毕业设计（论文）-基于NCP3065的大功率LED驱动电路的设计.doc

本科生毕业设计（论文） 摘 要LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种可以将电能转化为光能并具有二级管特性的电子器件。LED 具有节能、环保、结构牢固、使用寿命长、体积小、发光效率高、显色性高、工作电压低、功耗低等优点。LED照明现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。但是原始电源有各种形式，无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作为照明光源就要解决电源变换的问题。本文内容是基于NCP3065的大功率LED驱动电路的设计，目的就是把常用电源转换成适合LED的电源。整个系统为纯硬件电路，包括开关电源部分和NCP3065芯片控制部分。开关电源为基于UC3842的单端反激式开关电源，实现的是交流85V265V /50HZ宽范围输入，输出电压24V最大电流5A。开关电源主要由四大部分组成：交流输入EMI防电磁干扰电源滤波器、二极管整流与电容滤波、DC/ DC 功率变换电路、 PWM控制电路。NCP3065控制部分将前级开关电源输出的稳定的直流电源信号经过输入取样电路的取样比较，然后加到升、降压斩波电路上，通过斩波电路将经过调节的电信号加到LED负载上，使LED正常发光。另外可以通过改变控制信号的占空比来控制NCP3065的工作与待机时间的比例，相对改变送到LED的平均功率，来调节LED的亮度。本次设计的LED驱动电路具有比较高的可靠性，基本达到了设计要求。并且具有体积小、成本低、工作稳定，调试与维护都便的特点。关键词：LED；NCP3065；开关电源；DC/DC变换电路VIAbstractLED(LightEmittingDiode),light-emittingdiode,isakindofelectronicdevicewhichcantransformelectricenergyintolightenergyandhavethediodecharacteristics.LEDhastheadvantageofenergysaving,environmentalprotection,firmstructure,longservicelife,smallvolume,highluminousefficiency,highcolor,lowoperatingvoltageandlowpowerconsumption.LEDlightinghasbecomeahigh-techproductwhichhastheprospectdevelopmentandinfluence.Althoughtheoriginalpowerhasavarietyofforms,nomatterwhatkindofpower,aregenerallynotdirectlytotheLEDpowersupply,therefore,theuseLEDasalightsourcewillsolvetheproblem.ThispaperisthedesignofhighpowerNCP3065drivecircuitbasedonLED,thepurposeistoturntheusualpowerintopowerforLED.Thewholesystemispurehardwarecircuit,whichdividedintoswitchingpowersupplyandNCP3065controlchip.Thepowerofthedesignissingle-endedforwardswitchingpowersupplybasedonUC3842,.theinputofACwillreachaswideas85V265V/50HZ,theoutputofvoltageis24Vandthecurrentis5A.Therearefourmainparts:theACinputEMIelectromagneticinterferencepowerfilter,adioderectifierwithcapacitorfilter,DC/DCpowerconvertercircuit,PWMcontrolcircuit.TheNCP3065controlpartofthestableDCpowersupplycompetedwiththeinputsamplingcircuit,andthentorise,Buckchoppercircuit,choppercircuitafteradjustingbytheelectricalsignaltotheLED,whichwillmaketheLEDintothestateofnormalluminescence.AtthesametimewecanchangethecontrolsignalannoyingaccountedforworkandstandbytimetocontroltheNCP3065airratio,changetheaveragepowertotheLEDrelatively,toadjustthebrightnessofLED.ThedesignoftheLEDdrivecircuithasarelativelyhighreliability,meetthedesignrequirements.Andhastheadvantageofsmallvolume,lowcost,stableoperation,debuggingandmaintenancecharacteristics.Keywords: LED；NCP3065；Switching power supply；DC-DC inverter目 录第1章 绪 论11.1 课题研究的背景和意义11.2 LED驱动电路的发展状况及趋势11.3 本文的主要工作3第2章 LED驱动原理52.1 LED的特点52.2 LED驱动电源的分类72.3 DC-DC转换电路三种拓扑结构82.3.1 降压型(Buck)变换器92.3.2 升压型(Boost)变换器102.3.3 升降压型(Buck-Boost)变换器122.4 DC-DC转换电路的两种反馈控制模式132.4.1 电压控制模式142.4.2 电流反馈控制模式152.5 小结17第3章 总体方案设计193.1 LED驱动电路的功能要求193.2 总体方案设计及论证193.3 小结21第4章 系统硬件电路的设计224.1 NCP3065 简介224.1.1 NCP3065的内部工作原理224.1.2 NCP3065的性能分析274.2 开关电源的设计314.2.1 UC3842的简介314.2.2 开关电源电路设计354.3 升、降压型LED驱动电路的设计374.3.1 升压电路分析374.3.2 参数计算394.3.3 调光电路404.4 小结40第5章 结论41参考文献42致谢44附录45附录54附录55第1章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义近几年，我国政府在新能源开发、环境保护和资源节约方面相继出台了一系列方针政策和法律法规，实施了“金太阳”、“绿色照明”等一批重点工程，收到了较大成效。LED 由于光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，属于典型的绿色照明光源，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，可以提高人们的工作、学习、生活的条件与质量。也因如此，LED照明现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。全球能源紧张，提高电器的效率是行之有效的方法。照明用电占据全球21%的总用电量，如果能提高照明用电的效率，可以有效缓解能源紧张。如何提高照明系统的能源利用率，延长照明系统的寿命，并且是绿色无污染的？取代白炽灯，荧光灯，节能灯的第四代照明灯具是什么？业界给出的答案就是LED照明灯。LED照明每瓦流明数可达到120lm。远高于白炽灯和日光灯，此外LED灯珠寿命可长达十万小时，并且绿色无污染。LED照明具备的这些优点决定了其应用前景是非常广阔的。LED照明应用上的限制在于LED有固定的正向压降，电流也有上限（工作电流是影响LED寿命的主要因素）。白光LED上的正向压降一般为3-4V，LED光源不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压，它必须配有专用电压转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作，也就是所谓的LED专用驱动电源。但是由于各种不同规格的LED驱动电源的性能和转换效率各不相同，所以选择合适、高效的LED驱动电源，才能真正展现出LED光源高效能的特性。选择合适的驱动电源驱动LED是这次课题选择的主要目的和意义。1.2 LED驱动电路的发展状况及趋势1本科生毕业设计（论文）近几年，LED的发光效率提高了100倍，成本下降了90%。在LED光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是白光LED。LED用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界增长率在20%以上，美、日、欧、中国（包括台湾和香港地区）均推出了半导体照明计划。LED产业不断涌现新技术、新产品、新应用，呈现了朝阳工业欣欣向荣的景象。目前许多色别的LED都达到了烛光级水平，相信随着器件结构的改进和发展效率的提高，今后LED发展的主流是LED照明光源。白光LED上的正向压降一般为3-4V，LED光源不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压，它必须配有专用电压转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作，也就是所谓的LED专用驱动电源。要发展LED必须发展LED的配套的设施，驱动电源就是最主要的。用原始电源给LED供电有4种情况：低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动、市电驱动。不同的情况在电源变换器技术的实现上有不同的方案。下面简要地介绍上述几种电源驱动LED的方法。1低电压驱动LED 低电压驱动就是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED，如用一节普通干电池或镍铬镍氢电池驱动LED，其正常供电电压在0.81.65V之间。用低电压驱动LED时需要把电压升高到足以使LED导通的电压值，对于LED这样的低功耗照明器件，低电压驱动法是一种常见的使用情况，如LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量的限制，低电压驱动电源一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的变换效率，考虑到有时有可能需配合一节5号电池工作，故还要其有最小的体积。最佳技术方案是选用电容式升压变换器。2过渡电压驱动LED过渡电压驱动是指给LED供电的电源的电压值在LED压降附近变动，这个电压有时可能略高于LED的压降，有时可能略低于LED的压降。如由一节锂电池或两节串联的铅酸电池构成的电源，电池充满电时其电压在4V以上，电池放电快结束时电压在3V以下，典型应用为LED矿灯。过渡电压驱动LED的电源变换电路既要解决升压问题，还要解决降压问题，为了配合一节锂电池工作，也需要有尽可能小的体积和尽量低的成本。一般情况下其功率也不大，最高性价比的电路结构是电感式升、降压变换器。3高电压驱动LED高电压驱动是指给LED供电的电源的电压值始终高于LED的压降，常见的电源有6V、12V、24V蓄电池。该方法的典型应用如太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压驱动LED要解决降压问题，由于高电压驱动时一般是由普通蓄电池供电的，会用到比较大的功率，如机动车照明和信号灯光，因此应该有尽量低的成本。变换器的最佳电路结构是电感式降压变换器。4市电驱动LED采用市电驱动LED是最有实用价值的驱动方式，也是推广LED在照明领域的应用必须要解决好的问题。用市电驱动LED要解决降压和整流问题，还要有比较高的变换效率，有较小的体积和较低的成本，还应该解决安全隔离问题。考虑到它对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对中、小功率的LED而言，其最佳电路结构是隔离式单端反激变换器：对于大功率的应用场合，应该使用桥式变换电路近年来各大公司和研究机构对LED电源和驱动电路的研究方兴未艾。与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。随着硅集成电路电源电压的直线下降，LED 工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间，大多数为低电压 IC 供电的技术也都适用于为LED。目前LED驱动电路发展的主要趋势有：1. 针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路，利用集成电路技术将每颗LED的输入电流控制在最佳电流值，使得LED能获得稳定的电流，并产生最高的输出光通量。LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。2. LED驱动电路具有智能控制功能，使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。3. 在控制电路电路设计方面，要向集中控制，标准模块化，系统可扩展性三方面发展。1.3 本文的主要工作本文设计的是基于NCP3065大功率LED驱动电路，要求设计成高效升压电路模式。它以恒定电流驱动多个串并联的大功率LED(每颗350mA,1w),可以应用在路灯和室内台灯照明等场合。本文主要工作是设计一种高效的LED驱动电路将市电交流电压转换为恒流电源，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。输入DC 220V电压经过UC3842控制的单端反激式开关稳压电源转换成直流稳压电源，输入到NCP3065控制的LED驱动电路中，通过输入滤波电容滤波和输入电流取样之后，再通过升/将压斩波电路的调节将输入的直流电变为另一种固定可调的直流电，加载到负载LED上，来满足本设计的需求。然后再在ON/OFF端输入信号幅度为5V、频率为300Hz的脉冲宽度可调的矩形波信号，通过改变控制信号的占空比控制NCP3065的工作与待机时间的比例，调节用来调节LED灯的亮度，使整个驱动电路具有较低的自身功耗， LED 的系统效率保持在较高水平。第2章 LED驱动原理2.1 LED的特点1. LED的优点随着LED效率的迅速提高，成本的不断下降，LED市场正在由手机的背光源和汽车仪表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景观照明领域向普通白光照明领域扩展。大功率LED照明光源与传统的白炽灯、荧光灯照明光源相比,有如下优点：（1）节能。LED具有电压低、电流小、亮度高的特性。其发光效率比传统光源节能80%90%。预计几年后，白光LED的发光效率有可能达到150200 lm远远超过了现在其它照明光源的发光效率。（2） 环保。 LED为冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质。LED的环保效益好，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。（3） 寿命长。 LED单管寿命为10万小时，光源寿命在2万小时以上，按每天工作12h计算，寿命也在5年以上。而普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯、金属卤化物灯的寿命也不超过10000h。（4） 结构牢固。 LED利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉淀、光衰等缺点，可承受高强度机械冲击。（5） 光色单纯，种类多。 LED的光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可以利用，而且无需过滤直接发出色光。LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术的控制下使3种颜色具有256级灰度并任意混合，可产生256x256x256（即16777216）种颜色，形成不同光色的组合。LED组合的光色变化多端，可实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。（6） 安全可靠。 LED光源使用低电压驱动，发光稳定，没有采用50HZ交流电供电时的频闪现象，没有紫外线B波段，Ra值接近100，色温为5000K，接近太阳的色温5500K。LED的发热量低，并能精确控制光型及发光角度，光色柔和。（7） 快速响应。 LED的响应时间很短，能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。采用专用电源给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10ms。综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。所谓“绿色照明”的概念就是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，可以提高人们的工作、学习、生活的条件与质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境。2. LED的伏安特性I-V特性：LED的中文名字就是发光二极管，所以它本身就是一个二极管。它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。只不过通常曲线很陡。发光二极管的电压与电流的关系可用图2-1表示。在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由I-V曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR10A以下。假如用干电池或蓄电池供电，那么因为LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，LED很快就会被烧坏。从伏安特性上可以看出，电源电压的10%的变化，就会引起正向电流的3.5倍的变化。图 2-1 LED的I-V特性曲线根据LED的正向伏安特性，使用LED时要注意：1.小功率LED，不宜直接并联使用。一定要并联使用时，每一支路一定要加适当的电阻。2.小功率LED，在很小的电流下（3mA以下）使用时，在严格细分VF的情况下，可以直接并联。 VF差必须以0.05V以下分档。 3.大功率LED，不要直接并联使用。也不要通过串联电阻来并联，否则电阻损耗太大。若用串联电 阻分压，电阻的功率较大，价格、体积都不是好的选择。 4.若通过细分VF来直接并联，一般封装厂家的机台分辨率为0.05V，这样还可能会带来几十毫安的电流差异。若LED损坏，损失的结果，还不如当初增加使用适当的控制电路。5.由于VF的差异，LED直接并联、或即使每支路有串联电阻下使用，也容易产生亮度不均现象。2.2 LED驱动电源的分类1、按驱动方式可分为两大类：（1）恒流式:a、 恒流驱动电路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，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；b、 恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。d、 应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量；（2）稳压式：a、 当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；b、 稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。c、 以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。 2、按电路结构方式分类（1）电阻、电容降压方式：通过电容降压，在闪动使用时，由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低。（2）电阻降压方式：通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源，降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式电源效率很低，而且系统的可靠也较低。（3）常规变压器降压方式：电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%60%，所以一般很少用，可靠性不高。（4）电子变压器降压方式：电源效率较低，电压范围也不宽，一般180240V，波纹干扰大。（5）RCC降压方式开关电源：稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可以做到70%80%，应用也较广。由于这种控制方式的振荡频率是不连续，开关频率不容易控制，负载电压波纹系数也比较大，异常负载适应性差。（6）PWM控制方式开关电源：主要由四部分组成，输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。PWM开关稳压的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定（即相应稳压电源或恒流电源）。电源效率极高，一般可以做到80%90%，输出电压、电流稳定。一般这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。从以上介绍可以看出PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的LED电源，经用户使用反映效果很好。2.3 DC-DC转换电路三种拓扑结构DC-DC转换电路有三种基本拓扑结构，即降压型(Buck)变换器、升压型(Boost)变换器和升降压型(Buck-Boost)变换器，其它变换器类型都是由Buck变换器和Boost变换器组合演变而成。这三种DC-DC转换电路可以采用电流反馈模式和电压反馈模式两种反馈环路结构，各种转换电路的控制方式根据电路要求和实际应用要求可选取PWM、PFM和PWM-PFM三种控制方式。在DC-DC转换电路中，即使输入电压与负载有变动，但变换器的直流输出电压可通过内部电路控制为所期望的电压。开关型DC-DC变换器是采用一个或多个功率开关管把一种直流电压变换为另一种直流电压。如果变换器的输入直流电压给定，则可以通过控制开关管的开关时间(或占空比)来控制直流输出电压。开关型DC-DC变换器的基本电路及波形图如图2.2所示。图2.2中，和分别为开关的导通和关断时间，输出的平均电压Vo大小取决于通断时间（和)。图2.2开关型DC-DC变换器的基本电路及波形图2.3.1 降压型(Buck)变换器降压型变换器又称为串联开关(即晶体管T与DC电源Vs串联)稳压电源，或称为三端开关型降压稳压器。Buck变换器典型原理图如图2.3所示：图2.3 Buck变换器电路原理图当图2.3中晶体管T导通时，在电感线圈未饱和前，电源给电感持续充电，电流线性增加，即有di/dt=/L。当电感电流(等于电源电流)大于输出负载电流时，电源通过电感给电容充电，此时二极管承受反向电压。当图2.3中晶体管T关断后，电感线圈L两端的电压极性反相，以保持其电流不变，负载R两端电压仍是上正下负。当0，而晶体管关断时=0，故是脉动的，但输出电流在L、D、C作用下却是连续、平稳的。图2.4为在电感电流连续和不连续两种模式下Buck变换器电路各点的波形图，电感电流为晶体管和二极管的电流之和。(a)电感电流连续(b)电感电流不连续图2.4 Buck变换器两种工作模式下波形图2.3.2 升压型(Boost)变换器升压型(Boost)变换器又称为并联型（晶体管与电源并联）开关电路，或称为三端开关型升压稳压器。Boost变换器电路典型的原理图如图2.5所示：图2.5 Boost变换器电路原理图当图2.5中晶体管导通时，电源给电感线圈L充电，在电感线圈未饱和之前电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈L中。由于开关管导通，二极管阳极与负极相连，二极管承受反向电压，此时电容C向负载R放电。当图2.5中晶体管关断时，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性以保持不变，这样线圈L的磁能转化成的电压与电源串联，以高于的电压向电容C负载R供电。高于时，电感向电容充电；等于时，充电电流为零；当有降低趋势时，电容向负载R放电，维持不变。由于+向负载R供电时，高于，故称为升压变换器。工作中输入电流=是连续的，但流经二极管电流是脉动的。由于有C的存在，负载R上仍具有稳定连续的负载电流。图2.6为在电感电流连续和不连续两种模式下Boost变换器电路各点的波形。电感电流连续模式下，电感储存的能量在晶体管关断后并未完全释放给负载，电感两端电压为电源电压与输出电压之差；而电感电流不连续模式下，电感储存的能量在晶体管关断后完全释放传递到负载，当电感的能量释放完后，电感两端的电压变为零。图2.6 Boost变换器两种工作模式下波形图2.3.3 升降压型(Buck-Boost)变换器升降压型(Buck-Boost)变换器又称为反号变换器，它是在Buck变换器后串接一个Boost变换器再简化而成。将图2.7的Buck-Boost与图2.5的Boost比较，就会发现两图中开关管和电感换了位置，且二极管的连接方式也相反。当图2.7中晶体管T导通时，电源向电感充电，由于L上电压等于电源电压恒定，所以电感充电电流关系式为diL/dt=vs/L，L储存能量，二极管D阴极电压为 (假设T导通压降为零,且此时C电压为某一负值)，二极管反偏截止。经过导通时间Ton,电感L的电流达到Ip=Ton*/L。当晶体管T关断时，IL有减少趋势，电感线圈产生方向为下正上负的自感电势，所以关断瞬间，与T关断时相同的电流IP流过C和D，电感向负载放电电流关系式为d/dt=/L，二极管D受正向偏压而导通，负载上输出电压，电容C充电储能，以备晶体管T导通时向负载放电维持不变。图2.7 Buck-Boost变换器电路原理图图2.8是在连续和不连续两种工作模式下的升降压型(Buck-Boost)变换器电路各点的波形如图2.8所示：图2.8 Buck-Boost变换器两种工作模式下波形图上述三种DC-DC变换器，有一个共同特点：输入输出的一根线是共用的，因此也称为三端开关式稳压器。通过上面的原理分析,可得如下几个基本概念： (1)在DC-DC变换器中，其电气特性与电感电流的模式有极密切关系。凡周期中电感电流有零值的称不连续模式，此时能量完全传递；凡电感电流常大于零的称连续模式，此时能量并不完全传递。(2)开关电源电感与电容起能量储存与释放的作用，其接线形式一定为低通滤波器形式。因为变换器有关元件必定使得电压波形成脉波状，欲得直流输出，一定要有某种形式的低通滤波器。(3)DC-DC变换器中降压(Buck)和升压(Boost)是最基本的，其它变换器都是由这两种派生出的。(4)在所有实际应用中，就电气特性而言，没有哪一个DC-DC变换器是最佳的，不同的应用应选取不同的最合适的变换器。2.4 DC-DC转换电路的两种反馈控制模式开关电源电路根据不同的反馈取样控制信号，电路中的输入电压、输出电压、开关器件电流、电感电流均可作为取样控制信号，从而有电压模式、电流模式(也为峰值电流模式)、平均电流模式、滞环电流模式和相加模式五种反馈控制模式，其中电压模式和电流模式为最常用的两种反馈控制模式。本论文的电路属于电流模式。电压模式是将输出电压分压后反馈到PWM比较器，从而输出PWM信号控制功率开关管。电压模式是一个单闭环电压控制系统，即只有一个反馈环路，系统响应慢，很难达到较高的线性调整率精度。而电流反馈环路，系统响应慢，很难达到较高的线性调整率精度。而电流模式除了具有电压模式的输出电压反馈控制以外，还具有一个电流反馈控制，再进行比较输出PWM信号控制功率开关管。即电流模式是一个电压、电流双闭环控制系统，一个是检测输出电压的电压外环，一个是检测开关管电流或电感电流且具有逐周期限流功能的电流内环。电压模式是在输出电压改变时控制脉冲宽度使输出电压改变。电流模式是在输出电压改变时控制电感或开关管的电流使其跟踪输出电压的改变。电流控制模式较电压控制模式具有不可比拟的优点。在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，也是本文所设计电路采用的方法。磁通平衡等电路的设计，减少了元器件的数量和成本，这对提高开关电源的功率密度，实现小型化和模块化具有重要的意义。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下；软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。2.4.1 电压控制模式电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度。最初开关电源的控制电路采用电压控制型。图2.9为典型的电压模式PWM控制电路原理图，误差放大器直接检测输出电压，只有当输出电流变化引起输出电压变化时才进行调整。晶体管导通时间为锯齿波电压高于电压的时间段。在图2.9中,输出反馈电压和参考电压通过电压误差放大器比较并输出误差电压，再通过PWM比较器与锯齿波进行比较，输出反馈电压输入到误差放大器的同相端,当输出电压上升时,误差放大器的输出上升。在PWM比较器中，锯齿波输入到同相端而输入到反相端，在电压小于锯齿波电压的时段，PWM比较器输出高电平，所以PWM比较器输出一个脉宽可变的正脉冲,再经过逻辑电路和驱动电路输出一个控制功率管的脉宽调制信号。如果直流输出电压上升，也上升,则将会上升，导致负脉冲宽度增加，则正脉冲宽度减小，这个正脉冲宽度就是晶体管的导通时间，通过负反馈环减小晶体管导通时间可以减小输出电压。图2.9电压反馈控制模式原理图电压模式控制器具有如下优点:(1)PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；(2)占空比调节不受限制；(3)对于多路输出电源，他们之间的交互调节效应较好；(4)单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；(5)对输出负载的变化有较好的响应调节。但它也具有如下缺点:(1)对输入电压的变化动态响应较慢；(2)补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂；(3)输出LC滤波器给控制环增加了双极点，需进行零点补偿或将主极点低频衰减；(4)在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂。2.4.2 电流反馈控制模式由于电压模式是单环控制系统，控制过程中电源电路内的电流值并未参与，因而存在上述的诸多缺点。为了克服电压模式的缺点，电流模式应运而生。峰值电流模式控制简称电流模式控制，它的工作原理就是在脉宽比较器的输入端直接用检测到的输出电感电流信号或功率管电流信号与误差放大器的输出信号进行比较，从而控制输出脉冲的占空比，以此达到调节输出电感的峰值电流跟随误差电压变化。它并不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制输出一侧的电感电流或功率管电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。它是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。(峰值)电流模式控制是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环，电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容,不必控制LC储能电路。由于这些原因，(峰值)电流模式控制PWM具有比电压模式控制大得多的带宽。图2.10是典型的电流模式PWM控制电路原理图，晶体管在时钟脉冲前沿开始导通，电流检测电阻上的电压等于电压误差放大器输出电压时，导通结束。图2.10电流反馈控制模式原理图从图2.10可以看到有两个反馈环，这是与电压控制模式最大的区别。一个是由接收输出电压采样信号的误差放大器构成的电压外环和一个是由接收初级峰值电流采样信号的PWM比较器构成的电流内环。电流采样电阻Rcs将开关管阶梯斜坡电流转换成阶梯斜坡电压。输入电压变化和负载变化的调整是通过改变晶体管导通时间来实现的导通时间由误差放大器的输出电压与电流采样信号转换成的阶梯斜坡电压信号通过PWM比较器确定。开关功率管的电流波形具有阶梯斜坡形状，是由于输出电感的作用。内部振荡器产生恒频时钟脉，振荡周期由外围元件和决定。每次出现时钟脉冲，RS触发器就置位，使其输出为高电平,高电平的经过逻辑门与驱动电路后的高电平驱动功率管导通,使电源回路的电流增大。高电平宽度就是功率管的导通时间。当通过采样电阻采样的功率管电流转换成的电压幅度达到时，PWM比较器输出为高，RS触发器复位，输出由高变低，使功率管关断。PWM比较器输出由高变低的时刻就是导通时间结束的时刻。这样通过逐个检测和调节电流脉冲，可以达到控制电源输出的目的。电流控制型与电压控制型的本质区别在于电流控制型电路可等效成一个电压控制型电流源，而电压控制型乃是一个受控的电压源。电流模式控制较电压模式控制有如下优点:(1)暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化瞬态响应均块；(2)逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；(3)优良的电流电压调整率；(4)环路稳定易补偿；(5)纹波比电压控制型小得多；(6)整个反馈电路变成了一阶电路，由于反馈信号电路与电压型相比，减少了一阶，因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化，稳定度得以提高且改善了频响；(7)简化了反馈控制补偿网络，负载限流；(8)逐个检测电流脉冲的幅度，自动平衡变压器中的磁通量；当然,电流模式控制也有它的缺点，如下:(1)占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；(2)闭环响应不如平均电流模式控制理想；(3)容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50%，也有发生高频次谐波振荡的可能性，因而需要斜坡补偿；(4)对噪声敏感，抗噪声性，因为电感处于连续储能电流状态，与控制电压编程决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号的上斜坡通常较小，电流信号上较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡； (6)对多路输出电源的交互调节性能不好。2.5 小结 本章首先介绍了LED的各种优点以及LED驱动电源的不同分类方法，使读者对LED驱动电源有了大致上的了解。然后详细介绍了DC-DC变换器常用的三种拓扑结构：降压型(buck)变换器、升压型(boost)变换器以及升降压型(buck- boost)变换器。当输入电压较高而不需要那么高的输出电压时，通常用降压型变换器；若输入电压较小又需要高的输出电压时，此时用升压变换器；升降压型变换器可得到负电压,并且可获得大于输入电压的负电压,用升降压型变换器组成的负电压可输出较大的电流。最后介绍了开关电源电路两种常用的反馈控制模式，一种是电压反馈模式，只有一个电压反馈环路，主要优点在于调节占空比不受限制并且设计和调试反馈环路比较容易；另一种是电流反馈模式，具有电压和电流两个反馈环路，它的主要优点是逐周期电流限制减小过载与短路的保护、环路稳定、易补偿且纹波较电压型小。第3章 总体方案设计LED灯是照明技术发展的一次重大突破，在能效、节约成本及照明方面均有无可比拟的优势，深受广大群众的喜爱。但LED等由于其内部结构原因，需要专门的LED驱动器。它必须提供一个恒流输出才能保证LED发光不会忽明忽暗，以及不会发生LED色偏现象。在目前的LED驱动电路中MC34063以其功能齐全、价格低廉的特点而得到广泛应用，然而MC34063毕竟是三十多年前的技术产物，在如今电力电子元器件的性能得到了极大的飞跃后，MC34063的一些性能显得有些不足，因而需要一种既像MC34063那样价格低廉同时性能又得到飞跃性提高的单芯片DC/DC变换器和HB LED驱动芯片。本次设计所应用的NCP3065就是MC34063的升级版芯片，在价格上与MC34063基本相同，但性能有显著地提高。3.1 LED驱动电路的功能要求根据题目的要求，本文设计的驱动电路的具体功能要求如下：（1）将交流电压转换为恒流电源，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。（2）一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生15的变动时，仍应能保持输出电流在10的范围内变动。（3）二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED 的系统效率保持在较高水平。（4）LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小，不然LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。 3.2 总体方案设计及论证在LED驱动电路的设计过程中，控制芯片的选择至关重要，他的选择直接影响到驱动电路的工作性能和效率。MC34063、NCP3063、NCP3065都是常用的LED控制芯片。它们作为HB LED驱动电路是完全可以满足要求的。但是在实现HB LED驱动过程中可能会因为电源电压与HB LED工作电压的相互关系使得单纯的降压型、升压型变换器电路拓扑不能适用，需要选用输出端电流检测技术，这需要芯片中的电流比较器以外的另一个比较器，在MC34063、NCP3063芯片内部的电流比较器之外的另一个比较器的同相端的偏置电压为1.25V，这个电压对于输出电压反馈是很适合的，但是用在输出电流反馈则显得电压比较高。如果能够将这个电压降低到0.3V甚至更低就是一个比较理想的解决方案，这就是ON Semi公司在NCP3063、NCP3064基础上推出的NCP3065和NCP3066。通过以上比较，本设计选择采用控制器NCP3065作为本系统的核心，NCP3065是一款单片式开关稳压器设计用于驱动高亮度LED提供恒定电流。该装置具有235毫伏的内置基准电压（标称值），这是一个非常低的反馈电压用于调节LED串的平均电流。此外，本NCP3065具有宽输入电压高达40 V，可以被配置成控制器拓扑结构另外一个外部晶体管，支持更高的LED电流超过1.5 A额定开关电流的内部晶体管。该NCP3065开关稳压器可配置在降压，升压拓扑结构的最低数量的外部元件。根据系统功能的要求和系统构成的需要来设计LED驱动电路，其总体设计方案如图3.1所示。本设计分为七大部分：以NCP3065作为主控制器，再加上电源电路、输入取样电路、升/降压斩波电路、输出取样电路、调光电路以及LED阵列。实现此功能总体思路如下：输入DC 220V电压经过UC3842控制的单端反激式开关稳压电源转换成直流稳压电源，然后经过电容滤波和输入电流取样电阻取样加到升/降压斩波电路上，取样电阻很小，同时起到保护电路的功能，升/将压斩波电路功能是将输入的直流电变为另一种固定可调的直流电，来满足本设计的需求，也称为直流-直流变换器。LED的亮度由调光电路完成，本文采用的是“脉冲宽度调制”方法来完成的。输出取样电路主要作用是检测输出电压的大小以及保证电路电流的恒定，保护电路。 UC3842开关电源输入采样电路升降压斩波电路输出取样电路NCP3065控制电路调光电路LED阵列3.1系统框图3.3 小结本章根据大功率LED驱动电路的功能要求和性价比，对驱动电路进行了总体方案的设计。由于时间上的关系，本设计的技术参数和很多相关的标准并没有通过具体实验的有力验证。只能在理论上给以论证和说明。本论文绝大多数的设计思想和方法都是在现有的、成熟的理论支持下进行的，可靠性和可行性都很高，符合LED驱动电路在各方面的设计要求。第4章 系统硬件电路的设计本章详细介绍硬件电路的设计。硬件电路包括七部分：以NCP3065作为主控制器，再加上电源电路、输入取样电路、升/降压斩波电路、输出取样电路、调光电路以及LED阵列。详细阐明芯片的选择比较，所选用芯片内部组成、功能特点、外围电路及其接口电路，并设计出具体的硬件电路。4.1 NCP3065 简介MC34063仅能工作于100kHz或以下的频率，而NCP3065则可以工作在150kHz，这样可以有效地减小滤波元件的参数和体积。这对于30年前的电力电子用的磁性材料技术和电容器制造技术，将频率提高到100kHz以上可能找不出合适的质优价廉的电力电子用的磁性材料和电容器。时至今日，电力电子用的磁性材料得到飞跃性进步，电容器的技术进步也是令人瞩目的，这时再维持100kHz的固有观念就可能使设计的产品落后于时代。NCP3065是一种多模式LED控制器，它集成了1.5A开关，可以设置成降压、升压，反转（降压-升压）、单端初级电感变换器等多种拓扑结构。NCP3065的输入电压范围为3.0-40V，具有235mV的低反馈电压，工作频率可调节，最高开关频率为250kHz。其他特性包括：能进行逐周期电流限制，不需要控制环路补偿，可采用陶瓷输出电容，具有模拟和数字PWM调光能力，发