LED開(kāi)關(guān)電源畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要當(dāng)今社會(huì)，節(jié)能環(huán)保已成為全人類的共識(shí)，因而節(jié)能環(huán)保的半導(dǎo)體照明和照明器件的智能化成為照明領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。多功能高亮度LED照明燈的設(shè)計(jì)和推廣可以達(dá)到環(huán)保節(jié)能目的。多功能高亮度LED照明燈是由開(kāi)關(guān)電源部分，控制部分和白光LED燈三部分構(gòu)成。在開(kāi)關(guān)電源和控制部分共同作用下使每個(gè)LED的工作電壓為3.2V，工作電流為17.5mA，并且它不隨LED的溫度的變化而變化，從而達(dá)到穩(wěn)壓限流的效果。在高效率的開(kāi)關(guān)電源的驅(qū)動(dòng)下，LED燈的實(shí)際工作總功率為5.6W，但它的實(shí)際亮度已達(dá)到普通的40W白光燈的亮度。再利用SCT89C51單片機(jī)根據(jù)外部環(huán)境光線亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，實(shí)現(xiàn)了照明器

2、件的智能化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源輸出電壓為20V，輸出電流為2A，LED燈可由單片機(jī)根據(jù)外部環(huán)境光線亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，較好地實(shí)現(xiàn)了照明燈具的有效節(jié)能和亮度控制智能化。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體照明；白光LED；開(kāi)關(guān)電源；高頻變壓器 ；STC89C51AbstractIn contemporary society, energy conservation and environmental protection has become the consensus of all mankind, so energy conservation and environmental protecti

3、on of semiconductor lighting and lighting devices of intelligence become development trends in the field of lighting. High-Brightness LED lighting design and promotion can reach the purpose of energy conservation and environmental protection. High-Brightness LED lights consist of three parts, the sw

4、itching power supply, the control, and the White LED lights. Under the effect of switching power supply and control of the common LED, each of the operating voltage is to 3.2 V, operating current 17.5mA and it does not change with the changeable LED temperature, so as to meet current limit and the e

5、ffect of regulators. In the driving force of a highly efficient switching power supply, LED lights in the practical work for the total power of 5.6 W, but its actual brightness has reached 40 W of ordinary white light brightness. Re-used SCT89C51 SCM, in accordance with the external environment ligh

6、ting brightness, automatically adjusts brightness light, and the lighting of intelligent devices, and then well positioned to enable lighting of the intelligence and energy conservation.Key words：semiconductor illumination ; white light-emitting diode; switching power supply; high frequency transfor

7、mer；STC89C51 目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1課題背景11.2國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體照明技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨121.2.1我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.2.2 美國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.2.3日本半導(dǎo)體照明技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)31.3 本章小結(jié)3第2章 白光LED42.1白光LED發(fā)光原理242.2白光LED的特性242.3白光LED工作點(diǎn)的選擇62.4 本章小結(jié)7第3章 LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)83.1 硬件的設(shè)計(jì)83.1.1電路框圖和工作原理83.1.2 LED燈的連接方式的選擇83.1.3電源類型的選擇103.1.4開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)113

8、.1.5 環(huán)境檢測(cè)電路193.2軟件設(shè)計(jì)203.3 本章小結(jié)21第4章 安裝調(diào)試224.1開(kāi)關(guān)電源的安裝與調(diào)試224.2 LED燈具和控制部分的安裝與調(diào)試234.3 本章小結(jié)23結(jié) 語(yǔ)24致 謝25參考文獻(xiàn)26附錄1：電路原理圖27附錄2：電路PCB圖28附錄3：部分控制程序2930第1章 緒 論1.1課題背景 半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)改變了世界，半導(dǎo)體照明技術(shù)孕育著一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命，將再一次改變我們的世界。隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的研究取得突破以及藍(lán)、綠發(fā)光二極管的問(wèn)世，在與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)的照明領(lǐng)域，將發(fā)生一場(chǎng)巨大的變革。白光LED作為半導(dǎo)體發(fā)光光源，在與普通白熾燈保持同樣亮度下，其電能消耗僅

9、相當(dāng)于后者的20%左右。使用壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，是普通燈管的數(shù)十倍。它可靠性好，維護(hù)成本低。使用電壓低，除了便攜機(jī)器的液晶背光源，還可以用語(yǔ)野外照明，邊遠(yuǎn)山區(qū)照明，礦工燈和水環(huán)境照明等。開(kāi)關(guān)時(shí)間短，響應(yīng)時(shí)間最低可達(dá)到1微秒，一般燈具為幾個(gè)毫秒（現(xiàn)用的光源響應(yīng)時(shí)間200毫秒）。環(huán)保，沒(méi)有水銀等有害廢棄物，堅(jiān)固不易破碎，減少?gòu)U棄物對(duì)環(huán)境的污染。LED燈不含紅外和紫外的成分，沒(méi)有輻射污染，且直流驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有頻閃，是保護(hù)視力的環(huán)保光源。隨著LED的廣泛使用和性能的提升，半導(dǎo)體照明的發(fā)展作為光源材料制作的裝飾燈、城市景觀燈等產(chǎn)品不斷推出，LED光源材料的照明燈具的市場(chǎng)正在形成并呈上升趨勢(shì)，特別是在城市景觀

10、、危險(xiǎn)區(qū)域、緊急應(yīng)急等方面的使用潛力更為巨大，一場(chǎng)新的照明革命即將到來(lái)已成為人們的共識(shí)，開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體照明應(yīng)用產(chǎn)品和引導(dǎo)市場(chǎng)發(fā)展成為人們最關(guān)心的問(wèn)題。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為如同晶體管替代電子管一樣，半導(dǎo)體燈代替白熾燈和熒光燈將是大勢(shì)所趨。隨著半導(dǎo)體照明光源在城市景觀、商業(yè)大屏幕、交通信號(hào)燈、手機(jī)及PDA背光源等特殊照明領(lǐng)域的應(yīng)用，以其飽滿色光、無(wú)限混色、迅速切換、耐震、耐潮、冷溫、超長(zhǎng)壽、少維修優(yōu)勢(shì)，特別是LED的發(fā)光效率正在大幅度提高，LED半導(dǎo)體照明被認(rèn)為是21世紀(jì)最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種具有長(zhǎng)壽命、節(jié)能、綠色環(huán)保、色彩豐富、微型化等顯著優(yōu)點(diǎn)的新型固態(tài)冷光源和最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。它將以替

11、代白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈等傳統(tǒng)光源而成為全球最熱門、最矚目的新一代光源第四代電光源。LED節(jié)能照明燈的推廣，一年能為我國(guó)節(jié)省能源總量是非常巨大的，2003年，中國(guó)發(fā)電量是1.91萬(wàn)億千瓦時(shí)，其中照明用電所占比例約為12% ，即2292億千瓦時(shí)，相當(dāng)于三峽水電站總發(fā)電量的2.4倍，并按照每年5%的增長(zhǎng)率計(jì)算，到2010年，照明用電達(dá)到3225億千瓦時(shí)。由于同樣亮度下，半導(dǎo)體燈用電量?jī)H為白熾燈的1/10，因此只要有1/3 的白熾燈照明被半導(dǎo)體燈取代，就能夠節(jié)約1/3的照明用電，這意味著每年為國(guó)家節(jié)省用電1000億千瓦時(shí)，是三峽電站年總發(fā)電量847億千瓦時(shí)的一倍還多，可見(jiàn)，半導(dǎo)體照明進(jìn)入民用

12、照明領(lǐng)域，可以為中國(guó)節(jié)省一個(gè)三峽工程。專家認(rèn)為：三峽工程的靜態(tài)投資為1000億元，動(dòng)態(tài)投資則達(dá)到2000億元，其建設(shè)周期為1720年，建成后每年發(fā)電量為856.2 億千瓦時(shí)，若拿出三峽工程的5%，即50億元100億元來(lái)發(fā)展半導(dǎo)體照明，就能夠再造一個(gè)三峽工程。專家預(yù)測(cè)，我國(guó)在2005年至2015年間，半導(dǎo)體照明可累計(jì)節(jié)能4000億度，為用戶節(jié)約2600億元電費(fèi)支出，創(chuàng)造1500億元產(chǎn)值，解決100萬(wàn)人口就業(yè)。與LED照明優(yōu)勢(shì)相結(jié)合而設(shè)計(jì)的智能照明控制系統(tǒng)對(duì)我國(guó)發(fā)展環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義.1.2國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體照明技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨1 1.2.1我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)的研

13、究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)是世界照明電器第一大生產(chǎn)國(guó)、第二大出口國(guó)，擁有巨大的照明工業(yè)和照明市場(chǎng)。中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了買器件、買芯片、買外延片之路后，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主生產(chǎn)外延片和芯片。近年來(lái)中國(guó)LED產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力逐漸提高，器件可靠性研究位置越來(lái)越突出，測(cè)試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)也漸成熱點(diǎn)，所有這一切均標(biāo)志著中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。根據(jù)中國(guó)照明協(xié)會(huì)提供的數(shù)字，去年銷售收入445億元，出口創(chuàng)匯4

14、3億美元。但是，照明工業(yè)大而不強(qiáng)，主要做低端產(chǎn)品，利潤(rùn)率低，缺乏國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)了解，美國(guó)現(xiàn)在每年照明用電6000億度，約占用電總量的20。我國(guó)每年照明用電只有2000多億度，占全國(guó)用電總量的1。面對(duì)半導(dǎo)體照明的歷史機(jī)遇，2003年6月17日科技部聯(lián)合信息產(chǎn)業(yè)部、中國(guó)科學(xué)院、建設(shè)部、輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)、教育部等部委以及北京、上海等十一個(gè)地方政府成立國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，開(kāi)始推進(jìn)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程，將投入100億元，引導(dǎo)企業(yè)突破半導(dǎo)體照明的關(guān)鍵技術(shù)，形成中國(guó)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)。2004年6月成立國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，正式啟動(dòng)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)作為國(guó)家“十五

15、”科技攻關(guān)重大項(xiàng)目已正式立項(xiàng)。在未來(lái)巨大市場(chǎng)潛力的推動(dòng)下和政府的大力支持下，中國(guó)大陸LED芯片產(chǎn)量從2003年的115.6億只，增長(zhǎng)到2006年的309.3億只，年復(fù)合增速達(dá)38.8，產(chǎn)值達(dá)到11.9億元。2006年中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到105.5億元，其中封裝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)87.5億元。2003-2006年，中國(guó)大陸LED出口逐年上升，出口量和出口額的年復(fù)合增長(zhǎng)率分別達(dá)41.4%和95.5%，2006年達(dá)337.4億只、41.87億美元。同時(shí)進(jìn)口也逐年上升，進(jìn)口量和進(jìn)口額的年復(fù)合增長(zhǎng)率分別達(dá)34.1%和29.0%，2006年達(dá)411.1億只、30億美元。LED的出口增長(zhǎng)速度比進(jìn)口增長(zhǎng)速度快，到

16、2007年5月份，中國(guó)大陸LED累計(jì)出口13.8億美元，同比增長(zhǎng)72.5%，而累計(jì)進(jìn)口13.1億美元，同比增長(zhǎng)14.6%，出口額首次超出了進(jìn)口額。1.2.2 美國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 美國(guó)是半導(dǎo)體技術(shù)的強(qiáng)國(guó)，并首先發(fā)明了LED，但在后來(lái)的LED技術(shù)研發(fā)過(guò)程 中，特別是白光源研制技術(shù)反被日本、德國(guó)趕超。美國(guó)能源部、美國(guó)光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)等幾家單位發(fā)起下，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從2001年3月開(kāi)始起草美國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖（2002-2020）旨在為下一代照明規(guī)劃提供技術(shù)論證。2001年7月在美國(guó)“半導(dǎo)體照明技術(shù)藍(lán)圖”的基礎(chǔ)上，美國(guó)的兩位參議院向參議院遞交了一項(xiàng)議案，呼吁由美國(guó)能源

17、部啟動(dòng)一項(xiàng)名為“Next-Generation Lighting Initiative”(NGLI)的計(jì)劃，即“下一代照明計(jì)劃”(NGLI)。這項(xiàng)計(jì)劃提案的目標(biāo)是要聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界、大學(xué)和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的力量，加速半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。這項(xiàng)議案希望從2003-2011年財(cái)年，每年提供5000萬(wàn)美元支持NGLI計(jì)劃的實(shí)施。美國(guó)能源部設(shè)立半導(dǎo)體照明國(guó)家研究項(xiàng)目，他們制定的時(shí)間表是：2002年LED發(fā)光效率達(dá)到20lm/W, 2007年達(dá)到75lm/W, 2012年達(dá)到150lm/W，2020年達(dá)到200lm/W。從2000年到2020年，累計(jì)節(jié)約電能760GW；減少2.58億噸炭的排出污染物；少建

18、133座新的電站(每座1000MW) ； 累計(jì)節(jié)約財(cái)政開(kāi)支1150億美元；形成一個(gè)新的年產(chǎn)值超過(guò)500億美元的光源產(chǎn)業(yè)，還會(huì)帶來(lái)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的工作機(jī)會(huì)。1.2.3日本半導(dǎo)體照明技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)日本于1998年啟動(dòng)“21世紀(jì)光源計(jì)劃”，已發(fā)展高亮度LED照明光源進(jìn)行實(shí)用化之相關(guān)研究為其目標(biāo)，這個(gè)計(jì)劃由日本通商產(chǎn)業(yè)省“新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)”與日本金屬研究和發(fā)展中心所主導(dǎo)，新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)是附屬于日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的半官方組織。這個(gè)計(jì)劃將于2004年結(jié)束，是將13個(gè)公司和四個(gè)大學(xué)結(jié)合在一起，目標(biāo)旨在通過(guò)使用長(zhǎng)壽命、更薄更輕的GaN高效藍(lán)光和紫外LED技術(shù)使得照明的能量效率提高為傳統(tǒng)熒光

19、燈的兩倍（即降低傳統(tǒng)照明的能量消耗），減少CO2的產(chǎn)生。整個(gè)計(jì)劃的財(cái)政預(yù)算為60億日元。整個(gè)計(jì)劃分為5個(gè)主要領(lǐng)域進(jìn)行，即在基板、磊芯片、制造裝置、LED光源和LED光源的應(yīng)用。日本“21世紀(jì)光源計(jì)劃”為了開(kāi)發(fā)出消耗電力僅目前日光燈1/2 的省能源照明光源，并具有高效率及高輝度發(fā)光特性，確定了以下四項(xiàng)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究：(1)研究短波長(zhǎng)具優(yōu)越發(fā)光特性之化合物半導(dǎo)體材料，并分析其發(fā)光機(jī)理；(2)開(kāi)發(fā)化合物半導(dǎo)體之外延基板；(3)開(kāi)發(fā)化合物半導(dǎo)體與白光LED 之高效率化研究；(4)支持熒光材料及照明燈具之應(yīng)用研究；在上述所列的項(xiàng)目中，在第1 與第2 項(xiàng)之發(fā)光機(jī)理和外延方面，日本國(guó)內(nèi)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已獲得

20、國(guó)際最高水平之基礎(chǔ)研究成果，且在國(guó)際上備受矚目。1.3 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了LED半導(dǎo)體照明的研究在現(xiàn)在社會(huì)中的目的和意義，并且介紹了國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體照明技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。第2章 白光LED2.1白光LED發(fā)光原理2LED外施電壓后在其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生受激電子躍遷光輻射。按照不同半導(dǎo)體基本材料的物理特性，所產(chǎn)生的光波長(zhǎng)是不同的。發(fā)光二極管的實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，在半導(dǎo)體PN結(jié)通過(guò)正向電流時(shí)注入少數(shù)載流子，少數(shù)載流子的發(fā)光復(fù)合就是發(fā)光二極管的工作機(jī)理。半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光實(shí)質(zhì)為固體發(fā)光，而各種固體發(fā)光都是固體內(nèi)不同能量狀態(tài)的電子躍遷的結(jié)果。半導(dǎo)體材料的發(fā)光機(jī)理決定了單一LED芯片不可能發(fā)出連續(xù)光譜的白

21、光，必須以其它的方式合成白光。通常產(chǎn)生白光的方式有兩種：一是用單色光激發(fā)熒光粉發(fā)出其它顏色的光，最終混合成白光；二是采用將幾種發(fā)不同色光的芯片封裝在一起的方法，通過(guò)這些色光的混合，構(gòu)成發(fā)白光的LED。這兩種方法在實(shí)踐中都有應(yīng)用。2.2白光LED的特性2在白光LED的設(shè)計(jì)中，常在發(fā)射藍(lán)光的InGaN基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料，這種材料在受藍(lán)光激勵(lì)時(shí)會(huì)發(fā)出黃光，于是得到藍(lán)光和黃光的混合物，在肉眼看來(lái)就是白光。白光LED的發(fā)射波長(zhǎng)，如圖2-1中實(shí)線所示，包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，但是在肉眼看來(lái)就是白光。肉眼的相對(duì)光敏感性如圖2-1中的虛線所示。由于白光是由不同波長(zhǎng)的光混合而成，所以，白光LED不可能有一個(gè)特

22、定的波長(zhǎng)，可用色坐標(biāo)定義白光LED。在白光LED數(shù)據(jù)手冊(cè)中，色坐標(biāo)隨正向電流增大而變化，如圖2-2所示。正向電流的變化改變了白光LED色坐標(biāo)，并因此改變了白光的質(zhì)量。采用InGaN技術(shù)的LED并不像標(biāo)準(zhǔn)綠光紅光和黃光那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長(zhǎng)會(huì)隨著正向電流的變化而改變，如圖2-3所示。當(dāng)正向電流高至10mA時(shí)，正向電壓的變化很大，變化的范圍大約為800mV，有些白光LED的變化會(huì)更大。改變白光LED工作電壓即可改變其發(fā)光的色彩，這是因?yàn)楣ぷ麟妷鹤兓筁ED正向電流發(fā)生變化。對(duì)于不同的白光LED，其電流電壓特性也呈現(xiàn)出很大的差異。圖2-4所示是白光LED理想狀態(tài)下的正向伏安特性曲

23、線，LED伏安特性的數(shù)學(xué)模型可以表示為： （2-1） 其中，Vturn-on是LED的啟動(dòng)電壓，RS表示伏安曲線的斜率，IF表示LED的正向電流，T環(huán)境溫度，是LED正向電流的溫度系數(shù)，對(duì)于大多數(shù)LED而言，它的典型值為。 從LED的伏安特性曲線及數(shù)學(xué)模型看，LED正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起LED電流的較大變化，并且環(huán)境溫度、LED老化時(shí)間等因素也將改變影響LED的電氣性能。而LED的光輸出直接與LED電流相關(guān)，所以LED驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下最好能控制LED電流的大小。否則，LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化。白光LED的正向電流的大小也是

24、隨著溫度變化而變化，圖2-5所示是常用白光LED允許正向電流隨溫度的變化曲線。當(dāng)環(huán)境溫度一旦超過(guò)，白光LED的容許正向電流會(huì)大幅度降低，在此情況下如果仍舊施加大電流，很容易造成白光LED老化。因此，白光LED工作點(diǎn)的選擇非常重要。2.3白光LED工作點(diǎn)的選擇光效也稱為光源的發(fā)光效率，或者光源的功率因素，用1表示，。光源的效率表征從當(dāng)光源中射出的光通量與光源所消耗的電功率之比。即= (2-2 )v為光源輻射的光能量，Ee為光源的功率，P為光源消耗的能量，主要是發(fā)熱量-。同時(shí)，發(fā)熱量與電流的關(guān)系是： (2-3)顯然，隨著電流的增大，光通量增大，但是，另一方面電流的增加會(huì)引起光源熱損耗的增加，通常會(huì)

25、導(dǎo)致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，。于是，既保證光源有一定的照射強(qiáng)度，又要使其具有較高的光效就成為一個(gè)關(guān)注的問(wèn)題。為此我專門的大量實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)超過(guò)10個(gè)試樣的情況進(jìn)行了測(cè)試，得到的結(jié)果是LED電流為17.5mA為最佳工作電流。2.4 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了白光LED的發(fā)光原理和特性，并且根據(jù)它的特性解定了LED在本設(shè)計(jì)中的最佳工作點(diǎn)的電流。并為設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓電流提供了依據(jù)。第3章 LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 硬件的設(shè)計(jì) 3.1.1電路框圖和工作原理 圖3-1所示為L(zhǎng)ED照明總控制系統(tǒng)原理方框圖，為實(shí)現(xiàn)小區(qū)或街道路燈智能化，通過(guò)總控制器控制多個(gè)支路的副控制器從而達(dá)到使整個(gè)小區(qū)或街道路

26、燈LED照明燈智能化。本系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)一條支路的多功能LED照明燈，包括開(kāi)關(guān)電源、單片機(jī)控制、LED燈。圖3-2所示，為L(zhǎng)ED照明燈電路組成框圖，220V的交流電網(wǎng)輸入，經(jīng)過(guò)整流濾波后輸入到開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，經(jīng)直流穩(wěn)壓電源降壓后輸出15V直流電壓直接為L(zhǎng)ED燈和AT89C52供電 ，經(jīng)AT89C52定時(shí)和環(huán)境檢測(cè)電路使用光敏器件檢測(cè)外界的光線強(qiáng)度，控制LED照明燈的亮度從而實(shí)現(xiàn)燈具的智能化控制。3.1.2 LED燈的連接方式的選擇LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于照明，裝飾類燈產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)LED燈時(shí)，需要考慮選用什么樣的LED驅(qū)動(dòng)器，以及LED作為負(fù)載時(shí)采用的串并聯(lián)方式，合理的配合設(shè)計(jì)，才能保證LED正常

27、工作。下面列舉下各種連接類型的優(yōu)缺點(diǎn)以供選擇。方案一. LED采用全部串聯(lián)的方式要求LED驅(qū)動(dòng)電路輸出較高的電壓和足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)，分配在不同的LED兩端的電壓就不同，通過(guò)每顆LED的電流相同，LED的亮度一致。當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，如果采用穩(wěn)壓式驅(qū)動(dòng)（如常用的阻容降壓方式），由于驅(qū)動(dòng)器輸出電壓不變，那么分配在剩余的LED兩端的電壓將升高，驅(qū)動(dòng)器輸出電流將增大，導(dǎo)致容易損壞余下所有LED。如果采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，不影響余下所有LED正常工作。當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良斷開(kāi)后，串聯(lián)在一起的LED將全部不亮

28、。解決的辦法是在每個(gè)LED兩端并聯(lián)一個(gè)齊納管，當(dāng)然齊納管的導(dǎo)通電壓需要比LED的導(dǎo)通電壓高，否則LED就不亮了。方案二. LED采用全部并聯(lián)方式要求LED驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流，負(fù)載電壓較低。分配在所有LED兩端電壓相同，當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)，而通過(guò)每顆LED的電流不一致，LED的亮度也不同。當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良斷開(kāi)時(shí)，如果采用穩(wěn)壓式LED驅(qū)動(dòng)（例如穩(wěn)壓式開(kāi)關(guān)電源），驅(qū)動(dòng)器輸出電流將降低，而不影響余下所有LED正常工作。如果采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，分配在余下的LED的電流將增大，導(dǎo)致容易損壞所有LED。解決辦法是盡量多并聯(lián)LED，當(dāng)斷開(kāi)某一顆LED時(shí)，分配在余下

29、LED電流不大，不至于影響余下LED正常工作。所以功率型LED做并聯(lián)負(fù)載時(shí)，不宜選用恒流式驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)某顆LED品質(zhì)不良時(shí)短路時(shí)，那么所有LED將不亮，但如果并聯(lián)的LED數(shù)量較多，通過(guò)短路的LED電流較大，足以將短路的LED燒成斷路。方案三LED采用混聯(lián)方式在需要使用LED的數(shù)量較多的燈具產(chǎn)品中，如果將所有LED串聯(lián)，則需要LED驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。若將所有LED并聯(lián)，則需要LED驅(qū)動(dòng)器輸出較大電流。將所有LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED的使用量，而且并聯(lián)LED負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)增大；解決的辦法是采用混聯(lián)的方式。當(dāng)某一顆串聯(lián)LED上有一顆品質(zhì)不良短路時(shí)，不管采用穩(wěn)壓式驅(qū)動(dòng)還是恒流

30、式驅(qū)動(dòng)，這串LED相當(dāng)于少一顆LED，通過(guò)這串LED的電流將增大，很容易會(huì)損壞這串LED。大電流通過(guò)損壞的LED后，由于通過(guò)的電流過(guò)大，多表現(xiàn)為斷路，斷開(kāi)一串LED后，如果采用穩(wěn)壓式驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器輸出電流將少，而不影響余下的所有LED正常工作。如果采用恒流式驅(qū)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，分配在余下LED電流將增大，導(dǎo)致容易損壞所有LED燈。解決辦法是盡量多并聯(lián)LED，當(dāng)斷開(kāi)某一顆LED時(shí)，分配在余下LED電流不大，不至于影響余下LED的正常工作?；炻?lián)方式還有一另一種接法，即是將LED平均分配后，分組并聯(lián)，再每組串聯(lián)起來(lái)。當(dāng)有一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，不管采用穩(wěn)壓還是恒流式驅(qū)動(dòng)，并聯(lián)在這一路的

31、LED將全部不亮，如果是采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)器東輸出電流保持不變，除了并聯(lián)在短路LED的這一并聯(lián)支路外，其余的LED正常工作。假設(shè)并聯(lián)的LED數(shù)量較多，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流較大，通過(guò)這顆短路的LED電流將增大，大電流通這顆短路的LED后很容易變成斷路。由于并聯(lián)LED較多，斷開(kāi)一顆LED的這一并聯(lián)支路，平均分配電流不大，依然可以正常工作，那么整個(gè)LED燈只有一顆LED不亮，不影響整個(gè)燈具的工作。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求和各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)LED的聯(lián)接采用方案三，即是LED的聯(lián)接方式采用混聯(lián)。3.1.3電源類型的選擇本設(shè)計(jì)中，電源的選擇非常重要，下面詳細(xì)介紹線性電源和開(kāi)關(guān)電源的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。線性

32、電源主要包括工頻變壓器，輸出整流濾波器，控制電路，保護(hù)電路等；它的工作原理是先將交流電經(jīng)過(guò)變壓器變壓，經(jīng)過(guò)整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)過(guò)電壓反饋調(diào)整輸出穩(wěn)壓電壓。這種電源技術(shù)成熟，可達(dá)到很高的穩(wěn)定度，并且波紋很小，而且沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源具有的干擾和噪音，但它的缺點(diǎn)是需要龐大而笨重的工頻變壓器和體積與重量都相當(dāng)大的電容，最致命的缺點(diǎn)是它的電壓反饋電路工作在線性狀態(tài)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時(shí)致使調(diào)整管功耗太大，轉(zhuǎn)換效率低。而本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)是節(jié)能，所以線性電源不符合本設(shè)計(jì)的電源的要求3。開(kāi)關(guān)電源就是用通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電

33、提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓，轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50 Hz高很多所以開(kāi)關(guān)變壓器可以做的很小，而且工作時(shí)不是很熱，成本很低如果不將50Hz變?yōu)楦哳l那開(kāi)關(guān)電源就沒(méi)有意義，開(kāi)關(guān)變壓器也不神秘就是一個(gè)普通的變壓器，這就是開(kāi)關(guān)電源。 開(kāi)關(guān)電源，是通過(guò)電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，主要環(huán)節(jié)：整流成直流電逆變成所需電壓的交流電（主要來(lái)調(diào)整電壓）再經(jīng)過(guò)整流成直流電壓輸出。開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)中由于中間沒(méi)有工頻變壓器和散熱片，因而體積非常小。同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部都是電子元件，效率高、發(fā)熱小。雖然，具有電磁干擾等缺點(diǎn)，但現(xiàn)在的屏蔽技術(shù)已經(jīng)非常到位。開(kāi)關(guān)電源大體可以分為隔

34、離和非隔離兩種,隔離型的必定有開(kāi)關(guān)變壓器,而非隔離的未必一定有。簡(jiǎn)單地說(shuō),開(kāi)關(guān)電源的工作原理是：1)交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;2)通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管,將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上;3)開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;4)輸出部分通過(guò)一定電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的.交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過(guò)扼流圈一類的東西,過(guò)濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時(shí)也過(guò)濾掉電源對(duì)電網(wǎng)的干擾;在功率相同時(shí),開(kāi)關(guān)頻率越高,開(kāi)關(guān)變壓器的體積就越小,但對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求就越高;開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭,以得到需要的輸出;一般還應(yīng)該增加一

35、些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會(huì)燒毀開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和或截至狀態(tài)，因而發(fā)熱量小，效率高，一般都在90%以上，所以根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，選擇開(kāi)關(guān)電源作為L(zhǎng)ED的供電電源。但開(kāi)關(guān)電源又分電壓控制型和電流控制型4。電壓控制型：電壓控制型只對(duì)輸出電壓采樣，作為反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，采用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓，從控制理論的角度看，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。該模式頻率響應(yīng)慢、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)率低，電源性能低。電流控制型：電流控制型是在電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了電源的性能。該電源是目前實(shí)用和理想的穩(wěn)壓電源。綜上所述，根據(jù)開(kāi)關(guān)電源體積小

36、，效率高，成本低，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，該類電源電路完全符合LED燈具的設(shè)計(jì)要求，所以電流控制型開(kāi)關(guān)電源是本設(shè)計(jì)的最佳的選擇。3.1.4開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)3.1.4.1開(kāi)關(guān)電源慮波器5 由于來(lái)自電網(wǎng)的噪聲干擾比較嚴(yán)重，特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅大、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。在這種情況下，電路抑制電磁干擾的能力就顯得非常重要了。 電源濾波器是針對(duì)電源端口電磁騷擾的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。濾波器一般是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構(gòu)成的頻率選擇性二端口網(wǎng)絡(luò)。這里說(shuō)的電源濾波器實(shí)際是濾波器的一種，按照其工作原理可以稱之為反射式濾波器。它可以在濾波器阻帶內(nèi)提供了高的串聯(lián)阻抗和

37、低的并聯(lián)阻抗，使它與噪聲源阻抗和負(fù)載阻抗嚴(yán)重不匹配，從而把不希望的頻率分量發(fā)射回噪聲源，電源濾波器一般設(shè)計(jì)為低通式，作為雙向無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)，電源濾波器即可以限制電網(wǎng)中的高頻進(jìn)入設(shè)備，提高設(shè)備的抗干擾性，也可以阻止設(shè)備產(chǎn)生的高頻干擾進(jìn)入電網(wǎng)，改善設(shè)備的高頻電磁發(fā)射水平，所以在電路中加入濾波器阻止電網(wǎng)的干擾進(jìn)入設(shè)備和設(shè)備電路本身產(chǎn)生的電磁騷擾進(jìn)入電網(wǎng)就很有必要了。如圖3-3所示，電源濾波器為五端器件，它有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，使用時(shí)外殼應(yīng)接通大地。一般地，C1和C2采用薄膜電容器；C3和C4選用陶瓷電容。C1C4的耐壓值均不小于630DC或250AC。C3和C4也可并聯(lián)在輸入端，注意

38、同樣也應(yīng)合理接地。另外，使用時(shí)還應(yīng)注意共模線圈的電容容量，防止磁通飽和以及線圈過(guò)度發(fā)熱。 圖3-3 開(kāi)關(guān)電源慮波器電路圖 要了解電源濾波器的構(gòu)造原理，首先需要了解電磁噪聲的特性。任何電源線上的高頻傳導(dǎo)騷擾信號(hào)，均可用差模和共模干擾信號(hào)來(lái)描述。差模干擾在兩傳輸導(dǎo)線之間流動(dòng)，屬于對(duì)稱干擾；共模干擾在傳輸導(dǎo)線與地之間傳輸，屬于非對(duì)稱干擾。所以電源濾波器進(jìn)行濾波需要從差模和共模兩方面入手。如圖3-3所示，C1、C2是差模電容器，一般稱為X電容，C3、C4是共模電容，一般稱為Y電容。C3、C4的電容量不宜選得過(guò)大，否則容易引起濾波器漏電的危險(xiǎn)。T1為共模扼流圈，它為同向繞在同一個(gè)鐵氧體環(huán)上的一對(duì)線圈，電

39、感量約為幾毫亨。對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，共模扼流圈表現(xiàn)出較大的阻抗，從而起到衰減干擾信號(hào)的作用；而對(duì)于差模信號(hào)（在這里是低頻電源電流），兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消，所以不影響電路的電源傳輸功率。3.1.4.2用Topswitch芯片設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)的應(yīng)用技巧 1影響單片開(kāi)關(guān)電源效率的主要因素TOPSwitch系列芯片作為單片開(kāi)關(guān)電源的一部分，對(duì)電源效率有著一定的影響。圖3？所示是以ST204A型單片開(kāi)關(guān)電源模塊的內(nèi)部電路。實(shí)際上，圖中電源的大部分功率損耗是由TOP204Y？、鉗位二極管(VDZ)、輸出整流管(VD2)、共模扼流圈(L2)？、整流橋(BR)、高頻變壓器(T)及輸

40、入電容(C1)、輸出電容(C2)等產(chǎn)生的。它們也是影響電源效率的主要因素。 補(bǔ)充電路圖，將各元件與圖對(duì)應(yīng)2、 提高單片開(kāi)關(guān)電源效率的方法4 (1)輸入整流橋(BR)的選擇選擇具有較大容量的整流橋并使之工作在較小的電流下，可減小整流橋的壓降和功率損耗，提高電源效率。由二極管構(gòu)成的整流橋(BR)的標(biāo)稱電源電流IN應(yīng)大于在輸入電壓為最小值(Umin)時(shí)的初級(jí)有效電流，功率因數(shù)應(yīng)取0.60.8之間，其具體數(shù)值取決于輸入電壓u和輸入阻抗。(2)鉗位二級(jí)管(VDZ)的選擇鉗位電路主要用來(lái)限制高頻變壓器漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓并減小漏極產(chǎn)生的振鈴電壓。在圖1所示的單片開(kāi)關(guān)電源模塊電路中，輸入鉗位保護(hù)電路由VDZ

41、和VD1構(gòu)成。為降低其損耗，VDZ可選用P6KE200型瞬變電壓抑制二極管;VD1則選用BYV 26C型快恢復(fù)二極管。(3)輸入濾波電容(C1)輸入濾波電容C1用于濾除輸入端引入的高頻干擾，C1的選擇主要是正確估算其電容量。通常輸入電壓U1增加時(shí)，每瓦輸出功率所對(duì)應(yīng)的電容量可減小。(4)交流輸入端電磁干擾濾波器(EMI)電感和C6用于構(gòu)成交流輸入端的電磁干擾濾波器(EMI)。C6能濾除輸入端脈動(dòng)電壓所產(chǎn)生的串模干擾，L2則可抑制初級(jí)線圈中的共模干擾。(5)限流保護(hù)電路為限制通電瞬間的尖峰電流，可在輸入端接入具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)。選擇該電阻時(shí)應(yīng)使之工作在熱狀態(tài)(即低阻態(tài))，以減小電

42、源電路中的熱損耗(6)輸出整流管(VD2)正確選擇輸出整流管VD2可以降低電路損耗，提高電源效率。其方法一是選用肖特基整流管，原因是其正向傳輸損耗低，且不存在快恢復(fù)整流管的反向恢復(fù)損耗;二是將開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)成連續(xù)工作模式，以減小次級(jí)的有效值電流和峰值電流。輸出整流管的標(biāo)稱電流應(yīng)為輸出直流電流額定值的3倍以上。(7) 輸出濾波電容(C2)電源工作時(shí)，輸出濾波電容(C2)上的脈動(dòng)電流通常很大。一般在固定負(fù)載情況下，通過(guò)C2的交流標(biāo)稱值IC2曉必須滿足下列條件： (3-1)式中，IR1是輸出濾波電容C2上的脈動(dòng)電流。設(shè)輸出端負(fù)載為純電阻性R1，那么，R1、C2愈大，則C2放電愈慢，輸出波形愈平坦。也就

43、是說(shuō)，在R1一定的情況下，C2愈大，輸出直流電壓愈平滑。3. 確保高頻變壓器的質(zhì)量設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保高頻變壓器有合理的結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)保證其具有較低的直流損耗和交流損耗且漏感小，線圈本身的分布電容及各線圈之間的耦合電容也要足夠小。為達(dá)到上述目標(biāo)，最主要的是要正確確定磁芯的形狀、尺寸、磁芯材料以及線圈的繞制方法等。(1)降低高頻變壓器的直流損耗交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯損耗引起的。趨膚效應(yīng)會(huì)使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠(yuǎn)高于銅電阻。由于高頻電流對(duì)導(dǎo)線的穿透能力與開(kāi)關(guān)頻率的平方根成反比。為了減小交流銅損耗，其導(dǎo)線半徑不得超過(guò)高頻電流可達(dá)深度的兩倍。事實(shí)上，在根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率確定導(dǎo)

44、線直徑后，實(shí)際制作時(shí)應(yīng)用比更細(xì)的導(dǎo)線多股并繞而不是用一根粗導(dǎo)線繞制。(2)減小漏感因?yàn)槁└杏?，產(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高;而初級(jí)尖峰電壓幅度愈高，初級(jí)鉗位電路的損耗就愈大，從而將導(dǎo)致電源效率降低。所以，在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)，必須把漏感減至最小。對(duì)于低損耗的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)是開(kāi)路時(shí)初級(jí)電感量的減小漏感的措施有減小初級(jí)線圈的匝數(shù)、增大線圈的寬度、增加線圈尺寸的高度與寬度之比、減小線圈之間的絕緣層以及增加線圈之間的耦合程度等。(3)減小線圈的分布電容在開(kāi)關(guān)電源的每個(gè)通、斷轉(zhuǎn)換期間，線圈分布電容將反復(fù)充、放電,這樣,其上的能量被吸收將使電源效率降低。此外，分布電容與線圈的分布電感也會(huì)構(gòu)成LC振蕩回路

45、，并產(chǎn)生振蕩噪聲。對(duì)于初級(jí)線圈的分布影響，可以采取如下措施來(lái)減小線圈分布電容：一是盡量減小每匝導(dǎo)線的長(zhǎng)度;二是將初級(jí)線圈的始端接漏極;三是在初級(jí)線圈之間加絕緣層。3.1.4.3基于Topswitch芯片的單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)1TOP224P的管腳介紹該芯片由漏極端，控制端，源極端三個(gè)管腳組成。漏極端（DRAIN腳）與輸出MOSFET漏極連接。啟動(dòng)時(shí)，提供內(nèi)部偏置電流，控制端（CONTROL腳）控制輸出占空比，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。正常工作時(shí)，由內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器提供內(nèi)部偏置電流，也可以作電流旁路和自動(dòng)啟動(dòng)/補(bǔ)償電路電容的接點(diǎn)，源極端（SOURCE腳）和輸出MOSFET的源極連接，也是開(kāi)關(guān)電

46、源初級(jí)電路的公共點(diǎn)和參考點(diǎn)4。2芯片內(nèi)部工作原理介紹芯片內(nèi)部工作原理框圖如圖3-3所示，該芯片由MOSFET.PWM控制器高壓?jiǎn)?dòng)電路補(bǔ)償和故障保護(hù)電路等部分組成，主要包括十大部分: 控制電壓源; 帶隙基準(zhǔn)電壓源; 振蕩器; 并聯(lián)調(diào)整器/ 誤差放大器; 脈寬調(diào)制器;門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí); 過(guò)流保護(hù)電路; 過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路; 關(guān)斷/ 自動(dòng)重啟動(dòng)電路; 高壓電流源.TOP224P的基本工作原理是利用反饋電流Ic來(lái)調(diào)節(jié)占空比D ,達(dá)到穩(wěn)壓目的. 舉例說(shuō)明當(dāng)輸出電壓V0 時(shí),經(jīng)過(guò)光耦反饋電路使得Ic D V o , 最終使V o 不變,也即是在控制端環(huán)路振蕩電路的控制下，漏極端有電流輸入芯片提供開(kāi)環(huán)

47、輸入，該輸入通過(guò)并聯(lián)穩(wěn)壓運(yùn)放誤差放大器時(shí)，由控制端進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，改變IFB，經(jīng)PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡4。3芯片功能特點(diǎn)介紹TOP224P是一個(gè)自編置自保護(hù)的電流占空比線性控制轉(zhuǎn)換器。由于采用CMOS工藝，轉(zhuǎn)換效率與采用雙集成電路和分立元件相比，偏置電流大大減少，省去了用于電流傳導(dǎo)和提供啟動(dòng)編置電流的外接電阻，在正常工作時(shí)，內(nèi)部MOSFET輸出脈沖的占空比隨著CONTROL腳電流的增加而線性減少。TOP224P通過(guò)高壓電流源的接通和斷開(kāi)，使控制電壓Vc保持在4.75.7V之間。芯片內(nèi)部電壓都取自具有溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓，能產(chǎn)生可微調(diào)的溫度補(bǔ)償電流源，用來(lái)精確地調(diào)節(jié)

48、振蕩的頻率和MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電流。振動(dòng)器額定頻率選為100KHZ，可降底EMI，提高電源的效率。柵極驅(qū)動(dòng)電流可逐周限流微調(diào)，從而提高精度。此外，該芯片還有關(guān)斷/自動(dòng)重新啟動(dòng)，過(guò)熱保護(hù)等自身保護(hù)功能4。圖3-3 TOP224P的內(nèi)部框圖4. 20V/40W的精密開(kāi)關(guān)電源的電路快速設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)單片開(kāi)關(guān)電源時(shí),首先要選擇合適的芯片,既能滿足要求,又不因選型不當(dāng)而造成資源的浪費(fèi).而開(kāi)關(guān)電源的電路快速設(shè)計(jì)法就可以圓滿解決此技術(shù)難題. 在設(shè)計(jì)之前,只需要根據(jù)預(yù)期的輸出功率和電源效率值,即可從曲線上查出最合適的單片開(kāi)關(guān)電源IC 型號(hào)及功率損耗值如圖3-4所示,這不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),而且為選擇散熱器提供依據(jù).

49、最后進(jìn)入電路設(shè)計(jì)階段,包括高頻變壓器設(shè)計(jì)、外圍元件參數(shù)的選擇等.又由于知道該精密開(kāi)關(guān)電源的電路屬于固定輸入(交流230 V±35 V),故其步驟參考如下:(1)首先確定哪一幅圖適用. 因?yàn)楫?dāng)U=220V(即230V±35V),VO=20V時(shí),故須選擇圖3.然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計(jì)的輸出功率點(diǎn)(Po).(2)從輸出功率點(diǎn)垂直向上移動(dòng),直到選中合適芯片所指的那條實(shí)曲線.如不適用,可繼續(xù)向查找另一條實(shí)曲線.(3)再?gòu)牡戎稻€(虛線)上讀出芯片的功耗PD.進(jìn)而還可求出芯片的結(jié)溫Tj,以確定散熱器的大小.(.其中為從結(jié)到器件表面的熱阻,IA為環(huán)境溫度)(4) 最后進(jìn)入電路設(shè)計(jì)階段,包括

50、高頻變壓器設(shè)計(jì)、外圍元件參數(shù)的選擇等.圖3固定輸入且輸出12V時(shí)PD與、Po的關(guān)系曲線.根據(jù)已知條件(交流固定輸入230V ±35V 的20V、40W 開(kāi)關(guān)電源),按上述方法步驟,從圖3-4 中可以查出, TOP224Y 是最佳選擇,此時(shí)、= 85. 6 %、。5、開(kāi)關(guān)電源的電路工作原理圖3-5是以TOP224P為核心構(gòu)成的輸出20V，40W的單片精密開(kāi)關(guān)電源的電路圖。TOP204Y在寬范圍交流輸入電壓（85-265V）下的最大輸出功率為45W。85-265V交流輸入電壓經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生約110V-375V的直流電壓，由VDZ和VD1組成漏極鉗位保護(hù)電路，能抑制漏感產(chǎn)生的尖峰電壓以及

51、漏極上出現(xiàn)的振鈴電壓。高頻變壓器次級(jí)輸出電壓經(jīng)過(guò)VD2整流和C2濾波變成直流電壓，再通過(guò)L1和C3濾掉高頻紋波電壓。R2能改善輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率。反饋繞組電壓經(jīng)VD3整流和C4濾波后產(chǎn)生TOP224Y的偏置電壓。輸出電壓V0經(jīng)R4,R5分壓后獲得的取樣電壓與TL431內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較后輸出誤差電壓，通過(guò)光耦流入TOP224P的控制端直接控制輸出占空比，獲得穩(wěn)定的電壓輸出，改變電阻R4,R5的分壓比，可以調(diào)整輸出電壓的標(biāo)稱值。C5的作用是濾除控制端上的尖峰電壓決定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率，和R3一起對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。C7為安全電容，能濾除由初、次級(jí)耦合電容產(chǎn)生的共模失真。圖3-4 固定輸入

52、且輸出20V 時(shí)PD 與、Po 的關(guān)系曲線圖3-5 15V，30W的單片精密開(kāi)關(guān)電源的電路圖6主要單元電路的設(shè)計(jì)高頻變壓器是該電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，反激式變壓器工作在磁滯回線的笫1象限，磁芯同時(shí)加有交流和直流，為了不使磁芯飽和一定要加氣隙。下面給出有關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。(1)選擇磁芯大小設(shè)效率為85%，則變壓器傳輸?shù)墓β蕿?(3-2)通常，輸出功率和磁芯截面積的經(jīng)驗(yàn)公式為 (3-3) (2)計(jì)算TonTOP224Y芯片中功率開(kāi)關(guān)管MOSFET的最大導(dǎo)通時(shí)間Ton=D/F，式中D為占空比，取0.5;f為工作頻率，取100kHZ。所以Ton=5 s.(3) 計(jì)算最低直流輸入電壓設(shè)電源在最低線路輸入電

53、壓時(shí)發(fā)生滿載工作，此時(shí)，經(jīng)單相整流用電容濾波后，其直流電壓不會(huì)超過(guò)交流輸入電壓的1.4倍，也不小于1.2倍，在此取1.3倍，則最低直流輸入電壓V=1.385=110V.(4) 選擇工作時(shí)磁通密度值對(duì)于磁芯的工作磁密,一般由飽和磁密Bs決定，選擇磁芯工作磁密的原則是要保證它在B-H特性曲線的線性工作區(qū)工作，在此取工作磁密 (3-4)(5)計(jì)算原邊匝數(shù)因?yàn)樽饔迷诟哳l變壓器初級(jí)電壓是一個(gè)方波，TOP224Y中功率開(kāi)關(guān)管MOSFET在導(dǎo)通期間的伏秒值與原邊匝數(shù)關(guān)系為 (3-5) （6）計(jì)算副邊匝數(shù)由于該開(kāi)關(guān)電源的輸出為20V，設(shè)整流二極管壓降為0.7V繞組壓降為0.6V，則副邊繞組電壓值為21.3V。

54、原邊繞組每匝伏數(shù)： (3-6)副邊繞組匝數(shù) (3-7)實(shí)際當(dāng)中取5匝。(7)計(jì)算輔助繞組匝數(shù)因(6)中副邊匝數(shù)取整數(shù)5匝,則21.3/5=4.26(V/匝)。占空比必須作相應(yīng)的變化來(lái)維持伏-秒值相等。 (3-8)輔助電源的輸出電壓為12V，考慮繞組及二極管的壓降后，可以得出輔助繞組的匝數(shù)Nf 。 (3-9)實(shí)際取3匝。（8）確定磁芯氣隙的大小可用下式計(jì)算氣隙的大小 (3-10)式中：Lp=為原邊電感，可由來(lái)計(jì)算；Im為原邊電流的峰值,可由來(lái)算；Is為原邊一個(gè)周期平均電流，可由來(lái)計(jì)算。代入具體數(shù)值，計(jì)算得：Is=0.32A，Im=0.683A，Lp=757H，Lg=0.114mm。(9) 檢查磁芯在工作時(shí)最大磁通密度Bmax=Bw+B式中：B可按下式計(jì)算 (3-11) 所以 (3-12) (3-13) 上述結(jié)果表明，設(shè)計(jì)合理。 （10）自啟動(dòng)周期的選擇自啟動(dòng)周期的計(jì)算公式： (3-14)其中，典型值Zc=15，芯片控制振蕩頻率f =100 kHZ，故R3=6.2 ，