LED驱动电源毕业论文含完整原理图和PCB

1广东职业技术学院毕业综合实践报告题目LED可控硅调光电源驱动方案类型设计类专业应用电子技术（LED新型电光源）班级XXX学生姓名XXX指导教师XXX完成时间201604302摘要本文设计了LED头射灯的恒流驱动开关电源，采用昂宝公司的OB3663恒流反激式控制芯片，设计了EMI滤波电路，桥式整流滤波电路，变压器转换电路，PWM控制电路，它在输入电压和负载在一定范围内变化时，仍具有高恒流精度和控制结构简单、成本低、体积小、效率高等特点。本文首先对LED的特性、发展情况及其驱动电路的性能要求进行了简单的介绍。介绍了开关电源相关关键性技术，确定本设计采用反激式的括扑结构，接着分析了恒流驱动芯片OB3663的功能及工作过程。然后，论文对开关电源各个功能模块进行了分析和设计。最后整合各功能模块，设计出两级驱动LED总电路，绘制出整体电路原理图PCB图和PCB3D图，并对本次设计进行了总结。关键字LED，开关电源，OB3663，反激式3目录第一章引言错误未定义书签。11LED照明简介错误未定义书签。12我国LED照明现状错误未定义书签。第二章开关电源设计方案错误未定义书签。21开关电源基本原理错误未定义书签。22开关电源拓扑结构错误未定义书签。23反激式开关电源原理错误未定义书签。24恒流驱动芯片选择错误未定义书签。第三章驱动电路模块设计错误未定义书签。31驱动电路的功能模块及连线图错误未定义书签。32EMI输入滤波模块错误未定义书签。33输入整流滤波模块错误未定义书签。34变压器转换电路错误未定义书签。35输出整流滤波模块错误未定义书签。36PWM模块错误未定义书签。第四章整体电路的设计错误未定义书签。41整体电路原理图设计错误未定义书签。第五章展望与总结错误未定义书签。致谢错误未定义书签。参考文献204第一章引言11LED照明简介LED（LIGHTINGEMITTINGDIODE）即发光二极管，实质上是一种帮道题PN结，它是一种半导体固体发光器件。大多是利用GAN，ALGAAS等宽带隙、V族化合物半导体材料制成，在PN结中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出各种波长颜色的光。在正向导通后，LED正向导通电流和正向导通电压是呈典型的指数型变化，即伏安特性）曲线，如图11所示。图11伏安特性从LED的伏安曲线看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动会引起LED电流的很大变化，环境温度、LED老化时间等因素也会影响LED的电气性能，并且LED的光输出与LED电流直接相关，所以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电流的大小恒定不变。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。大功率LED是指其功率大于等于1W的单个LED器件，一般用于照明，而1W以下小功率一般用于指示灯或者是装饰用。LED照明产品是利用大功率LED作为光源制造出来的照明器具。随着技术的发展，LED灯的光效也在迅速增长，LED照明产品备受青睐，被称为第四代照明光源。这种新型的照明光源具有以下几个特点11高节能LED发光效率高。白炽灯、卤钨灯的光效为12241MIW,荧光灯的光效为5070LM/W,钠灯的光效为90140LM/W，大部分的耗电转换成热损耗。LED的光效经改良后可达到50200LM/W，并且光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光，相同照明效果比传统光源节能80以上。2寿命长LED灯体积小、重量轻，用环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。LED的平均寿命达14万小时，是普通灯管的数十倍。LED5灯具的使用寿命可达510年，大大降低灯具的维护费用。3利环保环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。4响应快LED的响应时间在106107S一范围内，一般LED灯具为几个毫秒，而现在常用的普通光源响应时间为200毫秒。可在高频条件下使用，如用于光电耦合电路。用于汽车的刹车灯或状态灯，可以缩短车后车辆的刹车时间，预防追尾，提高安全性。12我国LED照明现状由于LED在照明方面的发展潜力，一些发达国家与地区对LED的发展制定了国家级的发展计划。日本早在1998年开始实施“21世纪光计划”，希望到2020年取代50的白炽灯及全部荧光灯。美国也投入5亿美元巨资，启动“下一代照明光源计划”，旨在未来400亿美元的照明市场的竞争中能领先日本、欧洲与韩国，计划到2020年使用LED的发光效率达到2001M/W。在国内，不论是国家还是地方政府，都针对LED照明纷纷出台了各种扶持政策或者指导意见。例如，科技部于2009年4月出台了“十城万盏”试点推广活动。2009年10月，国家发改委等6部门又出台了半导体照明节能产业发展意见。2011年5月，发改委正在组织编制半导体照明产业的“十二五”规划，正会同有关部门研究考虑将LED纳入“绿色照明工程”中，井有望汪年内将邵分LED产品率先纳入，这意味着半导体照明产品将享受到财政补贴。在积极的政策条件下，国内LED产业建立了一些战略优势，比如1市场进入门槛较低2国内部分优势企业己具备核心专利技术3LED中下游产业具有人力成本优势4产业集群效应初步形成5产业政策支持产品发展前景广阔T5国内下游应用领域市场容量巨大产品具有发展潜力但是，与跨国企业相比，中国LED企业在诸多方面还存在很大的差距国内企业普遍规模小，技术受限高端客户少，LED上游产品制造基础薄弱，核心利缺乏限制产业国际化战略等。6第二章开关电源设计方案21开关电源基本原理开关电源按控制原理来分类，有以下4种工作方式（1）脉冲宽度调制（简称PWM，即脉宽调制）式其特点是开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。其核心是PWM控制器。脉宽调制式开关电源的应用最为普遍，其占空比调节范围大，PWM还可以和主系统的时钟保持同步。（2）脉冲频率调制（简称PFM,即脉频调制）式其特点是占空比为恒定值，通过调节开关频率来实现稳压目的。其核心是PFM控制器。脉频调制式开关电源特别适合便携式设备，它能在低占空比、低频的条件下，降低控制芯片的静态电流。（3）脉冲密度调制（简称PDM，即脉密调制）式其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技术，能显著降低功率开关管的损耗。（4）混合调制式它是（1）、（2）两种方式的组合，开关周期和脉冲宽度都不固定，均为调节。它包含了PWM控制器和PFM控制器。以上4种工作方式统称为“时间比率控制”（简称TRC）方式，其中以PWM控制器应用最广。PWM控制器既可作为一片独立的集成电路使用，亦可被集成在开关稳压器中，或集成在开关的电源中。本文设计的驱动电源采用了脉宽调制（PWM）式。接下来介绍脉宽调制控制器的基本原理。开关电源的电路主要由以下5部分构成输入整流滤波器包括从交流电到输入整流滤波器的电路；功率开关管VT及高频变压器T；控制电路（PWM控制器），含振荡器、基准电压源（URFE）、误差放大器和PWM比较器，控制电路能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制；输出整流滤波器；反馈电路。除此之外，还需增加偏置电路、保护电路等。其中，PWM控制器为开关电源的核心。722开关电源拓扑结构驱动LED的开关电源的拓扑结构基本有降压拓扑结构、升压拓扑结构和反激式拓扑结构等，不同拓扑结构对流过LED的电流控制效果不同。图11降压拓扑结构的LED驱动电路图11所示为采用降压拓扑结构的LED驱动电路。该驱动电路开关管VT在电感后面，使得开关管源极接地，而续流二极管VD反并联到该串联电路。这种驱动方式简单、不需要输出滤波电容，降低了成本。但该变换器不适用于输入电压过低或过多LED串联的场合。图2升压拓扑结构的LED驱动电路图2所示为采用升压拓扑结构的LED驱动电路，通过电感储能将输出电压泵升至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对LED驱动。输入电流是连续的，这减轻了对电源的电磁干扰,开关晶体管发射极接地使驱动电路简单。但是它输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大。所以实际应用中，在二极管与输出之间常加入一个输出滤波网络。另外电压变比永远大于1，即它只能升压，不能降压。8图3反激式变换器的LED驱动电路图3所示为反激式开关电源的典型电路。反激式开关电源电路拓扑结构简单，元件数少，体积小，因此成本较低。虽然该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，但当用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中时，影响相对不大。在用恒压电源控制芯片实现恒流功能的LED恒流驱动开关电源设计中，反激式拓扑结构有一定的优势。反激式电路拓扑的这些特性符合LED对驱动电源的要求，因此本文设计的LED恒流开关电源采用反激式电路拓扑结构。随看近年采用LED照明技术的推行，传统照明技术已经被逐渐取代。LED可控硅调光技术成为了市场上的主流技术，LED可控硅调光电原兼容性较好，应用范围较广泛，4颗1W内置调光电源适用于LED室内照明、LED球泡灯、LED射灯该LED可控硅调光驱动电源直接适用于已安装专统可控硅调光控制设备的会议、宾馆、酒楼、K下V等调光的应用。适用日常普通调光器进行调光，调光过程无闪烁，光线平滑，可调整前沿和后沿，隔离式，低谐波，通过EMI测试，性能稳定可靠，对世界各地绝大多数地区，LED可控硅调光电源有看良好的兼容和适用性。23反激式开关电源原理反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。反激式拓扑开关电源有两种工作方式1完全能量转换，也叫做非连续导通模式。该模式的特点是，变压器在储能周期中储存的所有能量在反激周期都转移到输出端。92不完全能量转换，也叫做连续导通模式。存储在变压器中的一部份能量保留到下一个储存周期开始。以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工作原理。该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、去磁、非连续导通三个阶段。1励磁阶段当开关VT导通时，变压器初级励磁电感中的电流从零开始上升。由于次级边的二极管具有单向导通性，此时二极管反偏，在次级不导通电流，输出滤波电容C向负载供电。由于此阶段的作用是向初级励磁电感补充能量，以为在下一个阶段向次级绕组转移能量做准备，因此这个阶段被称为励磁阶段。2去磁阶段当励磁阶段结束后，VT停止导通。由于电感电流不能突变，励磁电感电流开始在初级电感上续流，能量通过变压器转移到输出端，在次级边上，二极管正向导通，输出端得到能量。此时，励磁电感上的电压反向，励磁电流开始下降，因此该阶段被称为去磁阶段。3非连续导通阶段当励磁电感的电流下降到零时，变压器初级边的能量己经完全转移到次级边，次级边上二极管不再导通。此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流，等待着下一个周期的到来。在连续导通模式下，不存在这个阶段。24恒流驱动芯片选择根据工作环境以及成本的考虑，本文选择了OB3663恒流驱动芯片。OB3663是昂宝（ONBRIGHT）公司生产的一款产品。OB3663是一款高性能的单级AC/DC反激式可调光控制芯片，提供快速启动的功能，OB3663集成了先进的数字处理核心来消除可见光的闪烁。OB3663提供全面的保护范围包括VDD欠压锁定（UVLO），VDD过压保护、过电压保护负载电压，逐周期电流限制，在TEM温度保护、LED串开路/短路保护，电流检测电阻短路保护，变压器饱和保护。OB3663内部结构图如图21所示，引脚图如表21所示。OB3663集成了精准的相位检测电路，以及昂宝公司的专用数字处理结构检测TRIAC调光器和保持电流，OB3663提供的调光范围从1到100。芯片启动时，GATE引脚由线电压经过电阻进行充电，最后保持在在22V（典型值），此时外部MOS管开启。VDD引脚则是由线电压经过MOS管和SW内部充电控制电路直接进行充电，这使得芯片的启动非常快。当VDD的电压超过阀值电压（典型值为13V）时，IC的内部充电控制电路停止给VDD充电，此时的VDD电压由辅助绕组供给，当VDD电压低于阀值电压（典型值为75V）时，内部的充电电路触发给VDD充电并保持在75V。因此，根据此功能，输出电压可以广泛10的调节。OB3663还提供一个具有滞环控制的VDD欠压锁定，在这个引脚上的电压超过阀值约为13V时，IC开始正常运行。如果在这个引脚的电压低于阀值电压，IC停止所有操作。当VDD引脚的电压恢复到高于13V的电压（典型值）时，IC切换回工作状态。图2111引脚序号引脚名称引脚功能1PHASE相位检测引脚，线电压通过一个分压电阻连接到这个引脚上，检测双向可控硅的导通和关闭2REF基准电压比较引脚，需要连接一个1UF的电容到地3NC悬空4CS电流检测输入引脚5NC悬空6SW内部MOS管的漏极7GATE外部功率MOS管的栅极钳位电压8VDD电源电压引脚9FB反馈引脚10COMP回路补偿销引脚，连接到一个补偿网络，以稳定的LED驱动，并实现一个恒定的驱动电流11GND接地引脚12I_DET线路电流检测输入引脚13BLBL选择引脚14SD关闭引脚表2112第三章驱动电路模块设计31驱动电路的功能模块及连线图驱动电路的功能模块以及连线图如图31所示，从电网引入的交流需要经过EMI滤波模块后通过桥式整流滤波电路，得到较为平滑的输出电压，再分别输出到芯片启动工作电路和变压器转换电路，变压器转换电路后再通过整流滤波输出平稳的直流电压给负载供电，同时IC再根据输出电路的电压变化通过PWM控制IC控制开关器件的导通和关断来控制变压器的能量传递。图3132EMI输入滤波模块随着电子设备、计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及，电网噪声干扰日益严重并形成一种公害。特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高（几百伏至几千伏）、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰，常使人防不胜防，这已引起国内外电子界的高度重视。电磁干扰滤波器是近年来被推广应用的一种新型组合器件。它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电整流滤波电路变压器转换电路输出整流滤波电路DC输出启动电路开关器件PWM控制ICEMI滤波电路AC输入13源、测控系统等领域。本滤波模块采用RC低通滤波电路，在滤波模块前并联了一个压敏电阻，如图32则是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。所谓的RC低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减的电路，避免电网噪声对整个电路造成的影响。图3233输入整流滤波模块如图33为整流滤波电路图，交流电经过全桥式整流，输出电压如图34所示，电感L2起到了过滤高频噪声，过压保护的作用，在电感两端并联一个电阻起到了防止器件断电时电感产生的电动势击穿其它元件的作用，形成放电回路。再经过滤波电容进行滤波，输出较为平稳的电压波形，如图35所示为滤波前后电压对比图。图3314图34图3534变压器转换电路变压器一次测的电路仍属于高压电路，需要转换成低压直流才能供给负载，如图36所示，具体工作原理请详见本文第二章第三节。此变压器绕组中还有辅助绕组，主要作用是为了给控制芯片供电，使其能正常工作。图361535输出整流滤波模块由于变压器转换的电压仍有峰值波动，且负载所需为稳定连续的直流电路，所以需要快恢复二极管进行整流和滤波电容进行滤波和充电，当变压器二次侧截断时电容起到了为负载供电的作用，至此整个整流滤波电路才能输出稳定的直流电压，如图37所示。图3736PWM模块PWM模块是整个驱动电源的核心部分，芯片的启动和保护在本文第二章第四节已作出详细介绍。此模块右侧的绕组为辅助绕组，能够给芯片供电，同时给FB引脚提供一个反馈，监测电压的变化，芯片再根据电压的变化改变开关管的导通和关断周期，起到调制的作用，如图38所示。图3816第四章整体电路的设计41整体电路原理图设计根据上文所述，整体电路可分为EMI滤波电路，输入整流滤波电路，变压器电路，PWM电路，输出整流滤波电路，整体电路图如图41所示。图4142整体电路PCB的设计在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定。特别是面临如今性能强大的开关稳压器和电源越来越紧凑，开关电源的开关频率越来越高。建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下放置变压器、设计电源开关电流回路、设计输出整流器电流回路、连接到交流电源电路的控制电路、设计输入电流源回路和输入滤波器、设计输出负载回路和输出滤波器。根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则1首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为32或43，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2MM。2以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、17整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接，去耦电容尽量靠近器件的VCC。3在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。4按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。5尽可能地减小环路面积，以抑制开关电源的辐射干扰。如图42为根据上述要求而绘制的本论文所设计的多路大功率LE