江苏大学学生科研立项申请书LED驱动电源设计.docx
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江苏大学学生科研立项申请书LED驱动电源设计
编号：
江苏大学学生科研项目申请书
课题名称：
LED驱动电源设计
申请者：
0000000000
所在学院：
00000
年级、专业：
000000
指导老师：
00000
申请日期：
2012-4-22
项目类别（在相应的类别上打√）
A、自然科学类论文
√B、发明制作类
C、社会科学类论文
江苏大学学生科研立项管理委员会制
说明
l、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。
3、编号由学生科研立项管理委员会统一填写。
4、申报作品有关材料请以打印件附于申请书后，申请书为A3纸双面复印中缝装订，一份，（活页部分单独装订），由所在单位审查签署意见后在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。
5、在前几期大学生科研课题立项中立项，但没有结题的同学，不得申报此次大学生科研课题。
6、有关其他事宜请向校团委咨询。
7、联系人：
杜明拴（88780040）E-mail:
dms@
申
请
者
姓名
0
性别
0
出生年月
0
政治面貌
0
所在学院
电气信息工程学院
专业年级
0
学历
本科
联系电话
0
其他联系方法
0
申请者曾承担科研项目及完成情况
课题名称
批准时间
完成情况
申请者本人近几年以来的主要研究成果（注明刊物的年、期或出版社、出版日期）
合作者情况
姓名
性别
年龄
学历
学院
专业班级
0
0
0
0
0
0
申请者所在学院分管科研的领导对该项目的基本评价
签章：
年月日
学
院
意
见
签章：
年月日
编号：
江苏大学学生科研项目申请书
（活页）
课题名称：
LED驱动电源设计
申请年度：
2012-2013
江苏大学学生科研立项管理委员会制
说明
l、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。
3、编号由学生科研立项管理委员会统一填写。
4、申报作品有关材料请以打印件附于申请书后，申请书（活页）为A3纸双面复印中缝装订，一式三份和申请书一起由所在单位在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。
5、在活页中，一律不得出现申报者和指导教师的信息，否则取消申报资格。
6、有关其他事宜请向校团委咨询。
8、联系人：
杜明拴（88780040）E-mail:
dms@
研
究
课
题
名称
LED驱动电源设计
所属类别
（B）、A、自然科学类论文B、发明制作C、社会科学类论文
起止时间
2012.05-2013.05
成果形式
论文—专利—实验样机
申请
经费
总额
2000
其它经费来源
个人自筹
（一）、项目的基本内容，项目研究的目的、基本思路，国内外研究现状、水平和发展趋势，本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益
1、项目的基本内容
（1）、LED电气特性
图1-1为正向压降（VF）和正向电流的（IF）关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个闭值（约2V），即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。
当前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF通常为（2-4）V。
图1-1LEDVF-IF关系曲线图
由于LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量（ΦV）与IF的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。
此外，LED的正向压降变化范围比较大（最大可达1V以上），而由上图中的VF-IF曲线可知，VF（前向电压）的微小变化会引起较大的IF（前向电流）变化，从而引起亮度的较大变化。
所以采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。
因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。
图1-2是LED的温度与光通量（ΦV）关系曲线，由下图可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而40℃时光输出是25℃时的1.8倍。
温度的变化对LFD的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。
LED的光通量（Φ/V）驱动电流IF的关系
（2）、LED开关电源驱动方式
随着大功率LED的发展，以上电路越来越不适合十新型的LED电路驱动，用于照明的大功率LED的驱动电流大于或等于350mA，正向电压大约为3V，将不能忽略电阻上所消耗的功率，并目‘电流也必须得到控制。
因此，照明用LED必须使用电力电子技术保证性能要求的同时必须避免额外损耗。
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。
1）LED非隔离型开关电源驱动方式
1.BUCK型LED驱动方式
CK型LED驱动方式是最简单的开关驱动电路，应用十负载电压不高于约85%的输入电压的场合。
85%的限制是由控制系统开关延迟造成的。
在BUCK变换器中，通常利用功率MOSFET的开关动作来控制输入电压，对电感及与其串联的LED负载电压进行调节。
当MOSFET导通时，电感存储能量;当MOSFET关断时，电感的储能为LED提供电流。
当MOSFET关断时，接在LED和电感两端的二极管提供了续流路径，BUCK型LED驱动电路的简图如图2-9所示。
在离线和低电压应用中，用BUCK变换器作为LED的驱动电路非常有吸引力，因BUCK可以非常高效地产生恒定的LED电流。
在输入电压和LED电压波动较大的情况下，采用峰值电流控制的BUCK变换器仅需简单的反馈控制设计，就能使LED电流波动较小。
另外，合理设计BUCK变换器，可以使其效率超过90%，所以基于BUCK变换器的驱动电路驱动高亮度LED很有吸引力的一种理解，决方案。
如HV9910B就是一款很好的这种应用芯片。
使用该芯片还可以很容易地实现线性调光或PWM调光。
图2-9BUCK型LED驱动电路
2.BOOST型LED驱动方式
LED串的电压比输入电压高时，BOOST型变换器（如图2-10所示）是理想的LED驱动器。
通常，输出电压的最小值大约是输入电压的1.5倍时，才用的到BOOST型变换器。
该类型变换器的优点包括以下几项:
●该变换器的效率很容易设计为大于90%。
●MOSFET和LED串连接到公共地，简化了LED电流的检测。
而在BUCK变换器中，不得不选用高压侧的MOSFET驱动器或电流传感器。
●输入电流可以是连续的，容易滤除输入纹波电流，从而更容易满足任何所需的传导EMI标准。
同时，当其用于LED的驱动时，BOOST型变换器也有一些缺点，这是由LED串的低动态阻抗所造成的。
●BOOST型变换器的输出电流是脉冲波，所以需要较大输出电容来减小LED的纹波电流。
该类变换器同时也有缺点，包括以下几项:
●较大的输出电容使PWM调光的难度增大。
利用BOOST型变换器开关管的开或关来实现PWM调光，意味着在每个PWM调节周期，电容都要充电和放电。
这将增加LED电流的上升和下降时间。
●升压变换器的开环控制不可能实现对LED电流的控制。
为使变换器达到稳定必须采用闭环控制。
要达到规定的响应时间，控制器需要较大的频带宽度，这也增加了PWM调光的难度。
●输出短路期间，对输出端没有电流控制。
输入电压经由二极管和电感直接加在输出上，这时，关断MOSFET对短路电流没有影响。
●当输入电压瞬间上升到大于LED串的电压时，LED中将产生浪涌电流。
如果浪涌电流足够大的话，就会烧毁LED。
输出短路期间，对输出端没有电流控制。
输入电压经由二极管和电感直接加在输出上，这时，关断MOSFET对短路电流没有影响。
图2-10BOOST型LED驱动方式
3.BUCK-BOOST型LED驱动方式
上面分别对非隔离电路中的降压和升压电路进行了介绍，但在很多场合下，我们为了满足不同输入或者不同负载的情况下，需要电压可以随意调节的升降压电路。
其主要优点:
输入和输出的脉动电流是连续的，不会中断。
通过BUCK电路的介绍，如果电感足够大，则输出电流连续，但是输入电流不连续。
对于BOOST电路，输入电流连续，但是输出电流不连续。
其电路拓扑如图2-11所示。
图2-11BUCK-BOOST型LED驱动方式
4.CUK型LED驱动方式
●CUK变换器也可以实现升降压的功能。
如图2-12所示，与普通的BUCK-BOOST变换器相比，具有以下优点:
●输入和输出侧都有电感。
两级都工作在连续导电模式（CCM），使两个电感流过低电流纹波的连续电流，这可以极大地降低对输入和输出滤波电容的要求。
连续的输入电流还可以使输入侧满足传导EMI标准。
●电路中所有的开关节点在两个电感之间被隔离。
输入和输出节点互不影响，这将使来自该变换器的辐射EMI小化。
适当地进行线路布局和设计，变换器很容易满足辐射EMI标准。
●两个电感L1和L2可以接在一个磁心上。
当接在同一个磁心上时，电感纹波电流能够从一侧完全传送到另一侧（纹波抵消技术），使输入纹波完全传送到输出侧，使变换器非常容易满足传导EMI标准。
●尽管CUK变换器有以上诸多优点，但两个明显缺点阻碍了它的广泛应用。
CUK变换器很难稳定地工作。
为了使变换器工作正常，常需要复杂的补偿电路。
但这同时降低了变换器的响应速度，限制了变换器PWM调光能力，因为调光能力对LED来说非常关键。
●输出电流控制的CUK变换器往往存在不可控的非衰减谐振，该谐振由一个LC对（即图2-12中L1和C1）产生。
L1和C1的谐振导致电容承受的电压过高，使电路损坏。
图2-12CUK型LED驱动方式
5.Zeta降压型LED驱动方式
图2-13Zeta驱动LED原理图
这种电路有以下特点:
1）无变压器的转换器具有正向直流电压传递系数M,即电路是同相变换器。
2）直流传递系数M取决于脉宽比D的大小，其值既能小于1也能大于1
M≤1，当D≤0.5
M>1，当D>0.5（2-3）
3）在连续模式下，M与负载无关，在断续模式下，M与负载R的平方根成比例关系。
4）无论在有变压器和没有变压器的时候，首先都是直流输入能量转化成交流能量再转化成直流输出。
试验证明，这种电路能在不同电路照明系统里实现很高的发光效率。
6.LED脉冲驱动方式
发光管发光靠电能激发，不管是直流驱动还是脉冲驱动，输入的电能量决定了输出的光能量，脉冲驱动不可能使发光管提高光效，相反，应该是直流驱动光效更高。
因为发光管的输入电流过大，光通量随电流增加的速度将变缓，发光管的光效降低。
另外，过大的电流还会引起发光管发射的光谱向长波方向偏移，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器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。
但是脉冲驱动器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，究竟采用脉冲驱动方式还是采用其他驱动方式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，比如过热，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。
图2-14即为一种PWM脉冲直接驱动LED的原理图，这里PWM信号通过控制MOSFET的开关直接实现LED通路的通断，可以想像LED工作过程是脉冲式间歇性通断。
即TruePWM调光模式:
外来的PWM信号可通过RT8452驱动外部MOSFET直接控制LED的通断，这使得LED中流过的电流是脉冲方式的，避免了电流调整带来的LED颜色变化问题。
图2-14PWM脉冲驱动LED方式
从PWM电路原理分析可知其直接驱动能力较弱，同样要配合功率开关管放大电路放大驱动能力。
与PWM调节控制模式的主要区别是，仍然保持脉冲的形式直接驱动LED，在一个脉冲周期内同样通过取样电阻实现恒流，这样的驱动形式既保持了峰值电流的可控目且稳定，又可以实现平均电流的PWM节。
其应用存在于LED大屏幕驱动显示、大型LED液晶电视背光源驱动、信号报警闪光灯驱动、室内外彩饰亮度调节等，并目此类驱动芯片正不断涌现在更广泛的LED应用领域，随着大功率LED发光效率的不断提高，很可能会成为普通照明的驱动选择。
2）LED隔离型开关电源驱动方式
以上驱动电路为非隔离驱动电路，虽然它们可以完成直流电压的变换，但是，它们实际上存在着转换功能的局限性。
例如，输入输出不隔离，从安全角度考虑，这种不隔离的驱动电路不太适合于输入是接入市电的情况。
输入输出电压比或输入输出电流比不能太大，以及无法实现多路输出等。
隔离型驱动电路就是为了克服这些局限性而出现的。
1.Flyback型LED驱动方式
图2-15所示的是用典型Flyback变换器驱动LED的原理图。
图中变压器绕组旁的圆点代表绕组的同名端。
在此情况下，同名端接至MOSFET的漏极，它在接地和开路之间交替变换。
漏极电压，即绕组同名端的电压随开关状态变化。
相应的外层（非同名端）处于恒定的高压状态，用来掩蔽内层，以减小辐射EMI。
次级绕组的同名端连接到输出二极管，阻止MOSFET导通时次级回路导电。
能量在MOSFET导通时储存，MOSFET关断时，电流流过输出二极管，能量释放至负载。
图2-15典型Flybck型LED驱动电路
2.谐振LED驱动电路
高频变换是减小功率变换器体积、重量，提高变换器效率、功率密度的有效途径。
从实现上来说，谐振变换器技术相对PWM变换器技术，具有开关工作频率高、开关损耗小、允许输入电压范围宽、效率高、重量轻、体积小、EMl噪声小、开关应力小等优点。
LLC谐振变换器以其同时兼具空载工作能力和谐振槽路电流反映负载轻重的能力而体现出普通串联谐振变换器和并联谐振变换器无法比拟的优势，因此这种电路也可应用到LED驱动电路中。
图2-16为LED谐振驱动电路示意图。
图中同一桥臂上下两个开关管构成集成模块。
图2-16用于LED驱动的谐振电路原理图
（3）LED驱动电源电路设计
本章将设计LED恒流驱动开关电源的电路。
将分别介绍主体电路的设计，钳位保护电路的设计，功率因数校正电路（PFC）的设计，EMI滤波器的设计，反馈电路的设计和变压器的设计。
主体电路的设计
LED驱动电源的总体设计如图1所示。
图1中主电路中U为220V交流输入电压；RC，CC和DC构成RCD电路；T为变压器；S为开关管；D为整流二极管；C为整流电容；风为采样电阻，具体电路如图1所示。
电路在设计时考虑到电路的可靠性，输入端应具有隔离电路，以保护电网和用电设备的安全。
输入端设计了输入保护电路，用来保护LED驱动电源在电网侧产生脉动瞬态干扰下能够止常工作，并有效抑制共模和差模干扰。
为了提高电路的功率囚数，电路中采用了有源功率囚数校止电路。
为了实现恒流输出，采
用电流反馈控制，RC样电阻感应输出电流大小，与参考点电压进行比较，输出信号通过光电藕合电路输入到控制器，产生PWM控制信号，控制变压器的工作方式，己达到变压器恒流输出。
图1LED驱动电源总体设计电路
钳位保护电路的设计
LED大功率灯驱动电源一般用在室外，用电环境相对比较恶劣，且外界的各种干扰容易使电源出现问题。
同时，LED灯驱动电源的故障，也容易对电网的安全造成隐患。
囚此，有必要在输入端设计保护电路，用来保护用电设备和电网的安全。
电路中有负温度系数热敏电阻，用来启动过电流保护。
通过保险丝进行过电流保护。
利用压敏电阻来抑制瞬变传导产生的干扰，吸收输入端的浪涌和脉冲干扰。
电路中设有共模与差模干扰抑制电路，用来减小LED驱动电源对其他用电设备的干扰，同时可以抑制外界用电设备对驱动电源的干扰。
反激变换器在开关管关断时向次级提供能量，此时，初级会产生由次级反射的电压，感应电压的极性和直流输入电压相同，开关管此时需要承受直流输入电压加次级反射电压。
由十反射电压有电压尖峰存在，所以必须有钳位电路保证反向感应电压和直流输入电压之和不超过开关管的最大耐压。
如图4-1所示是几种基本的钳位保护电路。
图4-1儿种基本钳位保护电路
功率因数校正电路
将交流220V电经整流后供给负载使用，最常用的整流方式是由4个一极管组成的整流桥将交流电变换为直流电，但是这种方法存在着一个无法避免的缺点:
一极管和电容组成的非线性电路会产生大最的电流谐波和无功功率，造成电网的污染。
这种谐波污染不仅会使电网电压发生畸变，而且会造成用电设备的故障和损坏。
另外，用电设备的功率因数越高，则有功功率所占的比重越大，设备就越节能。
为了提高功率因数，需要做两个方面的工作:
一方面减小输入电流和输入电压之间的相位差甲，努力使两者同相位;另一方面需要减小输入电流的谐波含最，采取一定的方法使输入电流的波形接近止弦波。
基于上述要求，可以采用安森美公司生产的MC33260芯片作为有源功率因数控制芯片，此芯片只需要使用最少的外部元件便可以实现控制要求，可以极大地减小电感和功率开关的尺寸，降低系统的成本而且功能还能达到要求。
电路如图2所示。
图2功率因数校正电路
EMI滤波器的设计
LED灯的驱动电源受安装环境条件的影响，很容易受到电磁干扰，特别是雷击干扰。
为此，驱动电源在设计阶段就要考虑这个问题，并且要达到一定的标准在开关电源中，电磁干扰主要来源于功率开关器件产生的du/dt和di/dt，其频率从开关电源的工作频率到几十MHZ。
在开关电源的设计中，EMI滤波器是抑制传导干扰的滤波器。
许多滤波器都能够满足500KHz以内的频率范围内的滤波要求，但是在更高的频率时，会受到滤波器件的寄生参数、器件布置和PCB布线的寄生参数的影响。
对于LED恒流采样反馈电路，电磁干扰使恒流反馈控制电路产生误操作。
本文设计的开关电源是AC-DC，输入电压为220V交流市电，即220VAC,50Hz交流电，所以在市电电网与电源输入端之间，加装EMI滤波器，不仅能有效地抑制电网上的传导干扰，还对传输线上发射出的辐射干扰有一定的抑制作用。
EMI滤波器是由电感和电容构成的低通滤波器，安装在电网与开关电源之间。
EMI滤波器会允许50Hz的电力信号通过，而对频率相对较高的噪声信号有较大的衰减作用。
完整的常规EMI滤波器结构如图4-8所示。
其中Lc为共模扼流圈，Ld独立电感，Cx为差模滤波电容，Cy为共模滤波器电容。
图4-8完整EMI滤波器的基本结构
反馈电路的设计
反馈电路是开关电源设计的关键，反馈电路的设计直接影响电源的性能。
常规的电源控制芯片是基于恒压控制设计的，用恒压控制芯片实现LED恒流控制关键是反馈电路的设计。
反馈环路的稳定性是反馈回路设计的关键。
因为一般的脉宽控制芯片都有误差放大器和PWM调制器，所以输出信号在反馈环路的传递过程中会引起输出信号在相位和幅值上发生变化，引起振荡甚至正反馈，导致系统失去稳定。
图4-10开关电源的反馈环路
2、研究的目的基本思路如下：
LED由于节能环保、寿命长、光电效率高、启动时间短等众多优点，成为了照明领域关注的焦点，近年来发展迅速、由于LED独特的电气特性使得LED驱动电路也面临更大的挑战，LED驱动电路关系到整个LED照明系统性能的可靠性。
因此为防止LED的损坏，这些都要求所设计系统能够精准控制LED输出电流。
通过对LED电气特性，电学模型的分析。
充分的掌握LED的发光特性。
在此基础而上将多模块，多结构的LED驱动电源完整合理的设计出来。
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、国内外研究现状、水平和发展趋势如下：
美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯将被嵌在芯片上的发光体---半导体灯替代。
日本计划到2008年用这种半导体灯替代50%的传统照明灯具。
科学家测量发现，在同样亮度下，LED的电能消耗仅为白炽灯的1/10，寿命则是白炽灯的100倍。
由于LED具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，专家们称其为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一次飞跃。
根据美国能源部（DOE）的预计，传统照明器件的彻底更新换代将在2010年开始启动，然而许LED供应商都希望将这个启动时间再提前一到两年。
2008年的北京奥运会通过众多具体的产品形态和新技术的应用为绿色奥运、科技奥运、人文奥运等理念做了完美诠释。
LED显示产品，在2008年北京奥运会的广泛应用，更是光芒闪烁，为2008北京奥运会增添了绚烂异彩。
通过全球LED技术领导厂商对材料、工艺和封装技术的努力改进，高亮度LED的发光效率和性能得到了显著提升，除了传统的背光和显示面板市场外，高亮度LED开始走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交通灯等全新应用。
这些都预示着LED驱动电源将有一个广阔的应用前景。
4、本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益
项目成果能有较高的可靠性，在一些不便于维修的地方使用，能减少维修的花费。
电源的效率要更高，，效率提高了，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。
对延缓LED的光衰有利。
实现多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好，也许是以后的主流方向。
浪涌保护LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。
由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。
因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。
提高电源功率因数；增加LED温度负反馈功能。
项目针对性的克服种种难关，能够大幅的提高LED驱动电源在市场的推广，能够带动更多产业链的发展，为社会经济的繁荣作出贡献。
（二）、项目的研究思路和方法，技术路线、实验方案及可行性分析（包括过去的研究工作基础、现有条件）
1、项目的研究思路和方法
大功率LED照明灯具设计中的散热和电源驱动一直是制约其应用发展的两大技术难题，项目通过对大功率LED光源的特性和灯具对驱动电源性能要求的分析，结合对现阶段几种应用比较成熟的LED驱动电源方案的研究，说明在灯具设计时，除了解决好LED灯具的散热外，无论采用那种驱动方式，都应该做到真正的恒流驱动控制，这
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