led驱动电源设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

led驱动电源设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

现状 LED 是具有二极管特性的发光管 [3]， 它只能单方向通电。 额定工作点附近，通常 LED 亮度输出与通过 LED 电流成正比 ， 但在大电流下会出现饱和现象 ， 发光效率大幅度降低 ， 甚至失效 ， 因此 LED 使用电流不能超过其规格额定值。 另外 ，LED 亮度输出与温度成反比 ， 所以使用中应尽量减少电源发热和设计良好的散热系统。 LED 驱动电源的 分类 LED 电源按驱动方式可以分为两大类 ，恒流驱动和稳压驱动，两种驱动方式具有以下特点 恒流驱动 稳压驱动 （ 1）恒流驱动 电源 驱动 LED 是 最理想的，缺点就是价格较高 ； （ 2）恒流 驱动电源在负载 短路 时，由于恒流限制，不会造成输出电流过大； 但是严禁负载完全开路。 当负载完全断开时，将输出很高的电压 ； （ 3） 恒流 驱动电源 输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化 ， LED 亮度不随负载改变而改变 ； （ 4） 恒流 驱动电源需 要限制 LED的使用数量， 负载等效电阻越大，输出电压越 大。 （ 1）稳压 驱动电源 输出的是固定电压，输出的电流却随着负载的增减 、温度变化 而变化 ； （ 2） 稳压 驱动电源在 负载开路 时 ，输出电压恒定，不会输出过高电压； 但是 当负载 短路 时，将输出很大的电流，所以禁止短路运行 ； （ 3） 稳压 驱动电源 的 输出 电压 是恒定的，输出电流随负载改变而改变，所以 LED亮度随负载变化而变化 ； （ 4） 稳压 驱动电源为 使 LED 亮度均匀 且不会流过过大电流 ，需要加上合适的 限流 电阻。 LED 电源按电路结构可以分为六类 [4]： （ 1）互感 变压器降压 ： 这种电源 原理简单，技术成熟，是一种比较传统的变压器。 不足 之处是 要使用大量漆包线和硅钢片， 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 ： 这种电源结构不足之处是转换效率低 ， 输入 电压范围重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 1 绪论 7 窄 ， 一般 180240V， 输出波纹 大 ； （ 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 ， 只适用于向持续运行的 LED 供电，对于常闪动的 LED 则不适用 ， 因为电路通过电容降压 ， 在闪动时由于充放电的作用 ， 使得 通过 LED 的瞬间电流极大 ， 容易损坏芯片 ； （ 4）电阻降压 ： 这种供电方式 原理简单，但 电源效率很低 ， 而且系统 的可靠也较低 ， 电路通过电阻降压 ， 受电网电压 波动的影响 较大 ， 不容易做成稳压电源 ，并且降压电阻本身还要消耗很大部分的能量 ； （ 5） RCC 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 ， 负载电压波纹较大 ， 系统的 容 错能力较弱 ； （ 6） PWM 控制式开关电源 ： 目前来说 ， PWM 控制方式设计的 LED电源是 最 理想的 也是使用率较高的驱动方式 ， 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 纹波较小。 除此之外，我们还应当充分考虑 LED 驱动电源对 LED 及自身 的保护 作用。 LED抗浪涌能力 比较差 ， 特别是抗反向电压能力，设计时有必要加强这方面的考虑。 尤其是用于户外的 LED， 如 LED路灯， 由于电网 负载波动 和雷击的感应 ， 从电网系统会侵入各种浪涌 ， 这些 浪涌 可能 会导致 LED的损坏。 因此 LED 驱动电源要有抑制浪涌的侵入 ， 以 保护 LED 不被损坏。 电源除了常规的保护功能外 ， 结合 LED 的特性，我们还应考虑 驱动的 电源应对 LED 的温度反馈进行必要 动作 ，例如在温度过高时减小电流输出 ， 防止 LED 温度过高。 LED 及其驱动电源的 市场 近年来 [5]，世界上一些经济发达国家围绕 LED 的研制展开了激烈的技术竞赛。 美国从 2020 年起投资 5亿美元实施“国家半导体照明计划”， 旨在 率先打开LED 市场，走在行业前沿。 欧盟也在 2020 年 7月宣布启动类似的“彩虹计划”。 我国科技部在“ 863”计划的支持下， 2020 年 6月份首次提出发展半导体照明计划。 尽管从 LED 自身性能上来看 ， 有着传统照明方式所不可比拟的优势 ， 而且各国政府机构、环保组织都对 LED 照 明方式 报以积极 态度 ， 但令人尴尬的是 ， 各大 LED重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 1 绪论 8 灯具厂商却连连发出无利可图的感慨 ， 主要原因在于 LED 灯具虽然节能高效 ， 但是灯具本身价格较昂贵 ， 一次性投入成本太高 ， 以目前情况来看 至少在国内市场 ，家用 LED 灯具的普及 尚需要时日。 所以 ， 在 LED 灯具仍然属于“奢侈品”的今天 ，我们应当对 LED 灯具的市场方向有着正确的认识。 例如 搜狐财经指出： “ 阳光照明最新的 2020 年年报显示 ， 即便公司为发展 LED 产业、提高 LED 光源制造水平而 做出 了包括 ‘ 在厦门上虞设立了面积为 300 亩的 LED生产基地 ； 斥资 1， 600万日元（折算人民 万元）将日本 LIREN 公司 %股权收入囊中 ’ 在内的诸多努力 ， LED照明产品的销售却仍未能对公司 2020 年业绩 做出 实际上的利润贡献。 ” 另一方面 LED 汽车照明每年以二位数的速度在增长 ， 2020 年产值已达 亿美元 ， 占世界 LED 应用的 14%。 我 国于 2020 年在上海大众桑塔纳 2020 型上首先使用 LED 高位制动灯。 我国 LED 汽车灯具每年以 70%80%的速度在增长 ， 2020 年的产值超过亿元。 目前 ， 国际上 LED 汽车前照灯处在研发过程之中 ， 已有概念灯具推出。 除 LED 前照灯以外 ， 均已商品化 ， 并已进入车灯的智能化控制时期。 车用 LED 的流行除了节能、环保之外 ， 更重要的是能提升汽车的 使用价值。 提高行驶安全性：以 LED 车灯为例 ， LED 车灯的反应时间比传统车灯要快许多 ， 为刹车赢得了更多的反应距离 ， 并且亮光更稳定。 （ 1） 智能化更易实现： LED 的电致发光特性使其与传统的气体放电、白炽灯相比 ， 更容易实现电子控制 ， 例如根据汽车行驶环境不同 ， 自动设置不同的车内外照明模式。 LED 还能用于各类车用感应装置 ， 例如倒车雷达。 （ 2） 彰显汽车品牌和用户个性： LED 的颜色丰富 ， 体积小 ， 便于设计各类形状和颜色组合 ， 传达汽车和车主的个性。 LED 灯的使用使得奥迪汽车的外观设计摆脱了 “ 缺乏个性 ” 批评 ， 如今 ， 特征鲜明的 LED 车灯已经成为了奥迪车的新识别符号。 基于以上各方面原因，本论文设计的 LED 驱动电源将面向车用照明领域，在满足车载使用方式的前提下，尽可能扩大输入电压范围，使其能经过简单改变供电方式后，适用于其他领域。 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 降压型开关电源 9 2 降压型 开关电源 如图 21所示 [6]，是开关电源的典型框图， 开关电源通常由主电路和控制电路两大部分所组成。 图 21 开关电源系统组成框图 开关电源 主电路 通常是由 输入电源、 储能电感、 开关管、 滤波电容和负载 组成的。 电路功能和电路的结构有关，常见的开关电源有六种基本结构： BUCK 电路、BOOST 电路、 BUCKBOOST 电路、 CUK 电路、 SEPIC 电路和 ZETA 电路。 而控制电路的作用是控制开关管的导通与关断 ， 按需要的脉冲 频率和 宽度 ，控制开关管的通断 ， 使主电路输出合适的输出电压 或电流 ， 实现稳压、稳流 以及 各种保护功能。 按照设计需要，本文将着重介绍 BUCK 电路，即 降压型开关电源。 开关电源 的 特性 开关电源具有如下特点： (1)效率高 ： 开关电源的功率开关管工作在开关状态 ， 开关 管的功耗小 ， 电源效率高 ， 一般在 80%90%， 高的可达 90%以上 ； (2)稳压范围宽 ： 开关电源的交流输入电压变化时 ，输出电压的变化在 177。 2%重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 降压型开关电源 10 以下。 经过精心 设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率 ； (3)安全可靠 ： 在开关电源中，可以方便地设置各种形式的保护电路 ，如欠压保护、过压保护、空载保护等 ，因此当电源 或 负载出现故障时， 能 保障 设备及人员的安全 ； (4)重量轻 ： 由于开关电源省掉了笨重的电源变压器 ， 节省了大量的漆包线和硅钢片， 因而 使其重量只有同容量线性电源的 1/5， 同时 体积也大大缩小了 ； (5)功耗小 ： 由于开关电源的工作频率高 ， 一般在 20KHz 以上 ， 因此滤波元件的数值可以大大减小 ， 从而减小功耗 ； 特别是 ， 由 于功率开关管工作在开关状态 ，损耗小 ， 不需要采用大面积散热器 ， 电源温升低 ， 周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏 ， 延长了器件寿命。 因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。 BUCK 电路原理分析 BUCK 电路 基本原理 BUCK 电路 主电路包括输入电源、开关管、 续流二级 管以及储能电感、滤波电容和负载 ， 它们共同完成电能的转换和传递。 如图 22所示， 是 BUCK 电路 基本结构图 ， 它由一个开关 S， 一个二级管 D， 以及 LC 低通滤波器和负载所组成。 BUCK正常工作时 ， 开关 S被 控制电路的控制 ， 重复导通和关 断 ， 等效于输入电压为方波电压 ， 通过 L/C 滤波器 的滤波作用，最终获得近似于 直流 的 输出电压 UOUT 重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 降压型开关电源 11 图 22 BUCK 电路基本结构 根据 BUCK电路中， 流经电感的电流是否 有一段 降为零 ， 可 将其工作模式区分为两种： （ 1）连续导通模式（ Continuous Conduction Mode） ，即 稳态工作时 ， 在整个开关周期中 ， 电感中流过的电流不降至零。 （ 2）非连续导通模式（ Discontinuous Conduction Mode） ，即 在整个开关周期中流过电感的电流出现 一段时间为零的情况。 我们希望 电路 仅在一种模式 下工作 ， 因为在两种不同工作模式下 ， 电路 的 各参数 间的 关系 将发生重大的变化。 经过理论推导发现，若 BUCK电路工作在 连续导通模式 下 ， 输出电压 由 输入电压和占空比 共同 决定 ， 而与 所接入的 负载 大小 无关 ，因此 设计相应工作模式的电路会比较简单可靠 ， 但是 由于其输出电压由输入电压决定 ， 会对输出的稳定性造成一定影响。 若 BUCK工作在 非连续导通模式 ， 输入电压、输出电感、占空比、开关频率和负载等效电阻 将 共同 影响输出电压的波形 ，输出电压与负载及输入电压均有关 ， 电路各参数关系复杂，设计相应的电 路难度较大 ， 所以 本 论文设计的 LED驱动电源将 采用 连续导通模式下 的 BUCK电路。 BUCK 电路 连续导通模式 假如 BUCK电路已经处于稳定工作状态，则可以判定 输入电压、输出电压、输出负载电流以及占空比固定且不会发生变化。 本节的主要工作是 通过对 BUCK转换器主电路在连续工作模式下的稳态分析 ， 推导出 电路间各参数 的关系。 BUCK连续工作模式分为两个状态 ： 第一个状态是 S导通、 D关断 ； 第二个状态是 S关断、 D导通。 定义 开关 S导通状态的持续 时间为 TON ， 开关管 S关断状态的持续时间为 OFT ，重庆大学本科学生毕业设计 （论文） 2 降压型开关电源 12 一个周期时间为 TS ， 占空比记做 D TTSOND  因为连续导通模式的每一个周期只存在两个状态 ， 因此 SOFF TDT  )1( 图 23 开关导通时的等效电路 第一个状态： S导通 ， 二极管 D由于承受反向电压而截至 ， 等效的电路如图 23所示。 电感两端的 承受正向压降 ， 电感电流逐渐增加 连续导通模式下的 ， 稳态波形 如图 24所。