的电压也不同。而每颗LED的电流相同，LED具有一致的亮度。串联方式有着匹配特性，当有一颗LED的品质较差而导致短路时，若使用稳压式驱动例如阻容降压方式，因为驱动的输出电压不
35、变，分配在剩余LED两端的电压会变大，驱动输出电流会升高，会使剩下的LED容易受损坏。若采用恒流式LED驱动，当有一颗LED品质较差而短路，因为驱动的输出电流保持不变，不会影响其他LED的正常工作。但一旦出现一个芯片损坏，导致其他LED驱动毕业设计12电路也不能工作会造成很大的浪费。解决办法是在每颗LED两端并联一个齐纳管9。当然，齐纳管的导通电压需要比LED的导通电压大，不然LED会不发光。25DCDC变换电路251两种拓扑结构类型电路结构的比较开关稳压器的拓扑结构可分为两个类型一是非隔离型，输入源和输出负载共用一个电流通路。特点是不够安全，恒流精度低，PF值高，效率比隔离式高，很难符合安全
36、规范。二是隔离型，用一个相互耦合的磁性元件来实现能量转换。特点是安全，恒流精度高，PF值低，效率没有非隔离式高，更符合安全规范10。本设计采用隔离类型拓扑结构来设计LED驱动开关电源。252控制方式PWM型开关稳压电源只对输出电压进行采样，实行闭环控制。这种控制方式属电压控制型，是一种单环控制系统。而电流控制型DCDC开关变换器是在电压控制型的基础上增加了电流反馈环节，形成双环控制系统，使得开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性有所提高，是目前较为理想的工作方式。电压控制型的工作原理，电源输出电压与参考电压，比较、放大后得到误差电压信号，再与斜坡电压比较后，PWM比较器输出一定占空比的
37、系列脉冲。电流控制型在电压控制型的基础上增加了一个电流反馈环节，就是在PWM比较器的输入端将电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制脉冲的占空比。其工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲，驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大，当电流在采样电阻酏上的幅度达到输出电压时，PWM比较器的状态发生翻转，锁存器复位，驱动信号撤销，功率管截止。这样逐个监测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的。253控制模式PWM系列反馈控制模式有电压模式控制PWM，峰值电流模式控制PWM，平均电流模式控制PWM，滞环电流模式控制PWM11。输入电压、电流等信号在作为取样控制信号时，大多需
38、要经过处理。针对不同的控制模式，其处理方式也不同。智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计13254拓扑结构开关式驱动电路的基本原理是通过开关器件首先对直流进行高频斩波，然后对所得到的高频脉冲变换到合适的电平，再经过整流滤波恢复成所需要的直流输出值。高频斩波信号对于直流而言相当于一种调制信号。高频调制型DCDC功率变换电路本质上可分为两大类，六种电路。电感型能量传递的降压型、升压型、极性倒置型功率变换电路。电容型能量传递的CUK、ZETA、SEPIC变换电路。其他电路基本上都是由基本电路扩充变化得到的功率变换电路，如单端正激、单端反激、双端推挽、半桥和全桥功率变换电路。26驱动电路性能分析驱动电
39、路主要有以下几大部分组成，一、整流滤波电流供电电源是AC源；二、主干能量变换电路；三、开关器件的驱动和智能控制电路；四、反馈网络和辅助电路12。整个驱动电路的性能是由这几部分的综合效果，其中开关器件及其控制电路是决定功能性能的关键。261功能性能指标不同的应用场合对驱动电路的要求不同，我们要根据特定的外部环境设计，主要从以下几个方面来产生设计边界约束条件。（1）电压输入范围LED应用场合的输入有几个电压段，从便携式的锂电池电压2942V；汽车电子用的蓄电池12，14，28V；市电电压1IOV、220V交流。电压输入范围是在额定驱动输出下的电压输入上下限。输入范围越宽，抗干扰能力越强，适用的应用
40、场合越广。对于开关模式变换电路，输入电压上限值主要是由整流管和开关变换功率管的击穿电压值决定。输入电压下限值主要是根据系统串联LED负载数量和系统综合转换效率共同决定的结果。如果没有宽输入范围，在电网电压变化时很容易引起损坏；太低的输入电压可能无法驱动目标负载或者驱动效率非常低。（2）输出功率要LED实现室内通用照明，必然要提高驱动电路的输出功率，输出功率直接关系负载LED的数量。为了增大输出功率，可以通过增大驱动电流，采用多芯片封装和增加芯片面积几种方式。输出功率和设计效率是相互制约的，背离了合适的工作点必然会降低效率。LED特定的连接方式需要最佳的输出功率和输出电流组合，LED并联支路数量
41、和LED最佳工作电流点决定了变换器的电流输出需求。串联的LED数量N和LEDI作点的电压，决定变换器的电压输出。（3）输出电流控制精度毕业设计14对于开关模式电源，主干电路的输出不是绝对恒定的直流而是纹波电流。若纹波电流波动幅度太大，则很明显能感到LED光亮的变化。电流稳定的精度对发光质量的影响要求所设计的驱动器能精确地控制电流。电流控制精度取决于开关管的栅驱动电路精度、开关管的切换频率。开关管的切换频率越高，电流纹波越小；栅极控制电路灵敏度越高，反馈信号微小的变化足以引起控制信号的调整，从而实现电流高精度控制。（4）高功率因素PF和谐波失真THD功率因素为有功功率和现在功率的比值。负载由电阻
42、、电容和电感元件组成，而且均为线性不随电流和电压变化的条件下，有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流的平均值与电压的平均值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相，则功率因数是10。如果两者是下弦波但是相位不同，则功率因数是相位角的余弦。对输入电流进行整形的过程通常被称作功率因数校正。因为输入电路的原因，开关模式变换器对于电网电源往往表现为非线性阻抗。实现功率因素校正的方法通常有两种，即无源校正和有源校正。无源校正一般适合输出功率较小的电路，线路简单，成本便宜，但功率因素值稍低，谐波失真较大，有源校正则相反。无源校正线路简单，主要靠内部电路控制的，只适合用于单输入电压
43、。高功率因数和低谐波是一致的。（5）功率开关频率的选择对于DCDC开关变换结构而言，开关管在能量变换中起着非常重要的作用。开关管一般是中高压管，低压变换采用MOS管作为开关管，由于低压下MOS管的导通电阻小，同时也能实现高的切换频率。对于市电交流输入的应用场合必须是高压管，对于高压变换，功率开关管的频率和损耗折中关系变得重要。开关频率对整体电路元件的参数都有很大的影响，决定板级分立原件的体积、驱动IC的频率响应特性和内部振荡器的振荡频率。变换器损耗也是开关频率选择的重要约束因素，开关频率越高损耗越大。由于开关管要求工作频率在几百KHZ至几MHZ，DMOS或者IGBT是功率开关的最好选择。开关管
44、的栅驱动电路电压相对其源漏电压小很多，但系统集成能大大减小电路面积，且大部分反馈回路也能同时单片集成，进而实现智能控制。系统的单片集成还能提高系统的可靠性，提高转换效率。驱动电路的单片集成需要BCD工艺作为支撑。（6）转换效率转换效率定义为输出功率和输入功率的比值。转换效率高不仅能提高能源的利用率，还能降低对散热系统的要求，从而提高可靠性。驱动变换器中引起功率损耗的主要因素有开关功率管、栅极驱动电路、反馈采样电阻等，所以转换效率的设计实质就是开关管的设计和栅极驱动模块电路的拓扑设计。智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计15262智能控制模块LED驱动电路的智能控制任务由开关晶体管的栅极驱动集
45、成电路完成。接收从反馈电路采样的电流、电压、温度信号，经过分析处理后对开关管进行实时控制。有的栅极驱动电路和高压开关晶体管采用BCDT集成在一起的，有的驱动电路采用分立功率管完成电能转换。栅极驱动电路不仅要完成对开关功率管的栅极进行驱动，还可以设计逻辑模块实现智能控制13。（1）过流、短路保护LED器件都有最佳的工作点，如果偏离了工作点会导致异常或者失效。过小的驱动电流虽然不会影响使用寿命，但对发光亮度和色温等都有很大的影响，甚至不发光。驱动电流过大会导致开关管内较高的损耗，最终因发热而失效，所以为了避免超过最大的允许温度必须采取一定的限流措施。短路是过流的极端情况，一旦负载短路通过开关管的功
46、耗急剧增大，管子能承受的短路时间很短。过流的监测可以通过电阻、电流互感器等，也可以通过监测漏源电压或者间接监测负载电流。（2）过压和开路保护在恒流模式中操作电源需要采用过压保护功能。过压主要有直流过压、浪涌过压两种情形，输入电压的基础上叠加开关过程中由于电流变化在电感两端产生的高压便会产生浪涌过压。如果应用过程中误接了系统母线电压，若在没有过压保护的情况下，可能造成开关管的损坏。即使在母线电压在安全范围内，由于恒流驱动变换器的输出电压会随着负载的增大而增大，综合开关过程中电感的作用，可能会产生过大的浪涌电压导致开关管损坏。如果工作过程中负载突然断开，效果一是在开关管的漏极产生很大的浪涌电压，因
47、为电感储存的能量没有泄放回路，漏极电压可能超出开关管的安全工作区，对于升压型DCDC电路则表现得更明显。效应二是在负载断开后监测电阻检测的反馈电压始终为0，反馈的最终表现是功率开关完全开启，不仅造成存储能量的浪费而且在后续负载导通瞬间电流的失控而可能损坏LED。恒流LED驱动器可采用多种过压保护方法，可使用齐纳二极管的击穿特性来保护开关管。这种方法可以将输出电压限制到齐纳击穿电压和电源的参考电压。在过压条件下，输出电压会提高到齐纳击穿点并开始传导。输出电流会通过齐纳二极管，然后通过电流检测电阻器接地。齐纳二极管限制最大输出电压情况下电源可连续产生恒定的输出电流，不仅造成大的无效损耗，还无法实现
48、迟滞恢复。对于分立功率开关管系统，还可以采用缓冲电路进行过压保护，比如电容缓冲、RC缓冲等，这些措施能有效防止高压，但不可避免能量浪费。在单片集成变换器系统中，必须采用迟滞比较器控制内部驱动逻辑的方法来实现保护。毕业设计16监控输出电压并在达到过压分界点时关闭电源，当输出电压恢复到正常值以后自动重启。（3）欠压锁定保护欠压锁定是为了防止电路出现误操作，当输入电压低于某一设定值时芯片进入欠压锁定状态，欠压锁定状态下禁止功率管开关动作。欠压是针对直流电源为供电电源的情况，蓄电池等直流电源会随着工作时间，其电压会有所下降。当供电输入电压下降到某一特定值时，如果不及时进行欠压保护则可能导致内部逻辑操作
49、错误，欠压保护功能是为了提高系统芯片运行时的安全性和可靠性而设计。（4）过热保护硅材料有一定的本征激发温度，一旦器件超过这一温度，所有的器件都将失效，所以温度保护是必须的，这是产品本身的需要。温度监测的方法有几种，如热敏电阻、集成温度检测电路等。热敏电阻有无法安装到驱动芯片内部功率管附近，只能监测系统板级温度，占用板级空间等缺点。集成温度监测电路是利用晶体管作为温度监测元件，不仅能集成在芯片内部而且具有精度高等特点。保护温度参考点的设置的主要依据是硅的本征激发温度，该温度一般在150以上。驱动芯片温度最高的区域是功率开关管的管芯，考虑到温度梯度带来的差异和可靠性的原则，为了能实现系统降温后的重启和避免热振荡，热关断模块也需要具有迟滞功能，可以选择关断临界温度点在100140区间。智能总线式开关系统方案设计抗干扰性设计17毕业设计183开关电源抗干扰方案设计开关电源的EMC设计应考虑以下几个方面（1滤波器；（2高频变压器；（3软开关技术；（4共模干扰的有源抑制；（5印制线路板布线的EMC设计。31滤波器滤波是一种抑制传导干扰的方法。例如在电源输入端接上滤波器，可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其
