1、五邑大學本科畢業設計摘 要當今社會，節能環保已成為全人類的共識，因而節能環保的半導體照明和照明器件的智能化成為照明領域的發展趨勢。多功能高亮度LED照明燈的設計和推廣可以達到環保節能目的。多功能高亮度LED照明燈是由開關電源部分，控制部分和白光LED燈三部分構成。在開關電源和控制部分共同作用下使每個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，從而達到穩壓限流的效果。在高效率的開關電源的驅動下，LED燈的實際工作總功率為5.6W，但它的實際亮度已達到普通的40W白光燈的亮度。再利用SCT89C51單片機根據外部環境光線亮度自動調節燈光亮度，實現了照明器

2、件的智能化，實驗結果表明，本系統設計的開關電源輸出電壓為20V，輸出電流為2A，LED燈可由單片機根據外部環境光線亮度自動調節燈光亮度，較好地實現了照明燈具的有效節能和亮度控制智能化。關鍵詞：半導體照明；白光LED；開關電源；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國內外半導體照明技術的研究現狀及發展趨121.2.1我國半導體照明技術的研究現狀及發展趨勢21.2.2 美國半導體照明技術的現狀及發展趨勢21.2.3日本半導體照明技術的現狀及發展趨勢31.3 本章小結3第2章 白光LED42.1白光LED發光原理242.2白光LED的特性242.3白光LED工作點的選擇62.4 本章小結7第3章 LED照明系統的設計83.1 硬件的設計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開關電源的設計113

8、.1.5 環境檢測電路193.2軟件設計203.3 本章小結21第4章 安裝調試224.1開關電源的安裝與調試224.2 LED燈具和控制部分的安裝與調試234.3 本章小結23結 語24致 謝25參考文獻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 半導體技術已經改變了世界，半導體照明技術孕育著一場新的產業革命，將再一次改變我們的世界。隨著第三代半導體材料氮化鎵的研究取得突破以及藍、綠發光二極管的問世，在與人類生產生活息息相關的照明領域，將發生一場巨大的變革。白光LED作為半導體發光光源，在與普通白熾燈保持同樣亮度下，其電能消耗僅

9、相當于后者的20%左右。使用壽命長達10萬小時，是普通燈管的數十倍。它可靠性好，維護成本低。使用電壓低，除了便攜機器的液晶背光源，還可以用語野外照明，邊遠山區照明，礦工燈和水環境照明等。開關時間短，響應時間最低可達到1微秒，一般燈具為幾個毫秒（現用的光源響應時間200毫秒）。環保，沒有水銀等有害廢棄物，堅固不易破碎，減少廢棄物對環境的污染。LED燈不含紅外和紫外的成分，沒有輻射污染，且直流驅動，沒有頻閃，是保護視力的環保光源。隨著LED的廣泛使用和性能的提升，半導體照明的發展作為光源材料制作的裝飾燈、城市景觀燈等產品不斷推出，LED光源材料的照明燈具的市場正在形成并呈上升趨勢，特別是在城市景觀

10、、危險區域、緊急應急等方面的使用潛力更為巨大，一場新的照明革命即將到來已成為人們的共識，開發半導體照明應用產品和引導市場發展成為人們最關心的問題。業內普遍認為如同晶體管替代電子管一樣，半導體燈代替白熾燈和熒光燈將是大勢所趨。隨著半導體照明光源在城市景觀、商業大屏幕、交通信號燈、手機及PDA背光源等特殊照明領域的應用，以其飽滿色光、無限混色、迅速切換、耐震、耐潮、冷溫、超長壽、少維修優勢，特別是LED的發光效率正在大幅度提高，LED半導體照明被認為是21世紀最有可能進入普通照明領域的一種具有長壽命、節能、綠色環保、色彩豐富、微型化等顯著優點的新型固態冷光源和最具發展前景的高技術領域之一。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節能照明燈的推廣，一年能為我國節省能源總量是非常巨大的，2003年，中國發電量是1.91萬億千瓦時，其中照明用電所占比例約為12% ，即2292億千瓦時，相當于三峽水電站總發電量的2.4倍，并按照每年5%的增長率計算，到2010年，照明用電達到3225億千瓦時。由于同樣亮度下，半導體燈用電量僅為白熾燈的1/10，因此只要有1/3 的白熾燈照明被半導體燈取代，就能夠節約1/3的照明用電，這意味著每年為國家節省用電1000億千瓦時，是三峽電站年總發電量847億千瓦時的一倍還多，可見，半導體照明進入民用

12、照明領域，可以為中國節省一個三峽工程。專家認為：三峽工程的靜態投資為1000億元，動態投資則達到2000億元，其建設周期為1720年，建成后每年發電量為856.2 億千瓦時，若拿出三峽工程的5%，即50億元100億元來發展半導體照明，就能夠再造一個三峽工程。專家預測，我國在2005年至2015年間，半導體照明可累計節能4000億度，為用戶節約2600億元電費支出，創造1500億元產值，解決100萬人口就業。與LED照明優勢相結合而設計的智能照明控制系統對我國發展環保的可持續發展的社會主義經濟具有非常重大的現實意義.1.2國內外半導體照明技術的研究現狀及發展趨1 1.2.1我國半導體照明技術的研

13、究現狀及發展趨勢 我國是世界照明電器第一大生產國、第二大出口國，擁有巨大的照明工業和照明市場。中國LED產業起步于20世紀70年代。經過30多年的發展，中國LED產業已初步形成了包括LED外延片的生產、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產品應用在內的較為完整的產業鏈。中國LED產業在經歷了買器件、買芯片、買外延片之路后，目前已經實現了自主生產外延片和芯片。近年來中國LED產品技術創新與應用開發能力逐漸提高，器件可靠性研究位置越來越突出，測試技術與標準也漸成熱點，所有這一切均標志著中國LED產業已經進入了一個嶄新的發展階段。根據中國照明協會提供的數字，去年銷售收入445億元，出口創匯4

14、3億美元。但是，照明工業大而不強，主要做低端產品，利潤率低，缺乏國際市場競爭力。據了解，美國現在每年照明用電6000億度，約占用電總量的20。我國每年照明用電只有2000多億度，占全國用電總量的1。面對半導體照明的歷史機遇，2003年6月17日科技部聯合信息產業部、中國科學院、建設部、輕工業聯合會、教育部等部委以及北京、上海等十一個地方政府成立國家半導體照明工程協調領導小組，開始推進國家半導體照明工程，將投入100億元，引導企業突破半導體照明的關鍵技術，形成中國的半導體照明產業。2004年6月成立國家半導體照明工程協調領導小組，正式啟動國家半導體照明工程，半導體照明產業化技術開發作為國家“十五

15、”科技攻關重大項目已正式立項。在未來巨大市場潛力的推動下和政府的大力支持下，中國大陸LED芯片產量從2003年的115.6億只，增長到2006年的309.3億只，年復合增速達38.8，產值達到11.9億元。2006年中國LED產業總產值達到105.5億元，其中封裝產業產值達87.5億元。2003-2006年，中國大陸LED出口逐年上升，出口量和出口額的年復合增長率分別達41.4%和95.5%，2006年達337.4億只、41.87億美元。同時進口也逐年上升，進口量和進口額的年復合增長率分別達34.1%和29.0%，2006年達411.1億只、30億美元。LED的出口增長速度比進口增長速度快，到

16、2007年5月份，中國大陸LED累計出口13.8億美元，同比增長72.5%，而累計進口13.1億美元，同比增長14.6%，出口額首次超出了進口額。1.2.2 美國半導體照明技術的現狀及發展趨勢 美國是半導體技術的強國，并首先發明了LED，但在后來的LED技術研發過程 中，特別是白光源研制技術反被日本、德國趕超。美國能源部、美國光電產業發展協會等幾家單位發起下，美國Sandia國家實驗室從2001年3月開始起草美國半導體照明技術發展藍圖（2002-2020）旨在為下一代照明規劃提供技術論證。2001年7月在美國“半導體照明技術藍圖”的基礎上，美國的兩位參議院向參議院遞交了一項議案，呼吁由美國能源

17、部啟動一項名為“Next-Generation Lighting Initiative”(NGLI)的計劃，即“下一代照明計劃”(NGLI)。這項計劃提案的目標是要聯合產業界、大學和國家重點實驗室的力量，加速半導體照明技術的發展和應用。這項議案希望從2003-2011年財年，每年提供5000萬美元支持NGLI計劃的實施。美國能源部設立半導體照明國家研究項目，他們制定的時間表是：2002年LED發光效率達到20lm/W, 2007年達到75lm/W, 2012年達到150lm/W，2020年達到200lm/W。從2000年到2020年，累計節約電能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) ； 累計節約財政開支1150億美元；形成一個新的年產值超過500億美元的光源產業，還會帶來數以百萬計的工作機會。1.2.3日本半導體照明技術的現狀及發展趨勢日本于1998年啟動“21世紀光源計劃”，已發展高亮度LED照明光源進行實用化之相關研究為其目標，這個計劃由日本通商產業省“新能源產業技術綜合開發機構”與日本金屬研究和發展中心所主導，新能源產業技術綜合開發機構是附屬于日本經濟產業省的半官方組織。這個計劃將于2004年結束，是將13個公司和四個大學結合在一起，目標旨在通過使用長壽命、更薄更輕的GaN高效藍光和紫外LED技術使得照明的能量效率提高為傳統熒光

19、燈的兩倍（即降低傳統照明的能量消耗），減少CO2的產生。整個計劃的財政預算為60億日元。整個計劃分為5個主要領域進行，即在基板、磊芯片、制造裝置、LED光源和LED光源的應用。日本“21世紀光源計劃”為了開發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光特性，確定了以下四項基礎與應用研究：(1)研究短波長具優越發光特性之化合物半導體材料，并分析其發光機理；(2)開發化合物半導體之外延基板；(3)開發化合物半導體與白光LED 之高效率化研究；(4)支持熒光材料及照明燈具之應用研究；在上述所列的項目中，在第1 與第2 項之發光機理和外延方面，日本國內的企業和研究機構已獲得

20、國際最高水平之基礎研究成果，且在國際上備受矚目。1.3 本章小結本章詳細介紹了LED半導體照明的研究在現在社會中的目的和意義，并且介紹了國內外半導體照明技術的研究現狀及發展趨勢。第2章 白光LED2.1白光LED發光原理2LED外施電壓后在其內部會產生受激電子躍遷光輻射。按照不同半導體基本材料的物理特性，所產生的光波長是不同的。發光二極管的實質性結構是PN結，在半導體PN結通過正向電流時注入少數載流子，少數載流子的發光復合就是發光二極管的工作機理。半導體PN結發光實質為固體發光，而各種固體發光都是固體內不同能量狀態的電子躍遷的結果。半導體材料的發光機理決定了單一LED芯片不可能發出連續光譜的白

21、光，必須以其它的方式合成白光。通常產生白光的方式有兩種：一是用單色光激發熒光粉發出其它顏色的光，最終混合成白光；二是采用將幾種發不同色光的芯片封裝在一起的方法，通過這些色光的混合，構成發白光的LED。這兩種方法在實踐中都有應用。2.2白光LED的特性2在白光LED的設計中，常在發射藍光的InGaN基料上覆蓋轉換材料，這種材料在受藍光激勵時會發出黃光，于是得到藍光和黃光的混合物，在肉眼看來就是白光。白光LED的發射波長，如圖2-1中實線所示，包括藍光和黃光區域的峰值，但是在肉眼看來就是白光。肉眼的相對光敏感性如圖2-1中的虛線所示。由于白光是由不同波長的光混合而成，所以，白光LED不可能有一個特

22、定的波長，可用色坐標定義白光LED。在白光LED數據手冊中，色坐標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，并因此改變了白光的質量。采用InGaN技術的LED并不像標準綠光紅光和黃光那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長會隨著正向電流的變化而改變，如圖2-3所示。當正向電流高至10mA時，正向電壓的變化很大，變化的范圍大約為800mV，有些白光LED的變化會更大。改變白光LED工作電壓即可改變其發光的色彩，這是因為工作電壓變化使LED正向電流發生變化。對于不同的白光LED，其電流電壓特性也呈現出很大的差異。圖2-4所示是白光LED理想狀態下的正向伏安特性曲

23、線，LED伏安特性的數學模型可以表示為： （2-1） 其中，Vturn-on是LED的啟動電壓，RS表示伏安曲線的斜率，IF表示LED的正向電流，T環境溫度，是LED正向電流的溫度系數，對于大多數LED而言，它的典型值為。 從LED的伏安特性曲線及數學模型看，LED正向導通后其正向電壓的細小變動將引起LED電流的較大變化，并且環境溫度、LED老化時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，所以LED驅動電路在輸入電壓和環境溫度等因素發生變動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。當環境溫度一旦超過，白光LED的容許正向電流會大幅度降低，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工作點的選擇非常重要。2.3白光LED工作點的選擇光效也稱為光源的發光效率，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，主要是發熱量-。同時，發熱量與電流的關系是： (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引起光源熱損耗的增加，通常會

25、導致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，。于是，既保證光源有一定的照射強度，又要使其具有較高的光效就成為一個關注的問題。為此我專門的大量實驗，我們對超過10個試樣的情況進行了測試，得到的結果是LED電流為17.5mA為最佳工作電流。2.4 本章小結本章詳細介紹了白光LED的發光原理和特性，并且根據它的特性解定了LED在本設計中的最佳工作點的電流。并為設計開關電源的輸出電壓電流提供了依據。第3章 LED照明系統的設計3.1 硬件的設計 3.1.1電路框圖和工作原理 圖3-1所示為LED照明總控制系統原理方框圖，為實現小區或街道路燈智能化，通過總控制器控制多個支路的副控制器從而達到使整個小區或街道路

26、燈LED照明燈智能化。本系統主要是設計一條支路的多功能LED照明燈，包括開關電源、單片機控制、LED燈。圖3-2所示，為LED照明燈電路組成框圖，220V的交流電網輸入，經過整流濾波后輸入到開關型直流穩壓電源，經直流穩壓電源降壓后輸出15V直流電壓直接為LED燈和AT89C52供電 ，經AT89C52定時和環境檢測電路使用光敏器件檢測外界的光線強度，控制LED照明燈的亮度從而實現燈具的智能化控制。3.1.2 LED燈的連接方式的選擇LED已經廣泛應用于照明，裝飾類燈產品，在設計LED燈時，需要考慮選用什么樣的LED驅動器，以及LED作為負載時采用的串并聯方式，合理的配合設計，才能保證LED正常

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

28、。解決的辦法是在每個LED兩端并聯一個齊納管，當然齊納管的導通電壓需要比LED的導通電壓高，否則LED就不亮了。方案二. LED采用全部并聯方式要求LED驅動器輸出較大的電流，負載電壓較低。分配在所有LED兩端電壓相同，當LED的一致性差別較大時，而通過每顆LED的電流不一致，LED的亮度也不同。當某一顆LED品質不良斷開時，如果采用穩壓式LED驅動（例如穩壓式開關電源），驅動器輸出電流將降低，而不影響余下所有LED正常工作。如果采用恒流式LED驅動，由于驅動器輸出電流保持不變，分配在余下的LED的電流將增大，導致容易損壞所有LED。解決辦法是盡量多并聯LED，當斷開某一顆LED時，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做并聯負載時，不宜選用恒流式驅動器。當某顆LED品質不良時短路時，那么所有LED將不亮，但如果并聯的LED數量較多，通過短路的LED電流較大，足以將短路的LED燒成斷路。方案三LED采用混聯方式在需要使用LED的數量較多的燈具產品中，如果將所有LED串聯，則需要LED驅動器輸出較高的電壓。若將所有LED并聯，則需要LED驅動器輸出較大電流。將所有LED串聯或并聯，不但限制著LED的使用量，而且并聯LED負載電流較大，驅動器的成本也會增大；解決的辦法是采用混聯的方式。當某一顆串聯LED上有一顆品質不良短路時，不管采用穩壓式驅動還是恒流

30、式驅動，這串LED相當于少一顆LED，通過這串LED的電流將增大，很容易會損壞這串LED。大電流通過損壞的LED后，由于通過的電流過大，多表現為斷路，斷開一串LED后，如果采用穩壓式驅動，驅動器輸出電流將少，而不影響余下的所有LED正常工作。如果采用恒流式驅動，由于驅動器輸出電流保持不變，分配在余下LED電流將增大，導致容易損壞所有LED燈。解決辦法是盡量多并聯LED，當斷開某一顆LED時，分配在余下LED電流不大，不至于影響余下LED的正常工作。混聯方式還有一另一種接法，即是將LED平均分配后，分組并聯，再每組串聯起來。當有一顆LED品質不良短路時，不管采用穩壓還是恒流式驅動，并聯在這一路的

31、LED將全部不亮，如果是采用恒流式LED驅動，由于驅動器東輸出電流保持不變，除了并聯在短路LED的這一并聯支路外，其余的LED正常工作。假設并聯的LED數量較多，驅動器的驅動電流較大，通過這顆短路的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LED較多，斷開一顆LED的這一并聯支路，平均分配電流不大，依然可以正常工作，那么整個LED燈只有一顆LED不亮，不影響整個燈具的工作。根據本設計的要求和各方案的優缺點，本設計LED的聯接采用方案三，即是LED的聯接方式采用混聯。3.1.3電源類型的選擇本設計中，電源的選擇非常重要，下面詳細介紹線性電源和開關電源的原理和優缺點。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，保護電路等；它的工作原理是先將交流電經過變壓器變壓，經過整流電路整流濾波得到未穩定的直流電壓，再經過電壓反饋調整輸出穩壓電壓。這種電源技術成熟，可達到很高的穩定度，并且波紋很小，而且沒有開關電源具有的干擾和噪音，但它的缺點是需要龐大而笨重的工頻變壓器和體積與重量都相當大的電容，最致命的缺點是它的電壓反饋電路工作在線性狀態，調整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時致使調整管功耗太大，轉換效率低。而本設計的一個重要指標是節能，所以線性電源不符合本設計的電源的要求3。開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的道通與截止將直流電轉化為高頻率的交流電

33、提供給變壓器進行變壓，從而產生所需要的一組或多組電壓，轉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高很多所以開關變壓器可以做的很小，而且工作時不是很熱，成本很低如果不將50Hz變為高頻那開關電源就沒有意義，開關變壓器也不神秘就是一個普通的變壓器，這就是開關電源。 開關電源，是通過電子技術實現的，主要環節：整流成直流電逆變成所需電壓的交流電（主要來調整電壓）再經過整流成直流電壓輸出。開關電源的結構中由于中間沒有工頻變壓器和散熱片，因而體積非常小。同時，開關電源內部都是電子元件，效率高、發熱小。雖然，具有電磁干擾等缺點，但現在的屏蔽技術已經非常到位。開關電源大體可以分為隔

34、離和非隔離兩種,隔離型的必定有開關變壓器,而非隔離的未必一定有。簡單地說,開關電源的工作原理是：1)交流電源輸入經整流濾波成直流;2)通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管,將那個直流加到開關變壓器初級上;3)開關變壓器次級感應出高頻電壓,經整流濾波供給負載;4)輸出部分通過一定電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩定輸出的目的.交流電源輸入時一般要經過扼流圈一類的東西,過濾掉電網上的干擾,同時也過濾掉電源對電網的干擾;在功率相同時,開關頻率越高,開關變壓器的體積就越小,但對開關管的要求就越高;開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出;一般還應該增加一

35、些保護電路,比如空載、短路等保護,否則可能會燒毀開關電源。開關電源的調整管工作在飽和或截至狀態，因而發熱量小，效率高，一般都在90%以上，所以根據本設計的要求，選擇開關電源作為LED的供電電源。但開關電源又分電壓控制型和電流控制型4。電壓控制型：電壓控制型只對輸出電壓采樣，作為反饋信號進行閉環控制，采用PWM技術調節輸出電壓，從控制理論的角度看，這是一種單環控制系統。該模式頻率響應慢、電壓調整率和負載調率低，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上，增加一個電流負反饋環節，使其成為雙環控制系統，從而提高了電源的性能。該電源是目前實用和理想的穩壓電源。綜上所述，根據開關電源體積小

36、，效率高，成本低，穩定性好等特點，該類電源電路完全符合LED燈具的設計要求，所以電流控制型開關電源是本設計的最佳的選擇。3.1.4開關電源的設計3.1.4.1開關電源慮波器5 由于來自電網的噪聲干擾比較嚴重，特別是瞬態噪聲干擾，其上升速度快、持續時間短、電壓振幅大、隨機性強，對微機和數字電路易產生嚴重的干擾。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。 電源濾波器是針對電源端口電磁騷擾的特點而設計的。濾波器一般是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇性二端口網絡。這里說的電源濾波器實際是濾波器的一種，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提供了高的串聯阻抗和

37、低的并聯阻抗，使它與噪聲源阻抗和負載阻抗嚴重不匹配，從而把不希望的頻率分量發射回噪聲源，電源濾波器一般設計為低通式，作為雙向無源二端口網絡，電源濾波器即可以限制電網中的高頻進入設備，提高設備的抗干擾性，也可以阻止設備產生的高頻干擾進入電網，改善設備的高頻電磁發射水平，所以在電路中加入濾波器阻止電網的干擾進入設備和設備電路本身產生的電磁騷擾進入電網就很有必要了。如圖3-3所示，電源濾波器為五端器件，它有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，使用時外殼應接通大地。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也可并聯在輸入端，注意

38、同樣也應合理接地。另外，使用時還應注意共模線圈的電容容量，防止磁通飽和以及線圈過度發熱。 圖3-3 開關電源慮波器電路圖 要了解電源濾波器的構造原理，首先需要了解電磁噪聲的特性。任何電源線上的高頻傳導騷擾信號，均可用差模和共模干擾信號來描述。差模干擾在兩傳輸導線之間流動，屬于對稱干擾；共模干擾在傳輸導線與地之間傳輸，屬于非對稱干擾。所以電源濾波器進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大，否則容易引起濾波器漏電的危險。T1為共模扼流圈，它為同向繞在同一個鐵氧體環上的一對線圈，電

39、感量約為幾毫亨。對于共模干擾電流，兩個線圈產生的磁場是同方向的，共模扼流圈表現出較大的阻抗，從而起到衰減干擾信號的作用；而對于差模信號（在這里是低頻電源電流），兩個線圈產生的磁場抵消，所以不影響電路的電源傳輸功率。3.1.4.2用Topswitch芯片設計開關電源時的應用技巧 1影響單片開關電源效率的主要因素TOPSwitch系列芯片作為單片開關電源的一部分，對電源效率有著一定的影響。圖3？所示是以ST204A型單片開關電源模塊的內部電路。實際上，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)等產生的。它們也是影響電源效率的主要因素。 補充電路圖，將各元件與圖對應2、 提高單片開關電源效率的方法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。由二極管構成的整流橋(BR)的標稱電源電流IN應大于在輸入電壓為最小值(Umin)時的初級有效電流，功率因數應取0.60.8之間，其具體數值取決于輸入電壓u和輸入阻抗。(2)鉗位二級管(VDZ)的選擇鉗位電路主要用來限制高頻變壓器漏感所產生的尖峰電壓并減小漏極產生的振鈴電壓。在圖1所示的單片開關電源模塊電路中，輸入鉗位保護電路由VDZ

41、和VD1構成。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，每瓦輸出功率所對應的電容量可減小。(4)交流輸入端電磁干擾濾波器(EMI)電感和C6用于構成交流輸入端的電磁干擾濾波器(EMI)。C6能濾除輸入端脈動電壓所產生的串模干擾，L2則可抑制初級線圈中的共模干擾。(5)限流保護電路為限制通電瞬間的尖峰電流，可在輸入端接入具有負溫度系數的熱敏電阻(NTC)。選擇該電阻時應使之工作在熱狀態(即低阻態)，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，且不存在快恢復整流管的反向恢復損耗;二是將開關電源設計成連續工作模式，以減小次級的有效值電流和峰值電流。輸出整流管的標稱電流應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，輸出濾波電容(C2)上的脈動電流通常很大。一般在固定負載情況下，通過C2的交流標稱值IC2曉必須滿足下列條件： (3-1)式中，IR1是輸出濾波電容C2上的脈動電流。設輸出端負載為純電阻性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，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量設計時應確保高頻變壓器有合理的結構，同時應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。為達到上述目標，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以及磁芯損耗引起的。趨膚效應會使導線的有效流通面積減小，并使導線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。由于高頻電流對導線的穿透能力與開關頻率的平方根成反比。為了減小交流銅損耗，其導線半徑不得超過高頻電流可達深度的兩倍。事實上，在根據開關頻率確定導

44、線直徑后，實際制作時應用比更細的導線多股并繞而不是用一根粗導線繞制。(2)減小漏感因為漏感愈大，產生的尖峰電壓幅度愈高;而初級尖峰電壓幅度愈高，初級鉗位電路的損耗就愈大，從而將導致電源效率降低。所以，在設計高頻變壓器時，必須把漏感減至最小。對于低損耗的高頻變壓器，其漏感量應是開路時初級電感量的減小漏感的措施有減小初級線圈的匝數、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關電源的每個通、斷轉換期間，線圈分布電容將反復充、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構成LC振蕩回路

45、，并產生振蕩噪聲。對于初級線圈的分布影響，可以采取如下措施來減小線圈分布電容：一是盡量減小每匝導線的長度;二是將初級線圈的始端接漏極;三是在初級線圈之間加絕緣層。3.1.4.3基于Topswitch芯片的單片開關電源的設計1TOP224P的管腳介紹該芯片由漏極端，控制端，源極端三個管腳組成。漏極端（DRAIN腳）與輸出MOSFET漏極連接。啟動時，提供內部偏置電流，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，由內部并聯穩壓器提供內部偏置電流，也可以作電流旁路和自動啟動/補償電路電容的接點，源極端（SOURCE腳）和輸出MOSFET的源極連接，也是開關電

46、源初級電路的公共點和參考點4。2芯片內部工作原理介紹芯片內部工作原理框圖如圖3-3所示，該芯片由MOSFET.PWM控制器高壓啟動電路補償和故障保護電路等部分組成，主要包括十大部分: 控制電壓源; 帶隙基準電壓源; 振蕩器; 并聯調整器/ 誤差放大器; 脈寬調制器;門驅動級和輸出級; 過流保護電路; 過熱保護及上電復位電路; 關斷/ 自動重啟動電路; 高壓電流源.TOP224P的基本工作原理是利用反饋電流Ic來調節占空比D ,達到穩壓目的. 舉例說明當輸出電壓V0 時,經過光耦反饋電路使得Ic D V o , 最終使V o 不變,也即是在控制端環路振蕩電路的控制下，漏極端有電流輸入芯片提供開環

47、輸入，該輸入通過并聯穩壓運放誤差放大器時，由控制端進行閉環調整，改變IFB，經PWM控制MOSFET的輸出占空比，最后達到動態平衡4。3芯片功能特點介紹TOP224P是一個自編置自保護的電流占空比線性控制轉換器。由于采用CMOS工藝，轉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和提供啟動編置電流的外接電阻，在正常工作時，內部MOSFET輸出脈沖的占空比隨著CONTROL腳電流的增加而線性減少。TOP224P通過高壓電流源的接通和斷開，使控制電壓Vc保持在4.75.7V之間。芯片內部電壓都取自具有溫度補償的帶隙基準電壓，能產生可微調的溫度補償電流源，用來精確地調節

48、振蕩的頻率和MOSFET的柵極驅動電流。振動器額定頻率選為100KHZ，可降底EMI，提高電源的效率。柵極驅動電流可逐周限流微調，從而提高精度。此外，該芯片還有關斷/自動重新啟動，過熱保護等自身保護功能4。圖3-3 TOP224P的內部框圖4. 20V/40W的精密開關電源的電路快速設計設計單片開關電源時,首先要選擇合適的芯片,既能滿足要求,又不因選型不當而造成資源的浪費.而開關電源的電路快速設計法就可以圓滿解決此技術難題. 在設計之前,只需要根據預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關電源IC 型號及功率損耗值如圖3-4所示,這不僅簡化了設計,而且為選擇散熱器提供依據.

49、最后進入電路設計階段,包括高頻變壓器設計、外圍元件參數的選擇等.又由于知道該精密開關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. 因為當U=220V(即230V±35V),VO=20V時,故須選擇圖3.然后在橫坐標上找出欲設計的輸出功率點(Po).(2)從輸出功率點垂直向上移動,直到選中合適芯片所指的那條實曲線.如不適用,可繼續向查找另一條實曲線.(3)再從等值線(虛線)上讀出芯片的功耗PD.進而還可求出芯片的結溫Tj,以確定散熱器的大小.(.其中為從結到器件表面的熱阻,IA為環境溫度)(4) 最后進入電路設計階段,包括

50、高頻變壓器設計、外圍元件參數的選擇等.圖3固定輸入且輸出12V時PD與、Po的關系曲線.根據已知條件(交流固定輸入230V ±35V 的20V、40W 開關電源),按上述方法步驟,從圖3-4 中可以查出, TOP224Y 是最佳選擇,此時、= 85. 6 %、。5、開關電源的電路工作原理圖3-5是以TOP224P為核心構成的輸出20V，40W的單片精密開關電源的電路圖。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交流輸入電壓經整流濾波后產生約110V-375V的直流電壓，由VDZ和VD1組成漏極鉗位保護電路，能抑制漏感產生的尖峰電壓以及

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

52、且輸出20V 時PD 與、Po 的關系曲線圖3-5 15V，30W的單片精密開關電源的電路圖6主要單元電路的設計高頻變壓器是該電源設計的關鍵，反激式變壓器工作在磁滯回線的笫1象限，磁芯同時加有交流和直流，為了不使磁芯飽和一定要加氣隙。下面給出有關參數的設計和計算方法。(1)選擇磁芯大小設效率為85%，則變壓器傳輸的功率為 (3-2)通常，輸出功率和磁芯截面積的經驗公式為 (3-3) (2)計算TonTOP224Y芯片中功率開關管MOSFET的最大導通時間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) 計算最低直流輸入電壓設電源在最低線路輸入電

53、壓時發生滿載工作，此時，經單相整流用電容濾波后，其直流電壓不會超過交流輸入電壓的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) 選擇工作時磁通密度值對于磁芯的工作磁密,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工作，在此取工作磁密 (3-4)(5)計算原邊匝數因為作用在高頻變壓器初級電壓是一個方波，TOP224Y中功率開關管MOSFET在導通期間的伏秒值與原邊匝數關系為 (3-5) （6）計算副邊匝數由于該開關電源的輸出為20V，設整流二極管壓降為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： (3-6)副邊繞組匝數 (3-7)實際當中取5匝。(7)計算輔助繞組匝數因(6)中副邊匝數取整數5匝,則21.3/5=4.26(V/匝)。占空比必須作相應的變化來維持伏-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Nf 。 (3-9)實際取3匝。（8）確定磁芯氣隙的大小可用下式計算氣隙的大小 (3-10)式中：Lp=為原邊電感，可由來計算；Im為原邊電流的峰值,可由來算；Is為原邊一個周期平均電流，可由來計算。代入具體數值，計算得：Is=0.32A，Im=0.683A，Lp=757H，Lg=0.114mm。(9) 檢查磁芯在工作時最大磁通密度Bmax=Bw+B式中：B可按下式計算 (3-11) 所以 (3-12) (3-13) 上述結果表明，設計合理。 （10）自啟動周期的選擇自啟動周期的計算公式： (3-14)其中，典型值Zc=15，芯片控制振蕩頻率f =100 kHZ，故R3=6.2 ，