基于LNK420EG大功率驱动器设计

1、本科毕业论文本科毕业论文题 目 基于 LNK420EG 大功率驱动器设计 学 院 工学院 专 业 农业电气化与自动化 毕业届别 2014 姓 名 张瑞 指导教师 冯全 职 称 教授 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计2目目 录录摘要.4ABSTRACT.5第一章绪论.611 课题研究的背景和意义.61. 2 LED 产业的发展.713 LED 的介绍.7131 LED 的发展历程.8132 LED 的发光原理.914 LED 的电特性.915 LED 驱动电路.11151 LED 的驱动方案.11152 LED 的驱动形式.12153 LED 的连接方式.1416 LED

2、 驱动器发展现状.16第二章 反激准谐振电路.172.1 软开关技术.1722 准谐振电路原理.19第三章 驱动电路的设计.223.1.1 设计指标.223.1.3 功能描述.243.2.总电路图设计.263.2.1 总电路图.263.2.2 基于 LNK420EG 的反激准谐振电路的设计.263.2.3 电路描述.263.2.4 输入 EMI 滤波.273.2.5 LINKSWITCH-PH 的反激式应用.273.2.6 输出整流.283.2.7 电路保护.283.3 PCB 布局.29 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计33.3.1 顶部印刷电路板布局.293.3.2

3、 底部印刷电路板布局.293.4 变压器的选型.303.4.1 变压器的概述.303.4.2 变压器的原理.313.4.4 变压器(RM8)骨架、铁芯和绕线的选择.35第四章 总 结.3841 总结.3842 展望.38参考文献.40致谢.41 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计4基于 LNK520EG 大功率 LED 驱动器设计张瑞(甘肃农业大学工学院 10 农电，甘肃兰州，730070)摘要摘要通过对 LED 的发展和工作原理的了解。本文主要以芯片 LNK420EG 为基础对 LED的驱动器进行设计。主要任务有了解芯片 LNK420EG 的引脚和每个引脚的功能。利用反

4、激式谐振电路对 LED 进行驱动，使 LED 能够正常工作。关键词关键词：LED 的特点 LED 的驱动 驱动器电路图 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计5Based on high-power LED driver design LNK520EGZhang Rui（Major in Agricultural electrification and automation in the College of Engineering Institute of Gansu Agriculture University、lanzhougansu、730070）ABSTRACTTh

5、rough the understanding of the development and working principle of the LED，the paper mainly carries on the design of LED driver based on the chip LNK420EG . The main task of the paper is to understand the chip LNK420EG pin and the function of each pin. In order to make the LED work normally ,the pa

6、per use the flyback type resonant circuit to drive the LED.Keywords: LED drive circuit diagram layout design of the characteristics of the LED driver 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计6第一章绪论第一章绪论11 课题研究的背景和意义 当今全球，无论是工业、农业，还是第三产业服务业，甚至是现代的高新技术产业，都处在一个前所未有的高速发展阶段。社会的发展在提高人们生活水平、加强社会生产力的同时对能源(如煤、天然气、油、核能)的使

7、用和需求也大幅提高，由此引发的能源消耗巨大、环境污染和破坏等问题也越来越严重，已经引起世界范围内的广泛关注，因此节能减排成了世界各国经济发展的要求和趋势。照明耗电是人类能源消耗的一个重要方面，照明用电随着社会的发展已占总发电量的 20左右。照明用电的迅速增加，不但在发电过程中产生大量的污染，而且还会增加大量的电力投资，牵制国民经济的发展。众多照明产品中，白炽灯的光效仅有 8-25 流明瓦，开发高效率的照明产品则成了人类的共识，长寿命、高效率、高可靠性的 LED 将是未来最理想的照明产品。LED 作为新兴的固体照明器件，寿命长达 510 万小时，它不仅耗电少、亮度高，而且体积小、抗振动，各种白色

8、、红色、蓝色、绿色、黄色的半导体 LED 发光二级管产品如雨后春笋纷纷问世，它的创新技术一日千里。目前 LED 以其冷光源、省电、耐震动、响应速度快、寿命长等特点，主要应用于信号指示灯、装饰照明、景观照明、家居照明、汽车用灯等照明领域。我国城市很多，给指示灯的市场提供了广阔的前景，仅在北京需要用 LED 替换的交通灯数目将近两万。LED 照明目前主要的用市场是装饰照明及景观照明，在我国已经有城市采用 LED 照明产品来实现城市的亮化：在北京奥运会、上海世博会城市建设和场馆建设中，都大量采用 LED 照明灯具。我国有 3 亿家庭，如果家居照明普遍采用 LED 照明产品，这个市场将会非常巨大。汽车

9、用灯LED 化也是一个大的市场，国外的高档汽车已经部分开始采用 LED 照明；随着中国摩托车、汽车产业的迅速发展，其需要的配套产品摩托车灯及汽车灯的数量也会飞速上升。到 2011 年，据预测，我国 LED 产业的产值可达到 126 亿美元，整的 LED 与其相关的应用产业可形成 3600 亿元的产值。对于 LED 产业的火热发展我国政府也给予大力支持，政府在不断的想方设法推动 LED 产业的 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计7发展，比如在 2009 年初科技部推出的“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，虽然在初期各地反应不太好，但后来提出由财政部和科技部规划对示范城市

10、进行财政补贴且加码到“五十城二百万盏” 。在最近的国家中长期科学和技术发展规划纲要中将高效节能、长寿命的半导体照明产品列入“重点领域及其优先主题”的第一优先主题。在各个省市对于超市、宾馆、商场等公共场合使用 LED 灯具都出台了相应的补贴政策来推动 LED 产业的发展。1. 2 LED 产业的发展毫无疑问，LED 照明是未来的发展方向，然而 LED 是低压驱动器件，加之对电流的要求，因此必须设计较复杂的变换电路，才能应用在市电供电的普通照明场合。而且不同用途的 LED 灯，需要配备不同的电源适配器。由于LED 对驱动器在电压和电流的匹配方面要求很高，所以驱动器的品质是 LED长寿、高效、可靠的

11、关键保障。相比 LED 的长寿命，LED 驱动器成为“木桶原理 最短的那一截，LED 理论寿命是 10 万小时，但 LED 驱动器寿命最多也只有 3 万小时，其中电解电容的寿命严重限制了驱动器的寿命。LED 灯具市场混乱，存在很多问题，没有统一的标准，特别是 LED 日光灯，在一些标准中甚至没有它的定位，这使得质量检测无从谈起。目前市场上的驱动器生产厂商较多且技术水平良莠不齐，严重影响 LED 产业的发展。LED 产业作为最新一代的光源产业正在蓬勃发展，在全球能源紧张的局势下发展 LED 产业不仅可以缓解能源紧张的局面而且还可以提高人们的照明质量。因此，大力研究 LED 照明技术具有深远的经济

12、效益和社会意义。13 LED 的介绍 LED 即发光二极管，英文全称是：Light Emitting Diode，其核心 LED 晶片附在一个支架上，支架一端接电源正极，另一端是负极，晶片四周用透明的环氧树脂密封陆。环氧树脂一方面用来保护 LED 内部芯线，另一方面是增大散热面积，为 LED 芯片散热。由于环氧树脂是固体，所以 LED 的抗震性能非常好。晶片由 P 型半导体(空穴占主导地位)和 N 型半导体(电子占主导地位)组成，这两个半导体间有一个过渡层，称为 PN 结。 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计8131 LED 的发展历程1907 年，Henry Josep

13、h Round 观察到在碳化硅里有电致发光的现象，但其发出的光太暗，实际应用不合适。20 年代晚期，在德国 Bernhard Gudden 和Robert Wichard 用从铜与锌硫化物中提炼出的黄磷发光，但其发出的光依然很暗。1936 年，George Destiau 出版了一篇有关硫化锌粉末能发射光的报告，随着对电流的广泛认识，出现了术语“电致发光1。1964 年在美国通用电气(GE)、孟山都(Monsanto)和国际商用机器(IBM)公司的联合研发实验室用磷砷化镓成功研制了发红光的 LED，使得 LED 走到应用层面。1968 年人们利用氮掺杂工艺使 LED 的发光效率有了突破性进展，

14、达到 1 流明瓦并且可以发出红橙黄三种光。70 年代中期引入元素氮及铟，LED 可以产生黄、绿及橙色光，发光效率约为 1 流明瓦。80 年代初，出现了砷铝化镓(GaAlAs)的 LED 光源，红色 LED 的发光效率可以达到 10 流明瓦，LED 开始在指示领域大量应用。90年代初，随着镓铝铟磷(GaAIInP)和氮铟镓(GaInN)两种材料的成功开发，LED的光效得到大幅提高。2000 年，GaAIInP 做成的 LED 在红、橙区的发光效率达到 100 流明瓦，GaInN 做成的 LED 在绿区的发光效率可以达到 50 流明瓦。近年来，随着新材料的开发和制造工艺的不断进步，出现了超高亮度L

15、ED，LED 开始在高效照明领域应用。超高亮度 LED 将是继白炽灯后，人类又一伟大的发明。132 LED 的发光原理LED 的发光晶片是由元素周期表里 III、族元素(如 Ga、As、P)化合制成的半导体材料,其核心是由这些半导体材料构成的 PN 结。因此它也具有一般二 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计9极管 PN 结的伏安特性，即正向导通、反向截止和击穿特性。但构成 LED 晶片的 PN 结还有一个更重要的特点，就是它能在一定的条件下发光。LED 的发光原理如图 12 所示。当 PN 结加正向电压时，两区多数载流子向对方扩散，进入对方区域的少子与多子复合就会发出光。

16、由于电子的能量状态是不连续的，晶体的能带分为价带、禁带和导带。被原子束缚的电子处在低能量状态称为价带；自由电子处在高能量状态称为导带；具有晶体对称性的材料通常在价带和导带之间不存在电子状态称为禁带。实践证明光的波长九与禁带宽度 Eg(单位为电子伏特 eV)有关： =1240E(nm) (11) 若产生可见光，则波长应在 380nm(紫光)760nm(红光)之间，代入式(11)禁带宽度应在 326eV-163eV。现在市场上有红、黄、绿及蓝光 LED，但蓝光 LED 价格较高。14 LED 的电特性(1)伏安特性 LED 本质上来说也是二极管，只不过它会发光。它的一些电学特性和普通的二极管基本一

17、样，包括正向电压、正向电流、反向电流、反向击穿电压、结电容等。它的伏安特性曲线分为四个工作区间：正向工作区、正向死区、反向死区和击穿区，如图 13 所示。不同种类的 LED，甚至是同一批次的 LED的伏安特性曲线都不同。在正向区电压较小的时候外部电压不足以克服内部电场，扩散运动处在受抑制状态正向电流很小。随着电压的增大外部电压克服内部电场，扩散运动活跃，正向电流迅速增加，其正向电流值可表示为： 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计10 (12) 1(mktqvfSfeII 其中 Is 为反向饱和电流：q 为电子所带的电荷量；k 为波尔兹曼常数；T 为热力学温度，即单位为 K

18、；n 取常数。当正向电压为零点几伏时指数项远远大于 1，LED 的正向工作电流 IF 与正向工作电压 VF 成指数规律上升，如图 14所示。 图 1.3LED 的伏安特性曲线 图 1.4LED 的正向伏安特新曲线(2)响应时间LED 响应时间是指从 LED 有电流流过到发出光所需要的时间，是标志LED 反应速度的一个重要参数。LED 的发光时间是指有电流流过 LED 开始到发光强度达到预期值的 90所需要的时间，LED 熄灭时间是指 LED 从正常发光状态到亮度减小到正常值的 10所需要的时间。其响应时间图如图 15 所示。图 1.5LED 的响应时间 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 L

19、ED 驱动器设计1115 LED 驱动电路根据 LED 正向伏安特性曲线图 14 可以看出，如果 LED 采用普通的恒压源驱动，电压稍有变动，电流变化很大，很容易出现过流现象而烧毁 LED。再者 LED 的电流直接影响光参数，电流的变化导致光参数远离预定值，所以LED 需要采用恒流方式进行驱动。LED 本身过热会增加光衰并且有永久性损坏的可能性，所以 LED 驱动器要随时检测 LED 本身温度，在温度达到上限之前切断供电电源保护 LED。驱动器本身要有限压功能，在输出开路情况下输出端电压不能无限高，其限压值应低于 LED 所能承受的反向电压值，防止驱动器输出端反接情况下击穿 LED。在一些需要

20、调光的场合要求驱动器可以调节输出电流以实现调光。151 LED 的驱动方案电源给 LED 供电有四种驱动方式：低压驱动、高压驱动、过渡电压驱动和市电驱动。(1)低压驱动：用低于 LED 正向导通管压降的电压值给 LED 供电。节能台灯、LED 手电简、LED 应急灯等低功耗照明器件，就是使用低压驱动。低压驱动LED 需要把供电电压提高到使 LED 充分导通的电压值，有可能需要 5 号电池配合工作。受单节电池容量和体积的限制，一般低压驱动不需要较大的功率，但变换效率必须较高，成本要最低。(2)高压驱动：用高于 LED 正向导通管压降的电压值给 LED 供电。机动车的灯光系统、太阳能庭院灯、太阳能

21、草坪灯就是使用高压驱动。高压驱动工作电路需要对供电电压进行降压。高压驱动一般是由蓄电池供电，所以需要较大的功率。(3)过渡电压驱动：用在 LED 正向导通管压降附近变动的电压值来驱动 LED。过渡电压驱动工作电路需要解决升压及降压问题，有可能需要锂电池配合工作。受锂电池容量和体积的限制，也要求体积尽可能小及成本尽量低。(4)市电驱动：市电驱动是 LED 照明应用中最有价值的供电方式。市电驱动LED 要解决降压、整流，高变换效率，小体积，低成本，安全隔离，电磁干扰 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计12及功率因数等问题。152 LED 的驱动形式LED 的驱动按其驱动方式可

22、恒流驱动和恒压驱动。(1)恒流驱动：恒流驱动器输出的电流是恒定的。恒流驱动是驱动 LED 的理想方式，它能保证每个 LED 亮度、色度的一致，并能有效控制输出电流值。恒流电路一般严禁负载完全开路，但实际使用的 LED 恒流驱动电路一般均具有反馈调节功能来限压恒流。因此，即便负载完全开路也不会对驱动器造成影响。如图 16 所示，如果设置 IR 在 20mA，波动时就可能会大于 20mA，这对LED 的工作效率和寿命都有影响。所以设置在 1718mA 时，不会对亮度产生影响，而且对提高 LED 的工作效率与寿命很有好处。 图 1.6 的恒流驱动（串联） 图 1.7 的恒流驱动（并联）如图 17 所

23、示，IR 供应恒定电流 60mA，但通过 Dl、D2、D3 的电流都不是恒定电流，要根据三只 LED 的正向电压和伏安特性来判断具体的电流大小。如果经过挑选测试，三只 LED 的伏安特性一样，那么有可能保证每只 LED 的通过电流都是 20mA。但如果伏安特性不一样，就可能在工作一段时间后，流经各 LED 的电流差异越来越大，最终导致 LED 连续损坏。所以采用恒定电流驱动的时候，多个 LED 串联排列有利于利用。(2)恒压驱动：恒压驱动器的输出电压是固定的。用恒压方式驱动 LED，为了保证亮度的均匀，必须要在每串 LED 上串联限流电阻。这种驱动方式通常应用在小功率的 LED 模组方面，不适

24、合中高功率应用。而且这种驱动方式的效率也不高，功耗比较大。LED 的恒压源串联驱动如图 18 所示。选用恒压源驱动时，Vcc 值不变，当 Dl、D2、D3 通电工作，刚开始Dl、D2、D3 的正向压降都会下降(约降 0203V)。如果不串接电阻，D1、D2、D3 的电压会降 09V，导致流过 LED 的电流变大并超过 20mA，这时 LED 的 PN 结会发热，温度升高，会影响其光效与使用寿命。串联电阻 R 后， 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计13若电流变大，R 两端的压降会变大，可以控制电流不会增大过多，以确保不会因为电流无限增大而使 LED 温度升高并损坏。这个保

25、护电阻的大小由式(1,3)决定 R=(Vcc 一 3.03)I=(Vcc 一 9)20 (1.3) 图 1.8LED 的恒定电压源串联驱动 图 1.9LED 的恒定电压源并联驱动如图 19 所示，Vcc 是恒定电压源，三只 LED(Dl、D2、D3)分别与 Vcc并联。根据三只 LED 的伏安特性，选定 Rl、R2、R3，这三个电阻的阻值由式(14)求出： (14)111/ )(DDccIVVR式中，为 Dl 的正向电压；为 Dl 的正向电流。如果正向电流选定为1DV1DI20mA，正向电压为 3V，那么=20mA，Rl 就可以求出，其他的电阻 R2 和1DIR3 也可以根据这个公式求得。15

26、3 LED 的连接方式目前应用比较广泛的 LED 连接形式主要有：串联、并联、串联并联组合、交叉阵列等。(1)LED 串联连接：LED 串联就是将多个 LED 的正极对负极连接成串，工作时流过 LED 的电流相等。虽然 LED 在生产过程中产生的个体差异和批次差异的问题，导致串联电路中每个 LED 的正向压降可能有微小的差异，但 LED是电流型器件，因此能保持 LED 的亮度基本一致。但当其中一个 LED 开路，将造成剩下的 LED 不再工作，影响了驱动电路的可靠性，在 LED 的大量应用时不宜采用串联连接。LED 串联连接如图 110 所示。 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱

27、动器设计14图 1.10LED 串联电路(2)LED 并联：LED 并联就是将多个 LED 的正极与正极、负极与负极并联连接，每个 LED 的工作电压一样。从图 14 可以看出，LED 的正向电压的微小变化，都会引起工作电流的较大变化。此外不同 LED 可能会因为散热条件的差别，引起工作电流的变化，若不能及时散热，会造成 LED 工作电流上升，而工作电流上升又会加剧 LED 的温升，如此恶性循环会导致 LED 因电流过大、温度过高寿命锐减，甚至损坏 n 引。LED 并联连接电路简单，但可靠性不高，在 LED 数量较多应用时也不宜采用。LED 并联连接如图 111 所示。图 1.11LED 并联

28、电路(3)LED 串并联：在使用数量较多的 LED 产品中，如果串联所有的 LED，则要求驱动器输出较高的电压；如果并联所有的 LED，则要求驱动器输出较大的电流。无论是串联还是并联，都会限制 LED 的使用量，而且故障率也较高，难维护。最好的解决办法是采用混联方式，其中典型的混联方式主要有两种：先串联后并联和先并联后串联，如图 112 所示。串并联的 LED 连接比 LED串(并)联连接提高了电路的可靠性，结构简单、连接方便、效率高。 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计15图 1.12LED 的串并联(4)LED 交叉阵列 交叉阵列形式是为了提高可靠性，降低熄灯几率。主

29、要结构形式是：每串以若干个 LED 为一组，其共同输入电流来源于 a、b、C 串，输出也同样分别连接至 a、b、C 串。这种交叉连接方式的目的是，即使个别 LED 开路或短路，也不会造成发光组件整体失效，这种连接方式大大提高了每组 LED 工作的可靠性。LED 交叉阵列如图 113 所示。图 1.13LED 的交叉阵列16 LED 驱动器发展现状随着发光晶片结温的升高，LED 正向压降会变小，离散性会变大，其电学参数也不稳定。因此，LED 对与之匹配的驱动器提出了严格的要求：性能好、效率高、成本低、体积小、寿命长、可靠性高等，性能好的驱动器是保证 LED发光品质及整体性能的关键，根据 LED

30、电学特性，驱动器一般采用恒流方式来 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计16驱动 LED 发光阵列，恒流驱动常用的方法有电阻限流、电容式电荷泵、线性控制调节、开关变换器控制等。从 LED 驱动器供电方式可以将驱动器分成直流直流和交流直流两类。直流驱动器一般由蓄电池、稳压源供电，主要应用于便携式电子产品，汽车等设备；交流直流驱动器直接由交流市电供电，现阶段主要用于装饰、交通信号灯、路灯、景观、大屏幕液晶背光照明等领域，家用照明、装饰灯也开始量产。目前国内大功率 LED 驱动器的效率一般在 90左右，像台达、铭伟、英飞特、茂硕等一些大的厂商效率做到 90以上的产品不在少数，而其

31、他一些较小的厂商一般都做到 85-90之间。有很多产品是通过提高输出电压来减小输出电流从而提高效率的。近几年，LED 驱动器发展迅速，但市场上现有的 LED 驱动器存在问题较多，其稳定性差，寿命难于跟光源匹配，电磁干扰问题严重，电流总谐波较大。据不完全统计，当今 LED 灯具产品所产生的故障 80左右来自于驱动器，这几年 LED 光源产品封装技术的不断提高和散热技术的不断发展，光源的稳定性已经达到比较好的水平，相对来说驱动器的故障问题要严重的多。因此，研制高效、可靠、寿命长的驱动器对 LED 照明的推广具有现实意义。 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计17第二章第二章 反

32、激准谐振电路反激准谐振电路自上个世纪 60 年代以来伴随电子产品的发展，开关电源以体积小质量轻、效率高的特点得到广泛应用。在很多场合要求电源的功率密度越来越高，这迫使电源走向高频化。开关电源的高频化可以使自身体积迅速减小，高频化还可以进一步减小变压器磁损，提高效率。然而，开关电源高频化也带来很多问题，比如电磁干扰严重、开关电压电流浪涌严重、开关损耗增加。2.1 软开关技术电磁干扰的问题会在后面章节讲到，减小开关损耗通常的方法是上个世纪80 年代得到广泛研究并迅速发展的软开关技术。软开关技术包括两个方面：零电压开启(Zero VoltageSwiteh：ZVS)和零电流关断(ZeroCurren

33、tSwitch：ZCS)。图 2. 1 开关管 D-S 间的普通电压电流波形开关器件的损耗一般有两种：开关损耗和导通损耗。导通损耗是由于开关管 Ds 间的导通电阻引起的，这与开关管本身特性和通过开关管的电流有关，与开关频率无关。开关损耗是开关器件在开启和关断时引起的损耗，它与频率成一定的关系。传统的开关器件开关方式成为硬开关，其开关器件电压电流波形如图 21 所示。从图中可以看出，在开关管开启前开关管上 D-S 间的电压为Vd，在 tl 时刻开关管开启，DS 间的电流逐渐上升，电压逐渐下降。到 t2 时刻，开关管 DS 间电压降到接近零，电流达到最大开关管完全开启。在 t1t2时间内开关管的主

34、要损耗为开关损耗。在 t2t3 时间内开关管的主要损耗为导通损耗。在 t3 时刻开关管开始关闭，D-S 问的电流开始下降，电压开始上升。到 t4 时刻 D-s 间的电流为零，电压为 Vd，开关管完全关闭。在 t3t4 时间内 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计18开关管的主要损耗为开关损耗。开关损耗与开关管 D-S 间电压和电流波形围成的三角形面积成正比。从上面的分析可以看出，开关次数的提高势必增加开关管的开关损耗，这为开关电源频率的提高带来问题。为了解决这个问题上个世纪后期人们提出了软开关的概念。软开关是相对于上面的硬开关提出来的，它的主要思想是在开关管开启前把开关管

35、DS 问的电压先降到零，称为零电压开启技术：在开关管关闭前把通过开关管 Ds 的电流先降到零，称为零电流关断技术。具体开关管 DS 间的电压电流波形如图 2.2 所示。图 2.2 应用软开关技术开关管 D-S 间的电压电流波形目前，软开关技术还处在发展过程中，比较常用的软开关技术是通过谐振的方法来实现的。如反激准谐振、半桥的串联谐振、并联谐振等。这种方法是通过电感和电容等储能元件组成谐振网络，使加在开关器件上的电压或者电流产生谐振，利用谐振的震荡波形使开关器件在谐振波形低谷的时候开启；在电压波形谐振的同时电流波形也参与谐振，在电流波形为零的时候关断开关器件，达到零电压开启和零电流关断的目的。2

36、2 准谐振电路原理准谐振电路是软开关技术的一个典型的应用。准谐振是指电路中的谐振元件不是在整个工作周期参与谐振，而是在能量交换的某一个阶段参与谐振。这种电路一般谐振回路的正反向 LC 值不相等，这导致振荡频率和电压幅值不同，振荡不对称。振荡使得开关器件上的电流或者电压波形按正弦规律变化，为变换器的零电压开启和零电流关断提高了条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振变换器。准谐振变换器可以大幅度的降低开关器件的开关损耗，其核心问题是为开 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计19关器件的开启和关断提供良好的工作条件，使开关器件在零电压条件下开启或者在零电流条件下关断，从而把开关

37、损耗降到最低。从开关器件上的电压和电流波形来看，对于谐振模式的开关来说开关器件上的电压、电流或者两者的波形都以正弦的形式出现，这种方式改善了开关器件在开关转换过程中的工作环境，降低了开关损耗和开关压力。对于传统模式的开关来说开关器件上的电压和电流波形都是方波，开关器件上的开关损耗和开关应力都比较大，这对开关器件的工作状态的转换是不利的。谐振电路巧妙的利用开关器件的寄生电容、线路的寄生电容、电感和变压器的漏感组成谐振回路，与 PWM(PulseWidthModulation)电路有机结合，组成了谐振开关电路。根据电路的不同组成方式可以分为零电压准谐振开关电路、零电流准谐振开关电路和多谐振开关电路

38、三种基本结构。准谐振电路的组成与变压器初级漏感有很大关系，从初级看变压器的高频电路模型如图 2-3 所示，它包括变压器的耦合电感 Lp，励磁电感 Lm，漏感Ls，等效电容 C 和等效电阻 Rs。图 2.3 变压器电路模型耦合电感 Lp 是变压器耦合到次级的能量所对应的电感量；励磁电感是由于磁芯材料的非线性导致的，它是电流流过变压器初级线圈所储存的能量对应的电感量；漏感 Ls 是由于初次级线圈之间不能完全耦合而产生的漏磁；等效电容 C 是初级线圈在绕制过程中线圈与线圈之间的电容效应引起的；等效电阻 Rs是初级线圈的阻值。反激式准谐振电路原理框图如图 2.4 所示。它由 Rs 采集初级电流信号，进

39、行过流保护操作。R1 和 R2 组成分压网络，对辅助绕组输出电压进行采样。辅助绕组输出电压与初级和次级绕组两端电压成严格的比例关系，可以用来对开关管 Ql 的漏极电压检测，也可以进行过压保护。R3、R4 组成分压网络来采 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计20集输出电压信号，保证输出电压的平稳。图 2.4 反激准谐振电路原理框图从高频电路角度来看，器件的引脚会引入电感效应，PCB(PrintedCircuitBoard)布线不仅会引入电感效应，还会引入电容效应。这些电感和电容的存在会给电路带来一些无法预期的振荡，在高频电路中统称为特殊的振荡现象，包括间歇振荡、寄生振荡和频

40、率占据。间歇振荡是指电路中的某个电路存在有时大有时小或者有时有有时没有的一种周期性变化现象。从本质上来讲是由于电路中的等效旁路电容和耦合电容选取过大，偏置电压跟不上振荡电压变化。寄生振荡是由于电路中某些分布参数和集总参数的存在而产生的振荡。这种振荡一般都以固定的频率振荡，产生的原因复杂，不易分析。寄生振荡分为低频寄生振荡和超高频寄生振荡两种。频率占据是指当外部振荡频率接近电路本身的固有振荡频率时，电路的输出频率受到外部频率牵制的现象。在开关电源中这种现象基本不会出现。反激准谐振电路属于高频电路中的间歇振荡和寄生振荡，主要是由于上述变压器的漏感 Ls 和开关管 D-S 间的等效电容、电路分布电容

41、产生。在 t=tl 时刻开关管开启，输入通过变压器初级绕组和开关管形成回路，变压器储存能量，次级整流二极管承受反向电压。由于谐振模式保证电路工作在断续模式，次级二极管基本不存在反向电流和因此引起的电路震荡。在 t-t2 时刻开关管关断，关断瞬间由于变压器漏感和分布电容的存在开关管两端会产生电压尖峰，这个电压尖峰可以通过增加吸收电路来进行抑制，这将在后面讲到。在 t2tt3 时，初级绕组的电流通过匝比折算到次级，变压器通过次级绕组释放能量。t=t3 时 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计21刻变压器储存的能量通过次级绕组完全释放，次级整流二极管上的电流降为零，二极管实现零电

42、流关断。变压器漏感和开关管 D-S 间的电容、电路的分布电容回路开始震荡。震荡频率与变压器漏感 Ls 和各种分布电容 Cd 有关，满足下式关系：在理论上，这个震荡的振幅可以等于输入电压，为开关管的零电压开启提供条件。震荡幅值与震荡回路所储存的能量和品质因数有关，品质因数越高振幅越大。品质因数的是无功功率与有功功率的比值，它与谐振回路的电感、电容和电阻的大小都有关系，具体关系式为其中 R 为谐振回路的电阻值。可以看到，电阻值越小品质因数越高；相同的震荡频率，电感越大，电容越小，品质因数越高。然而在这个谐振回路中变压器的漏感为震荡电感，随着漏感的增大变压器损失的能量也会随之增大。在t3t92%3.

43、1.2 LNK420EG 芯片的介绍 图 3.1LNK420EG 的内部结构 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计23（1）漏极(D)引脚：功率 FET 的漏极连接点。在启动及稳态工作时还提供内部工作电流。（2）源极(S)引脚：这个引脚是功率 FET 的源极连接点。它也是旁路、反馈、参考及电压监测引脚的接地参考。（3）旁路(BP)引脚：一个外部旁路电容连接到这个引脚，用于生成内部 5.9 V 的供电电源。此外，该引脚还可通过旁路引脚电容值的选取提供输出功率选择。（4）反馈(FB)引脚：反馈引脚用于输出电压反馈。流入反馈引脚的电流与输出电压成正比。反馈引脚还包含开路负载和过载

44、输出保护电路。（5）参考(R)引脚：该引脚连接到一个外部精密电阻，用于配置调光(LNK403-410)工作模式与非可控硅调光(LNK413-420)工作模式。（6）电压监测(V)引脚：该引脚与一个由整流管、滤波电容和电阻构成的外部输入线电压峰值检测器相连。施加的电流用于控制输入欠压(UV)和过压(OV)的停止逻辑，并提供前馈信号以控制输出电流和远程 ON/OFF 功能。3.1.3 功能描述 LinkSwitch-PH 器件将一个控制器和一个高压功率 MOSFET 集成到了同一个封装内。控制器可同时实现单级高功率因数校正(PFC)和恒流输出。LinkSwitch-PH 控制器包括一个振荡器、反馈

45、（检测及逻辑）电路、5.9 V 稳压器、迟滞过热保护、频率抖动、逐周期电流限流、自动重启动、电感校正、功率因数以及恒流控制电路。自动重启动在开环故障（反馈引脚电阻开路或反馈绕组短路） 、输出短路或过载情况下，控制器进入自动重启动模式。在软启动结束后，一旦反馈引脚电流低于 IFB(AR) 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计24阈值，控制器立即“报告”短路和开路故障。为了降低此故障情况下的功耗，关断/自动重启动电路将通常以 DCAR 的自动重启动占空比对电源进行接通（与软启动持续时间相同）和关断操作，直到故障排除为止。如果故障在自动重启动关断期间消除，电源将保持自动重启动，直

46、到整个关断时间计时结束。设计时必须特别注意，应采用最适合的输出电容容量，以确保在软启动期间结束后，反馈引脚电流高于 IFB(AR)阈值，使电源能够成功启动。软启动期间结束后，自动重启动只有在反馈引脚电流低于 IFB(AR)时才会激活。过流保护电流限流电路检测功率 FET 的电流。当电流超过内部阈值(ILIMIT)时，在该周期剩余阶段会关断功率 FET。在功率 FET 导通后，前沿消隐电路会将电流限流比较器抑制片刻。通过设置前沿消隐时间，可以防止由电容及整流管反向恢复产生的电流尖峰引起导通的功率 FET 提前误关断。输入欠压/过压保护该器件同时具有输入欠压和过压检测功能，可限制通过电压监测引脚检

47、测到的最低启动电压和最高工作电压。需要使用一个由二极管和电容构成的外部峰值检测器，通过电阻向电压监测引脚提供输入峰值线电压。在上电时，IUV+令 LinkSwitch-PH 在输入电压达到欠压阈值前保持关断；在断电时，IUV-防止它在输出失调后自动重启动。用于设定欠压阈值的电阻也用于设定输入过压(OV)关断阈值，当超过阈值时就会强制 LinkSwitch-PH 停止开关（完成当前开关周期后） 。当输入线电压恢复正常水平后，器件将在自动重启动关断期间结束后恢复正常工作。OV 阈值有少量迟滞以防止噪声引发关断。当功率 FET 关断时，由于没有反射电压和漏感尖峰电压叠加到漏极，经整流的直流高压抗浪涌

48、冲击能力增大到功率 FET 的额定电压(725 V)。迟滞热关断热关断电路检测控制器的结温度。阈值设置在 142 C 并具备 75 C 的迟滞范围。当结温度超过这个阈值(142 C)，功率 FET 开关被禁止，直到结温度下降 75 C，功率 FET 才会重新使能。安全工作区(SOA)保护 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计25该器件还带有安全工作区(SOA)保护模式，在峰值开关电流达到 ILIMIT阈值且开关导通时间小于 Ton(SOA)时，可禁止 40 个周期的 FET 开关。这种保护模式可以在 LED 发生短路的情况下，以及在自动重启动保护被抑制的软启动期间进行启动时

49、对器件提供保护。SOA 保护模式在正常工作情况下仍然有效。3.2.总电路图设计3.2.1 总电路图3.2.2 基于 LNK420EG 的反激准谐振电路的设计对于 LNK420EG 芯片的设计减少了外围电路元件，增加电路的可靠性。在满 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计26载输出时它工作在准谐振模式，减小了开关管的开关损耗；中等功率水平时工作在固定频率模式；当输出功率在待机水平时控制器通过减小开关频率来降低损耗，工作频率在 50 到 60 之间。3.2.3 电路描述LinkSwitch-PH（U1）是一种高度集成的初级侧控制器设计，主要用于使用隔离式 LED 驱动器应用。使

50、用 LinkSwitch-PH 可以提供高效率，高功率因子和在单级转换拓扑，同时可以调节输出低 THD 电流在很宽范围的输入（180 VAC - 300 VAC）和输出电压的变化，通常出现在 LED 驱动器的应用环境。所有的控制电路需要给这些功能加上高电压功 MOSFET 被并入设备。3.2.4 输入 EMI 滤波交流电源流入 LED 驱动器是由保险丝保护的。在差分线浪涌电压时，系统的输入电压由 RV1，D1，R5 和 C2 限制在一定数值内。AC 输入由 BR1 进行整流的。最小滤波器电容的使用，以实现高功率因数，低 THD(总谐波失真)和低输入电流谐波。电容 C8 提供了一种低阻抗源初级开

51、关电流。电容 C1、共模扼流圈 L1、和差模扼流圈 L2，进行 EMI 滤波的同时保持高功率因数。在这个输入滤波器网络加上 LinkSwitch-PH 允许的波动频率符合 B 类排放限制的特征。电阻器 R3 用于 EMI 滤波器的共振，防止传导电磁干扰频谱。 电容 CY1 和 CY2 和 C13 提供 EMI 滤波，降低共模 传导 EMI 电流。3.2.5 LinkSwitch-PH 的反激式应用二极管 D2 和 C3 用来检测 AC 的线电压。该电压被转换成电流通过 R6 和R7 引脚流入电压监测（V ） 。这个电流也可用于由装置设定输入过电压/欠电压保护临界值，并提供输入电压和输出电流之间

52、的线性关系。V 引脚的电流和反馈（FB）引脚的电流在内部用来控制 LED 电流的平均输出。用二极管 D6 ， C9，C10 ，和 R15 ，构成初级偏置电源。该偏置电压分别通过 D6 和 C10 进行整流和滤波器的过滤。高频过滤器 R15 因泄漏而提高 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计27EMI 和调节。该电源用于通过 D5 和 R10 提供电流到旁路（BP）引脚。电容C6 和 C5 作为 BP（反向传播）引脚的去耦电容。电容 C6 是通过一个内部高压电流源连接到漏极（D）U1 的引脚充电。通过 D5 提供 U1 中的能量直到偏置电压上升和供应足够的电流。输出电压通过

53、R11 检测到输出电流与偏置电压在 FB 引脚成正比。偏置电压是通过输出绕组与输出电压的匝数比。 二极管 D3 和 VR1 钳位是由于漏感所产生电压尖脉冲漏到一个安全水平决定的。二极管 D4 是必要的，通过使用 LinkSwitch-PH 器件来防止反向电流流过 二极管 D4 的选择，用来实现较高效率的低压降（肖特基） 。 T1 的磁芯尺寸，对绕组结构和线路进行了优化，减少跨绕组电容和低交流损耗，以达到良好的效率。3.2.6 输出整流二极管 D9 和 D10 是次级整流绕组，而电容 C17 和 C18 是过滤输出。整流二极管的阳极被连接到专用的变压器输出绕组上，以保证电流共享。专用的RC 钳位

54、电路被放置在每个输出二极管上用来降低电压，并限制振铃，减少辐射和传导噪声。 二极管 D9 和 D10 是降压二极管（肖特基） ，有选择性地提高了工作效率。3.2.7 电路保护该系统是一个锁存过电压电路（D7，C11，C12，VR3，Q1，Q2 保护R13，R14，R16 和 R20）。一个单独的偏置电压被用来（通过 D7 和 C11）减少过压保护触发时间。电阻 R20 用来防止 BP 引脚被拉至低于 2 V，这就限制了 U1 当锁存器被触发时的损耗。 过电压电路的操作，如果负载没有连接并且防止输出故障的电容也没有连接。锁存器只能通过再循环 AC 输入进行复位。该设备在系统中高于规定操作的情况下

55、，就会超过温度保护范围。 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计283.3 PCB 布局3.3.1 顶部印刷电路板布局3.3.2 底部印刷电路板布局 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计293.4 变压器的选型3.4.1 变压器的概述变压器的最基本型式，包括两组绕有导线的线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流入其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率的交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链的程度。一般指连接交流电源的线圈称之为“一次线” ；而跨于此线圈的电压称之为“一次电压” 。在二次线圈的感应电压可能

56、大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈间的“匝数比”所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。大部份的变压器均有固定的铁心，其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限在铁心里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度的磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁心二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者的线圈匝数比相同。因此，变压器的匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，我们可以这么说，倘无变压器，则现代工

57、业实无法达到目前发展的现况。电子变压器除了体积较小外，在电力变压器与电子变压器二者之间，并没有明确的分界线。一般提供 60Hz 电力网络的电源均非常庞大，它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。电子装置的电力限制，通常受限于整流、放大，与系统其它组件的能力，其中有些部份属放大电力者，但如果与电力系统发电能力相比较，它仍然归属于小电力的范围。各种电子装备常用到变压器，理由是：提供各种电压阶层确保系统正常操作；提供系统中以不同电位操作部份得以电气隔离；对交流电流提供高阻抗，但对直流则提供低的阻抗；在不同的电位下，维持或修饰波形与频率响应。 “阻抗”的其中一项重要概念，即电子学特性，是一种假想的设备，

58、即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时，其间要使用到一种设备变压器。对于电子装置而言，重量和空间通常是一项努力追求的目标，至于效率、安全性与可靠性，更是重要的考虑因素。变压器除了能够在一个系统里占有显着百分比的重量和空间外，另一方面在可靠性方面，它 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计30亦是衡量因子中的一个要项。因为上述与其它应用方面的差别，使得电力变压器并不适合应用于电子电路上。3.4.2 变压器的原理1、变压器的制作原理：在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变

59、动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。 2、在电路中，变压器表示符号为：图 3-4 变压器符号3、技术参数：对不同类型的变压器都有相应的技术要求，可用相应的技术参数表示。如电源变压器的主要技术参数有：额定功率、额定电压和电压比、额定频率、工作温度等级、温升、电压调整率、绝缘性能和防潮性能，对于一般低频变压器的主要技术参数是：变压比、频率特性、非线性失真、磁屏蔽和静电屏蔽、效率等。a、电压比：变压器两组线圈圈数分别为 N1 和 N2，N1 为初级，N2 为次级。在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势。当 N2N1时，其感应电动势要比初

60、级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当 N2N1 时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器。初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系。 （式 3-n121 V2NNV1） 张瑞：基于 LNK420EG 大功率 LED 驱动器设计31式中 n 称为电压比(圈数比) 。当 nN2，V1V2，该变压器为降压变压器。反之则为升压变压器。b、变压器的效率：在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率，即 =100 （式 3-12PP2）式中 为变压器的效率；P1为输入功率，P2为输出功率。当变压器的输出功率 P2等于输入功率 P1 时，效率 等于 100%，变压器将