自动化与电子信息学院电子信息工程交流市电供电的大功率LED节能灯实习报告

1、xxxxxxx校内实习报告交流市电供电的大功率led节能灯学 院：自动化与电子信息学院专 业：电子信息工程班 级：电子信息工程学 生： 小组成员： 学 号：指导教师： 目录1.前言32.实习目的及意义43.方案比较44.方案一工作原理54.1 led驱动器通用要求54.2 led 驱动电源的拓扑结构64.3 功率因数校正95.方案二工作原理105.1大功率led的工作特性105.2开关电源115.2.1 开关电源简介115.2.2串联型开关电源125.2.3 并联型开关电源135.3驱动电路结构及原理135.4viper22a的特性简介145.4.1 viperx2a 描述145.4.2 vi

2、perx2a的一般特性145.4.3 结构框图156.原理图设计167.pcb板电路图设计188.实习心得体会189.附录19附录一 所需元器件清单列表19交流市电供电的大功率led节能灯实习报告1.前言1.1 责任教师： 1.2指导教师： 1.3任务书：设计制作一个用隔离式开关电源对5颗1w大功率led供电的节能灯驱动电路。考虑到led特性的要求，开关电源应实现输出地恒压及恒流控制，并尽量考虑满足emi和pf指标的要求。建议采用ts公司的viper22a单片式电源管理芯片和tsm101带参考电源的双运放进行设计。个人独立完成设计，并撰写实习日志和实习报告。实做部分可2-3人一组完成安装调试，

3、按组评定成绩。1.4实习时间安排表时间安排场地内容指导教师备注2010.03.08226教室图书馆讲解设计要求及原理查阅资料和进行电路设计姜涛、徐金龙等通信、电子各2人2010.03.09实验室418或宿舍完成电路设计并绘制原理图徐金龙通信、电子各1人2010.03.10实验室418或宿舍电路设计pcb板设计徐金龙通信、电子各1人2010.03.11实验室420539分班发放元器件姜涛通信、电子各1人2010.03.12实验室420206pcb板制作徐金龙通信、电子各1人2010.03.15实验室420开关变压器制作电路板焊装姜涛通信、电子各1人2010.03.16实验室420电路板焊装电路板

4、调试徐金龙通信、电子各1人2010.03.17实验室420电路板焊装电路板调试姜涛通信、电子各1人2010.03.18实验室420539完成测试及验收姜涛、徐金龙通信、电子各2人2010.03.19教室图书馆撰写报告、总结等徐金龙通信、电子各1人2.实习目的及意义当前我国正在创建资源节约型、环境友好型社会,“绿色照明”的概念也在逐步深入人心。随着科技的不断进步,半导体材料应用技术的高速发展,小功率led光源已广泛应用于景观照明,而交流市电供电的大功率led节能灯也越来越多地引起各方面的关注。大功率led节能灯是一种通过交流低压点亮大功率led组来实现照明需求的一种新型照明方式,具有亮度高、显色

5、性好等特点。另外,由于大功率led节能灯的输入为低压交流,能与太阳能结合起来,使得大功率led节能灯成为了未来照明方式的一种可能。随着led的材料、结构、工艺及封装技术的发展，led的新品种不断增加，性能也逐年提高，应用领域越来越宽，从而使产量不断增加，价位也逐年下降。然而大功率led所需的驱动电源为交流的低电压,所以传统上用以驱动白炽灯、日光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率led。而普通的降压、稳压电源必须重新改良才能适用于驱动大功率led。在这种形势下，大功率led驱动器相应地发展很快，特别是采用市电供电的大功率led驱动器发展更快。3.方案比较目前社会上基于led的节能

6、设备使用得越来越广泛，而且都有各自的特点和优势，所以可以选择不同的方案来进行设计。方案一，从发展趋势来看，未来几年内商品化的大功率白光发光二极管的发光效率就会普遍超过100流明，大功率半导体照明的节能优势必将出现。外围技术方面，模块化的发光管专用电源变换器的品种已经十分完备，可以提供从1伏直流电到交流市电的各种原始电源的恒流变换，单个变换器的功率范围从一瓦以下到几十瓦，但是这样会增加成本。方案二，在针对节能要求较高和效率更优的原则上，我们更加偏重于设计制作一个用隔离式开关电源对5颗1w大功率led供电的节能灯驱动电路。考虑到led特性的要求，开关电源应实现输出地恒压及恒流控制，并尽量考虑满足e

7、mi和pf指标的要求。建议采用ts公司的viper22a单片式电源管理芯片和tsm101带参考电源的双运放进行设计，如此一来就使得变换器体积小，效率高，稳定性好，工作可靠。半导体照明的核心技术和配套技术都在趋于成熟，应用范围从专用到通用，从小功率到大功率不断扩展，第四次照明产业的革命将为人类社会带来新的光辉。所以我们更强调选择方案二。4.方案一工作原理4.1 led驱动器通用要求驱动led 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的led 正向电压也会有差异；另外，led 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。另外，应用中通常会使用多颗led

8、，这就涉及到多颗led 的排列方式问题。各种排列方式中， 首选驱动串联的单串led，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压(vout)如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接（如图1）等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”led 正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个led 因故障开路，电路中仅有1 个led 的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。图1：常见的led排列方式 led 的排列方式及led 光源的规范决定着基本的驱动器要求。led 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过led 的电流，

9、 而无论输入及输出电压如何变化。led驱动器基本的工作电路示意图如图2 所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与led(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。图2：led驱动器的基本工作电路示意图 4.2 led 驱动电源的拓扑结构 采用ac-dc 电源的led 照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关(fet)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(pwm)稳压器用于控制电源转换。 电路中通常加入了变压器的隔离型ac-dc 电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构

10、是功率小于30 w 的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。图3：常见的隔离型拓扑结构 采用 dc-dc 电源的led 照明应用中，可以采用的led 驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图 4。电阻型驱动方式中，调整与led 串联的电流检测电阻即可控制led 的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(emc)问题，劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) led，且能效较低。图4：常见的dc-dc led驱动方式 线性稳压器同样易于设计且没有emc 问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流

11、设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过pwm 控制模块不断控制开关(fet)的开和关，进而控制电流的流动。 开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(emi)问题。led dc-dc 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(buck)、升压(boost)、降压-升压(buck-boost)或单端初级电感转换器(sepic)等不同类型。 其中，所有工作条件下最低输入电压都大于led 串最大电压时采用降压结构，如采用24 vdc 驱动6 颗串联的led；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于

12、最低输出电压时采用升压结构，如采用12 vdc 驱动 6 颗串联的led；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或sepic 结构，如采用12 vdc 或12 vac 驱动 4 颗串联的led，但这种结构的成本及能效最不理想。 采用交流电源直接驱动led 的方式近年来也获得了一定的发展， 其应用示意图参见图5。这种结构中led 串以相反方向排列，工作在半周期，且led 在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免ac-dc 转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中led 在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入led 保护措施，使其免受线路

13、浪涌或瞬态的影响。图5：直接采用交流驱动led的示意图 4.3 功率因数校正 美国能源部(doe)“能源之星”(energystar)固态照明(ssl)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(pfc)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的led 驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的iec61000-3-2 谐波含量标准中则规定了功率大于25 w 的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(thd)0.94。虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如

14、公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常0.95+)。图6：有源pfc的应用电路示意图 pfc 技术包括无源 pfc 及有源pfc 两种。无源pfc 方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8 或更高的功率因数。其中，在小于5 w 至40 w 的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7 的功率因数。 有源 pfc(见图6)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源pfc

15、通常提供升压，交流100 至277 vac的宽输入范围下，pfc 输出电压范围达直流450 至480 vdc。如果恰当地设计pfc 段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源pfc，仍然需要专门的dc-dc 转换来提供电流稳流。5.方案二工作原理5.1大功率led的工作特性图3.1为正向导通压降(v)和正向电流(i)的非线性关系曲线图。由曲线可知,当正向电压超过某个阈值,即通常所说的导通电压之后,可近似认为,i随着v的上升而急剧上升;由图1可知,大功率led是低电压、大电流的发光器件,当前大功率led的最高i可达1 a,而v一般为24 v。由于大功率led的光特性通常都描述为电流(i)的

16、函数,而不是电压(v)的函数。加上led生产工艺和温度的不同,大功率led的正向压降(v)变化范围会出现比较大的波动(最大可达1 v以上)而由图1中的v-i曲线可知,v的微小变化会引起较大的i变化;其led发光的强度由流过led的电流决定,电流过强会引起led的衰减,电流过弱会影响led的发光强度。所以,采用恒压源驱动不能保证led亮度的一致性,并且影响led的可靠性和寿命。因此,大功率的led通常采用恒流源驱动,以保证大功率led使用的安全性,同时达到理想的发光强度。图3.2是led的光通量和温度()的关系曲线。由图3.2可知光通量与温度成反比,温度的变化对led的波长也有一定的影响,因此,

17、良好的散热是led保持恒定亮度的保证。图3.2 光通量与温度曲线图图3.1 正向导通压降和正向电流曲线图5.2开关电源5.2.1 开关电源简介开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制(pwm) 控制ic 和功率开关器件(如mos2fet) 等构成。开关电源由于不需要沉重的电源变压器(用轻量高频变压器替代) ,具有体积小、重量轻、效率高等优点,而且随着开关电源的日趋高频化,使其更加小型化,这将使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在小家电产品的小型、轻便化方面将大有前途。开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出

18、功率的增加而增长,但二者增长速率各异,线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新,这一成本反转点有日益向低输出电力端移动的趋势,这为开关电源提供了广泛的发展空间。随着芯片集成度的不断提高,电子设备内的功能部件的体积不断减小,因而要求设备内部开关电源的体积和重量也要不断减小。直接装在印制板上的模块电源,还要求薄型化。对于为电子设备配套的开关电源,即使它不在电子设各的内部,也要求具有小的体积和重量。提高开关频率需要发展高速电力电子开关器件和高频低损耗的磁心及电容器,发展高强度、高绝缘性能和高导热性的绝缘材料,发展新型的零开关损耗的

19、电路,如相应的开关电源结构与工艺方法等。5.2.2串联型开关电源图4.1 串联型开关稳压电路主回路串联开关电源电路如图4.1所示，图中的为开关晶体管,正常时工作在开关状态,为续流二极管,为电感线圈,是储能无件(电磁变换元件),为滤波电容, 为负载。晶体管串在输入电源与负载之间,在晶体管的基极输入开关脉冲信号,被周期性地开关而处于饱和导通和截止状态。二极管类似于行输出电路中的阻二极管,与开关晶体管处在相反的工作状态,在开关晶体管导通时, 则截止,而开关管截止时,导通,从而使负载电路中有连续的电流流通,故称为续流二极管.当的基极输入正脉冲时,饱和导通,电压加至续流二极管的负极,所以二极管截止,输入

20、电压经- -形成回路,回路电流经向电容充电,并向供电,当基极输入为负脉冲时,截止,根据电磁感应原理,此时上的磁能转变为电能,上所产生的电压为左负右正,此时导通上的感应电压通过继续向电容充电同时也供给负载电流,这样由于的存在维持了负载电流的连续性.这里和组成了良好的滤 波电路,滤去输出直流电压中的开关脉冲频率的波纹及其谐波。5.2.3 并联型开关电源图4.2 并联型开关稳压电路主回路图4.2是并联型开关电源的最基本电路图,图中为开关晶体管, 为整流二极管,为电感线圈,是储能无件(电磁变换元件),为滤波电容, 为负载。在主回路中，相对于输入端而言，开关器件（图中所示的开关三极管）与输出端负载成并联

21、的关系。开关管交替工作于通、断两种状态，当开关管导通时，输入端电源通过开关管对电感充电，同时续流二极管关断，负载靠电容器存储的电能供电；当开关管关断时，续流二极管导通，输入端电源电压与电感器中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管对负载供电，并同时对电容器充电。5.3驱动电路结构及原理采用反激式开关电源驱动led阵列图5所示为反激式变换器驱动5个1w（350ma）大功率led阵列的具体电路。这种开关电源电路的ac输入电压为185265v，dc输出电压为28v，输出电流为350ma。ic1为st公司生产的智能功率开关，内置pwm控制电路和07a730v的功率mosfet，型号为 viper22a

22、。ic2(tsm1 101)内置两个比较器和2.5v的参考电压 。变压器tl在高频下工作，故体积比工频电源变压器小得多。nl为初级绕组，n2为次级绕组，n3为ic1的vdd偏置绕组，n4为ic2和反馈回路光耦合器vcc偏置绕组。tl采用el9磁芯，nl为l35匝(电感值为2mh，漏感为60tzh)，n2为36匝，n3为9匝，n4为5匝。变压器次级侧中的r6(04712)为输出电流感测电阻，它与ic2中的电流比较器(cc)等组成电流控制回路。电阻分压器r4与r5及ic2中的电压比较器cv组成电压控制电路。回扫变换器输出通过电流和电压两个控制回路经光耦器opt反馈到ic1的fb脚，控制pwm 占空

23、因数。图5所示的大电流led阵列驱动电路虽然稍微复杂一点，但能提供恒流恒压操作，效率达80 以上，这是其它驱动方案无法与其媲美的。如果ic2用tsml04替代tsm10l，还可以实现从90到0 的调光。随着大电流led的发展和应用，必然还会有更先进的驱动方案崭露头角。采用微控制器(或微处理器)全数码技术，是实现led阵列控制和亮度调节的最先进手段。5.4viper22a的特性简介5.4.1 viperx2a 描述viperx2a 是一个单封装的产品，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式pwm控制器和一个高压功率场效应mos 晶体管。这种方法可以减少组件数量，降低系统成本，简化电路板设计。因此，这

24、个产品家族广泛用于离线开关式电源。此外，该系列产品还采用微型的smd 封装 (so-8)。viper 系列的待机功耗（小于1w）符合蓝天使和能源之星等节能标准。5.4.2 viperx2a的一般特性viperx2a 产品采用st 的vipower m0-3 高压专利技术，m0-3 高压技术利用一个p 型掩埋层的方法，允许在同一颗芯片上集成低压系统（pwm）和电流垂直流动的功率级，如图2 所示。viperx2a 产品有以下一般特性:- 自动热关断- 高压启动电流源输入交流电压范围85-265vac输出1 12v输出2 5v/400ma( 连接输出1 的线性稳压器)纹波电流50ma 连续电流输出电

25、流（12v 和5v） 600ma 峰值电流，小于5 分钟待机功耗1w- 防止输出短路导致击穿故障的打嗝（hiccup）模式- 保证低负载条件下低功耗的突发模式而且，vipower m0-3 技术还可用于开发最小击穿电压为730v 的功率场效应mos 晶体管。表2 说明了该产品在不同的封装和工作条件下的功率处理能力。图6.1 :mo-3 技术示意图表2：在不同的封装和工作条件下的功率处理能力宽压范围（85-265v）宽压范围（85-265v）单电源电压范围（180-265v）单电源电压范围（180-265v）so-8dipso-8dipviper12a5w8w8w13wviper22a7w12w

26、12w20w5.4.3 结构框图图6.3 viper 22a内部结构图通过仔细观察图3 的示意图，我们不难看出功率级是由含有一个快速比较器的电流式结构驱动的，驱动电流来自 nmo ssense 和feed-back (fb) 两个引脚。比较器输出连接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一个外部振荡器，即可将开关频率固定在60khz，从而不再需要其它的外部组件。其它的内部模块是内部电源稳压器和过热检测器，前者在vdd 引脚上能够支持45v，后者在170c （典型值）时提供热关断功能。该产品的系统控制是一个电流模式结构，在这个结构中，n-mos 感应电流和fb 电流汇合在电阻器r2 上。电阻r

27、2上的电压取决于这个电流值的大小，然后，这个电压值与一个内部固定的参考电压 (0.23v)比较。比较器的输出用于驱动场效应mos 晶体管，因此，开关频率取决于反馈电流和id 电流值的大小。在这个应用中，反馈回路的实现方法是通过一个光耦合器利用输出电压驱动这个fb 引脚，以保证输入出输出之间的绝缘。监视vdd 电压的是一个磁滞比较器，它能够管理启动电流生成器。事实上，只要vdd 电压值大于vddon 的电压值，比较器就会导通，并给vdd 电容器充电。一旦达到这个条件，功率场效应mos 晶体管就立即开始开关操作。突发模式工作原理是跳过相同的开关周期，以便在负载减弱时降低功耗。6.原理图设计结合设计

28、任务书和自己在网上的查找的相关资料，对设计制作一个用隔离式开关电源对5颗1w大功率led供电的节能灯驱动电路。考虑了两种设计方案，第一种是结合网站上自己查找的资料，进行分析和总结，和小组成员共同商讨弄出来的设计方案。第二种设计方案就是根据校内实习指导书的思想，进行设计。这种设计方案是现成的，不用过多的去想。这方面要求考虑到led特性的各方面要求，开关电源应实现输出的恒压及恒流控制，并尽量考虑满足emi和pf指标的要求。建议采用ts公司的viper22a单片式电源管理芯片和tsm101带参考电源的双运放进行设计。对于电源方面，我们小组采用的是并联型开关电源。其优点是能够过得更高的输入电压的输出电

29、压，因此为升压式变换。并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容的容量更高的要求。电路图设计如图7.1所示。图7.1 交流市电供电的大功率led节能灯电路原理图设计7.pcb板电路图设计结合图7.1 交流市电供电的大功率led节能灯电路原理图设计，把电路原理图转化为pcb电路板制作。在这个环节，我查阅了以前所学习有关protell 99se相关的知识，并有些小结问题还询问身边的同学，这样在自己的努力之下和同学的帮助之下，使得pcb板制作操作顺利。pcb板制作如图8.1所示。图7.1 交流市电供电的大功率led节能灯电路原理图设计8.实习心得体会在为期两周的实习当中感触最深的便是实践联系理论的重要性，当遇到实际问题时，只要认真思考，对就是思考，用所学的知识，再一步步探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。这次的内容包括电路的设计，印制电路板，电路的焊接。本次实习的目的主要是使我们对电子元件及电路板制作工艺有一定的感性和理性认识；对电子信息技术等方面的专业知识做进一步的理解；培养和