LED驱动电路的研究及设计

1、摘要随着LED功率和光效的不断提高，大功率LED照明将在许多领域逐渐取代传统的照明灯具。和白炽灯等传统灯具不同，LED属于半导体器件，其压降会随温度的增高而降低，因此用传统的电压源驱动LED时会导致其电流和温度不断增加，最终会损坏LED。所以，大功率LED应该用恒流电源驱动。恒流电源的电路种类众多，本文分别从电源的效率、成本和恒流性能等方面进行着手讨论。对比了包括线性电源和开关电源的几种方案，并分析各电路的优缺点。由于线性电源的一些固有缺陷，如低效率、体积笨重等，使线性电流源的使用受到了较大限制，而开关电源则恰好弥补了线性电源在这方面的不足。因此，本设计最后选择了目前广泛使用的开关电源来实现L

2、ED的恒流驱动。开关电源的设计目标是驱动1W高亮LED，采用分模块的设计方法，电路类型选择了反激式拓扑，这样既能起到隔离作用，也能控制了成本。在LED驱动电源关键的恒流部分，采用TL431提供精密的参考电压，同时用低阻值电阻对输出电流采样，再用运放将两者比较放大后输出电压通过光耦反馈到电源控制芯片进行调节，得到了很好的恒流效果。在设计完成之后的主要工作是对驱动电源的PCB板进行测试，使用了三个不同厂家生产的1W高亮LED灯珠，并在不同交流输入情况下用万用表进行测试并记录了相关数据，结果显示本设计具有很好的恒流效果，并具有较高的效率。关键词：LED驱动；反激式拓扑；隔离变压器；精密恒流目录摘要I

3、AbstractII第一章 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题研究的主要内容与目标2第二章 相关知识与方案的研究32.1 LED技术参数分析与型号选择32.2LED驱动电路特性研究42.2.1 普通恒压限流电路42.2.2 线性恒流驱动电路52.2.3 PWM开关恒流驱动电路62.3LED驱动电路的参数确定和电路类型选择7第三章 驱动电路的功率部分设计93.1PWM驱动电路的拓扑选择93.2高频变压器一次侧电路设计143.2.1 输入整流滤波143.2.2 EMI滤波器设计153.2.3 漏感尖峰吸收电路153.3高频变压器设计163.3.1 变压器磁芯与骨架选定173.3.2 变压器

4、一二次电感值和气隙设计183.3.3 变压器绕制与漏感的控制203.4 变压器二次侧输出电路213.5 PWM驱动IC和开关管的选用223.5.1 驱动IC加开关管方式223.5.2 开关管集成于IC的单片开关电源芯片22第四章 反馈电路与恒流电路设计244.1输出线与反馈方式244.1.1 限压精度与电路形式244.1.2 反馈电路类型选择254.2 恒流电路设计254.2.1 LED驱动电路的恒流精度要求254.2.2 恒流电路的类型及其选定25第五章 总体方案实现305.1原理图305.2 主要性能指标315.3系统调试分析31总结与展望32参考文献33致谢34第一章 绪论1.1 课题背

5、景与意义在当今全球能源紧缺的环境下，节约能源已成为大势所趋，仅在在照明领域，人们所消耗的能源就不可估量。在过去几十年间，白炽灯一直是照明的主要灯具，然而人们也很快认识到这种靠热生光来提供照明的方式大大浪费了电能，于是后来荧光灯被开发出来并迅速应用到公共以及家庭等各个领域中。其寿命也是一般白炽灯的数倍以上而且可以根据需要制作不同发光颜色的灯光。可以说荧光灯的应用是照明领域的一次革命。而近几年开始，第三次照明革命又将来临，它就是大功率LED照明。由于荧光灯的仍存在不足之处，一方面它的节能效果还不算特别突出，仍有较大提升空间；另一方面，荧光灯很难进行调光。而LED在照明方面的应用能很好解决此类问题，

6、此外LED灯还具有体积小、还不怕磕碰等优点。另外在LED的供电方式上，与传统白炽灯或荧光灯相比有着很大不同。为了保证LED灯具的使用寿命，我们不能使用传统的电压源对其供电，取而代之的是具有恒流功能的驱动电路。LED进入照明领域是近几年开始的，从总体上看，我国LED照明产业仍处于起步阶段，在不少相关技术上仍存在不足，相关产品质量检测标准的制定迟缓，导致业内产品参差不齐，形成了非良性竞争。在LED的驱动方面，市面上存在着各种各样不同形式的驱动电路，但在安全可靠、寿命等方面差别甚大。所以研究LED的特性及其驱动电路是保障LED顺利进入照明市场的关键因素之一。全面分析LED驱动电路工作原理和特征有助于

7、人们开发出安全高效的电源，进而助推LED照明早日取代传统照明灯具，实现绿色环保的照明环境，为节能减排和生活质量的提高作出贡献。另一方面，LED照明的成本居高不下，其中一个主要原因就是驱动器的成本，如果能进一步降低驱动成本，则可以进一步推进LED照明的应用。所以在本设计中，也尽量使用简单的电路结构，以及集成芯片来降低成本和PCB板面积，这还可以让电路的可靠性得到提高。至于目前国内外的研究情况，在驱动器芯片方面，国内设计厂家还是较少，国外则有安美森、PI、美信等众多著名设计厂商。这些驱动器芯片可以分类成便携电子设备使用的升压变换器专用芯片、家用隔离变换器专用芯片等。从功率等级方面来分，其驱动电流可

8、以从几十毫安达到数安，效率也不尽相同。对于目前LED的使用情况来说，LED的驱动芯片选择性还是很大的，目前广泛使用的LED驱动芯片主要用于数码相机和移动电话，工业、汽车和家庭等照明方面。1.2 课题研究的主要内容与目标本课题根据LED在家用照明应用中的发展情况，设计一个家用的1W 隔离式LED驱动恒流源。设计使用的驱动芯片主要应用于家庭LED照明。本设计以反激式DC-DC转换器的结构为基础，根据lW白光LED的具体驱动要求来实现和完成驱动电路。首先构建出整体的电路形式，然后再仔细分析设计各个子模块电路；接着根据具体要求选择合适的元器件实现所需功能和要求。本设计的研究方法是，在输入电压，负载等因

9、素变化的同时，输出电流始终保持稳定，即恒流特性。最终研究目标是完成既定设计要求的高亮度白光LED驱动电路的设计。主要满足以下几个指标：单个1W白光LED的恒流输出介于320mA至350毫安，具体理论值取决于所选的电阻额定值，且恒流精度高于2%；具有短路保护和开路保护的功能；驱动器有较宽的输入电压范围和较高的效率。本文的创新点有如下几方面：一是挑选了高效率的开关电源驱动芯片，实现了电路的高效率；二是在高频变压器上采用了三明治绕法，有效增加了一二次侧的耦合，降低了漏感，另外还采用了Z字形绕线方式，降低了绕线层间分布电容，提高了变压器效率，降低了发热。三是在恒流功能方面采用了精密电压基准和运放采样放

10、大结合的方式，实现了精密恒流功能，完全满足LED驱动方面的使用。论文结构和内容安排方面，一共分为五个章节，其中第一章是绪论，介绍了课题背景和研究意义，国内外的研究情况以及论文的创新点及内容安排。第二章首先介绍了LED的特性，然后仔细分析了LED的驱动电路和方案，通过方案比较对驱动器进行选型。第三、四章是驱动器的详细设计，采取分模块设计的方法，对各个模块分别进行详细的理论设计。第五章介绍了总体方案的实现情况，包括了相关的测试数据。最后是全文总结与展望，将设计的结果与预期对比，提出今后工作展望。第二章 相关知识与方案的研究本章先从高亮LED的电气特性等方面入手，进而引出对LED驱动器的技术要求并选

11、择符合设计要求的几款不同厂家生产的1W LED产品。另一方面，对可用于LED的几种驱动电路进行了分析与比较，包括传统的线性电源和开关电源，从方案比较与选择中确定出设计时选用的电路类型。2.1 LED技术参数分析与型号选择高亮LED属于半导体二极管器件，因此它的主要电气特性和一般二极管相同，都具有单向导电性，同时电流会随电压的上升呈现出近似指数的上升趋势。下面是某款1W LED的伏安特性曲线。从中可以看出此LED在350mA工作电流时的正向压降为3.3V左右，因此为保证正常工作必须限制最大电流。 图2-1还有另一重要的特性是LED的温度特性，半导体器件对温度通常很敏感，如果超过一定温度，则LED

12、的寿命会受到很大影响，进而缩短正常使用时间。下面是在某一散热条件下LED的最大允许工作电流与环境温度的关系。可以看出环境温度越高，LED的最大正常工作电流越低，否则将对寿命产生严重影响。一般室内温度不超过50度，LED可以正常工作，但必须保证散热良好。 图2-22.2LED驱动电路特性研究 LED有多种多样的驱动电路形式，有传统的线性恒流与如今广泛发展开关电源恒流，也有低成本的恒压限流形式，这些电路都有其各自的优缺点。下面将通过对各种电路的优缺点对比来选择出最佳的驱动电路形式。2.2.1 普通恒压限流电路 图2-3如图1-1所示，这是最简单的电阻限流形式的LED驱动，设LED的压降为Ud，电源

13、电压为U，则流经LED的电流为I= (2-1) 这种电路形式最简单，成本也很低，但缺点也很明显，首先由于高亮LED的电流比较大，电阻R要使用大功率电阻，同时有较大电能损耗，其次由于电源电压的波动和电阻值的温漂，恒流效果欠佳。因此这种形式的电路适用范围较窄。2.2.2 线性恒流驱动电路（1）采样集成电源芯片的驱动电路 图2-4采用线性恒流驱动LED最简单的方法是利用线性集成芯片构成恒流源，如上图所示，利用集成芯片LM317，它的最大输入电压可以达到40V左右，足以提供多个LED串联电路的驱动，且LED较多时效率也较高，如串联10个LED时，LED总压降约33V，再加上而电源芯片的压降可以做到不超

14、过2V，其效率超过90%，此外还能提供其它形式电路难以比拟的非常好的恒流效果。由于LM317输出端与调整端的电压差恒为1.25V，所以此电路中通过LED的电流为 I= (2-2)除了上述优点外，它的缺点就是输入电压的限制，如果在家庭中用220V使用，则还需一个工频变压器将220V降低到适当的电压再整流滤波为LM317提供电源，而且由于电网电压的波动影响，LM317输入与输出必须留有足够压差，这将导致效率的下降，而且在LED个数较少时，效率也将进一步降低，因此这种电路只适合于电源电压较稳定时驱动多个LED的场合，所以适用范围受限制，在本设计中驱动1个1W LED则不适用。（2）采用反馈调整的恒流

15、电路线性恒流电源还有一个形式就是用运放采样输出电流大小，再来调整功率三极管的导通程度，从而调节输出电流，最终达到恒流目的。其电路基本形式如下图所示：图2-5图中R为输出电流采样电阻，采样后输入运放反相端，运放的同相端接参考电压VRef，运放将误差信号放大输出后对复合三极管进行调整，恒流时，运放两输入端电压相同。恒流电流值为 I= (2-3) 由于线性电源的固有缺点，在复合三极管上也会有较大压降，同时电源波动大的时候必须提供足够压降来维持恒流，因此效率同样会比较低下。2.2.3 PWM开关恒流驱动电路开关电源是利用现代电子技术，通过调节开关管通断的占空比来实现一定输出电压的一种电源，具有体积小、

16、重量轻、效率高、智能化程度高、易扩容等良好特点，在计算机、电视机、PDA、电子游戏机等数码产品上应用广泛。随着大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，开关电源的工作频率不断提高，使其具有更小的体积和高性价比等特性，所以，开关电源将逐渐取代使用工频变压器的线性稳压电源。 开关恒流电源即是在普通开关稳压电源的基础上，在输出级加上电流取样反馈等方式来调整开关管的占空比从而实现恒流目的的恒流电源，具有与普通开关电源相同的优缺点。开关电源发展了几十年，其电路拓扑形式也多种多样，基本的拓扑有buck、boost、buck-boost及其衍生的反激式拓扑、正激式、推挽式、以及半桥全桥等拓扑。这几种不同的

17、拓扑又有不同的应用场合，将在下一章仔细介绍这几种拓扑。2.3LED驱动电路的参数确定和电路类型选择1W LED灯珠的额定工作电流为350mA，其压降因不同的厂家会有差别，一般介于3.2V-3.8V之间。下面是本设计中对电源的一些技术要求:输入电压：交流220V±20% 输出限制电压：4.2V输出恒流：介于320mA-350mA的某一值 输出恒流误差：<2%对于上一节分析的几种线性电源和PWM开关电源的驱动方案，它们有各自的优缺点，具体分析如下所述：方案1：恒压限流电路由于是1W LED的驱动，因此采用恒压限流电路首先要在前面加上工频变压器和稳压电路，以保证恒压精度，使恒流值不易

18、受到温度等因素影响，由于采用了工频变压器，所以电源体积较大，灵活性一般。方案2：线性恒流源驱动电路线性恒流源电路是目前成熟的一种电源结构。从工作电压来看，可以分成低压线性恒流电路和市电恒流驱动电路。低压驱动电路一般用于LED手电灯、应急灯上，市电恒流驱动电路一般用于家用照明等较大功率的场合。1、 采用线性驱动电路的优点：（1） 恒流特性良好，能提供稳定的恒定电流，采用某些集成稳压器件时恒流效果显著，输出纹波非常小，也不用担心电磁干扰对电路造成的影响，因此在电路PCB布线方面灵活性也较大，适合不同场合的尺寸。（2） 电路形式多样，可采用的器件种类也繁多，可采用基于三极管的低成本恒流电源，也可采用

19、基于运算放大器或集成稳压芯片的精密恒流电路。2、线性恒流电路的不足之处：（1） 首先是电源的效率问题。由于线性电源中存在的某些线性器件存在一定 的压降，因此在流过一定电流时将会消耗掉一定的电能。在一些应用场合中，线性电路的工作效率往往还不能达到50%，甚至会更低。（2） 线性驱动电路的功率与体积比较小。在效率较低的同时，线性电路的体 积较大，在市电供电时一般都有采用工频变压器，这不仅占用了较大的体积，而且大大增加了重量，增加了成本。（3） 线性电路的效率和体积等不足之处限制了它的使用范围，使其应用欠缺灵活性和方便性。方案3：PWM控制开关驱动电路PWM开关电源的基本工作原理就是在输入电压及输出

20、负载等参数变化的情下，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，从而调节主电路开关器件的导通占空比，最终使输出电压或电流达到稳定状态。PWM开关驱动电路也可以分为低压与市电的应用。1、PWM开关驱动电路的优点：（1） 电源效率很高。由于开关驱动电源不像线性电路那样存在许多有压降的电子元器件，因此可以避免电能浪费，同时也减少了发热量，通常效率可以达到80%以上。（2） 电源功率体积比很高。相比于线性电路，这个比值可以高出好几倍，这几大大降低了体积，减轻了重量。（3） 电源适应性强。在输入电压变化大或者改变负载的情况下仍可以不影响其工作，现在很多开关电源就能在全球各地不同供电电压的场合适

21、用，所以开关驱动电源的通用性使它的应用范围大大增加。2、PWM开关驱动电路的不足（1） 电源输出纹波较大，如果控制得不够好则会损害LED灯的使用寿命，此外开关驱动电路有较大的EMI电磁干扰，如果处理不好可能无法工作，也会影响周围敏感用电器的正常工作。（2） 电路设计较为复杂，特别是某些电路拓扑中高频变压器的设计，此外对PCB的布线以及元件放置有讲究，以达到较低EMI和较高安全性。根据本设计要求，可以发现如果用市电供电，则方案1和方案2中的线性电源要加上工频变压器降压，才能适合于单个1W LED驱动要求。方案3中的PWM开关电源则不需要使用工频变压器，因此采用基于PWM开关电源的驱动电路优点比线

22、性驱动电路要多出很多，纵然开关电源的输出纹波较大，但通过合理的设计是完全不会对LED灯的寿命产生多大影响的，而其它方面的优点要远大于线性电路，因此开关驱动电路是未来LED照明驱动电路的首选。因此，本毕业设计题的方案选择基于PWM开关电源的驱动电路。第三章 驱动电路的功率部分设计3.1PWM驱动电路的拓扑选择 开关电源按其输入与输出是否进行电气上隔离，可分非隔离式变换器电路和隔离式变换器电路。两种的主要区别在于后者有输入与输出在电气上的隔离，以满足一些场合的要求。本节主要介绍几种适合于LED驱动的中小功率开关变换器的电路结构、工作原理、和相关的关系式。包括非隔离的buck、boost、buck-

23、boost拓扑和可构成隔离式的正激式和反激式拓扑。（1）降压型（buck）拓扑 Buck拓扑的电路结构如图所示： 图3-1降压型（Buck）变换器主要由PWM控制的开关管VT1、续流二极管D1、储能电感L1、滤波电容C1组成。其工作原理是：当开关管VT1导通时，电源通过电感L1向滤波电容和负载RL供电，使输出电压升高，同时L1中的电流也逐渐上升，当VT1关断时，由于L1中的电流不能立即归零，所以将通过续流二极管D1构成回路继续向滤波电容充电，同时L1中的电流逐渐减小，最终使输出电压稳定在UO。由于开关管闭合式其压降很小，断开时电流基本为零，所以在整个周期内其功耗很小，因此开关电源效率可以很高。

24、设PWM的占空比为D，若忽略元件的压降，当电感工作在电流连续模式时，输出电压和输入电压有如下关系：= (3-1)即有 Uo=Ui*D (3-2) 这种形式的变换器电路结构简单，元器件少，它将输入电压变换成较低的输出电压，同时这种电路的输出纹波也较小。（2）升压型（boost）拓扑 与buck拓扑不同，boost拓扑具备升压的作用，其电路结构如下： 图3-2升压式变换器的原件和降压式的一样，只是元件的位置有不同之处。其工作原理是：当开关管闭合式，输入电压加到储能电感L1两端，L1中的电流线性上升，同时D1截止，当开关管断开时，由于L1的续流作用，D1导通，L1通过D1向滤波电容C1和负载RL供电

25、。由于电感L1的一端连接到了输入电源，因此它的另一端电压将高于电源电压，从而达到升压变换的作用。设PWM占空比为D，忽略元器件压降，当电感电流连续时，根据L1电流的上升与下降情况，可以确立如下等式：= (3-3)即有 Uo= (3-4) 升压式电路由于具有升压作用，因此一般应用于低压电源电路中，为某些需要较高电压的电路提供升压。（3）极性反转式（buck-boost）拓扑前面所阐述的buck和boost拓扑分别具有降压和升压作用，如果希望同一个电路能按需要既能提供降压功能也能提供升压功能，那就是buck-boost电路，如图所示： 图3-3极性反转是拓扑因其输出电压反转而得名，它的电路元器件与

26、降压式和升压式相同，他的工作原理是：当开关管VT1导通时，输入电压Ui加在L1两端，储能电感L1中的电流线性上升，此时D1截止，当VT1截止时，电感L1通过D1续流，同时向滤波电容C1和负载RL供电，此时电容的下端为正极。若忽略元器件压降，设VT1导通的占空比为D，则输出与输入电压有如下关系： (3-5) 可见这种电路的输出电压范围既可低于也可以高于输入电压。以上三种拓扑电路由于输入输出有电路连接，称为非隔离式电源，下面将介绍两种隔离式开关电源。（4）正激式拓扑电路正激式拓扑可以构成隔离式电源，其电路基本原理图如下： 图3-4 隔离式拓扑都有隔离变压器，其电路也比非隔离电路要复杂一些，上图是正

27、激式变换器的基本电路结构，其工作原理是：当开关管导通时，变压器次级同名端感生出电压使D1导通，通过滤波电感L1向滤波电容C1和负载供电，当VT1截止时，滤波电感通过D2续流。由于变压器也需要续流，因此实际的正激式变压器还需要复位绕组向电源端续流。这种拓扑输出功率较大，不足之处是变压器结构较复杂，体积较大，输出端还需要LC滤波电路，因此使用范围较小。（5）反激式拓扑 反激式拓扑也可设计成隔离式电源，其基本电路如下： 图3-5 反激式拓扑与正激式相比较明显的区别就是高频变压器初次级绕组同名端的不同，从而在工作原理上有区别。他的工作原理是：当开关管导通时，由于感生电压反向，所以D1截止，初级绕组电流

28、线性上升，当VT1断开时，感生电压使D1导通，变压器储存的能量通过D1注入滤波电容C1和负载RL中。由于次级起到续流作用，因此变压器不用复位绕组，但由于能量不同步传递，所以变压器要储存较大能量，未了防止饱和，变压器磁芯要加上气隙。另外，反激式拓扑还可以省去输出电感，相比正激式拓扑节省了元件，降低了体积和重量，因此广泛应用于中小功率电源之中，不足之处是反激式电源的纹波相对于其它拓扑要大。 综合以上几种拓扑，考虑到LED驱动电路选用家用220V电源供电比较方便，从安全性方面考虑应该选用隔离电源，而反激式拓扑由于其成本低、可构成隔离式电源、电路结构简单等优点，成为本设计选用的电路拓扑。3.2高频变压

29、器一次侧电路设计 开关电源一次侧电路包含了输入保护、整流滤波、电磁干扰滤波器、开关管钳位保护电路等部分，这部分电路与交流输入和变压器一次侧相连接。本节将分别从输入整流滤波电路、电磁干扰滤波器电路和开关管嵌位电路阐述设计过程。3.2.1 输入整流滤波由于高频变压器是实现DC-DC变换的器件，因此要先将220V交流电整流滤波成直流电压输入变压器的一次侧。如图，可利用四个二极管加一个电容组成全波整流桥，其中四个二极管也可以用封装的整流桥代替。 图3-6整流桥的主要参数有反向峰值电压URM、正向压降UF、平均整流电流IF、正向峰值浪涌电流IFSM等。在交流输入为220±20%的情况下，可计算

30、出最大峰值电压UP=265*2=375V，一般取二极管最高反向耐压值URM=1.25*UP=468.4V，因此可以选用反向耐压为600V-1000V的管子。设开关电源的效率为70%，功率因数为0.6，则最大输入电流有效值为： IRMS=13.5mA (3-6)可见输入电流有效值最大也只有十几毫安，可采用额定值为1A的整流桥，本设计中采用整流桥KBP210G，其反向耐压高达1000V，整流电流也完全满足要求。开关电源的输入滤波电容的大小一般可以按经验值选取，对于220V等级输入电压的开关电源，其输入滤波电容值可根据输出功率按每瓦1-2uF的数值选取。在本设计中，由于输出功率为1W，因此选用2.2

31、uF的输入滤波电容，根据上面计算，交流输入的最大峰值为375V，因此选用的输入滤波电容耐压值为400V。最后为了限制上电瞬间的大电流，在输入线上串联一热敏电阻并加上一个压敏电阻吸收浪涌。3.2.2 EMI滤波器设计 随着计算机和家用电器等各种各样的电子设备的广泛使用，开关电源在家庭中的应用也已经广泛地普及，同时，电磁干扰也日益成为一种公害，因为它可以干扰一些电子设备让其无法正常工作。开关电源中的噪音频谱大致在10kHz到数十MHz之间，这些噪音一方面来自电网，另一方面则由开关电源产生。噪音干扰可以分为两种，则串模干扰和共模干扰，串模干扰存在于两电源线之间，共模干扰则存在于两条电源线于地线之间。

32、为了抑制这些噪音，目前广泛使用电磁干扰滤波器（EMI Filter），它能有效滤除电路中的电磁噪音，其结构如下图所示。 图3-7 如图，这是一级EMI滤波器的基本电路结构，共有五个端口。其中L1是共模电感，当出现共模干扰时，由于两线圈的磁通方向相同，经过耦合后电感迅速增加，电感量迅速增大，从而达到了抑制共模干扰的效果。C1、C2是X电容，用来滤除两输入线之间的串模干扰。C3、C4是Y电容，用来滤除两输入线对地的共模干扰。在这里根据经验指导值，L1采用47mH的共模电感，C1采用0.1uF的金属化聚丙烯薄膜电容器，这种电容具有耐纹波和低损耗特性，滤波效果很好，C2则采用0.01uF的高压陶瓷电容

33、，用来滤除更高频率的串模干扰。由于本设计中不含地线，因此省略了C3、C4这两个Y电容，由于共模电感的存在，依旧能很好地抑制共模干扰。3.2.3 漏感尖峰吸收电路 在反激式开关电源中，当开关管截止时，变压器一次绕组会产生尖峰电压和感应电压，尖峰电压是由于变压器漏感形成的。这两个电压与输入滤波直流高压一起叠加并连接到开关管上，因此必须设计钳位电路保护开关管。开关管漏极钳位保护电路可以有几种不同的电路方案，分别有由瞬态电压抑制器TVS和阻塞二极管组成的TVS、VD钳位电路，由阻容吸收元件和阻塞二极管组成的钳位电路R、C、VD，以及由阻容吸收元件、TVS和阻塞二极管组成的R、C、TVS、VD钳位电路，

34、这三种钳位电路的构成如下图所示： 图3-8 如上图所示，图a是由TVS和超快恢复二极管组成的钳位电路，VD1的作用是起到单向导电的作用，TVS类似稳压二极管，但具有很快的响应速度和吸收瞬间大电流的能力，从而起到对变压器一次侧电压高脉冲的钳位。图b采用了R、C阻容吸收电路与超快恢复二极管结合的方式，利用电容C2吸收瞬间电流，并通过R2释放。图c采用TVS与阻容吸收结合的方式。 上述三种钳位方案中图c的保护效果最佳，可以充分发挥TVS的快速响应特性和能承受瞬态高能脉冲的能力，因此选用图c钳位电路作为本设计的保护电路。其中R3为100欧姆电阻，C3为1nF高压瓷片电容。当开关管关断时，二次绕组对一次

35、侧的反射电压VOR=120V，经验证明，当TVS钳位电压UB=1.4*VOR时钳位损耗较小，因此TVS的钳位电压选用P6KE200，它的钳位电压为200V，因此能将开关管的漏极电压钳位在600V以下，而本设计中开关管可以承受700V高压，具有足够的裕量。3.3高频变压器设计高频变压器是利用电磁感应原理，将电能从一个电路传输到另一个电路的变换装置，在开关电源中属于核心的部件之一，也是开关电源设计的一项关键步骤。变压器只能进行交流的传输变换，而不能直接变换直流，它起到的是隔离、储能、变压等作用。在开关电源中，变压器设计的好坏直接影响到电源的整体性能参数以及安全性和可靠性，设计者必须从材料选择、磁通

36、密度、电流计算、导线绕制、漏感控制等多方面进行考虑，才能设计出性能良好的变压器。在此设计中，变压器为反激式变压器，要求工作频率132kHz,效率大于80%。3.3.1 变压器磁芯与骨架选定磁芯是高频变压器重要组成部分，合理选择磁芯类型与尺寸是设计高频变压器的首要步骤。高频变压器的磁芯材料一般使用软磁材料，开关电源对磁芯材料的要求有如下几点，分别是：1、具有高饱和磁感密度BS：当磁芯尺寸一定时，工作磁感密度越高，可传输的功率越大，所以同等功率下，较高的工作磁感密度可以减小变压器体积。 2、具有低铁损PC：要求磁性材料必须有低磁滞损耗、低涡流损耗。磁滞损耗是磁化过程中产生的现象，涡流则是由于交变磁

37、场产生的交变电势引起的欧姆损耗。 3、具有高磁导率：因为开关电源各绕组都具有一定的电感量，这个电感量与电源的功率等指标相关，当磁导率较高时，可以减少磁芯上绕的线圈匝数，从而减小变压器体积。 4、磁芯尺寸满足传输功率：磁芯尺寸大小直接决定其能传输的最大功率，因为磁感密度相等的条件下，较大的磁芯尺寸可以有更小的绕组匝数和电感量。 5、合理的变压器结构：变压器结构的好与否决定了其漏感、散热等问题，还可能影响生产成本，所以要有合理的变压器结构。磁芯材料种类繁多，性能指标各异，适用于不同的电源，下表是几种磁芯材料的一部分参数：表3-1 材料参数铁基非晶钴基非晶超微晶坡莫合金 铁氧体饱和磁感应强度BS/T

38、 1.5 0.57 1.25 0.75 0.50剩余磁感应强度Br/T 0.90 0.50 0.20 0.60 0.20初始磁导率ui/(GS) 8*104 10*104 8*104 8*104 2500电阻率p/(u*cm) 140 130 90 506*105目前应用最广泛的是铁氧体磁芯，它的优点是电阻率高、损耗小、成本低易加工，所以在开关电源变压器中广泛应用。铁氧体的不足之处是饱和磁感密度低、磁导率不高等以及温度特性不够好，但在新型材料获得广泛应用之前，铁氧体仍是主要的磁芯材料。本设计中变压器工作频率为132kHz,应选用PC40铁氧体材料，它的最高工作频率可达500kHz。磁芯形状方面

39、选择EE型磁芯，EE磁芯的漏感小、耦合性能也好，骨架使用4+3引脚骨架，这样手工绕制也方便。本反激式电源负载为1WLED，采用漆包线加挡墙的绕制结构。这个功率等级可选用的磁芯尺寸有EE16、EEL16、EE19、EEL19、EE20等磁芯，通过合理设计都可以避免磁芯饱和，本设计选用EE19磁芯。EE型磁芯的形状和尺寸的表示如图3-9所示： 图3-9设计中选用的EE19尺寸参数如表3-2所示： 表3-2类型尺寸(mm)A*B*CAe(mm2)Aw(mm2)AL(nH/N2)Le(mm) EE1919.1*7.95*5.023.00 54.04 1250.0039.40其中Ae是磁芯截面积，Aw是

40、窗口面积，AL是不加气隙时单匝的电感量，Le是磁路长度。3.3.2 变压器一二次电感值和气隙设计设计高频变压器时，与之相关的参数有：直流输入最小电压Vimin、最大电压 Vimax、输出电压Uo、输出功率Pi、输出功率Po、变压器效率、工作频率f、一次侧匝数NP、二次侧匝数NS、一二次匝数比n、一次侧电流峰值IP、一次侧电流有效值IPrms、二次侧电流有效值ISrms、工作最大占空比为Dmax、最大磁通密度Bm、磁芯气隙lg 。对于220V±20%交流输入，整流滤波后直流谷底约为Vimin=200V，最高直流电压约为Vimax =373V，且设在最低输入电压时变压器工作在电流临界模式

41、。设计变压器时首先确定反射电压VOR，对于低压小功率输出电源，反射电压可设置为120V，由于电源输出限压为4.3V，加上肖特基二极管的压降，变压器的额定输出电压能力设为4.5V。LED额定电流是350mA，留出一定裕量，设变压器输出电流能力为400mA，变压器效率设为80%。因此变压器最大输出功率Po=4.5V*400mA=1.8W，最大输入功率Pi=2.25W。则变压器的最大工作占空比为： (3-7)由于变压器效率关系，实际的占空比稍有上升，因此将最大占空比修正为Dmax=0.4。变压器的匝数比为 (3-8)在电流断续模式下，根据感应电压与线圈匝数的成绩等于磁通量对时间的变化这一电磁学定律，

42、可以得出关于一次侧线圈匝数NP的如下公式： (3-9)其中Bm是最大磁通密度，Ae为磁芯横截面积。次级匝数： (3-10)取次级匝数NS=8，则一次侧匝数NP=26*8=208。电流断续或临界模式时，变压器的输出功率有如下计算式：Po=0.5*Vin* IP*D* (3-11)于是可得一次侧最大峰值电流为： (3-12)有效值为： (3-13)除了式3-11外，输出功率Po还有如下表示方法： (3-14)因此，根据上式可以计算出变压器一次侧电感量为： (3-15)再根据一次侧电感量可以计算出反激式变压器的气隙大小为： (3-16)其中LP单位为uH，AL为1.25uH/匝2，是不加气隙时电感量

43、与匝数之间的关系，Ae的单位为cm2,根据计算结果气隙可取为lg=0.1mm。3.3.3 变压器绕制与漏感的控制 最后一步要进行的是变压器的绕制工作，对于EE19磁芯，其可进行绕制的幅宽为9mm,使用常规漆包线一般要在两边各留出3mm以上的距离以满足爬电距离，由于EE19的幅宽较小只有9mm,所以本变压器采用绝缘胶带在两边包裹漆包线的办法，即不留出爬电距离，但用绝缘胶带在两边包围漆包线以起到隔离作用。接下来是漆包线尺寸的选取，在上一小节变压器的设计中，已经根据式3-13计算出一次侧电流有效值IPrms=20.54mA,对于二次侧，其中的电流有效值为： (3-17) 对于小功率变压器，一二次侧绕

44、组的电流密度可取J=4A/mm2,因此变压器一次侧和二次侧漆包线的横截面积分别为： (3-18) (3-19)由于高频变压器频率工作在132kHz,会产生较为明显的趋肤效应，即电流分布在导线一定深度的表层附近。环境温度20°左右时，趋入深度为 (3-20)上式中d的单位是cm，因此最好不要使用直径大于2倍趋肤深度的铜导线，即不使用裸线直径在0.36mm以上的漆包线。经过上述计算后，同时考虑到便于手工的绕制，一次侧漆包线采用AWG制34号线，其裸线直径为0.16mm,裸线横截面积为0.0201mm2。二次侧漆包线采用AWG制27号线，其裸线直径为0.35mm,裸线横截面积为0.0962

45、mm2，采用一根0.35mm漆包线基本能满足设计要求，但考虑到漆包线应尽量填满一层，故采用两根直径0.35mm的漆包线并绕。对一次侧中的34号线，EE19的骨架大概每层可绕47圈，这里分5层绕制，每层约42圈，二次侧中的27号线，此骨架每层约可绕制23层，这里绕一层，采用双线并绕8圈。由于电源芯片TNY274在可省去偏置绕组，故为简化变压器，省去了偏置绕组。通过以上所有计算，最后工作是变压器的绕制，为了减小变压器的漏感，一方面应让漆包线尽量填满每一层，本变压器的绕制已基本达到了这点。另一方面应增强初次级绕组的耦合，于是采用一次侧漆包线分两部分绕制的办法，让次级绕组夹在中间，其中里面绕三层外面绕

46、两层，这也叫三明治绕制法，可有效减小漏感。另外为提高效率，采用Z字形绕制先去并在层间绕一层绝缘胶带以降低分布电容，可以有效提升变压器效率。3.4 变压器二次侧输出电路 反激式变压器的次级绕组输出首先经过输出二极管整流，然后经过电容滤波，下面是其中一种电路形式： 图3-10如图，D1是整流二极管，选用低压降的肖特基二极管MBR340以提高效率。并接的R1、C1是阻容吸收电路，用于吸收二极管产生的开关噪音。C2和C3是滤波电解电容，若取输出电压纹波为1%，即Uo=40mV，则输出滤波电容取值为 (3-21)所以C2和C3分别取330uF和22uF，而且应采用高频电解电容以降低电容中ESR的压降，进

47、而降低输出纹波。FB是磁珠，可抑制开关噪音等电磁干扰。R2用于断电后释放电解电容中的电荷，Rs是电流检测电阻，取值0.22。C4为104瓷片电容，用于吸收高频噪音。CY跨接于一次侧直流高压与二次地之间，选用1nF的高压瓷片电容，可降低共模噪音对一次侧控制电路的影响。上图不包括恒流反馈电路，对于恒流电源，需要通过Rs将电流信号转换成电压信号，并反馈到控制电路进行调整控制。反馈与恒流功能电路部分将在下一章作出详细的方案对比与分析选择。3.5 PWM驱动IC和开关管的选用PWM驱动IC是开关电源的核心控制器件，开关管则是功率回路中的核心器件之一，开关电源一般可采取两种方式，一种是PWM控制芯片与开关

48、管分离的方式，另一种则是将开关管集成于控制IC内，以下将分别作出介绍并讨论这两种方式在实际应用中需要注意的事项。3.5.1 驱动IC加开关管方式驱动IC与开关管分离的电路中，驱动IC中包含的是控制电路和功率驱动输出部分，常用的IC有UC3842、TL494等芯片，包括电流控制模式也有电压控制模式的器件。开关管主要有双极性晶体管(BJT)、场效应管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)，其中双极性晶体管工作频率较低，驱动功耗也较大，而场效应管和IGBT功耗较小，因此开关电源中用得最广泛，另外保存或使用场效应管的时候应注意避免栅极受到静电破坏，因此在实际选取开关管时应多注意这些细节。3.5.2

49、 开关管集成于IC的单片开关电源芯片 随着新型单片开关电源芯片的不断推出，开关电源已经广泛使用了这类芯片，它们具有高效节能、高度集成、低成本等优势。随着LED照明的发展，适用于LED驱动电源的开关电源芯片也越来越多，比如NCP系列、PI公司的TNY Switch系列、ST的VIPER系列等等。 经过比较选用TNY274单片开关电源作为本电源的控制芯片，它是PI公司推出的第三代微型单片开关电源产品，不但具有高效能高集成低成本等优点，而且还有强大功能，简化了外围电路的设计，下面两图分别是它的内部结构框图和它的基本应用电路图。 图3-11 图3-12图中TNY芯片的D引脚和S引脚分别是芯片内部集成的

50、700V的功率MOSFET管，此外还有EN/UV和BP/M两个引脚。EN/UV叫做使能/欠压引脚，这个引脚有两项功能：分别是使能信号输入端和输入欠压检测端，利用这个引脚可以控制功率MOSFET管的开关。当此引脚中拉出的电流大于某个阈值电流时，MOSFET管将被关断。当此引脚的拉出电流小于某个阈值电流时，MOSFET将被重新开启，阈值电流值在60 A到115 A之间。在EN/UV引脚和输入DC高压之间连接一个外部电阻可以检测输入电压的欠压情况，如果没有使用外部电阻，芯片会检测出这一情况并禁止输入欠压保护功能。 BP/M引脚叫做旁路/多功能引脚，主要由如下三个功能：1、连接一个外部旁路电容，用于生

51、成内部5.85 V的供电电源。2、用于开关管限流，根据所使用电容值选择电流限流值。使用数值为0.1 F的电容会工作在标准的限流点上。对于TNY275-280，使用1 F的电容还会将限流点降低到相邻更小型号的标准限流点上，使用10 F的电容则会将限流点增加到相邻更大型号的标准限流点上。3、提供关断的功能，在输入掉电时，当流入旁路引脚的电流超过5.5 mA时关断器件，直到BP/M电压下降到4.9 V之下。此外还可以从BP/M引脚连接一个稳压管到偏置绕组供电端以实现输出过压保护功能。对比以上两个方案，采用TNY系列单片集成开关电源芯片具有很高的性价比，能方便设置MOSFET的限流值，从而避免了因磁饱

52、和或短路等意外事件导致的开关管或变压器烧毁的情况，此外还能直接接收输出反馈回来的信号，简化了电路设计和电源的体积，所以最后选用TNY274作为电源芯片。第四章 反馈电路与恒流电路设计4.1输出线与反馈方式理论上恒流源不能开路，因此输出必须限压，当输出电压超出限压值时就将过压信号反馈到控制部分调节电压的输出，在此考虑的问题主要是输出限压的形式以及反馈的电路类型。4.1.1 限压精度与电路形式 输出限压电路从指标上看可以分为精准限压与一般精度的限压。稳压管的稳压电压用UZ表示其规格齐全，UZ可从3V到200V左右，而且价格便宜，因此广泛应用在开关电源输出稳压中，其稳压精度一般在5%。如果想获得更高的输出限压精度，可以采用运放或精密电压基准器件来实现，常用的精密电压基准器件有TL431、NCP100等。由于LED驱动电路是恒流电路，在恒流阶段，LED两端的电压与主要与LED的个体本身相关，因此只要将电路最高输出电压限制在一个大概的电压上就可以了。从成本