1、摘 要目前，電能的合理利用越來越成為節約能源的重要方面。LED由于其節能、高效、高穩定性、長壽命等特點，得到越來越廣泛的應用。LED 本身的光學特性對電流的敏感性高于電壓。由于LED的這些特點，一種與之匹配的高效、節能、穩定的電源必不可少。本文設計了一種市場需求量大的擁有多路輸出的大功率LED恒流驅動開關電源，它在輸入電壓和負載LED燈串電壓(即個數)在一定范圍內變化時，仍具有高恒流精度和控制結構簡單、本錢低、體積小、效率高等特點。文章首先對大功率照明LED的特性及其驅動電路的性能要求進行了介紹。接著分析了恒流開關電源作為LED驅動電源的可行性及優勢所在，介紹了開關電源相關關鍵性技術，確定本設

2、計采用反激式的括撲結構，驅動電路采用先恒壓再恒流的兩級驅動形式，控制芯片使用 PI 公司的 TNY274 系列控制芯片。然后，論文對開關電源各個功能模塊進行了設計并通過公式推導計算出最正確參數作為設計參考。最后整合各功能模塊，設計出兩級驅動 LED總電路，繪制出整體電路PCB圖，并對本次設計進行了總結。關鍵詞：LED；恒流；開關電源；驅動電源；大功率 AbstractAt present, the rational use of electricity has increasingly become an important aspect of energy conservation. LED

3、 to be more widely used due to its energy saving, high efficiency, high stability, long life characteristics. Higher than the voltage of the current sensitivity of the optical properties of the LED itself. Because of these characteristics of the LED, a matching efficiency, energy saving, stable powe

4、r supply is essential. Design a market demand of high-power LED constant current driver switching power supply with multiple outputs, and change within a certain range in the input voltage and load LED string voltage (ie, number), still has a high current precision and control structure is simple, l

5、ow cost, small size and high efficiency. The article introduces the first high-power LED lighting characteristics and performance of the drive circuit requirements. Then analyzes the feasibility and advantages of the constant-current switching power supply as an LED driver power supply, switching po

6、wer supply key technologies to determine the design of flyback including flutter structure using two of the first constant voltage constant current drive circuit -driven form of control chip using the PI series TNY274 control chip. Then, the papers on the various functional modules of the switching

7、power supply design and derived formula to calculate the optimal parameters as a design reference. The final integration of the functional modules, designed the two LED drive circuit, PCB plans to map out the overall circuit, and design are summarized.Key words: LED; constant current; switching powe

8、r supply; power supply; high power目 錄 HYPERLINK l _Toc325110372 1 概述 PAGEREF _Toc325110372 h 1 HYPERLINK l _Toc325110373 選題的目的與意義 PAGEREF _Toc325110373 h 1 HYPERLINK l _Toc325110374 大功率LED恒流驅動電源開展趨勢 PAGEREF _Toc325110374 h 2 HYPERLINK l _Toc325110383 本課題研究的主要內容 PAGEREF _Toc325110383 h 3 HYPERLINK l

9、_Toc325110384 2 開關電源設計方案 PAGEREF _Toc325110384 h 4 HYPERLINK l _Toc325110385 2.1 開關電源的拓撲結構選擇 PAGEREF _Toc325110385 h 4 HYPERLINK l _Toc325110398 反激式開關電源原理 PAGEREF _Toc325110398 h 6 HYPERLINK l _Toc325110399 2.3 恒流驅動方式選擇 PAGEREF _Toc325110399 h 7 HYPERLINK l _Toc325110400 2.4 恒流驅動芯片選擇 PAGEREF _Toc325

10、110400 h 8 HYPERLINK l _Toc325110401 2.5 電源控制芯片選擇 PAGEREF _Toc325110401 h 9 HYPERLINK l _Toc325110402 3 開關電源電路功能模塊設計 PAGEREF _Toc325110402 h 10 HYPERLINK l _Toc325110403 3.1 電路總體參數 PAGEREF _Toc325110403 h 10 HYPERLINK l _Toc325110404 3.1.1 直流輸入電壓和電流的計算 PAGEREF _Toc325110404 h 10 HYPERLINK l _Toc3251

11、10405 3.1.2 輸出電流的計算 PAGEREF _Toc325110405 h 11 HYPERLINK l _Toc325110406 3.1.3 輸出整流管和輸出電容的設計 PAGEREF _Toc325110406 h 11 HYPERLINK l _Toc325110407 輸入整流濾波電路設計 PAGEREF _Toc325110407 h 13 HYPERLINK l _Toc325110408 3.3 鉗位保護電路的設計 PAGEREF _Toc325110408 h 13 HYPERLINK l _Toc325110409 3.3.1 幾種根本的鉗位電路比擬 PAGER

12、EF _Toc325110409 h 13 HYPERLINK l _Toc325110410 3.3.2 RCD/穩壓管箝位電路的設計 PAGEREF _Toc325110410 h 14 HYPERLINK l _Toc325110411 3.4 功率因數校正電路的設計 PAGEREF _Toc325110411 h 15 HYPERLINK l _Toc325110412 3.4.1 功率因數校正電路選擇 PAGEREF _Toc325110412 h 15 HYPERLINK l _Toc325110413 3.4.2 填谷式功率因數校正電路的原理與設計 PAGEREF _Toc325

13、110413 h 15 HYPERLINK l _Toc325110414 3.5 EMI 濾波器的設計 PAGEREF _Toc325110414 h 17 HYPERLINK l _Toc325110415 3.5.1 EMI 濾波器 PAGEREF _Toc325110415 h 17 HYPERLINK l _Toc325110416 3.5.2 EMI 濾波器的設計 PAGEREF _Toc325110416 h 17 HYPERLINK l _Toc325110417 3.6 變壓器的設計 PAGEREF _Toc325110417 h 18 HYPERLINK l _Toc325

14、110418 3.6.1磁芯選擇 PAGEREF _Toc325110418 h 18計算直流輸入、輸出電壓及匝數比 PAGEREF _Toc325110416 h 17計算電流、電感及各繞組匝數 PAGEREF _Toc325110416 h 17 HYPERLINK l _Toc325110419 3.6.4計算導線線徑： PAGEREF _Toc325110419 h 20 HYPERLINK l _Toc325110420 4 LED恒流驅動開關電源整體電路的設計 PAGEREF _Toc325110420 h 22 HYPERLINK l _Toc325110421 整體電路的設計

15、PAGEREF _Toc325110421 h 22 HYPERLINK l _Toc325110421 4.2整體電路PCB圖的設計 PAGEREF _Toc325110421 h 23 HYPERLINK l _Toc325110420 5 總結 PAGEREF _Toc325110420 h 25參考文獻 26致 謝 271 概述隨著社會的高速開展，能源問題日益被世界關注，其中電能的合理利用是節約能源的重要方面。目前，我國照明用電在經濟用電中僅次于電動機居第二位，而且以低效照明光源為主。因此采用發光效率高的照明光源、可靠性和效率高的照明電源具有重要意義。如何提高照明系統的能源利用率，延長

16、照明系統的壽命，并且是綠色無污染的成為當前各國研究的熱點。隨著LED光效的迅速提高、本錢的不斷下降LED做為近年來興起的第四代照明光源與傳統的照明光源相比有如下優點：1節能：大功率LED照明的第一個突出優點就是節能。由于LED的光譜幾乎全部集中于可見光區域，效率可達 80%90%，而白熾燈的可見光轉換效率僅為 10%20%，因此，從節能方面來說，LED 具有很大的優勢。2光線質量高、光色純：由于LED光譜中幾乎沒有紫外線和紅外線，因此沒有熱量，沒有輻射，可見其屬于典型的綠色照明光源并且LED 與傳統照明光源相比，其光譜相對狹窄。3壽命長：LED 芯片的壽命是半永久性的，而作為光源的壽命還取決于

17、封裝材料品質的優劣。一般LED光源光通量衰減到 70%的標稱壽命為 10 萬小時，是白熾燈的數十倍，是熒光燈和 HID 燈的數倍。4可靠性高：大功率LED以其特殊的電子結構保證其工作時有良好的穩定性和可靠性，甚至在水下也能長時間穩定的工作。而且它沒有傳統光源的鎢絲、玻璃殼等易損部件，維護費用低廉。5靈活度高：體積小，便于造型，可做成點、線、面等各種形式。LED不但使用靈活而且控制也靈活，通過控制電路很容易調控亮度，實現多樣的動態變化效果。6響應快：因為LED利用了電子空穴湮滅的直接發光現象，因此，發光的響應時間非常短，通常在 100ms 以下，雖然實際中會受到驅動電路的影響，但仍然屬于毫秒級別

18、。大功率照明LED的響應為納秒級，無頻閃。7環保：大功率LED的工作環境為低壓直流電，因而沒有電磁干擾。而且不同于日光燈點亮后會產生汞蒸氣及二氧化碳和其他溫室氣體等污染物，LED 產生的廢物很少，同時，其熒光粉的用量也僅為普通熒光燈的十分之一。由于LED具有以上諸多的優點，隨著照明用電量的迅猛增加以及電能消耗的加劇，我國的供電勢態和環境與生態保護的現狀日益嚴峻，根據可持續開展的科學觀念要求，LED作為未來社會照明光源成為一種必然趨勢。因此設計出效率高、工作穩定的LED驅動電源對解決世界能源問題那么具有重要現實意義。LED恒流驅動電源開展趨勢隨著LED在照明領域的普及，用市電驅動LED越來越成為

19、人們關注的問題。但用市電驅動LED不僅需要解決降壓和恒流問題，還要有比擬高的轉換效率、有較小的體積、長時間工作能力、較低的本錢、電磁干擾和功率因數等問題。因此大功率LED恒流驅動的開展要從解決上述問題著手。1驅動器與LED工作特性的匹配。大功率 LED驅動電源是低電壓大電流的驅動器件，由LED的電氣特性可知其各項性能參數對電流的敏感性高于電壓，因此為保證大功率LED使用的平安性和理想性，LED 的驅動需要提供恒流電源。2驅動器的高可靠性、高效率。由于LED 是具有長壽命的高可靠性固體照明光源決定了與其配套的驅動器也要能夠長期穩定可靠地工作。發熱問題一直是阻礙LED開展的難題，因此對LED驅動器

20、的效率有較高的要求。驅動器的效率提高不僅節約了能源，同時由于其損耗的降低，在燈具內的發熱量也相應的減少，提高了LED的使用壽命。3多功能保護。電流過強時，會引起LED衰減，導致其壽命縮短。恒定電流在LED照明中極其重要，這就需要驅動器在能滿足恒流的根底上還要有過流保護功能。良好的LED驅動器保護功能必不可少，如過流保護、過溫保護、短路保護和平安保護等。4熱管理設計。LED 照明應用的最突出問題是發熱和散熱問題，LED 本身無法通過紅外線的形式輻射散熱，只能通過散熱墊以傳導的形式將熱量傳導到外裝的散熱片上，因此在對驅動器進行設計時就要考慮從導熱和散熱兩方面綜合考慮。5體積小型化。隨著半導體照明在

21、民用市場的逐漸普及，小型化能夠使LED照明能夠適應更多的工作環境。因此，大功率LED電源設計的小型化開展成為了一種必然趨勢。6其他。由于LED的驅動器越來越多的采用基于開關電源的設計模式，而以高頻工作來提高功率密度和效率的開關電源不可防止的涉及到了電磁兼容問題，因此在電磁兼容方面對未來的LED驅動器提出了更高要求。1.3本課題研究的主要內容基于對LED驅動技術開展趨勢的理解，在現有科研條件的根底上，設計出多路輸出的大功率LED恒流驅動器并對LED恒流驅動技術進行研究。本文的主要研究內容包括以下幾點：1介紹LED照明的特點、并對LED驅動電路的開展現狀及趨勢進行闡述2分析開關電源的根本原理，選擇

22、適宜的拓撲結構、控制芯片、驅動電路研制LED恒流驅動開關電源。3對開關電源各個功能模塊進行了具體的分析和公式推導，計算出最正確參數作為設計參考設計出電路，最后設計出整體電路原理圖和PCB圖。2 開關電源設計方案2.1 開關電源的拓撲結構選擇驅動LED的開關電源的拓撲結構根本有 Buck(降壓型)、Boost升壓型、Buck-Boost降-升壓型和Flyback反激式等，不同拓撲結構對流過LED的電流控制效果不同。圖1 Buck變換器的LED驅動電路圖1所示為采用 Buck 型變換器的LED驅動電路。該驅動電路與傳統的 Buck 變換器不同，開關管 VT 移到了電感后面，使得開關管源極接地，而續

23、流二極管 VD 反并聯到該串聯電路。這種驅動方式簡單、不需要輸出濾波電容，降低了本錢。但該變換器不適用于輸入電壓過低或過多LED串聯的場合。 圖2 Boost 變換器的LED驅動電路圖2所示為采用 Boost變換器的LED驅動電路，通過電感儲能將輸出電壓泵升至比輸入電壓更高的期望值，實現在低輸入電壓下對LED驅動。Boost變換器輸入電流是連續的，這減輕了對電源的電磁干擾,開關晶體管發射極接地使驅動電路簡單。但是它輸出側二極管的電流是脈動的，使輸出紋波較大。所以實際應用中，在二極管與輸出之間常參加一個輸出濾波網絡。另外電壓變比永遠大于1，即它只能升壓，不能降壓。 圖3 Buck-Boost變換

24、器的LED驅動電路圖3所示為采用 Buck-Boost變換器的LED驅動電路。與 Buck 電路類似，該電路中開關管 VT 的源極可以直接接地。Buck-Boost變換器電路簡單，電壓變比可由零到無窮大，即可升壓又可降壓。但是它的輸入、輸出電流皆有脈動，使得對輸入電源有電磁干擾且輸出紋波較大。所以實際應用時常加有輸入，輸出濾波器。并且開關晶體管發射極不接地，驅動電路變得復雜。圖4 反激式變換器的LED驅動電路圖4 所示為反激式開關電源的典型電路。反激變換器又稱 Flyback 式變換器。反激式開關電源電路拓撲結構簡單，元件數少，體積小，因此本錢較低。雖然該電路變換器的磁芯單向磁化，利用率低，而

25、且開關器件承受的電流峰值很大，但當用于數瓦至數十瓦的小功率開關電源中時，影響相對不大。在用恒壓電源控制芯片實現恒流功能的LED恒流驅動開關電源設計中，反激式拓撲結構有一定的優勢。反激式電路拓撲的這些特性符合LED對驅動電源的要求，因此本文設計的LED恒流開關電源采用反激式電路拓撲結構。 反激式開關電源原理反激式開關電源其結構相當于在 Boost 變換器中，用一個變壓器代替升壓電感，即構成了反激式變換器。所謂的反激，是指當開關管VT導通時，高頻變壓器初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管處于截止狀態，在初級繞組中儲存能量。當開關管VT截止時，變壓器初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及整流和電容

26、C濾波后向負載輸出。反激式開關電源以主開關管的周期性導通和關斷為主要特征。開關管導通時，變壓器一次側線圈內不斷儲存能量；而開關管關斷時，變壓器將一次側線圈內儲存的電感能量通過整流二極管給負載供電，直到下一個脈沖到來，開始新的周期。反激式拓撲開關電源有兩種工作方式：(1) 完全能量轉換，也叫做非連續導通模式。該模式的特點是，變壓器在儲能周期中儲存的所有能量在反激周期都轉移到輸出端。(2) 不完全能量轉換，也叫做連續導通模式。存儲在變壓器中的一部份能量保存到下一個儲存周期開始。以非連續導通模式為例分析反激式開關電源的工作原理。該模式反激式拓撲開關電源的一個工作周期中有勵磁、去磁、非連續導通三個階段

27、。(1) 勵磁階段：當開關VT導通時，變壓器初級勵磁電感中的電流從零開始上升。由于次級邊的二極管具有單向導通性，此時二極管反偏，在次級不導通電流，輸出濾波電容C向負載供電。由于此階段的作用是向初級勵磁電感補充能量，以為在下一個階段向次級繞組轉移能量做準備，因此這個階段被稱為勵磁階段。(2) 去磁階段：當勵磁階段結束后，VT停止導通。由于電感電流不能突變，勵磁電感電流開始在初級電感上續流，能量通過變壓器轉移到輸出端，在次級邊上，二極管正向導通，輸出端得到能量。此時，勵磁電感上的電壓反向，勵磁電流開始下降，因此該階段被稱為去磁階段。(3) 非連續導通階段：當勵磁電感的電流下降到零時，變壓器初級邊的

28、能量己經完全轉移到次級邊，次級邊上二極管不再導通。此時反激式拓撲中的初級和次級繞組都不導通電流，等待著下一個周期的到來。在連續導通模式下，不存在這個階段。2.3 恒流驅動方式選擇LED 需要恒流驅動，技術上主要有三種恒流驅動方案。第一，先恒壓再電阻限流；第二，使用專用LED恒流驅動芯片；第三，使用傳統的恒壓電源控制芯片實現恒流。上述方法各有優缺點，本節設計的LED驅動電源使用兩級驅動。即先使用光耦與TL431組合電路實現恒壓，然后使用AMC7150控制芯片實現恒流。TL431是一個熱穩定性良好的三端可調分流基準源，其輸出電壓用兩個電阻就可以隨意設置從2.5V到36V范圍內的任何值。因其價格低、

29、性能好，廣泛用于可調壓電源，開關電源等。TL431根本連接方法如下列圖5。圖5 TL431根本連接方法傳統使用光耦與TL431組合實現恒流如圖6所示，TL431的精確基準電壓2.5V加在R4兩端，對流過LED串的電流檢測。當LED正端電壓增大，電流增大，R4端電壓大于2.5V，使TL431工作在放大狀態，從而流過光耦輸入端的電流增大，使輸出端的大電流拉低/抬高反應電壓，最終使IC強迫關斷初級向次級側傳遞能量。R3、C2對TL431補償。圖6 使用TL431恒流驅動連接方式采用這種連接方式的電路的優點：穩定性好，電路簡單，元器件少，本錢低，恒流精度高。電路的缺點：以=0.875W。可見此電路不適

30、合做輸出電流過大的電源。另外，電路不可以工作在空載狀態下。本次設計的開關電源即在此電路根底上再加一級AMC7150 控制芯片實現恒流驅動，采用兩級驅動的恒流開關電源保證了在恒流精度高、穩定性好的前提下能夠驅動多路大功率LED。2.4 恒流驅動芯片選擇恒流驅動局部由ADD 公司的LED專用驅動芯片AMC7150實現。AMC7150 是，它可以使LED工作在輸入電壓從4V到40V的高效、高亮的情況下。工作頻率由外部電容控制可以到達200KHz,在一個LED或者一串的LED工作時，如果需要改變輸出電流的話，只要調節外部的電阻就可以到達改變輸出的目的。圖 7是 AMC7150 最簡單的電路結構圖，包括

31、芯片內部結構和外圍電路結構。AMC7150的引腳。圖7 AMC7150 最簡電路結構圖表2.1 AMC7150引腳描述表引腳序號引腳名引腳功能1VCC輸入電壓4V-40V2CS峰值電流判斷腳3GND電源地4OUT驅動輸出腳5OSC振蕩調速電容引腳 電源控制芯片選擇本設計使用 PI 公司的 TNY274 系列控制芯片。它使用先進的 PSM 控制方式。因為芯片內部集成開關管，所以整個電源結構簡潔，工作穩定，效率高。現階段LED恒流驅動開關電源的功率普遍較小，大都在 30W 以內，這個功率正是開關管內置芯片適用的范圍。TNY274 系列控制芯片的特點：集成了一個 700V 的功率 MOSFET、振蕩

32、器、高壓開關電流源、電流限流(用戶可選)及熱關斷電路，頻率抖動降低 EMI 濾波本錢，自偏置，精確的遲滯熱關斷保護并具備自動恢復功能。TNY274 系列內圖結構如圖8所示。圖 8 TNY274 內部結構圖TNY274 系列控制芯片的管腳功能：漏極引腳(D)：功率 MOSFET 的漏極連接點。旁路/多功能引腳(BP/M)：一個外部旁路電容連接到這個引腳，用于生成內部5.85V 的供電電源。作為外部限流點設定，根據所使用電容的數值選擇電流限流值。使能/欠壓引腳(EN/UV)：輸入使能信號和輸入線電壓欠壓檢測。源極引腳(S)：內部連接到MOSFET的源極。3 開關電源電路功能模塊設計3.1 電路總體

33、參數本文設計的LED恒流驅動開關電源使用兩級驅動。設計指標 220V(20%)輸入，恒壓 23V，0.9A 輸出，額定功率 20W，效率 75%。LED 恒流 350mA 輸出，驅動 5 個串聯的 1W350mA白光 LED，效率 85%，3 路輸出。 直流輸入電壓和電流的計算直流輸入電壓是指經過橋式整流器整流后得到電壓，因為 220V 市電有波動，所以要計算最小直流輸入電壓，最大直流輸入電壓和直流輸入電壓。用于計算開關管耐壓、最大占空比、初次級匝比和橋式整流管參數等。 3-1 3-2式 3-1、3-2中為正常輸入電壓，即 220VAC，為最小輸入電壓，為最大輸入電壓。為橋式整流管最大導通時間

34、，典型值為 3ms。為輸入濾波電容，在 220V 輸入時，根據經驗輸出 1W 的功率需要 1uH 的輸入濾波電容。 3-3最大占空比: 3-4式 3-4 中，為反射電壓，為開關管導通壓降。KP為電流波形參數，表示電路的工作狀態。KP1.0 時，表示電路工作在不連續模式。因為設計希望電路工作在不連續模式，根據控制芯片的數據手冊選擇 KP=1.7。對于變壓器初級電流，需要計算初級平均電流，初級等效直流電流和初級峰值電流。用于計算初級繞組線徑、開關管參數、橋式整流管參數和變壓器參數等。 3-5 3-6 3-7 輸出電流的計算對于變壓器次級電流，需要計算次級峰值電流，次級等效直流電流和輸出電容紋波電流

35、。用于計算次級繞組線徑、輸出整流管參數、輸出電容和采樣電路參數等。 3-8 3-9 3-10 輸出整流管和輸出電容的設計輸入整流電路，選擇橋式整流管需要考慮二極管的耐壓和導通電流。 3-11 3-12根據計算，可以選用用4個1N4006或選用DB106。輸出整流管的選擇要考慮最大反向峰值電壓和導通電流。 3-13 3-14 3-15根據計算，考慮 RCD 電路對輸出整流管的影響。選擇的輸出整流二極管應當具備正向壓降低、反向漏電流小、反向恢復時間短等特點。選擇快速恢復管MUR420規格 VR=200V、=4A。實際使用時選用肖特基管效率會更高，但由于肖特基管耐壓較低，最大耐壓已經接近計算值，出現

36、過整流管擊穿的現象。輸出電容的大小直接影響輸出電壓紋波，反激式變換器可以沒有輸出濾波電感和電容，同時由于LED的恒流設計，所以電容取值應大于恒壓控制的電源。輸出電壓紋波電壓等于 3-16鋁電解電容的。 3-17由于設計的輸出電壓比擬高，等效電阻低的鉭電容耐壓較低，耐壓較高的鉭電容容量又較小。實際設計制作時，通常用2個或多個鋁電解電容，緊靠輸出端用23個高耐壓小容量的鉭電容并聯減少輸出電容的等效電阻。 輸入整流濾波電路設計如圖9所示，輸入整流濾波電路包括輸入EMI交流濾波器、整流二局部。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾，其中電感L0為共模電感，采取雙線并繞，是為了去除共模干擾。C

37、01、C02接于相線和中線之間為差模電容，C03、C04接于相線或中線與地之間為共模電容。整流電路一般選用滿足電流閾值的整流橋。電感的取值、材料的選取要考慮：磁芯材料的頻率范圍要保證最高頻率在1GHz，另外磁導率高。圖 9 輸入整流濾波電路3.3 鉗位保護電路的設計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。作用原理是將周期性變化的波形的頂部或底部保持在某一確定的直流電平上。3.3.1 幾種根本的鉗位電路比擬反激變換器在開關管關斷時向次級提供能量，在開關管關斷時，初級會產生由次級反射的電壓，感應電壓的極性和直流輸入電壓相同，開關管此時需要承受直流輸入電壓加次級反

38、射電壓。由于反射電壓有電壓尖峰存在，所以必須有鉗位電路保證反向感應電壓和直流輸入電壓之和不超過開關管的最大耐壓值。表3.1對幾種鉗位保護電路做了簡單的比擬。綜合元件本錢、空載功耗、輕載效率、EMI噪聲等方面的因素考慮，本設計采用RCD穩壓管鉗位電路。表 3.1 幾種箝位電路的比擬開關管鉗位電路穩壓管鉗位RCD穩壓管鉗位RCD鉗位元件本錢高低最低空載功耗最低高最高輕載效率最高高最低EMI噪聲最高低最低3.3.2 RCD/穩壓管箝位電路的設計RCD/穩壓管箝位電路如圖10所示，這種箝位電路更適用于開關電源功率大于50W的設計使用。R1和C3限制峰值漏極電壓，VR1(電壓抑制器)僅在啟動、過載和瞬態

39、負載條件下激活。C3上電壓不會跳變，所以穩壓管可以提供預設的最大箝位電壓。選擇R1值，通過每個開關周期在低輸入電壓和滿負載下對C3進行放電，使反射電壓不會保持在最大瞬態值。R2起到限制電流的作用，同時吸收了一局部能量，所以使振蕩衰減并抑制二極管反向恢復電流。圖10 RCD/穩壓管箝位電路R1：10K100 K，0.5W5W。R2：010，0.5W。VR1 VR1200V，0.5W6.5W，常規為P6KE200A。C3：330pF47nF，選400V的陶瓷電容或薄膜電容。D1：600V，1A。常規型號為FR107，VS1M，UF4005。3.4 功率因數校正電路的設計3.4.1 功率因數校正電路

40、選擇在開關電源領域，任何使輸入電網電流為非正弦波，或即使是正弦波但和正弦輸入電壓不同相位，或使輸入電流具有諧波的電路結構都會降低功率因數從產生功率損耗。為了提高電源效率，適宜的功率因數校正電路必不可少。功率因數校正電路可以分成有源功率因數校正和無源功率因數校正兩大類。有源功率因數校正電路可以迫使交流電流跟隨供電正弦電壓的變化。這樣需要通過反應控制系統，實現電流波形的正弦化和同步化，控制系統需要控制芯片。它的電路結構比擬復雜，一般應用于200W以上的電路，如果小功率的開關電源使用有源功率因數校正電路，體積和本錢都會成倍的增加。無源功率因數校正電路需要用到線性電感器和電容器來提高功率因數、降低諧波

41、分量。這種方法在無失真的電抗負載情況下工作較好，但非線性負載產生的諧波或失真不能用這種方法抵消。為了去掉失真中的高次諧波，需要在輸入端串聯低通濾波器。在大功率的電源中，大量的能量必須被這種濾波器存儲和管理，因此需要大電感器和大電容器，很不經濟。因為本文設計的LED恒流驅動開關電源的功率相對較小，一般情況下都小于200W，所以使用無源功率因數校正電路。3.4.2 填谷式功率因數校正電路的原理與設計填谷式功率因數校正電路如圖11示，當輸入正弦波剛過零點時。設加在負載上輸出電壓約為供電輸入電壓峰值的1/3，通過給負載供電，同時通過給負載供電，二極管反偏不導通。當輸入電壓大于輸出電壓時，橋式整流器將導

42、通以增大輸出電壓。此時二極管和將關斷，電容器和將停止向負載供電。負載電流此時直接由電源通過橋式整流器提供，因供電電壓小于和上電壓之和，這時將不導通。圖11“填谷式功率因數校正電路當供電電壓到達和上電壓之和時，輸入電流將和輸入電壓一樣為正弦波形。當供電電壓到達峰值時，它將超過和上的電壓之和，通過、R1和導通并再對串聯電容器充電。供電電壓峰值附近的短暫電流被電阻器R1限流。當供電電壓開始下降時，所有的二極管都將關斷，負載電流又重新直接通過橋式整流管供電。當供電電壓下降到原來峰值的50%時，二極管和將重新導通，通過并聯的和對負載供電。上述電路，輸出紋波電壓將超過半波整流后電壓峰值的50%，與電容器的

43、大小無關。因此這種方法僅適用于那些可以承受大的紋波電壓的負載。為了克服這種缺陷，對上述電路進行改良。改良后的電路如圖12所示。小電容器和產生的倍壓效應使得在很低的供電電壓下依然能夠導通，填充了電流波形內的關斷局部，減小了失真。和比和小的多。圖12改良后的“填谷式功率因數校正電路3.5 EMI 濾波器的設計3.5.1 EMI 濾波器在開關電源中，電磁干擾主要來源于功率開關器件產生的 du/dt 和 di/dt，其頻率從關電源的工作頻率到幾十 MHz。在開關電源的設計中，EMI 濾波器是抑制傳導干擾的濾波器。它是一種低通濾波器，把直流、50Hz或400Hz的電源功率毫無衰減地傳輸到設備上，大大衰減

44、經電源傳入的EMI信號，保護設備免受其害；同時，又能有效地控制設備本身產生的EMI信號，防止它進入電網，污染電磁環境，危害其他設備。它工作在500KHz以上高頻時也不會受到濾波器件的寄生參數、器件布置和 PCB 布線的寄生參數的影響。3.5.2 EMI 濾波器的設計實際應用中，在電源線中往往同時存在共模和差模干擾，一般低于1MHz頻率的干擾以差模為主，高于1MHz頻率的干擾以共模為主。因此電源EMI濾波器是由共模濾波電路和差模濾波電路綜合構成。共模濾波器的等效電路是一個 LC 低通濾波器，設計時主要考慮轉折頻率點和對應頻率的衰減量。輸出端在頻率點后增益為-40dB/倍頻程。頻率轉折點的計算公式

45、為 3-18 給出。 3-18其中，差模濾波器的等效電路是一個 型低通濾波器，設計時主要考慮轉折頻率點和對應頻率的衰減量。 3-19其中，共模濾波電容主要由漏電流決定，從 0.1mA 到幾毫安不等，放電時可以對接觸的人造成傷害，所以為平安考慮，本文設計的取值 0.1mA。 3-20實際設計取容易購置的 2.2nF 的瓷片電容，=2.2nF。為到達較好的濾波效果，設計較低的轉折頻率點，本設計的=10KHz，=10KHz，由式 3-19 得。 3-21的大小由共模扼流圈電感值和獨立電感值共同組成，一般情況下，共模扼流圈電感值較大，獨立電感電感值較小，所以這里設計取=1mH，=57mH。由式 3-2

46、0 得 3-22，實際取：。3.6 變壓器的設計3.6.1磁芯選擇由變壓器相關根本公式可得高頻變壓器的開關頻率公式：f= 3-23上式中f為開關頻率，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓，Lp為初級電感，Ip為初級電流，Ls為輸出端的次級電感，Io為輸出電流，Ton、Toff分別為一個周期內開通、關斷時間,Np、Ns分別為初級、次級匝數，T為開關周期，Pin為輸入功率。RCC變壓器沒有絕對的，最適宜的初級電感值以及匝數比能到達最大的效率，但是其他的電感值和匝數比可能仍可以工作，因此可以適當改變這兩個參數來選擇不同的變壓器。確定變壓器參數為：100240V交流輸入，最大占空比Dmax為0.5，傳

47、遞效率為0.95，導線電流密度J為/mm，工作磁通密度Bw為2800mT這幾個參數均為經驗值，具有通用性。周期為33S。下面運用面積乘積法,也叫AP法進行計算，根據AP值可以查到磁性材料的編號。變壓器視在功率：Pt=Vout*Io(1+1/)*=5*1*(1+1/0.95)=15W，式中效率取95%；由公式AP=() 3-24。式中Ko窗口使用系數,主要與線徑、繞組有關，此處取典型值0.4；Kf為波形系數，即有效值與平均值之比，正弦波時為4.44，方波時為4；Bw為工作磁通密度，鎳鋅鐵氧體材質鐵芯一般在0.26T到0.3T,此處選擇0.28T；Kj為電流密度比例系數，網上查得鐵氧體的Kj為53

48、4；AP為磁芯窗口面積Aw和磁芯有效面積Ae的積，單位為cm。原邊繞組每匝面積Ap只要大于1.1AP即可滿足要求。此處選擇鐵氧體磁芯EI25，網上查的它的Ap為，遠大于1.1AP。3.6.2計算直流輸入、輸出電壓及匝數比直流輸入：Vinmin=100*=134V 3-25輸出：Vs=Vout+Vd+VL 3-26匝數比：n= 3-27上式中Vinmin為直流輸入最小電壓，Vs為次級輸出電壓，Vout為最終輸出電壓，Vd為二極管壓降，VL為電感壓降。3.6.3計算電流、電感及各繞組匝數變壓器次級輸出功率Pout按三倍電流計算Pout=3Iout* Vs輸入電流：Ip= 3-28初級繞組電感：Lp

49、= 3-29原邊線圈匝數：Np= 3-30輸出副邊繞組匝數：Ns=Np*n 3-31在這個高頻變壓器中，由于實際選擇的磁芯相對較大，那么根據電感大小與線圈直徑大小成正比的關系判斷，實際繞制的高頻變壓器初級電感Lp可能較大，因此可以適當增加Lp大小來計算開關頻率。3.6.4計算導線線徑：變壓器繞線采用銅材料，高頻變壓器線徑計算公式 = * MERGEFORMAT ： 3-32其中I是電流，J是電流密度。不同頻率時導體的穿透深度公式:d=K 3-33其中 K是常數對銅而言K=1如果計算出的線徑D大于兩倍的穿透深度,就需要采用多股線或利茲線 。大直徑的導線因交流電阻引起的交流損耗大，經常用截面之和等

50、于單導線的多根較細導線并聯。多根細導線每根線徑的計算公式： 3-34例如用兩根導線代替一根，細導線的直徑，注意截面積之和要大于等于單根導線的截面積。4 LED恒流驅動開關電源整體電路的設計4.1整體電路的設計電路各模塊具體設計可以參考本文第三局部。整流濾波后由電感和輸入濾波電容組成濾波器，可以減小電磁干擾(EMI)，提高功率因數。箝位電路使用 RCD/穩壓管結構電路。增加 LC 濾波器，可以減小輸出電壓紋波。反應控制電路使用 TL431 加 PC817，采樣電阻使用可變電阻，可以精確的恒壓到 23V。因為LED專用驅動芯片的輸入電壓調整率很差，所以恒壓必須精確。并且給 TL431 增加的相位補

51、償網絡。在變壓器初級高壓端和次級輸出端串聯 2.2nF的高壓瓷片電容，可以使初級或次級的噪聲有回路，減少噪聲在電路中的反射。變壓器磁芯使用 EE25，初級繞組 88T，0.31mm 線徑，次級繞組 16T，0.47mm線徑。初級電感 658uH。整體的電路原理圖如圖13 所示。圖 13LED恒流驅動開關電源電路原理圖第二級恒流驅動原理：如圖14所示，采樣電阻的計算公式由 AMC7150 的數據手冊給出，如式4-1。但 AMC7150 的輸入電壓調整率和負載調整率很差，實際的取值需要實際試驗測試后確定。 4-1通過實驗測試AMC7150 在實現 350mA 恒流情況下，輸出電流和輸入電壓的關系，

52、試驗結果說明驅動 56 個串聯的LED可以到達較高的效率。頻率那么由電容的大小決定為了減小開關管的工作損耗，本設計選擇 820pF的電容，使電路工作在較低的頻率。圖 14LED恒流驅動原理圖，可以實現接近 350mA 的恒流輸出，同時恒壓電路局部設計了可變電阻器以精確調整輸出電壓，使 AMC7150 可以實現穩定恒流。整體電路PCB的設計在任何開關電源設計中，PCB板的物理設計都是最后一個環節，如果設計方法不當，PCB可能會輻射過多的電磁干擾，造成電源工作不穩定。特別是面臨如今性能強大的開關穩壓器和電源越來越緊湊，開關電源的開關頻率越來越高。建立開關電源布局的最好方法與其電氣設計相似，最正確設計流程如下：放置變壓器、設計電源開關電流回路、設計輸出整流器電流回路、連接到交流電源電路的控制電路、設計輸入電流源回路和輸入濾波器、設計輸出負載回路和輸出濾波器。根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原那么