LED恒流电源设计

本科毕业设计说明书（论文）第1页共29页1绪论由于工业的发展，社会的进步，人们对用电量的需求越来越大，除此之外，用电量的加大无疑对资源的需求也越来越大，所以人们就会大肆开采能源，导致环境的污染就会越来越严重。环境的污染给人们的生活带来了很大的影响，比如说，之前的雾霾就是由于环境问题所引起的，所以一系列有关环保和节能的产品得到快速的发展，比如说新型的供电方式，新型材料的开发，这些都有了很大的进展。在这种背景下还诞生了一种节能环保的产品，那就是LED照明，LED和传统光源相比，有太多的优良特性，而且也响应了政府提出的新能源，节能环保的国家政策，也就是一种新光源。现如今，LED已经应用到各个领域，各行各业都对它有很大的需求，列如，它可以为人们带来光明。从人们日常的生活我们可以看出，照明的作用在现在社会中的应用是越来越广泛的，而且它的节能效果也是很高效的，以后LED的体积也会越来越小，所以它在以后的应用当中也会越来越方便。相信随着时代的发展，LED将会成为社会的主流。1.1课题背景及意义纵观这几年的变化，我们可以看出LED的发展是超乎想象的。我们可以从它的发展史来看，它的效率是逐年稳步提高的，然而令我们开心的是它的成本却是在逐步下降的。关键在于它是非常环保的一种产品。目前公司里主要生产的大功率LED灯都已经应用在了道路上，而且效果也很好，不仅受到了国内用户的好评，还受到了国外用户的青睐。除此之外，LED是非常节能的一款产品。所以，在如今的社会形势，能源消耗大，污染严重的情况下，充分利用LED节能环保的特点，真正意义上给人们的生活和节能减排上带来更多的便利。1.2LED的特点首先我们来认识一下什么是LED，LED也就是我们上课时老师所讲的发光二极管，它的特性和二极管很相似，但它的作用是将电能转化为光能。其实它的实质就是内部的发光二极管。(1)LED更环保。LED的内部都是采用的发光二极管，到了现在，LED的发光体都是以颗粒的形式出现了，所以它的内部不像以前都是用有污染的物质，现在的制作都是无污染的，比老早的灯相比，它对环境的污染真的是太小了，而且它还是可以进行可回收利用的。本科毕业设计说明书（论文）第2页共29页(2)LED节能环保。随着LED技术的不断拓展，相信在很多地方都会有很大的改进的。我们可以对比一下，在相同亮度的光源下，传统灯的功率是LED功率的一倍，但是光效只有LED照明的一半。从比较的结果可以看出，LED是非常节能的。(3)LED的寿命较长。由于LED和二极管很相似，只要给它提供低压直流，就会使LED发光，它每颗LED电压的幅值大约在3V左右，所以它的稳定性能同样也是很安全的。除此之外，LED与以往的灯相比较，它的发光比较稳定，而且使用的时间也比较长。(4)LED的颗粒体积比较小。LED现在都是以颗粒的形式来进行发光了。而且它的体积就和一个小珠子的体积相差不多，重量也比较轻，所以在生产和运输都会带来很大的帮助，而且体积越小，它就越容易被储存，而且，它的成本也比较低，这样就会大大提高它的生产效率，促进社会的发展。(5)LED灯的发光时间比较快。LED现在的反应时间是很快的，不像老旧的灯泡，都要等一段时间才能达到正常的光亮。这让LED满足了高端市场的需求。(6)LED灯的亮度是可以调节。LED光的亮度是和电流的大小有很大关系的，它们是成正比的，电流越大的话，它的亮度就越亮。所以LED有很好的光度可调性。(7)LED的颜色是多彩多样的。LED可以根据它的原理，通过改变它的要求，材料等，让它呈现出不同颜色的光源。所以对LED灯光来说，它的效果是非常好的，而且极具观赏性。(8)LED灯安全性可靠。通过流过电流才能使LED发出光亮，由于电流与LED光度成正比，所以只要让其电流不变，它就不会出现闪烁的现象，从而对人眼几乎没有伤害。1.3本课题的设计任务和参数要求本课题主要是设计一款以BUCK为主电路的小功率电源，想让它实现的功能就是，将电网上的交流电先进行EMI滤波，然后经过整流桥变为直流电。本科毕业设计说明书（论文）第3页共29页本课题主要参数：(1)输入电压Vin=220V。(2)输出电压Vo=75V。(3)输出电流Io=0.24A。(4)输出功率P=18W。(5)频率f=100kHz。本科毕业设计说明书（论文）第4页共29页2LED的基本研究2.1设计的要点(1)通过LED的特性我们可以知道，它和二极管的性能很相似，所以我们主要给它提供一定的直流电，它就能稳定地发光，所以我要让电源的输出电流是直流电。(2)LED也是一种具有负温度系数特性的器件，当它的环境升高时，它的电压会降低，这样会使流过它的电流会很大，而且负载LED的种类和特性也是不完全相同的，所以它们的降压是不完全相同的。2.2LED的控制方法LED是靠电流来发光的，它的电流决定了它的亮度，所以通过它的电流越大，它发出的光就会越亮。我们一般采用两种方法来控制它。(1)通过电压来控制在LED电源中串联采样电阻，通过给它电压来驱动它，不过这种方法有一种弊端，就是当输入的电压发生变化时，它的电流也会跟着相对应变化，这样LED的亮度就会发生变化。(2)电流控制法通过改变采样电阻可以改变它的电流，这样就可以控制电流，使电流达到一种稳定状态，使LED有恒定的电流流过。这种方法可以使电压或负载在受外界因素影响时，流过的电流是不变的。使LED的亮度保持稳定，大大提高了LED亮度的统一性，不会出现闪烁的情况。比较以上两种方法，我们有理由选择第二种。2.3LED连接方法(1)串联方式如图2.1所示，将LED一个个按顺序，首尾正负连接在一起。它的特点：方法很简单，而且流过它们的电流也都是相等的。如果其中一颗LED出现短路的话，则剩下的LED不会因为电流变大而损坏。由于是串联，加在它们两端的电压要很大。如果其中一颗LED出现断路的话，则剩下的LED也不会工作了。为了解决以上的问题，我们一般在串联电路上，并上齐纳管，如图所示，如果载上有LED出现故障断开了，那么和它并联的齐纳管两端的电压变大，使其导通，这本科毕业设计说明书（论文）第5页共29页样剩下的LED又有电流通过了。DCDC(a)串联(b)串联并联图2.1LED电路图(2)并联方式如图2.2所示，让LED以正接正，负接负的方式并联在一起。它的特点：负载两端提供的电压不需要很大。连接方法也很简单。LED上流过的电流是有所差异的，这样会导致它的亮度不统一。当负载中有一个LED出现短路时，其余的都不能正常发光，而且由于电流会加大，所以会烧掉其它的颗粒。当电路中有一个支路上的颗粒发生短路时，其余的LED可以工作，不过剩余的LED会分得更大的电流，使LED损坏。DC图2.2LED并联电路(3)串并混联如图2.3所示，可以让LED灯，先串联后并联，或者先并联后串联。图中给我们展示的是先串联后并联。这样使每个LED得到的电压和电流是一致的。当其中有一个支路出现短路时，由于流过该支路的电流不变，所以剩余的各支路都可以正常工作。当其中有一个支路出现断路时，其余的支路分得的电流就会变大，不过由于并联支路多，可以在LED的承受范围内[3]。本科毕业设计说明书（论文）第6页共29页DC图2.3LED串并联电路图这次课题选用的负载是日光灯，所以它的连接方式应该就是将LED串并联了。本科毕业设计说明书（论文）第7页共29页3主电路设计3.1BUCK变换器这种结构的电路主要用在功率小的负载上，而且它的电路结构比较简单，所用的器件比较少，所以它的体积也相对来说比较小，可以做成堵头型，而且它的成本也很低，所以一般普通的灯都选用这种便宜，体积小的电源来供电，而且现在市场上对这种电源的要求也不是很高，所以它的设计过程也是和其它电源相比是比较简单的，另外它的成本也是比较低的。这种电路一般可以在两种模式下进行工作，一种是电流连续的模式（CCM），还有一种是电流断续模式(DCM)，断续模式下电流会降到0，电流的波形是一种三角形，而在连续模式下，电流不会降为0，电流的波形在这种模式下是呈现一种梯形波。BUCK电路的原理如图3.1所示。DCMOS管管管管管管管管管管图3.1BUCK主电路图3.2BUCK电路的基本原理(1)当开关在导通时，如图3.2所示。DCMOS管管管管管管管图3.2导通状态下本科毕业设计说明书（论文）第8页共29页在开关导通时，电流流过电感，此时，电流中的交流部分给电容进行充电，直流部分流过负载，由于二极管没有达到导通压降，所以不导通，这样电流流回电源负极，形成一个回路。电感左端的电压为Vin，右侧的电压为Vo。它们的关系为[5]：dtdiLVVoin(2.1)通过模态图我们可知，开关管上的电流就是Q导通时，电感上的电流，其表达式为：IotTLVVIonoinQ)2)(((2.2)(2)当开关在闭合时，如图3.3所示。DCMOS管管管管管管管图3.3关断状态下在开关管关断时，此时由于导通时电感上储存有电能，会由于电磁感应原理，电感产生反电动势，这样电感就会向负载供电，除此之外，电容是电流也充好电，电容也会向负载提供电压。电流流过负载，经过二极管，形成一个回路。电感两端电压的关系可以表示为[5]：tioddLV(2.3)开关管两端的电压值为：inQVV(2.4)流过二极管上的电流为：ootDItofftonTLVI)2()((2.5)由公式（2.1）和公式（2.4）可以得出占空比：DVVino(2.6)本科毕业设计说明书（论文）第9页共29页ToffUgIDISVSVDi1tTTontttttI1minIsmaxIsminI1IDminIDmax图3.4BUCK电路的模态图本科毕业设计说明书（论文）第10页共29页4控制电路设计4.1PWM控制方式(1)电压型控制法它是通过在负载一端串联两个采样电阻，将输出电压进行采样，然后将采样的电压送给运算放大器，在运算放大器内采样电压将和基准电压作比较，接着将比对后的误差进行放大，然后将误差信号送入PWM比较器内，此时外部的会产生固定的锯齿波，然后根据误差信号和锯齿波进行比较，当两者有接触的时候，生成的方波是出于低电平，然后等下一次接触时，方波又变成高电平了，然后就是循环，整个方波的生成就是这样了，这也就是所谓的占空比了，所以，要是电压高了或低了，两者比较会发出信号，这样内部的控制电路会根据方波来适当调高电压或者是降低电压，以使最后得到的电压是相对平稳的。电压型控制法如图4.1所示。DCEAPwm管管管管管管UqUref管管管管管PWM管管管管管管UjUr管管管管管管管(a)电压控制型电路(b)PWM控制原理图图4.1电压控制型原理图本科毕业设计说明书（论文）第11页共29页特点：它只能通过采样的电阻来调节电压，而且受外部的因素也比较大，容易受到外面的干扰，所以它的精确性就不是很高，稳定的性能也不是很高，会使最后想要的结果和理想状态下的结果相差很大，而且振荡器产生锯齿波时也会发出比较大的噪声，所以一般在设计时都会很少会考虑用这种方法。(2)峰值电流控制法在有电压控制电路的情况下，为了使电路达到稳定的效果，为了维持灯光的亮度，所以一般都会在电路靠近电感的前段串联一个采样电阻，因为LED的发光主要就是由电流的大小来控制的，所以此时的采样电阻会把电路中的电流送入误差放大器中，将电流转化成电压的形式，然后两者就进行比较，将比较后的误差信号进行放大，送入PWM比较器中。这样就会提高电路的稳定性，能够使LED在正常的情况下进行发光。电流型控制法如图4.2所示。DC管管管MOS管管管管管管管管管管管管管管管管PWM管管管PWM管管管管管管管管管管管管管管管UjUrUref管管(a)电流型控制电路(b)PWM控制原理图图4.2电流型控制原理这种控制回路的响应速度还是比较快的，而且更加容易稳定，另外它还有限流的本科毕业设计说明书（论文）第12页共29页作用，可以通过改变采样电阻来调节它；PI调节器误差补偿时也很简单。4.2控制电路方案本课题的控制回路主要是选用的峰值电流型控制法，先将输出电压通过采样电