LED照明驱动开关电源设计.docx

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LED照明驱动开关电源设计

摘要

全球将掀起一场更为激烈的“节能减排”运动,势必推动相关技术的发展，LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点,成为了照明领域关注的焦点,近年来发展迅速。

若能以LED照明取代目前低效率、高耗能的传统照明,无疑对缓解当前越来越紧迫的能源短缺和环境恶化问题起到举足轻重的作用。

本文围绕LED驱动电路从降低LED驱动电源成本和提高驱动性能出发,主要内容有:

首先阐述LED的发展现状及应用前景。

并进一步地说明了国内外在LED照明研究中的一些成果以及对未来发展的意义，对LED驱动电源的研究现状进行了深刻的分析,确定了论文的主体方向。

其次系统地介绍了可应用于LED驱动的一些拓扑,对常用于照明LED驱动电路的开关电源式拓扑进行详细的阐述，结合LED的特点,提出了LED恒流驱动设计。

本文目的是设计出一款能实现高精度恒流控制并且发热量低的LED照明驱动开关电源。

在前面分析的基础上,设计了一个有利于LED驱动的反激型开关电源,对主电路、控制电路、反馈电路、高频变压器等进行了详细的设计。

关键词：

LED驱动电源发热低恒流隔离低成本

中文摘要……………………………………………………………………………………

1.绪论………………………………………………………………………………………1

1.4系统性能指标…………………………………………………………………………4

2.设计方案的选择………………………………………………………………………4

4开关电源分析…………………………………………………………………………12

4.1开关电源的应用与发展……………………………………………………………12

4.2反激电路……………………………………………………………………………13

4.3正激电路……………………………………………………………………………14

4.4半桥电路……………………………………………………………………………15

4.5全桥电路……………………………………………………………………………16

4.6推挽电路……………………………………………………………………………17

4.7几种电路结构的比较………………………………………………………………18

5.系统功能………………………………………………………………………………20

5.2实现LED恒流，实现过压保…………………………………………………………20

6.硬件电路设计…………………………………………………………………………22

7结论……………………………………………………………………………………26

参考文献…………………………………………………………………………………27

1.绪论

1.1论文的研究背景及意义

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国内外研究现状

LED行业的兴起，并不是偶然的，而是在整个科学发展的条件下，在节能环保的号召下，在人类能源日渐紧张的情况下发展起来的。

能源的浪费与消耗，势必呼唤新节能产品诞生，即使不是LED也是其它同类产品来取代，所以说LED照明的兴起，是有其必然性的。

作为LED照明的核心驱动力，LED驱动电源的发展直接影响LED的普及和大众化。

怎么降低LED成本，让LED照明进入千家万户，这是摆在所有LED人面前的一个重要课题，同时也是一次重大的发展机遇。

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。

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。

未来LED驱动电源将向何处发展呢?

我们都知道，LED驱动电源是直接为LED提供驱动力的，相当于发动机。

LED驱动电源技术的发展，对LED相关行业的发展是至关重要的。

也是具有决定意义的。

LED驱动电源的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。

随着硅集成电路电源电压的直线下降，LED工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间。

恒流恒压这些技术，将会越来越普遍。

（1）国外LED电路发展现状。

半导体照明技术的开发研究引起了全球研究机构和企业的重视。

国外共有近200家公司参与GaN器件、材料和设备的开发，近300所大学和研究所参与GaN的研发。

目前，功率型白光LED光视效能（发光效率）已经达到100lm/W，研究水平达到160lm/W。

经过技术发展和市场竞争，世界主要LED厂商已经形成各自的技术特色。

日本日亚化学处于全球技术领先水平，垄断高端白色、蓝、绿色LED的市场，丰田合成在白光LED及车灯照明技术开发据国际前端;美国Cree的碳化硅衬底生长GaN外延片国际领先，传统照明巨头Philips绝对控股的美国Lumileds功率型白光LED国际领先;传统照明巨头Osram欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型LED封装和车用LED灯具开发国际领先。

（2）国内LED电路发展现状。

国内的外延片生长技术主要源于美国、基本上是进口美国的有机金属化学气相沉淀（MOCVD）装备，这些装备在美国就不是一流的装备，在整个LED产业外延片的生长、芯片、芯片封装3个环节中，外延片生长投资要占到70%，外延片成本要占到封装成成品的70%，同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏，简单的说，外延片的水平决定了整个LED产业水平，国内近几年也陆续引进了50多台MOCVD装备，均处理大生产工艺摸索阶段，一旦工艺成熟，则会上10倍地增大装备数量形成规模生产，市场需求巨大。

国家“863”计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相外延炉和MOCVD设备的研发（中科院半导体所、中电科技集团公司第四十八所），通过整机消化吸收，关键技术再创新等措施，填补了国内空白，使长期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。

随着国家照明工程的起步，国内LED芯片设备的巨大需求再次引起了国外半导体设备生产商的积极响应，他们日益重视中国这个巨大的市场，但是，这里面也存在着一个隐忧，国外芯片设备高昂的价格，相对制约了国内企业的规模化、产业化发展，也消耗了国家大量宝贵的外汇。

同样也挤占了国内设备生产商的发展空间。

1.3本文的主要内容及思路

系统基本组成部分

？

图1-1系统总体框图

考虑到家庭常用的是5×1W，或6×1W，商用照明常用的是1×1W到12×1W，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（例如采用常用的1N4007,1N4148，PI公司的TinySwitch-Ⅲ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照明更容易走进人民生活。

1.4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（全功率输出时TNY280应添加散热片）。

2.设计方案的选择

2.1LED的基本工作条件

在选择驱动电源的设计方案之前，应先明晰LED的基本工作条件：

（1）输入直流电压不低于LED正向压降；

（2）采用直流电流或单向脉冲电流驱动；

（3）对LED电流加以限制，以防止LED损坏；

（4）由于LED电流与其光通量之间的非线性关系，LED应该在光效比较高的电流值下工作；

（5）优良的散热设计。

2.2方案的对比

（1）常规变压器降压见图2-1。

图2-1常规变压器降压

这种电源的优点是体积小，不足之处是重量偏重、电源效率也很低，一般在45%～60%，因为可靠性不高，所以一般很少用。

（2）电子变压器降压电路见图2-2 。

图2-2电子变压器降压

这种电源结构不足之处是转换效率低，电压范围窄，一般180～240V，波纹干扰大。

（3）电容降压见图2-3。

图2-3电容降压

这种方式的LED电源容易受电网电压波动的影响，电源效率低，不宜LED在闪动时使用，因为电路通过电容降压，在闪动使用时，由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。

（4）电阻降压见图2-4。

图2-4电阻降压图

在低电流LED应用中，电阻型驱动器尽管成本较低且结构简单，但这种驱动器在低电压条件下，正向电流较低，会导致LED亮度不足，且在负载突降等瞬态条件下，LED可能受损；并且电阻是耗能元件，整个方案的能效较低。

（5）RCC降压式开关电源见图2-5。

图2-5RCC降压式开关电源

这种方式的LED电源优点是稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可在70%～80%，应用较广。

缺点主要是开关频率不易控制，负载电压波纹係数较大，异常情况负载适应性差。

（6）

PWM控制式开关电源见图2-6。

图2-6PWM控制式开关电源

目前来说，PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的，因为这种开关电源的输出电压或电流都很稳定。

电源转换效率极高，一般都可以高达80%～90%，并且输出电压、电流十分稳定。

这种方式的LED电源主要由四部分组成它们分别是：

输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。

而且这种电路都有完善的保护措施，属于高可靠性电源。

2.3方案的确定

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。

从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。

在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术基于以上各种方案对比，采用方案6PWM控制方式的LED电源是最理想的。

3LED驱动分析

3.1LED驱动控制现状

基于发光二极管的半导体照明光源与灯具的制造是下游产业。

驱动电路属于下游产业中技术含量较高的领域。

虽然LED驱动部分占LED灯具的成本比重只有1/9，但若没有高性能驱动电路的配合，LED的优点根本没办法发挥。

由于先进的集成工艺，驱动电路外围原件越来越少，电路核心在于集成驱动芯片的设计。

白光LED的应用场合从手机、手持式装置、液晶面板背光源、汽车头灯到户外、办公室与家中的灯光来源等等。

由于通用室内照明还没有普及，驱动IC主要集中在低压便携式电子设备领域。

汽车照明和道路交通照明的应用需求使得相关驱动IC随之增加。

LED驱动将往高效率、更高驱动能力、小体积、高集成度、低电磁干扰、可靠性方向发展。

在避免电磁干扰的情况下，缩小储能器件的体积，提高效率依然是未来发展的重点。

随着新技术的成熟，LED驱动控制将与电源技术、太阳能等技术有机地结合。

3.2LED连接方式

图3-1并联（左）和串连（右）发光管

实际制作半导体灯时，常常使用多只发光管，这就有个发光管的连接方式问题。

对于发光管来说，应该优先选用串联连接，如图3-1。

发光管的管压降呈现负的温度系数，直接并联，如图3-1时各并联发光管管压降不可能完全相同，这样并联管之间的电流就会略有差异，使用时管压降略低的管电流略大，其温升就会比其他相并联的管高，温升高的管管压降会降低的比较多，这样就导致其电流进一步加大，电流大引起更大的温升，使其管压降进一步降低，如此热电正反馈使电流逐渐向管压降小的发光管偏移，最终导致其失效。

因此，应该优先串联使用发光管。

串联使用只有一个问题，即一只LED不亮导致此路其他发光管都不亮。

但实际使用证明，在驱动电流正常的情况下，即使发光管自身发生故障一般也保持通路状态，其他发光管照样亮。

如果驱动器损坏大电流冲击烧毁发光管，常常会使发光管内部引线烧断开路，但是，驱动器都坏了就是发光管并联整个灯也不亮了。

所以还是应该优先选用发光管串联结构。

如果使用的管数较多时全部串联不可能，也只好连串带并，但各串并联管之间必须要有均流措施，最简单的均流措施就是在每一串并联管中串联一个电阻n们牵制电流的偏移。

电阻上的压降太大，使功耗增加，压降太小则均流效果不好，一般可以取串联LED灯总压降的5%左右。

本设计中，采用十个LED串联，由驱动电源提供+35V电压。

串联之后再并联。

3.3LED驱动器介绍

实际应用中种类繁多的驱动器按照工作特点可以分为两大类：

直流供电的驱动器和交流供电的驱动器。

3.3.1直流驱动器

直流驱动器使用直流电供电，根据不同的应用可以有串联降压型；升压型：

变换器型三种电路结构[12]。

（1）直流降压型驱动器

直流降压型驱动器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以后驱动发光管工作。

串联降压型驱动器结构简单，变换效率比较高。

串联降压驱动器比较适合用于输入电压和负载管压降差别不太大的情况下驱动发光管。

这种驱动器的主要缺点是一旦主开关器件损坏大电流会直接通过发光管使发光管烧毁。

显而易见，这种方案当供电电压低于负载管压降时不能使用。

（2）直流升压型驱动器

直流升压型驱动器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的。

升压驱动器的变换效率也比较高。

这种方案制作的驱动器的一个显著的优点是自身出现故障时不会损坏发光管。

升压型驱动器只能用在负载管压降始终高于电源电压的情况。

如果负载管压降低于电源电压驱动器会失控，大电流直接经过发光管使发光管烧毁。

输入直流低电压时所用的发光管数量少可以选用降压驱动器也可以选用升压驱动器，尽量串联不并联或者少并联发光管。

如果发光管数量多应该选用升压驱动器，也是尽量串联不并联或者少并联发光管[6]。

（3）直流变换器型驱动器

变换器型驱动器n町用开关器件配合高频变压器实现能量从初级到次级的传输，同时做电压／电压变换驱动发光二极管工作。

这种驱动器输出端的电压不受

输入电压的制约，可以按照所需要串联的发光管数任意设计，应用灵活，适合用在供电电压在负载管压降附近波动的情况，也适合供电电压和负载管压降差别很大的情况。

其缺点是电路复杂，变换效率比以上两种类型的驱动器略低。

如果输入直流高电压驱动小功率管可以用串联降压驱动器，驱动大功率管从安全角度考虑应该选用变换器结构的驱动器。

3.3.2交流驱动器

交流驱动器使用交流市电供电，根据不同的应用也分为降压型、升压型、变换器型三种电路类型。

交流驱动器和直流驱动器的区别除了需要对输入的交流电做整流滤波之外，从安全角度考虑还存在一个隔离和不隔离的问题。

（1）交流串联降压型驱动器

交流串联降压型驱动器[2]把输入的交流市电整滤波后直接用开关器件和电抗性器件对输入的高电压进行降压限流。

这种驱动器和直流降压驱动器具有同样的优缺点，适合串联驱动多只发光管。

很显然，这种电路结构属于不隔离电路，使用时应注意安全，制作的灯具发光二极管的引线也不能在外部裸露。

由于这电路主开关管损坏时打电流会通过发光管使发光管烧毁，因此，高电压输入串联驱动多只大功率发光管时要谨慎使用。

（2）交流升压型驱动器

交流升压型驱动器把输入的交流市电整滤波后直接用开关器件和电抗性器件对输入的高电压进行升压限流。

这种驱动器和直流升压驱动器具有同样的优缺点。

但是，直接市电输入时输入的电压较高，220交流势电需要整流升压到直流电压400伏以上，负载的发光管需要串联125只以上白光或者蓝光发光管才能保证在电源电压有较大波动时安全工作。

由于这种驱动器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使发光管烧毁，因此也要谨慎使用。

（3）交流变换器型驱动器

交流变换器型驱动器是把输入的交流市电整流后经过高频变换变压限流驱动发光二极管工作，这种驱动器有高频变压器做隔离，因此输出端是安全的，并且输出端的电压不受输入电压的制约，可以按照所需要串联的发光管数任意设计，应用灵活，其他优缺点和直流变换器型驱动器相同。

变换效率约90%。

220伏交流市电输入时驱动200只以下小功率管都可以考虑用串联降压驱动器，驱动200只以上小功率管应该选用升压或者隔离驱动器。

3.3.3LED驱动选择

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，发光管的管小降低。

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[4]。

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．在用于低功率的普通LED驱动时，由于电流只有几个mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百mA甚至更高的高亮LED的驱动时，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器、直流驱动LED。

对于市电

供电的驱动器来说，由于火线可以对地形成回路，这样有可能导致人、畜触电者引起其他事故。

如果驱动器的输出端能和市电隔离就会更为安全。

隔离驱动虽然电路结构比不隔离驱动器略微复杂、驱动器体积也会增大、生产成本会提高，而不隔离驱动器结构简单、生产成本低、体积也可以做得更小，但不隔离降压驱器的一个最大的危险是驱动器一旦损坏高电压大电流会直接通过发光管是发光管损坏。

因此，还是使用隔离驱动器为好。

交流变换器型驱动器变换效率较高，从节能的角度来说，更有意义。

4.开关电源分析

4.1开关电源的应用与发展

以高频变压器取代工频变压器，采用脉冲调制技术的直流一直流变换器型稳压电源，通常称它为开关电源。

它具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等特点，目前己在各种电子仪器和设备、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放机中得到了应用。

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发展到数百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（见图4-1）。

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换成直流电，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”将直流电转变为高频脉冲方波电压输给“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4-1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。

4.2反激电路

图4-2反激式变换器原理图

反激电路原理如图4-2所示，图中为电网交流电压，经“交流一直流转换电路”中整流滤波而得到的直流电压。

控制电路包括开关频率振荡器、脉宽调制器、驱动器、比较放大器、保护器等。

当开关晶体管BG被驱动脉冲激励而导通时，Ui加在开关变压器T的初级绕组N，上，此时次级绕组N1的极性使D处于反偏而截止，因此N1上没有电流流过，此时电感能量储存在N1中，当BG截止时，N2上电压极性颠倒使D处于正偏，N1上有电流流过，在BG导通期间储存在N2中的能量此时通过D向负载释放。

反激式变换器工作波形见图4-3。

图4-3反击式变换器工作波形

反激式变换器电源的稳压原理是：

当输出电压U。

降低时，其差值经过比较

放大器放大，使脉宽调制器输出脉冲的宽度变宽，因而BG导通时间加长，N1中储能增大，于是输出电压升高，以补偿其下降部分。

反之，当输出电压升高时，脉宽调制器输出脉冲的宽度变窄，因而导通时间缩短，N1中储能减小，于是输出电压降低，以补偿其上升部分[12]。

4.3正激电路

正激电路原理图如图4-4所示，正激电路和反激电路相比，变压器T的次级绕组IV，的极性连接正好相反，它是在BG导通时通过Dl向负载传递能量并在电感L中储能。

在BG截止时q截止，N2相当于开路，此时L中储能通过续流二极管D：

向负载释放。

图4-4正激电路原理

图4-5正激变换器工作波形

正激电路的稳压原理是：

当输出电压U。

降低时，控制电路的输出脉冲变宽，BG导通时间加长，输出电压升高，以补偿其下降部分，当输出电压U。

上升时，控制电路的输出脉冲变窄，BG导通时间缩短，输出电压降低，以补偿其上升部