LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)與研究

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）題 目：LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)與研究摘 要LED照明在日常的生產(chǎn)、生活中，因其具有節(jié)能、長(zhǎng)壽、安全、環(huán)保、色彩豐富、體積小、耐閃爍、可靠性高、調(diào)控方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，正作為一種新型照明光源獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。LED的應(yīng)用，需要合適的驅(qū)動(dòng)控制電路，本文研究工作是針對(duì)LED照明設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電源。本論文首先介紹了LED照明的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，以及LED照明的廣闊前景。其次介紹了LED發(fā)光的基本原理，測(cè)試分析了LED電壓、電流和光功率之間的關(guān)系；比較了幾種LED的光通量、價(jià)格等，選擇了合適參數(shù)的LED作為發(fā)光元件。通過(guò)分析比較常用的LED電源驅(qū)動(dòng)方式，提出了以半橋式變換器為主電路結(jié)構(gòu)形

2、式。開(kāi)關(guān)電源以其自身的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為電源行業(yè)的主流形式。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用，使電源變得體積小，重量輕，效率高，性能更好。關(guān)鍵詞：LED照明;驅(qū)動(dòng)電源;開(kāi)關(guān)電源ABSTRACTThe LED lighting in daily production, life, due to its energy-saving, longevity, safe, environmental protection, colour is rich, small volume, flashing resistance, high reliability, regulation, convenient, and many

3、 other advantages, is as a new lighting source obtains more and more widely. LED application, need appropriate drive control circuit, this paper research work is aims at the LED lighting design suitable driving power.This paper firstly introduces the advantages of LED lighting and application status

4、 of LED lighting, and broad prospects. Secondly introduces the basic principle of LED, test analysis LED voltage, current and light power relationship; Compare several LED of the flux, and prices, select the appropriate parameters LED as light emitting components.Through the analysis and comparison

5、of power driven approach used LED, put forward the half bridge type converter circuit structure form mainly. Switching power supply with his own advantage has become the main form in power supply industry. Switch power technology of application, make power becomes small volume, light weight, high ef

6、ficiency, better performance.Key words: the LED lighting ;driving power supply;Switching power supply 目 錄第一章 緒論21.1引言21.2 LED基本特性介紹21.3 LED的照明應(yīng)用現(xiàn)狀41.4 LED驅(qū)動(dòng)電路現(xiàn)狀51.5半導(dǎo)體燈應(yīng)用存在問(wèn)題6第二章 LED原理及驅(qū)動(dòng)分析72.1 LED發(fā)光原理72.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管的特點(diǎn)82.3 LED的選擇92.4驅(qū)動(dòng)方式102.5 LED驅(qū)動(dòng)器介紹11直流驅(qū)動(dòng)器112.5.2交流驅(qū)動(dòng)器122.5.3 LED的直流驅(qū)動(dòng)和脈沖驅(qū)動(dòng)選擇13第三章 主電路

7、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.1主電路結(jié)構(gòu)介紹14開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用與發(fā)展143.1.2反激電路153.1.3正激電路163.1.4半橋電路173.1.5全橋電路183.1.6推挽電路193.1.7幾種電路結(jié)構(gòu)的比較203.2功率開(kāi)關(guān)原件設(shè)計(jì)223.3電感、電容的計(jì)算223.4變壓器分布參數(shù)及材料選擇22高頻變壓器的分布參數(shù)22磁芯材料243.5導(dǎo)線材料及絕緣問(wèn)題25導(dǎo)電材料選用25絕緣問(wèn)題263.6高頻變壓器設(shè)計(jì)26第四章 控制電路設(shè)計(jì)284.1控制電路主要功能和結(jié)構(gòu)284.2.TL494管腳配置及其功能29TL494基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?04.3具體電路設(shè)計(jì)31基準(zhǔn)電壓電路設(shè)計(jì)31軟起動(dòng)電路設(shè)計(jì)31反饋和調(diào)節(jié)電路設(shè)

8、計(jì)32第五章 LED布陣及系統(tǒng)調(diào)試335.1布局的設(shè)計(jì)335.2布線的設(shè)計(jì)335.3系統(tǒng)調(diào)試335.4基本調(diào)試34半橋控制電路的調(diào)試34主電路他激工作方式調(diào)試34主電路整體調(diào)試34致 謝35參考文獻(xiàn)36第一章 緒論1.1引言 隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)水平的提高，人均年能源需求越來(lái)越大。以煤、油、天然氣、核能等人類(lèi)賴(lài)于生存的能源具有不可再生性，人類(lèi)面臨著空前的源危機(jī)。能源的大量消耗同時(shí)也造成了生態(tài)環(huán)境的急劇惡化。為了解決這些問(wèn)題不僅要開(kāi)發(fā)新的可替代清潔能源，還要大大提高能源的利用效率。人們?nèi)粘Ｏ哪茉粗?0%是電能，各種照明用電則是電能的重要組成部分，大約占全球19的電力。眾多照明產(chǎn)品中，白熾燈的

9、光效僅有825lm/w8，開(kāi)發(fā)高效率的照明產(chǎn)品則成了人類(lèi)的共識(shí)，壽命長(zhǎng)、高效率、高可靠性的白光LED將是未來(lái)最理想的產(chǎn)品。MOCVD技術(shù)使得白光LED器件設(shè)計(jì)制造技術(shù)有了重大突破。目前實(shí)施的白光LED發(fā)光效率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)熒光燈，伴隨著LED制造成本降低和光效的進(jìn)一步提高，白光LED取代熒光燈成為人類(lèi)主要的照明工具這一趨勢(shì)已經(jīng)是毋庸疑了。 半導(dǎo)體照明(semi-conductor lighting)是未來(lái)照明領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。半導(dǎo)體照明與一般光伏電源配用的節(jié)能燈泡相比具有節(jié)能、長(zhǎng)壽、安全、環(huán)保、色彩豐富、體積小、耐閃爍、可靠性高、調(diào)控方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光二極管作為一種新型照明光源正在獲得越來(lái)越廣

10、泛的應(yīng)用。1.2 LED基本特性介紹半導(dǎo)體發(fā)光二極管是常用電子元件二極管中的一種類(lèi)型。發(fā)光二極管又叫光發(fā)射二極管(Light Emitting Diode，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)ED)，是一種可將電能變?yōu)楣饽艿囊环N器件，屬于固態(tài)光源。 LED本質(zhì)是PN結(jié)，是電流驅(qū)動(dòng)器件，當(dāng)它兩端加上正向電壓時(shí)半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，放出的過(guò)剩能量將引起光子發(fā)射。采用不同的材料，可制成不同顏色有發(fā)光二極管。它的光強(qiáng)度隨著正向電流IF 的變化而變化。在正向?qū)ㄖ?，LED幾乎無(wú)電流流過(guò)，當(dāng)電壓超過(guò)開(kāi)啟電壓時(shí)，電流急劇上升。因此LED屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，其發(fā)光亮度L（單位為cd/mc2）與正向電流IF，近

11、似成正比8。式中K為比例系數(shù)在小電流下（IF1，10MA），M1.31.5；當(dāng)L>10mA時(shí)，m=l，此時(shí)上式可簡(jiǎn)化為L(zhǎng)KIF。，即發(fā)光亮度與正向電流成正比。另外，工作電流對(duì)光的顏色有一定的影響，隨著電流改變不僅亮度會(huì)發(fā)生變化，顏色也會(huì)跟著變化。 LED的正向電壓和正向電流與管芯的半導(dǎo)體材料有關(guān)，使用時(shí)要根據(jù)所要求的顯示亮度來(lái)選取合適的IF，值。若選取的值太小，則不能完全發(fā)揮LED的性能，若選取的值太大，則很容易損壞PN結(jié)。I-V特性是表征LED芯片的主要參數(shù)。LED的伏安特性具有非線性、單向?qū)щ娦缘忍卣?。典型的正向特性曲線測(cè)試如圖1-1所示：圖1-1高亮度白光伏安特性曲線從特性曲線可以

12、看出，LED在開(kāi)啟以前有一段“死區(qū)”，該區(qū)域的最大電壓叫做開(kāi)啟電壓。對(duì)于不同材料制作成的LED其值不同，GaAsP約為1v，GaAsP約為1.2V，GAP約為1.8V1，GaN約為2.5V。開(kāi)啟后的區(qū)域?yàn)檎蚬ぷ鲄^(qū)，正向電流IF，和外加電壓呈指數(shù)關(guān)系8：式中IF。為反向飽和電流。由于伏安特性正向指數(shù)式變化，LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起電流的很大變化；另外，溫度也會(huì)影響LED的電氣特性，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，LED的正向工作電壓將下降。假設(shè)流過(guò)LED的電流為IF，管壓降為V，則正常工作下的功耗P=VF*IF。 LED光輸出將隨著輸入電壓、環(huán)境溫度等因素的變化而變化。LED的光輸出直接

13、與LED電流相關(guān)，所以在LED應(yīng)用中應(yīng)控制補(bǔ)償輸入電壓變化和環(huán)境溫度等因素的變化。若LED的電流失控，LED長(zhǎng)期工作在大電流下將影響其可靠性和壽命。從理論上，相同材料、工藝的LED管性能完全一致，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中不同批次或者同一批次的不同芯片在性能上都會(huì)有差異。對(duì)于需要多個(gè)管子串聯(lián)和并聯(lián)工作的情況來(lái)說(shuō)，個(gè)體之間的差異性也是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的考慮因素之一。 對(duì)于照明應(yīng)用，超高亮度白光LED才是目標(biāo)器件。HBLED基本原理和普通信號(hào)顯示用LED原理上相似，但從原材料的選擇、芯片設(shè)計(jì)制造到芯片的封裝設(shè)計(jì)都要面臨許多特殊的問(wèn)題。本文主要關(guān)注與驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)的特殊性能，至于PN結(jié)芯片的設(shè)計(jì)和封裝已超出了我們

14、的討論范圍。大功率LED在室內(nèi)外通用照明領(lǐng)域應(yīng)用是其發(fā)展的最終目標(biāo)。與普通儀表顯示用的LED不同的是，HBLED的工作壓降和工作電流都相當(dāng)大，一個(gè)1W管芯正常情況下的壓降為3v4v之間，工作電流能達(dá)到300mA以上。1.3 LED的照明應(yīng)用現(xiàn)狀初期的LED以紅色為主，由于光效率較低，光通量很小，因此只能在電器設(shè)備和儀器儀表上做為指示燈使用。隨著管芯材料、結(jié)構(gòu)、封裝技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED光色種類(lèi)的增加，發(fā)光效率和光能量的提高，目前LED已在科研和生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)建設(shè)快速發(fā)展，市場(chǎng)應(yīng)用數(shù)量增長(zhǎng)迅猛。傳統(tǒng)的LED光源集中應(yīng)用領(lǐng)域：汽車(chē)市場(chǎng)、背景光源市場(chǎng)、交通信號(hào)燈市場(chǎng)3。

15、近年來(lái)高光效、高亮度的白色LED的開(kāi)發(fā)成功，使得LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。目前，LED在照明工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下一個(gè)方面：(1) 夜景照明。由于LED光源小而薄，安裝便捷，可以水平也可以垂直方向 安裝,可與建筑物表面完美地結(jié)合，也可以與城市街道陳設(shè)很好的有機(jī)結(jié)合。如四川成都在火車(chē)南站的立交橋上安裝了30000多盞LED燈，我國(guó)的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序燈眵3。(2) 指示照明。如影劇院的地面引導(dǎo)燈或座椅側(cè)面的指示燈，以及購(gòu)物中心的導(dǎo)購(gòu)指示燈和建筑物消防疏散指示燈等。(3) 特殊場(chǎng)所照明?，F(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于象博物館、展示廳這樣對(duì)光源的顏色、輻射等指標(biāo)要求高的場(chǎng)所

16、照明。(4) 室內(nèi)裝飾照明。由于大功率白光LED照明燈具還處在研發(fā)和試生產(chǎn)階段，目前市面上的LED燈具還不能達(dá)到普通燈泡所具有的亮度，在室內(nèi)裝飾工程中基本還局限于背景照明和局部照明。由于LED的動(dòng)態(tài)(數(shù)字化)控制色彩、亮度和調(diào)光及活潑的飽和色可以創(chuàng)造靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的照明效果，且長(zhǎng)壽命、高流明的維持值(10，000小時(shí)后仍然維持90的光通)，與金鹵燈的50-250小時(shí)的壽命相比，降低了維護(hù)費(fèi)用和更換光源的頻率，且沒(méi)有熱輻射，可以使室內(nèi)空間變得更加舒適和諧。LED照明在室內(nèi)裝飾裝修工程中的應(yīng)用不僅節(jié)能、環(huán)保，還解決了最頭痛的維護(hù)問(wèn)題。(5)電子顯示屏。目前，世界上最大的LED顯示屏矗立在卡塔爾多哈的哈

17、里發(fā)體育場(chǎng)，該屏幕面積足足有10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)，呈半月形，寬157米，高38米，面積達(dá)4480平方米。據(jù)悉，在2008北京奧運(yùn)會(huì)將建造更大的LED顯示屏，其面積大約6.000平方米(長(zhǎng)200米，寬30米)。(6) 逐步取代傳統(tǒng)照明燈具。隨著大功率、高光效、高顯色性的自光LED照明燈具的研發(fā)和逐步投產(chǎn)，使其照度不斷提高而成本不斷降低，LED照明將成為未來(lái)照明的主體，逐步取代白熾燈和熒光燈。如日本松下電工已開(kāi)始生產(chǎn)“袖珍型LED照明燈"，該產(chǎn)品包括筒燈和聚光燈，其驅(qū)動(dòng)電路做在燈頭內(nèi)，可直接用于市電(220VAC)，每套價(jià)格在116萬(wàn)214萬(wàn)日元(約合人民幣12001800元之間，光源壽命4

18、萬(wàn)小時(shí)；德國(guó)Hella公司利用白光LED開(kāi)發(fā)了飛機(jī)閱讀燈；澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明3。明達(dá)光電(廈門(mén))有限公司也己開(kāi)始試生產(chǎn)大功率白光LED路燈，該產(chǎn)品已在廠區(qū)內(nèi)安裝,其驅(qū)動(dòng)電路安裝在燈桿底部，亮度比普通路燈高，且壽命長(zhǎng)，免維護(hù)，每套燈具成本約1萬(wàn)元人民幣。面對(duì)LED照明市場(chǎng)的巨大誘惑，世界三大照明工業(yè)巨頭：通用電氣、飛利浦和奧斯拉姆集團(tuán)已紛紛成立LED照明企業(yè)，并提出要在2010年前使LED燈的發(fā)光效率提高8倍價(jià)格降低到1%。若此目標(biāo)能得以實(shí)現(xiàn)，那么LED燈具將完全取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈心4。國(guó)內(nèi)很多廠家也研制了LED日光燈、壁燈、吊燈等。如深圳市鑫明蕊科技有

19、限公司研制18W的LED日光燈；深圳市晶明固體光源有限公司研制的LED日光燈綜合應(yīng)用LED電光源，超高亮度，顯色指數(shù)高，是最新型的室內(nèi)照明產(chǎn)品不需使用鎮(zhèn)流器、啟輝器，無(wú)頻閃；浙江星碧照明科技有限公司研制的LED吊燈。1.4 LED驅(qū)動(dòng)電路現(xiàn)狀 基于發(fā)光二極管的半導(dǎo)體照明光源與燈具的制造是下游產(chǎn)業(yè)。驅(qū)動(dòng)電路屬于下游產(chǎn)業(yè)中技術(shù)含量較高的領(lǐng)域。雖然LED驅(qū)動(dòng)部分占LED燈具的成本比重只有1/9，但若沒(méi)有高性能驅(qū)動(dòng)電路的配合，LED的優(yōu)點(diǎn)根本沒(méi)辦法發(fā)揮。由于先進(jìn)的集成工藝，驅(qū)動(dòng)電路外圍原件越來(lái)越少，電路核心在于集成驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)。 白光LED的應(yīng)用場(chǎng)合從手機(jī)、手持式裝置、液晶面板背光源、汽車(chē)頭燈到戶(hù)外

20、、辦公室與家中的燈光來(lái)源等等。由于通用室內(nèi)照明還沒(méi)有普及，驅(qū)動(dòng)IC主要集中在低壓便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域。汽車(chē)照明和道路交通照明的應(yīng)用需求使得相關(guān)驅(qū)動(dòng)IC隨之增加。 LED驅(qū)動(dòng)將往高效率、更高驅(qū)動(dòng)能力、小體積、高集成度、低電磁干擾、可靠性方向發(fā)展。在避免電磁干擾的情況下，縮小儲(chǔ)能器件的體積，提高效率依然是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。隨著新技術(shù)的成熟，LED驅(qū)動(dòng)控制將與電源技術(shù)、太陽(yáng)能等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合。1.5半導(dǎo)體燈應(yīng)用存在問(wèn)題雖然LED作為照明光源有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但由于超高亮LED也具有效率低、需要嚴(yán)格控制溫度、價(jià)格高這樣的缺點(diǎn)，近期內(nèi)還不可能全面替代目前普遍使用的白熾燈或熒光燈。要做好半導(dǎo)體燈必須解決好三個(gè)方

21、面的問(wèn)題：(1)有光效高、成本低、壽命長(zhǎng)的發(fā)光管單純的增加輸入功率，亮度也會(huì)增加，但LED芯片的發(fā)熱量也會(huì)隨之增加，過(guò)多的發(fā)熱將損壞它的結(jié)晶和封箱而縮短其壽命，因此使輸入功率電能高效的轉(zhuǎn)為光能是重要的關(guān)鍵技術(shù)。(2)有工作可靠、性能好、成本低的驅(qū)動(dòng)器。由于單個(gè)LED功率小，光亮度低，對(duì)于照明來(lái)說(shuō)，不可能單獨(dú)使用，為此必須將多個(gè)LED組裝在儀器，設(shè)計(jì)成為使用的LED照明系統(tǒng)。這就存在LED選擇，使其特性保持相近的問(wèn)題。由于多個(gè)LED在儀器組裝，還要考慮其中一個(gè)或一些LED出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不能影響LED的照明，這就有一個(gè)電路保護(hù)的要求。(3)有熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)好的燈體。LED在照明過(guò)程中，同樣

22、會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，特別是多個(gè)LED組裝工作時(shí)，就有考慮其散熱問(wèn)題。在這三個(gè)問(wèn)題中，發(fā)光管可以到生產(chǎn)廠家選用合適的產(chǎn)品，燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許多打算生產(chǎn)半導(dǎo)體燈的廠家自己都有能力解決。但是對(duì)于不同的原始電源怎樣針對(duì)不同燈型做合適的電源變換驅(qū)動(dòng)發(fā)光管，確是做好半導(dǎo)體燈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動(dòng)器，這就使驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格品種繁多，電路結(jié)構(gòu)各異?？紤]到在不久的將來(lái)LED會(huì)進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，故研究交流市電作為主要電源來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具有重要的意義。第二章 LED原理及驅(qū)動(dòng)分析2.1 LED發(fā)光原理用于照明的電光源，根據(jù)發(fā)光的機(jī)理主要可分為熱輻射光源、氣體放電光源和場(chǎng)致發(fā)光光源等幾大類(lèi)。目前廣泛

23、應(yīng)用的是以白熾燈為代表熱輻射光源和以熒光燈為代表的氣體放電線光源，而場(chǎng)致發(fā)光則是一種正在發(fā)展中的新型面光源。場(chǎng)致發(fā)光又成為電致發(fā)光，根據(jù)發(fā)光原理的區(qū)別，場(chǎng)致發(fā)光有本征場(chǎng)致發(fā)光和注入式場(chǎng)致發(fā)光之分，半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光為注入式發(fā)光，是一種固體在電場(chǎng)作用下直接發(fā)光的一種現(xiàn)象。半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光原理：發(fā)光二極管是有III一IV族化合物，如GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導(dǎo)體制成的。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型和B型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，成為PN結(jié)，因此它具有一般PN結(jié)的IU特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?，擊穿特性；此外在一定的條件下，它還具有發(fā)光特性

24、。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。當(dāng)發(fā)光二極管PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，空間電荷層變窄，載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，致使P區(qū)的空穴注入N區(qū)，N區(qū)的電子注入P區(qū)。于是在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量釋放并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)化成光能，這種復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射。當(dāng)在發(fā)光二極管的PN結(jié)上加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。發(fā)光的波長(zhǎng)取決于材料的禁帶寬度，所以選用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，就可以制

25、造出發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管?，F(xiàn)在常見(jiàn)的有紅、黃、綠、藍(lán)發(fā)光二極管，其中藍(lán)色發(fā)光二極管生產(chǎn)的技術(shù)要求較高，因此價(jià)格高，使用不是很普遍。對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開(kāi)發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍(lán)光(允。=465nm，Wb=30nm)，高溫?zé)Y(jié)制成的含Q3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹(shù)脂薄層，約200500nm。LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到白光"1。這種通過(guò)藍(lán)光LE

26、D得到白光的方法，構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉、技術(shù)成熟度高，因此運(yùn)用最多。發(fā)光二極管發(fā)光亮度可以通過(guò)工作電壓(電流)的大小來(lái)調(diào)節(jié)，在很寬的工作電流范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與工作電流大小成線性關(guān)系7。圖2-1所示為白色LED電流大小與光功率之間的折線圖。LED電流mA圖2-1 LED電流和功率的關(guān)系2.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管的特點(diǎn)發(fā)光二極管和普通二極管一樣是一種用半導(dǎo)體材料制作的PN結(jié)器件，除了能發(fā)光之外，其他特性和普通二極管相似。發(fā)光二極管以下的2個(gè)如下：(1)單向?qū)щ娦?。發(fā)光二極管和普通二極管一樣具有單向?qū)щ姷奶匦?，即在發(fā)光二極管的正極加正電壓，負(fù)極加負(fù)電壓時(shí)發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，相反則不導(dǎo)通也就不能

27、發(fā)光。這就決定了發(fā)光管必須使用直流電源或者單向脈動(dòng)電源供電。(2)發(fā)光二極管有負(fù)溫度系數(shù)的勢(shì)壘電勢(shì)。發(fā)光二極管上施加的正向電壓低于某個(gè)電壓值時(shí)發(fā)光二極管不導(dǎo)電，但外加電壓一旦超過(guò)這一電壓值時(shí)發(fā)光二極管的電流就會(huì)隨著外加電壓的變化急劇增加，對(duì)外電路呈現(xiàn)很低的動(dòng)態(tài)電阻，這一電壓值就是發(fā)光二極管的勢(shì)壘電勢(shì)，不同顏色的發(fā)光管其勢(shì)壘電勢(shì)不同。紅外線管最低，大約l伏多。紅光管約1.5-2伏，黃光管2伏左右，綠光管2.5-2.9伏，藍(lán)光管和白光管3伏多。并且發(fā)光管的勢(shì)壘電勢(shì)具有負(fù)的溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高勢(shì)壘電勢(shì)會(huì)降低，使用中的外特性表現(xiàn)為隨著溫度的升高管壓降低。LED電流LED電壓圖2-2 電壓與電流關(guān)

28、系從上圖2-2曲線可見(jiàn)，當(dāng)加在其上的正向電壓小于開(kāi)啟電壓時(shí)，正向電流很小，亮度很低。當(dāng)加在其上的正向電壓超過(guò)了開(kāi)啟電壓時(shí)，LED開(kāi)始導(dǎo)通并發(fā)光。隨著正向電壓的進(jìn)一步加大，正向電流突然地上升，發(fā)光的亮度也逐漸加大，正向電壓與正向電流基本上呈現(xiàn)出線性的關(guān)系，因此必須要嚴(yán)格控制正向電流的大小，防止在使用的過(guò)程中超過(guò)其最大電流而嚴(yán)重縮短其使用壽命，甚至于造成永久性的損壞。2.3 LED的選擇目前普通的草帽白光LED(直徑5mm，工作電壓3.23.4V，工作電流lO-20mh)，單個(gè)光通量在4-51m，售價(jià)為0.250.4元，量大批發(fā)能在0.2元以下。單個(gè)食人魚(yú)1w的LED(扁平狀，工作電壓3.23.4

29、V，工作電流300350mA)，光通量在30-501m，售價(jià)為20元以上。若是單個(gè)3W、5w的LED器件，售價(jià)會(huì)更貴。即使是1w的LED，其30-401m的光通量，相對(duì)于普通照明而言仍然太小，一只普通的60W白熾燈的光通量大于7001m。也就是說(shuō)，要代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明需要多個(gè)LED器件，10個(gè)1w美人魚(yú)白光LED售價(jià)為200元，100個(gè)草帽白光LED為25元，還要加上點(diǎn)燈線路、燈殼、燈頭等，如此高的成本是白光LED在普通照明中的最大問(wèn)題。同時(shí)，由于LED芯片的表面面積均為小于lmm2，工作時(shí)電流密度大，二極管內(nèi)發(fā)熱嚴(yán)重，如不加以疏導(dǎo)，將使芯片損壞，由于照明要求多個(gè)LED組合而成，LED密集度大，長(zhǎng)時(shí)

30、間發(fā)光溫升在所難免。而單個(gè)1w以上的大功率白光LED，由于自身的發(fā)光芯片表面面積較大，所以發(fā)光芯片中心部位散熱更加困難。實(shí)際的生產(chǎn)中，白光LED仍然沒(méi)有能完全解決這一問(wèn)題，也就是說(shuō)，相對(duì)而言,1W以上的美人魚(yú)白光LED，要比普通的草帽LED，壽命小的多。因此，在比較了價(jià)格和單個(gè)LED的流明及效率后，本設(shè)計(jì)選用普通的草帽LED，預(yù)計(jì)使用100個(gè)。而單個(gè)1w以上的大功率LED是大勢(shì)所趨，所以本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源，要能方便的調(diào)整輸出電壓，以適應(yīng)不同的工作電路。在大電流工作時(shí)，隨著點(diǎn)燃時(shí)間增長(zhǎng)，LED自身光衰加上熒光粉及封裝材料的劣化等造成光通下降，照明領(lǐng)域通常將光通下降到初始值的某一百分值定義為燈的有效

31、壽命結(jié)束了。因此使用中發(fā)光管實(shí)際工作電流的確定也十分重要，這也是選用驅(qū)動(dòng)器的依據(jù)。以白光發(fā)光管為例，對(duì)于一般5mm的小功率發(fā)光管，廠家產(chǎn)品樣本上給的正向電流的技術(shù)指標(biāo)一般是20mA，但實(shí)踐證明，普通小功率發(fā)光管在20mA正向電流下連續(xù)使用光衰很快，在1518mA電流下工作比較合適。對(duì)于1瓦的大功率白、藍(lán)光發(fā)光管，廠家產(chǎn)品樣本上給的正向電流技術(shù)指標(biāo)一般是350mA，可是，1瓦的白、藍(lán)光發(fā)光管給350mA電流實(shí)際功率已經(jīng)接近1.2瓦，如果散熱不太好長(zhǎng)期工作會(huì)加快光衰。一般連續(xù)工作的1瓦藍(lán)、白光發(fā)光管應(yīng)該給到300一-320mA電流當(dāng)然，由于大功率發(fā)光管的穩(wěn)定性比較好，如果散熱條件好也可以給3203

32、40mA正向電流。實(shí)際使用中，不管是大功率管還是小功率管，使用中電流也不能太小，否則實(shí)際功率比標(biāo)稱(chēng)值小的太多，影響亮度。2.4驅(qū)動(dòng)方式圖2-3 并聯(lián)（左）和串連（右）發(fā)光管實(shí)際制作半導(dǎo)體燈時(shí)，常常使用多只發(fā)光管，這就有個(gè)發(fā)光管的連接方式問(wèn)題。對(duì)于發(fā)光管來(lái)說(shuō)，應(yīng)該優(yōu)先選用串聯(lián)連接，如圖2-3。發(fā)光管的管壓降呈現(xiàn)負(fù)的溫度系數(shù)，直接并聯(lián)，如圖2-3時(shí)各并聯(lián)發(fā)光管管壓降不可能完全相同，這樣并聯(lián)管之間的電流就會(huì)略有差異，使用時(shí)管壓降略低的管電流略大，其溫升就會(huì)比其他相并聯(lián)的管高，溫升高的管管壓降會(huì)降低的比較多，這樣就導(dǎo)致其電流進(jìn)一步加大，電流大引起更大的溫升，使其管壓降進(jìn)一步降低，如此熱電正反饋使電流逐

33、漸向管壓降小的發(fā)光管偏移，最終導(dǎo)致其失效。因此，應(yīng)該優(yōu)先串聯(lián)使用發(fā)光管。串聯(lián)使用只有一個(gè)問(wèn)題，即一只LED不亮導(dǎo)致此路其他發(fā)光管都不亮。但實(shí)際使用證明，在驅(qū)動(dòng)電流正常的情況下，即使發(fā)光管自身發(fā)生故障一般也保持通路狀態(tài)，其他發(fā)光管照樣亮。如果驅(qū)動(dòng)器損壞大電流沖擊燒毀發(fā)光管，常常會(huì)使發(fā)光管內(nèi)部引線燒斷開(kāi)路，但是，驅(qū)動(dòng)器都?jí)牧司褪前l(fā)光管并聯(lián)整個(gè)燈也不亮了。所以還是應(yīng)該優(yōu)先選用發(fā)光管串聯(lián)結(jié)構(gòu)。如果使用的管數(shù)較多時(shí)全部串聯(lián)不可能，也只好連串帶并，但各串并聯(lián)管之間必須要有均流措施，最簡(jiǎn)單的均流措施就是在每一串并聯(lián)管中串聯(lián)一個(gè)電阻n們牽制電流的偏移。電阻上的壓降太大，使功耗增加，壓降太小則均流效果不好，一般

34、可以取串聯(lián)LED燈總壓降的5%左右。本設(shè)計(jì)中，采用十個(gè)LED串聯(lián)，由驅(qū)動(dòng)電源提供+35V電壓。串聯(lián)之后再并聯(lián)。2.5 LED驅(qū)動(dòng)器介紹實(shí)際應(yīng)用中種類(lèi)繁多的驅(qū)動(dòng)器按照工作特點(diǎn)可以分為兩大類(lèi)：直流供電的驅(qū)動(dòng)器和交流供電的驅(qū)動(dòng)器。直流驅(qū)動(dòng)器直流驅(qū)動(dòng)器使用直流電供電，根據(jù)不同的應(yīng)用可以有串聯(lián)降壓型；升壓型：變換器型三種電路結(jié)構(gòu)12。(1) 直流降壓型驅(qū)動(dòng)器直流降壓型驅(qū)動(dòng)器的基本原理是用開(kāi)關(guān)器件配合電抗性器件對(duì)外界電源降壓限流以后驅(qū)動(dòng)發(fā)光管工作。串聯(lián)降壓型驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變換效率比較高。串聯(lián)降壓驅(qū)動(dòng)器比較適合用于輸入電壓和負(fù)載管壓降差別不太大的情況下驅(qū)動(dòng)發(fā)光管。這種驅(qū)動(dòng)器的主要缺點(diǎn)是一旦主開(kāi)關(guān)器件損壞大

35、電流會(huì)直接通過(guò)發(fā)光管使發(fā)光管燒毀。顯而易見(jiàn)，這種方案當(dāng)供電電壓低于負(fù)載管壓降時(shí)不能使用。(2) 直流升壓型驅(qū)動(dòng)器直流升壓型驅(qū)動(dòng)器的基本原理是用開(kāi)關(guān)器件配合電抗性器件儲(chǔ)能升壓限流的方式工作的。升壓驅(qū)動(dòng)器的變換效率也比較高。這種方案制作的驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是自身出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)損壞發(fā)光管。升壓型驅(qū)動(dòng)器只能用在負(fù)載管壓降始終高于電源電壓的情況。如果負(fù)載管壓降低于電源電壓驅(qū)動(dòng)器會(huì)失控，大電流直接經(jīng)過(guò)發(fā)光管使發(fā)光管燒毀。輸入直流低電壓時(shí)所用的發(fā)光管數(shù)量少可以選用降壓驅(qū)動(dòng)器也可以選用升壓驅(qū)動(dòng)器，盡量串聯(lián)不并聯(lián)或者少并聯(lián)發(fā)光管。如果發(fā)光管數(shù)量多應(yīng)該選用升壓驅(qū)動(dòng)器，也是盡量串聯(lián)不并聯(lián)或者少并聯(lián)發(fā)光管6。(3

36、)直流變換器型驅(qū)動(dòng)器變換器型驅(qū)動(dòng)器n町用開(kāi)關(guān)器件配合高頻變壓器實(shí)現(xiàn)能量從初級(jí)到次級(jí)的傳輸，同時(shí)做電壓電壓變換驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管工作。這種驅(qū)動(dòng)器輸出端的電壓不受輸入電壓的制約，可以按照所需要串聯(lián)的發(fā)光管數(shù)任意設(shè)計(jì)，應(yīng)用靈活，適合用在供電電壓在負(fù)載管壓降附近波動(dòng)的情況，也適合供電電壓和負(fù)載管壓降差別很大的情況。其缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，變換效率比以上兩種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器略低。如果輸入直流高電壓驅(qū)動(dòng)小功率管可以用串聯(lián)降壓驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)大功率管從安全角度考慮應(yīng)該選用變換器結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器。交流驅(qū)動(dòng)器交流驅(qū)動(dòng)器使用交流市電供電，根據(jù)不同的應(yīng)用也分為降壓型、升壓型、變換器型三種電路類(lèi)型。交流驅(qū)動(dòng)器和直流驅(qū)動(dòng)器的區(qū)別除了需要對(duì)輸

37、入的交流電做整流濾波之外，從安全角度考慮還存在一個(gè)隔離和不隔離的問(wèn)題。(1) 交流串聯(lián)降壓型驅(qū)動(dòng)器交流串聯(lián)降壓型驅(qū)動(dòng)器2把輸入的交流市電整濾波后直接用開(kāi)關(guān)器件和電抗性器件對(duì)輸入的高電壓進(jìn)行降壓限流。這種驅(qū)動(dòng)器和直流降壓驅(qū)動(dòng)器具有同樣的優(yōu)缺點(diǎn)，適合串聯(lián)驅(qū)動(dòng)多只發(fā)光管。很顯然，這種電路結(jié)構(gòu)屬于不隔離電路，使用時(shí)應(yīng)注意安全，制作的燈具發(fā)光二極管的引線也不能在外部裸露。由于這電路主開(kāi)關(guān)管損壞時(shí)打電流會(huì)通過(guò)發(fā)光管使發(fā)光管燒毀，因此，高電壓輸入串聯(lián)驅(qū)動(dòng)多只大功率發(fā)光管時(shí)要謹(jǐn)慎使用。(2) 交流升壓型驅(qū)動(dòng)器交流升壓型驅(qū)動(dòng)器把輸入的交流市電整濾波后直接用開(kāi)關(guān)器件和電抗性器件對(duì)輸入的高電壓進(jìn)行升壓限流。這種驅(qū)動(dòng)

38、器和直流升壓驅(qū)動(dòng)器具有同樣的優(yōu)缺點(diǎn)。但是，直接市電輸入時(shí)輸入的電壓較高，220交流勢(shì)電需要整流升壓到直流電壓400伏以上，負(fù)載的發(fā)光管需要串聯(lián)125只以上白光或者藍(lán)光發(fā)光管才能保證在電源電壓有較大波動(dòng)時(shí)安全工作。由于這種驅(qū)動(dòng)器當(dāng)負(fù)載管壓降低于輸入電壓時(shí)會(huì)失控使大電流直接通過(guò)發(fā)光管使發(fā)光管燒毀，因此也要謹(jǐn)慎使用。(3) 交流變換器型驅(qū)動(dòng)器交流變換器型驅(qū)動(dòng)器是把輸入的交流市電整流后經(jīng)過(guò)高頻變換變壓限流驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管工作，這種驅(qū)動(dòng)器有高頻變壓器做隔離，因此輸出端是安全的，并且輸出端的電壓不受輸入電壓的制約，可以按照所需要串聯(lián)的發(fā)光管數(shù)任意設(shè)計(jì)，應(yīng)用靈活，其他優(yōu)缺點(diǎn)和直流變換器型驅(qū)動(dòng)器相同。變換效率約

39、90%。220伏交流市電輸入時(shí)驅(qū)動(dòng)200只以下小功率管都可以考慮用串聯(lián)降壓驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)200只以上小功率管應(yīng)該選用升壓或者隔離驅(qū)動(dòng)器。 LED的直流驅(qū)動(dòng)和脈沖驅(qū)動(dòng)選擇發(fā)光管發(fā)光靠電能激發(fā)，不管是直流驅(qū)動(dòng)還是脈沖驅(qū)動(dòng)，輸入的電能量決定了輸出的光能量，脈沖驅(qū)動(dòng)不可能使發(fā)光管提高光效，相反，應(yīng)該是直流驅(qū)動(dòng)光效更高。因?yàn)榘l(fā)光管的輸入電流過(guò)大光通量隨電流增加的速度將變緩，發(fā)光管的管小降低。另外，過(guò)大的電流還會(huì)引起發(fā)光管發(fā)射的光譜向長(zhǎng)波方向偏移，對(duì)于白光發(fā)光管來(lái)說(shuō)，這將導(dǎo)致激發(fā)熒光粉效能的降低，使光效下降。所以，脈沖驅(qū)動(dòng)不可能使發(fā)光管省電，但設(shè)計(jì)合理的脈沖驅(qū)動(dòng)器也不會(huì)明顯的引起光效的下降，因此也就不會(huì)比直

40、流驅(qū)動(dòng)更明顯的費(fèi)電。但是脈沖驅(qū)動(dòng)器常常具有電路結(jié)簡(jiǎn)單生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，所以還是值得使用。因此，究竟用脈沖驅(qū)動(dòng)還是用直流驅(qū)動(dòng)要根據(jù)具體情況而定4。如果用脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)光管，一般不會(huì)縮短發(fā)光管的使用壽命發(fā)光管是一種量子器件適合高速工作，這正是發(fā)光管的優(yōu)點(diǎn)之一。如果有閃爍使用的發(fā)光管頻頻損壞，那應(yīng)該是其他方面的原因引起的，比如過(guò)熱，電流過(guò)大等等，而不會(huì)是發(fā)光管自身不耐閃爍。一般的驅(qū)動(dòng)技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低在用于低功率的普通LED驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于電流只有幾個(gè)mA，因此損耗不明顯，當(dāng)用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅(qū)動(dòng)時(shí)，功率電路的損耗就成了比較嚴(yán)重的問(wèn)題。綜合以上特點(diǎn)，本電路采用交流

41、變換器型驅(qū)動(dòng)器、直流驅(qū)動(dòng)LED。對(duì)于市電供電的驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，由于火線可以對(duì)地形成回路，這樣有可能導(dǎo)致人、畜觸電者引起其他事故。如果驅(qū)動(dòng)器的輸出端能和市電隔離就會(huì)更為安全。隔離驅(qū)動(dòng)雖然電路結(jié)構(gòu)比不隔離驅(qū)動(dòng)器略微復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)器體積也會(huì)增大、生產(chǎn)成本會(huì)提高，而不隔離驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、體積也可以做得更小，但不隔離降壓驅(qū)器的一個(gè)最大的危險(xiǎn)是驅(qū)動(dòng)器一旦損壞高電壓大電流會(huì)直接通過(guò)發(fā)光管是發(fā)光管損壞。因此，還是使用隔離驅(qū)動(dòng)器為好。交流變換器型驅(qū)動(dòng)器變換效率較高，從節(jié)能的角度來(lái)說(shuō)，更有意義。第三章 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本章的主要目的是研究常用的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，提出自己的電源主結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)其中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。3

42、.1主電路結(jié)構(gòu)介紹開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用與發(fā)展以高頻變壓器取代工頻變壓器，采用脈沖調(diào)制技術(shù)的直流一直流變換器型穩(wěn)壓電源，通常稱(chēng)它為開(kāi)關(guān)電源。它具有管耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬及體積小、重量輕等特點(diǎn)，目前己在各種電子儀器和設(shè)備、航空和宇宙飛行器、發(fā)射機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備和電視機(jī)、錄放機(jī)中得到了應(yīng)用。開(kāi)關(guān)晶體管、開(kāi)關(guān)二極管和開(kāi)關(guān)變壓器是組成開(kāi)關(guān)電源的三個(gè)關(guān)鍵元件，減小開(kāi)關(guān)電源的體積和重量就須提高電源的開(kāi)關(guān)頻率，大功率，高反壓和高速開(kāi)關(guān)晶體管，快速恢復(fù)開(kāi)關(guān)二極管以及開(kāi)關(guān)電源變壓器中使用的高頻，低損耗磁性材料的技術(shù)發(fā)展，使開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率從數(shù)十kHz發(fā)展到數(shù)百kHz。開(kāi)關(guān)電源的基本電路由“交流一直流轉(zhuǎn)換電

43、路”、“開(kāi)關(guān)型功率變換器”、“控制電路”和“整流濾波電路”等組成(見(jiàn)圖3-1)。輸入的電網(wǎng)電壓通過(guò)“交流一直流轉(zhuǎn)換電路"中的整流器和濾波器轉(zhuǎn)換成直流電，該直流電源作為“開(kāi)關(guān)型功率變換器"的輸入電源，經(jīng)過(guò)“開(kāi)關(guān)型功率變換器”將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖方波電壓輸給“整流濾波電路”，變成平滑直流供給負(fù)載，控制電路則起著控制“開(kāi)關(guān)型功率變換器”工作的作用。圖3-1 開(kāi)關(guān)電源原理框圖開(kāi)關(guān)型功率變換器是開(kāi)關(guān)電源的主電路，開(kāi)關(guān)電源的能量轉(zhuǎn)換，電壓變換就由它來(lái)承擔(dān)。在直流變換器的基礎(chǔ)上，由于高頻脈沖技術(shù)及開(kāi)關(guān)變換技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了推挽式開(kāi)關(guān)型功率變換器，全橋式功率變換器，半橋式功率變換器

44、，單端正激式功率變換器，單端反激式功率變換器，快速磁放大器式開(kāi)關(guān)型功率變換器等。其控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)兩種。反激電路圖3-2 反激式變換器原理圖反激電路原理如圖3-2所示，圖中為電網(wǎng)交流電壓，經(jīng)“交流一直流轉(zhuǎn)換電路”中整流濾波而得到的直流電壓?？刂齐娐钒ㄩ_(kāi)關(guān)頻率振蕩器、脈寬調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)器、比較放大器、保護(hù)器等。當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管BG被驅(qū)動(dòng)脈沖激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，Ui加在開(kāi)關(guān)變壓器T的初級(jí)繞組N，上，此時(shí)次級(jí)繞組N1的極性使D處于反偏而截止，因此N1上沒(méi)有電流流過(guò)，此時(shí)電感能量?jī)?chǔ)存在N1中，當(dāng)BG截止時(shí)，N2上電壓極性顛倒使D處于正偏，N1上有電流流過(guò)，在BG導(dǎo)通期

45、間儲(chǔ)存在N2中的能量此時(shí)通過(guò)D向負(fù)載釋放。反激式變換器工作波形見(jiàn)圖圖3-3 反擊式變換器工作波形反激式變換器電源的穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓U。降低時(shí)，其差值經(jīng)過(guò)比較放大器放大，使脈寬調(diào)制器輸出脈沖的寬度變寬，因而B(niǎo)G導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng)，N1中儲(chǔ)能增大，于是輸出電壓升高，以補(bǔ)償其下降部分。反之，當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，脈寬調(diào)制器輸出脈沖的寬度變窄，因而導(dǎo)通時(shí)間縮短，N1中儲(chǔ)能減小，于是輸出電壓降低，以補(bǔ)償其上升部分12。正激電路正激電路原理圖如圖3-4所示，正激電路和反激電路相比，變壓器T的次級(jí)繞組IV，的極性連接正好相反，它是在BG導(dǎo)通時(shí)通過(guò)Dl向負(fù)載傳遞能量并在電感L中儲(chǔ)能。在BG截止時(shí)q截止，N2相當(dāng)于

46、開(kāi)路，此時(shí)L中儲(chǔ)能通過(guò)續(xù)流二極管D：向負(fù)載釋放。正激變換器工作波形見(jiàn)圖3-5。 圖3-4 正激電路原理圖3-5 正激變換器工作波形正激電路的穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓U。降低時(shí)，控制電路的輸出脈沖變寬，BG導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng)，輸出電壓升高，以補(bǔ)償其下降部分，當(dāng)輸出電壓U。上升時(shí)，控制電路的輸出脈沖變窄，BG導(dǎo)通時(shí)間縮短，輸出電壓降低，以補(bǔ)償其上升部分。半橋電路典型的半橋式變換電路如圖3-6所示。圖3-6 典型板橋市變換電路半橋式變換電路是雙端電路，在一個(gè)周期內(nèi)，BGl和BG2交替導(dǎo)通，其集電極電位一個(gè)上升，另一個(gè)則下降。隨著B(niǎo)Gl和BG2的導(dǎo)通和截止，在電容C1和C上極性相反的電壓分別施加于開(kāi)關(guān)變壓器初

47、級(jí)繞組上。變壓器初級(jí)在整個(gè)周期內(nèi)都有電流流過(guò)，磁芯得到了充分利用，晶體管BGl和BG2的集電極與發(fā)射極峰值電壓要求較低，2UCE=EC。主要缺點(diǎn)是晶體管流過(guò)的電流較大，與推挽式電路相比，要輸出相同功率，晶體管必須流過(guò)兩倍的電流。這種電路另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，為了避免磁飽和，通過(guò)耦合電容e的作用可以自動(dòng)修正，也就是說(shuō)具有抗不平衡的作用。但是耦合電容C3要選的合適，不然效果不佳。圖3-7 半橋式變換器工作波形全橋電路圖3-8 全橋是變換器原理電路典型的全橋式電路如圖3-8所示。這種電路每半周期兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，如BGl、BG4或BG2、BG3。使開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)繞組在一個(gè)周期內(nèi)交替受到極性相反的輸入電壓激

48、勵(lì)。開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)繞組經(jīng)過(guò)整流和濾波，輸出所需要的直流電壓。其主要優(yōu)點(diǎn)是：晶體管集電極與發(fā)射極峰值電壓要求較低，ECE=1/2EC，并且每個(gè)晶體管流過(guò)的電流比半橋小50。但它主要缺點(diǎn)是需要四只晶體管，及四組相互隔離的晶體管驅(qū)動(dòng)電路，使控制驅(qū)動(dòng)電路成本增大，而且不象半橋電路那樣具有抗不平衡的能力。圖3-9 全橋式變換器工作波形推挽電路圖3-10 推挽式變換器原理推挽式變換電路實(shí)際上是由兩個(gè)正激式變換電路所組成，只是它們工作時(shí)相位相反?；镜耐仆焓诫娐方Y(jié)構(gòu)如圖3-10所示。在每個(gè)周期里，BGl和BG2交替導(dǎo)通，其集電極電位一個(gè)上升，另一個(gè)下降，形成推挽式動(dòng)作，使開(kāi)關(guān)變壓器T具有中心抽頭的初級(jí)繞組

49、的兩個(gè)異名端分別被激勵(lì)，在各自的半個(gè)周期內(nèi)，分別把能量傳遞給負(fù)載。這種電路每個(gè)晶體管流過(guò)的平均電流比同等的單端正激式電路減少50%。但是這種電路還是很少被采用，主要原因有兩個(gè)：一是受開(kāi)關(guān)晶體管電壓額定值的限制，理論上晶體管集電極與發(fā)射極的峰值電壓應(yīng)為坼r=2.64耳，但實(shí)際上在正式產(chǎn)品中，假如不能保證ECE=2.64Ec，產(chǎn)品損壞率將會(huì)增高，這樣有可能選不出合適的晶體管：二是變壓器的磁芯飽和問(wèn)題。由于推挽式電路的特殊結(jié)構(gòu)，極易發(fā)生磁飽和，為了避免飽和現(xiàn)象，要增加相應(yīng)的輔助電路，并要求兩只晶體管的特性參數(shù)高度一致，這很難辦到。圖3-11 推挽式變換器工作波形雙極性變換器電源(推挽、半橋、全橋)的

50、穩(wěn)壓原理是這樣的：若由于某種原因(例如輸入電網(wǎng)電壓的變化或輸出端伏在的變化)使輸出電壓變化U，則U，經(jīng)脈寬控制電路處理后就產(chǎn)生寬度可變的控制脈沖，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管，實(shí)行功率變換，其輸出也是改變了脈沖寬度的方波電壓，從而使輸出電壓回到額定值電壓砜。這類(lèi)開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)改變脈沖寬度或占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的。假定輸出電壓平均值為，方波電壓的幅值為U，并且忽略電路的內(nèi)阻，那么從圖3-12可以看出砜和U，有如下關(guān)系圖3-12 輸出電壓與幅值關(guān)系 幾種電路結(jié)構(gòu)的比較開(kāi)關(guān)電源變壓器的工作狀態(tài)與開(kāi)關(guān)型功率變換器的電路形式有關(guān)，一般根據(jù)功率大校，使用要求，采用不同形式的功率變換器。不同的電路形式，開(kāi)關(guān)電源變壓器工作狀態(tài)

51、也不同，對(duì)開(kāi)關(guān)電源變壓器提出了不同的設(shè)計(jì)要求。就輸出功而言，全橋式最大，推挽式次之，半橋式居中，單端正激式和反激式輸出功率最小。就開(kāi)關(guān)晶體管個(gè)數(shù)而言，推挽式和半橋式有兩個(gè)晶體管，全橋式四個(gè)，單端正激式和反激式各一個(gè)。就效率而言，以E133變壓器為例，在工作頻率為50kHz、溫升500C時(shí)，全波全波的效率為0.99062，橋式全波的效率為0.99205，橋式橋式的效率為0.99336。表3-1各種電路的比較電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率適用場(chǎng)合反激電路簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單適合小功率，變壓器單向激磁，利用率低幾瓦幾十瓦小功率電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性

52、高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低幾 百瓦幾千瓦各種中、小功率電源全橋變壓器雙向激磁，沒(méi)有變壓器偏磁問(wèn)題，開(kāi)關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)題，可靠性低，需要隔離驅(qū)動(dòng)電路幾 百瓦十幾千瓦各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等半橋變壓器雙向激磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路幾 百瓦幾百千瓦大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等推挽變壓器雙向激磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問(wèn)題幾 百瓦十幾千瓦低輸入電壓的電源結(jié)合以上各電路特點(diǎn)，結(jié)合此次設(shè)計(jì)的要求，決定選用半橋式變換器做為主變換器。半橋式變換器是目前應(yīng)用較多的變換器形式，它

53、所適用的功率范圍滿足設(shè)計(jì)要求，電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，功率開(kāi)關(guān)組件較少。至于存在的上下開(kāi)關(guān)直通問(wèn)題，通?？梢赃x擇合適的PWlVl控制芯片和通過(guò)設(shè)置死區(qū)時(shí)間來(lái)解決。在功率器件的隔離驅(qū)動(dòng)問(wèn)題上，由于電力電子技術(shù)的完善和成熟，隔離驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為大功率器件必不可少的控制方式，因此不構(gòu)成不利因素。由于技術(shù)指標(biāo)中要求輸出電壓大范圍可調(diào)，并且對(duì)紋波和穩(wěn)壓精度的要求較高，同時(shí)還要考慮噪聲對(duì)電源系統(tǒng)的影響，或電源噪聲對(duì)開(kāi)關(guān)電源的影響。在半橋電路之前，加上濾波電路。主電路如圖3-13所示。圖3-13 驅(qū)動(dòng)電源主電路在電源進(jìn)線端通常采用如圖3-13所示電路。該電路對(duì)共模紋波干擾均有較好抑制作用。Ll，L2，C1，C2用于濾

54、除共模干擾信號(hào)。Cl，C2為旁路電容，又稱(chēng)Y電容。電容量要求2200pF左右。電容量過(guò)大，影響設(shè)備的絕緣性能。L1、L2要求圈數(shù)相同，電感量2mH左右。在同一磁芯上繞兩個(gè)匝數(shù)相等的線圈，電源往返電流在磁芯中產(chǎn)生大小相等、方向相反的磁通。Ll、L2對(duì)于相線與地線問(wèn)共模信號(hào)，呈現(xiàn)為一個(gè)大電感。對(duì)共模信號(hào)而言，共模電感呈現(xiàn)很大的阻抗。3.2功率開(kāi)關(guān)原件設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)元件主要是功率晶體管、功率MOSFET、功率IGBT本設(shè)計(jì)中選功率三極管E13007，同時(shí)配上散熱片。開(kāi)關(guān)頻率定為40kHz。3.3電感、電容的計(jì)算主回路電路中的電感具有非常重要的作用，它起著減小電流上升率，平滑直流回路電流的重

55、要作用。從理論角度講，電感值越大越好，但這會(huì)給使用帶來(lái)很大的不方便，因此，為了使電感值不大，而又達(dá)到預(yù)期的效果，必須對(duì)電感值加以計(jì)算。對(duì)于本設(shè)計(jì)，設(shè)定電網(wǎng)電壓整流后的變化范圍約為270V340V，此處諧波電壓取小于0.05%。使電流連續(xù)的電感臨界值，取輸出電壓最低，電流最小時(shí)的情況，因?yàn)榇藭r(shí)電流最不容易連續(xù)7：3.4變壓器分布參數(shù)及材料選擇變壓器是電源的核心器件之一，主要作用有：磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換和絕緣隔離。在開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)作用下，變壓器性能的好壞不僅影響變壓器自身發(fā)熱和效率，而且還會(huì)影響到開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性，所以在設(shè)計(jì)制作時(shí)，對(duì)磁芯材料的選擇，磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)，繞制工藝等都要周密考慮。

56、高頻變壓器的分布參數(shù)開(kāi)關(guān)變壓器傳遞的是高頻方波電壓，在瞬變過(guò)程中，漏感和分布電容會(huì)引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部震蕩，造成損耗增加，嚴(yán)重會(huì)造成開(kāi)關(guān)管損壞因此應(yīng)加以控制。在輸出為高壓，輸出繞組匝數(shù)多，層數(shù)多時(shí)應(yīng)考慮電容帶來(lái)的危害，一般的設(shè)計(jì)主要考慮漏感的影響。同時(shí)，降低分布電容有利于抑制高頻信號(hào)對(duì)負(fù)載的干擾。一般根據(jù)開(kāi)關(guān)電源電路的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，而趨膚效應(yīng)影響則作為選擇導(dǎo)線規(guī)格的條件之一。變壓器的漏感主要為勵(lì)磁電感LM,原邊漏感L1、副邊漏感L2,如圖3-14所示。其中勵(lì)磁電感LM很大，并且與原邊繞阻并聯(lián)，因此可以忽略。副邊的漏感L2折合到原邊，和原邊的漏感L1和為變壓器的等效漏感LS。圖3-14 變壓器的漏感圖3-1