1、重慶師范大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）低損耗LED交流供電研究及其應(yīng)用電子科技大學(xué) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2003 陳文芳指導(dǎo)教師 ：摘要：目前低耗LED的大量使用，其供電的方式只有兩種，但是最常用的卻是直流電源，而交流電源卻使用得相對(duì)少些。因此針對(duì)交流供電進(jìn)行討論研究。論文中提出了幾種具有代表性的實(shí)用的供電電路方案，并對(duì)每一種電路的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍進(jìn)行了較詳盡的論述。對(duì)使用LED的用戶合理選擇交流供電有一定的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：電容降壓式、變壓器降壓式、AC/DC變換器、開關(guān)穩(wěn)壓電源Abstract:Low a great deal of usage consumed LED currently

2、, the way of its power supply only have 2 kind, but the most in common use of but is a direct current power supply, but AC power usage opposite a little less.Therefore aim at exchanges power supply to carry on a discussion research.Put forward a few kinds in the thesis have a representative of pract

3、ical power supply electric circuit project, and rightness a kind of each work principle, merit and shortcoming of electric circuit and usage the scope carried on more detailed of discuss.To usage LED customer reasonable choice exchanges the power supply have certain of instruction function.Keyword:T

4、he electric capacity decline a press type, transformer to decline a press type, AC/DC transformation machine, switch steady press power supply1、概述LED是一種節(jié)能、環(huán)保、小尺寸、快速、多色彩、長(zhǎng)壽命的新型光源。最近幾年，國(guó)內(nèi)外許多生產(chǎn)商都在積極研發(fā)高亮LED，而這些高亮LED的應(yīng)用更為廣泛。例如照明、LCD的背光源、交通燈、醫(yī)療等。由于LED的導(dǎo)電是單一的，因此在交流供電情況下，需要將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。為此，本文針對(duì)目前LED采用交流供電的方式進(jìn)行

5、說明。2、低損耗LED交流供電方案21、電容降壓式電容降壓式是為L(zhǎng)ED提供電源的最簡(jiǎn)單的一種方式。它是用一個(gè)電壓源通過串接一個(gè)電阻與LED相連。只要工作電壓（VB）保持恒定，LED就可以發(fā)出恒定強(qiáng)度的光（盡管隨著環(huán)境溫度的升高光強(qiáng)會(huì)減小）。通過改變串聯(lián)電阻的阻值能夠?qū)⒐鈴?qiáng)調(diào)節(jié)至所需要的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)LED的電源時(shí)，要知道LED的電流、電壓特性。由于LED的生產(chǎn)廠家及LED的規(guī)格不同，其電流、電壓特性均有差異。現(xiàn)以LED典型規(guī)格為例，按照LED的電流、電壓變化規(guī)律，一般正向電壓為3.03.6V，典型電壓值為3.3V，電流20mA，當(dāng)加于LED兩端的正向電壓超過3.6V后，正向電壓很小的增加都會(huì)導(dǎo)致L

6、ED的正向電流成倍增長(zhǎng)，使LED發(fā)光體溫度上升過快，從而加速LED光衰減，使LED的壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)甚至燒壞LED。根據(jù)LED的電壓、電流變化特性，對(duì)LED電源的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。當(dāng)前很多廠家生產(chǎn)的LED燈產(chǎn)品（例如燈杯、投射燈、護(hù)欄燈）都采用阻容降壓方式，然后加上一個(gè)穩(wěn)壓二極管，向LED供電。這種供電方式存在極大缺點(diǎn)，首先效率低，在降壓電阻上消耗大量的電能，甚至有可能超過LED所消耗的電能，且無法提供大電流，因?yàn)殡娏髟酱螅脑诮祲弘娮枭系碾娔芫驮酱螅院芏喈a(chǎn)品的LED不采用并聯(lián)方式，而采用串聯(lián)方式降低電流。其次是穩(wěn)定電壓的能力極差，無法保證通過LED的電流不超過其正常工作要求。設(shè)計(jì)時(shí)

7、可通過降低LED兩端的電壓，但這樣是以降低LED的亮度為代價(jià)的。采用阻容降壓方式為L(zhǎng)ED供電時(shí)，LED的亮度不能穩(wěn)定，當(dāng)供電電源電壓較低時(shí)LED的亮度變暗。次方案的最大優(yōu)點(diǎn)是成本低。電容降壓電路是一種常見的小電流電源電路，由于其具有體積小、成本低、電流相對(duì)恒定等優(yōu)點(diǎn)，也常用于LED的電路中。圖2-1-1所示為一個(gè)實(shí)用的采用電容降壓的LED的電源電路，而大部分應(yīng)用電路中沒有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制二極管，因壓敏電阻或瞬變電壓抑制二極管能在電壓突變瞬間（如雷電、大用電設(shè)備啟動(dòng)等）有效地將突變電流泄放，從而保護(hù)LED和其它晶體管。瞬變電壓抑制器的響應(yīng)時(shí)間一般為納秒級(jí)。圖2-1-1圖1中電容C3的作

8、用是降壓和限流。電容的特性是通交流、隔直流，當(dāng)電容連接于交流電路中時(shí)，其容抗的計(jì)算公式為 （2-1-1）式中：Xc表示電容的容抗；f表示輸入交流電源的頻率；C表示降壓電容的容量。流過電容降壓電路的電流的計(jì)算公式為 （2-1-2）式中：I表示流過電容的電流；V表示電源電壓；Xc表示電容的容抗。在220V、50Hz的交流電路中，當(dāng)負(fù)載電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于220V時(shí)，電流與電容的關(guān)系式為 （2-1-3）式中：C表示電容，單位F，I表示電流，單位mA。在220V、50Hz的交流電路中，理論電流與實(shí)際測(cè)量電流的比較見表2-1-1。表2-1-1 220V、50Hz交流電路中理論電流與實(shí)際測(cè)量電流的比較電容（F）0

9、.0470.10.220.4712.024.7電流（mA）理論值3.26.915.232.469152324實(shí)際值3.37.01532.570152325圖2-1-1中電阻R1為泄放電阻，其作用為：當(dāng)正弦波在最大峰值時(shí)刻被切斷，電容C1上的殘存電荷因無法釋放會(huì)長(zhǎng)久存在，在維修時(shí)如果人體接觸到C1的金屬部分，有觸電的可能，電阻R1的能將殘存的電荷泄放掉，從而保證人機(jī)安全。泄放電阻的阻值與電容的大小有關(guān)，一般電容的容量越大，殘存的電荷就越多，泄放電阻的阻值就要選得小一些。泄放電阻的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2-1-2。表2-1-2 泄放電阻的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)C（F）0.470.6811.052R（K）100075051

10、0360200300圖1中VD5、VD6、VD8、VD9的作用是整流，用于將交流電整流為脈動(dòng)直流電壓。VD5、VD6、VD8、VD9可以選擇1N4007系列的整流二極管。圖2-1-1中C1、C2的作用為濾波，用于將整流后的脈動(dòng)直流電壓濾波成平穩(wěn)的直流電壓。濾波電容C1、C2的耐壓應(yīng)根據(jù)負(fù)載電壓而定，一般為負(fù)載電壓的1.2倍，其電容容量視負(fù)載電流的大小而定。壓敏電阻R3（或瞬變電壓抑制二極管）的作用是將輸入電源中瞬間的脈沖高壓對(duì)地泄放掉，從而保護(hù)LED不被瞬間高壓擊穿。電阻R2的作用是保護(hù)LED，防止流過LED的電流過大燒壞LED，且自動(dòng)調(diào)節(jié)LED兩端的電壓，保證LED正常工作。LED串聯(lián)的數(shù)量

11、視其正向?qū)妷海╒F）而定，在220V交流電路中，最多可以達(dá)到80個(gè)左右。電容的耐壓一般要求大于輸入電源電壓的峰值，在220V、50Hz的交流電路中，可以選擇耐壓為400V以上的滌綸電容或紙介質(zhì)電容。圖2-1-2所示是一個(gè)最簡(jiǎn)單的電容降壓應(yīng)用電路，電路中利用一個(gè)橋式整流堆對(duì)降壓后的交流電壓進(jìn)行整流，然后接一個(gè)濾波電容。該電路可以廣泛應(yīng)用于夜光燈、按鈕指示燈以及要求不高的位置指示燈等場(chǎng)合。 圖2-1-222、變壓器降壓式方案它是用一個(gè)變壓器將220V的市電降到所需要的電壓，然后接一個(gè)整流電路，將交流電變換為直流電，經(jīng)濾波電路濾波得到一個(gè)平滑的直流電。若要改變LED的亮度，可以在接負(fù)載電路中串接

12、一個(gè)電位器。這種方式得到的電壓比較穩(wěn)定，在要求較高的場(chǎng)合使用。圖2-2-1是一個(gè)典型的單相橋式整流電路。圖中T1為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓220V變成整流電路要求的交流電壓,RL是負(fù)載電阻，四只整流二極管D1D4接成電橋的形式，故有橋式整流之稱。圖2-2-1圖中負(fù)載上的直流電壓VL和直流電流IL的計(jì)算公式分別為 (2-2-1) (2-2-2)在橋式整流電路中，二極管D1、D3和D2、D4是兩兩輪流導(dǎo)通的，所以經(jīng)過每個(gè)整流二極管的平均電流為 （2-2-3） 二極管在截止時(shí)管子兩端承受的最大反向電壓為 （2-2-4） 用變壓器降壓的方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便、性能穩(wěn)定。但缺點(diǎn)是體積龐大。

13、圖2-2-2是一個(gè)變壓器降壓式的應(yīng)用電路。電路中市電經(jīng)T1變壓到所需要的電壓，后經(jīng)橋式整流電路D1D4（或橋式整流堆）整流得到直流電，經(jīng)濾波電路濾除紋波和高次諧波得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電，為負(fù)載提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓。此電路可用于LED臺(tái)燈或要求比較高的場(chǎng)合。 圖2-2-223、AC/DC變換器 AC/DC變換器就是輸入交流電網(wǎng)電壓，輸出所需要的直流電壓。AC/DC變換器的原理圖如圖2-3-1所示。圖中的輸入濾波器的主要作用是抑制外界通過電網(wǎng)對(duì)電路產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也可防止電路對(duì)電網(wǎng)的污染。圖2-3-1由于市網(wǎng)電壓的工作頻率為50Hz或60Hz，所以DC/DC變換器以前的電路都在工頻下運(yùn)行。為了減輕體積

14、和重量。AC/DC變換器的輸入級(jí)不用工頻變壓器，而是市網(wǎng)電壓經(jīng)輸入濾波器后直接接到整流器電路，整流器可選用可控硅等開關(guān)器件來做整流管。也可以將市網(wǎng)電壓經(jīng)串聯(lián)電容器降壓后接到整流管。濾波器通常采用電容濾波方式，可避免大濾波電感造成的體積和重量方面的麻煩。輸入濾波器通常采用型濾波器，如圖2-3-2所示。該濾波器只對(duì)差模噪聲有抑制作用,而對(duì)共模噪聲不起作用。圖2-3-2圖中2-3-3濾波器對(duì)差模噪聲和共模噪聲都有抑制作用。圖中的L為共模扼流圈，由于L的兩個(gè)繞組繞向一致，所以當(dāng)有電流流過時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，沒有電感效應(yīng)，因此L可用高磁導(dǎo)率的磁心。L對(duì)共模噪聲來說，相當(dāng)于一個(gè)大電感，能有效地抑制共

15、模噪聲。L兩端并聯(lián)的電容Cx能有效抑制差模噪聲，而濾波器輸出端的兩只電容器Cy對(duì)共模噪聲有旁路作用。電阻R是Cx的放電電阻。 圖2-3-3 按IE-380安全標(biāo)準(zhǔn)的推薦，當(dāng)Cx>0.1F時(shí)，R按下式選擇： （2-3-1）式中t=1(s);C為兩個(gè)Cx電容器之和（F）；Cx、Cy和L的數(shù)值可在下列范圍內(nèi)選取；Cx：0.12FCy：2200pF0.033F；L：一般為幾mH到幾十mH，L值與流過的電流大小有關(guān)。電流小，L值大。電流大，L值小。電容器Cx和Cy的下標(biāo)“x”和“y”表明其安全等級(jí)。電容器Cx的安全等級(jí)分為X1和X2兩個(gè)等級(jí)。等級(jí)為X1時(shí)，表明Cx可用于峰值電壓大于1.2kV的場(chǎng)合

16、；而等級(jí)為X2時(shí)，表明Cx可用于峰值電壓小于1.2kV的場(chǎng)合。對(duì)于電容器Cy，則是在規(guī)定的頻率下，通過限制它的容量來控制該電容器的漏電流。漏電流Ii的表達(dá)式： （2-3-2）式中 f電源頻率； C電容器Cy的容量； U輸入電源的電壓。 在選擇AC/DC變換器時(shí)，應(yīng)根據(jù)所需要的條件選擇，如輸出電壓、輸出電流、帶負(fù)載的功率、溫度等。此方案的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單方便，便于維護(hù)管理。缺點(diǎn)是受條件限制，只能用于中小功率的場(chǎng)合。 圖2-3-4中AC/DC變換器PSO500-5為超小型模塊，其輸入電壓范圍廣(85AC265V):輸出電壓精度高(5±5);可連續(xù)輸出電流500mA；連續(xù)輸出功率達(dá)25W；模

17、塊本身交換效率高達(dá)80;工作溫度范圍為-20度 55度；高溫或低溫條件下輸出，電壓降不大于015V ；輸出紋波電壓不大于+-25mV。PSO500-5為標(biāo)準(zhǔn)DIP40封裝，高為16mm。模塊本身為直流輸人，所以在使用時(shí)必須另加一個(gè)整流電路。圖為PSO5005的典型應(yīng)用電路。在這里C1和L組成一個(gè)低通濾波器，抑制部分干擾，同時(shí)也限制PSO5005產(chǎn)生的EMI噪聲。C2為高壓電解電容器，若用戶的交流輸人電壓可能高達(dá)285V時(shí)，那么C2的耐壓要求取450V；若是輸人電壓大于175V，負(fù)載電流大于150mA，C2也可取10uF450V。R為壓敏電阻器，作為強(qiáng)干擾環(huán)境中抗干擾用，起著尖峰吸收作用。PSO

18、5005型模塊的開路輸出電壓為6.59.5 V，使用中可在輸出端并聯(lián)一個(gè)1w左右的穩(wěn)壓管，也可在輸出端并一只100歐的負(fù)載電阻器。當(dāng)負(fù)載電流小于200mA時(shí)，PSO5005輸出電壓略高。 圖2-3-424、開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)型穩(wěn)壓電路打破了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓模式，它的調(diào)整元件工作在開關(guān)狀態(tài)，即通過調(diào)整開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。由開關(guān)型穩(wěn)壓電路構(gòu)成的電源稱為開關(guān)電源。開關(guān)電源具有體積小、重量輕、功耗小、穩(wěn)壓范圍寬等特點(diǎn)。（1）、開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理圖2-4-1圖2-4-1是一種最簡(jiǎn)單的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的方框圖。開關(guān)管V1串接在輸入電壓Ui和輸出電壓Uo之間，當(dāng)脈沖調(diào)寬電路輸出的開關(guān)脈沖信號(hào)加到開關(guān)

19、管V1的基極上時(shí)，開關(guān)管V1被周期性的處于開關(guān)狀態(tài)。即交替處于飽和和截止?fàn)顟B(tài)。若不考慮開關(guān)管V1的開關(guān)損耗，即視V1為理想開關(guān)，則V1導(dǎo)通飽和時(shí)，其集電極-發(fā)射極之間的電壓降為零，輸入電壓Ui經(jīng)V1到輸出端，Uo=Ui。反之，開關(guān)管V1截止時(shí)，Uo=0。這樣一來，開關(guān)管V1周期性的開關(guān)，使得輸出端電壓為一脈沖電壓，經(jīng)濾波電路成為平滑的直流電壓。因?yàn)檩敵鲭妷海ㄆ渲袨殚_關(guān)管V1的導(dǎo)通時(shí)間，即脈沖寬度。Ts為開關(guān)管V1的工作周期，即脈沖周期），所以，串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電路可通過改變開關(guān)脈沖的占空比來控制輸出電壓。若開關(guān)脈沖頻率固定不變，脈沖周期Ts不變，只要改變脈沖寬度便可控制輸出電壓Uo。這是脈寬調(diào)制器

20、。反之，若開關(guān)脈沖的寬度不變，只要改變脈沖周期Ts也能達(dá)到控制輸出電壓Uo的目的。這是脈頻調(diào)制器。（2）、開關(guān)穩(wěn)壓電源的組成從圖5-1中可以看出，串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源主要部分是開關(guān)管，它與高頻變壓器、濾波電路一起構(gòu)成DC/DC變換器，這是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分。取樣電路檢測(cè)輸出電壓的變化，在比較放大器中與基準(zhǔn)電壓相比較放大后，其輸出信號(hào)控制脈寬調(diào)制器的輸出脈沖的寬度，達(dá)到改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的目的。此外，方框圖有些未電路標(biāo)出，如啟動(dòng)電路、過流和過壓保護(hù)電路、電流檢測(cè)電路、噪聲濾波電路等。（3）、開關(guān)電源的特點(diǎn)開關(guān)電源具有如下特點(diǎn)：    1）、效率高，功耗小：開關(guān)穩(wěn)壓

21、電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)其導(dǎo)通時(shí)，壓降接近于零，當(dāng)其截止時(shí)，通過的電流接近于零。開關(guān)調(diào)整管從截止到導(dǎo)通或從導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換速度很快，所以他的功耗小。由于調(diào)整管的功耗降低，使得電源效率大幅度的提高，通常可以達(dá)到80-90%左右。    2）、體積小，重量輕：開關(guān)穩(wěn)壓電源不需要笨重的工頻變壓器，采用電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，這樣使電源的重量大大減輕，約為工頻變壓器的1/5，且體積也大大減小。    3）、穩(wěn)壓范圍寬：由于開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由占空比調(diào)節(jié)的，它受輸入電壓的影響小，在輸入交流電壓由130-260V變化時(shí)輸出電壓的變

22、化在2%以下，因此開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓范圍很寬。    4）、安全可靠：在開關(guān)穩(wěn)壓電路中，設(shè)有自動(dòng)保護(hù)電路。當(dāng)穩(wěn)壓電路和負(fù)載出現(xiàn)短路時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保護(hù)功能靈敏可靠。    5）、濾波電容容量小：開關(guān)穩(wěn)壓電源的開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，其開關(guān)頻率很高，濾波電容的容量可大大減小。    6）、抗干擾：在以往的開關(guān)穩(wěn)壓電源中，由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，其交變電壓和電流會(huì)通過開關(guān)調(diào)整管、整流管、高頻變壓器等，產(chǎn)生尖峰干擾和調(diào)波干擾。但隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電路的成熟和抑制干擾措施的進(jìn)步，這一問題已經(jīng)得到

23、滿意的解決。（4）、開關(guān)電源的應(yīng)用由單片集成開關(guān)電路TOP224Y構(gòu)成的的輸入220V，輸出恒流0.4A 輸出電壓1032V的開關(guān)恒流電路，如圖2-4-2所示。 TOP224Y是三端器件（見圖2-4-4）。從外表看，它像一只普通的功率三極管，但看一下它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖（見圖2-4-3），就會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電路異常復(fù)雜，它把開關(guān)電源所必需的PWM控制器、100KHZ高頻振蕩器、高壓?jiǎn)?dòng)偏置電路、誤差放大器及過流、過熱保護(hù)等，還有功率開關(guān)管MOSFET都集成在一起了。外圍元件減至最少，這樣大大地簡(jiǎn)化了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和制作。它的三個(gè)端子分別叫控制極C、源極S、漏極D。三個(gè)極都是一極多用。控制極極C的作用：1

24、). 利用反饋控制電流Ic的大小來調(diào)節(jié)輸出開關(guān)管的占空比D（見圖5-5）。從圖看出Ic增增大，D減減小；反之，Ic減小，D增大。 圖2-4-2 圖2-4-3圖2-4-4 圖2-4-5 2). 與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器相連，能為芯片提供正常工作所需偏流。3). 作為電源旁路、自動(dòng)重啟動(dòng)和補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。漏極D的作用：1). 與片內(nèi)功率開關(guān)管的漏極相連。2). 在啟動(dòng)期間，高壓電流源經(jīng)過內(nèi)部開關(guān)給內(nèi)部電路提供偏置電流。 3). 它還是內(nèi)部功率開關(guān)管工作電流的檢測(cè)點(diǎn)。源極S的作用： 1). 與片內(nèi)功率開關(guān)管的源極相連，作為高壓電源返回端。 2). 作為一次側(cè)控制電路的公共地和基準(zhǔn)點(diǎn)。圖2-4-

25、2所示電路是典型的單端反激式開關(guān)電路，工作頻率已內(nèi)部設(shè)定為100KHZ。工作過程：220V經(jīng)電阻R1、R2，整流橋VD1整流，電容C1濾波，在C1兩端建立起約280V的直流高壓作為本電路的實(shí)際電源。這里說一下幾個(gè)阻容元件的作用：R1為RF10型保險(xiǎn)電阻。在電路發(fā)生短路時(shí)將被燒斷起短路保護(hù)作用；R2為NTC型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，起限制合閘沖擊電流的作用。在接通電源初，在常溫下，它有較大的電阻值能將合閘電流限制在允許值。隨著工作電流的流過，其溫度逐漸上升，阻值下降至某一較小的穩(wěn)定值，正常功耗不大，對(duì)電路正常工作無不良影響。VD2、R3、C2組成漏極過電壓吸收電路，用以限制在關(guān)斷瞬間高頻變壓器漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)功率MOSFET不被損壞。C6為控制端旁路電容，它能對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償并設(shè)定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率。當(dāng)C6=47F