LED灯恒流驱动电源设计指导书

(圆满版)LED灯恒流驱动电源设计指导书(新)(圆满版)LED灯恒流驱动电源设计指导书(新)(圆满版)LED灯恒流驱动电源设计指导书(新)...LED高效恒流驱动电源的设计指导书第1章绪论1.1LED工作原理1.1.1LED发光原理发光二极管〔LED〕是一种将把电能变为光能的器件，发光二极管的主要部份是由p型半导体和n型半导体构成的晶片，在P型半导体中，空穴据有绝对地位，而在N型半导体中电子占绝大部分。在这二者之间是p-n结。的大概工作过程是一个电变光的过程，当LED的p-n结由外面电路加上正向偏压时，P区的正电荷将向N区扩散，同时N区的电子也向P区扩散，电子与空穴联合此后开释能量，一局部能量由光的形式发散出来，这就是发光的原由。不一样样大小的能量水平的差别，频次和波长的光的不一样样，相应的光的颜色是不一样样的，这即是LED发光原理。1.1.2LED光源的特色1超低能耗比起传统的白炽灯为首的白炽灯，最少节俭20%以上的电量，节俭了资源。2超长寿命传统的节能灯的寿命是2000~8000小时，而LED照明灯寿命可达5万~10万小时。3响应时间短LED灯的响应时间比传统的照明灯快几个数目级。4工作电压低LED的驱动电源既能够是高压电源又能够是低压电源，比较传统的照明灯，它更为适应电压的变化，电压发生变化的时候不简单破坏。5绿色环保符合欧盟标准，不会造成环境污染，并且LED能够被回收利用。6坚固靠谱LED圆满封装在循环氧树脂里面的LED，它比传统照明灯更为坚固不易破坏。7不招蚊虫因LED用二极管发光技术，使用的冷光源，所以不招蚊虫。8自选颜色能够经过不一样样的设计以及电流的大小来改变LED的颜色。如小电流时为红色的LED，跟着电流的增添，能够挨次变为橙色，黄色，最后为绿色。目前白色LED发光效率已经打破120LM/W，是白炽灯15LM/W的8倍，是荧光灯50LM/W的2倍多。LED的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以有害辐射小。在散热优秀的状况下，LED的光通量半衰期大于5万小时以上，能够正常使用20年，器件寿命一般都在10万小时以上，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍。这类灯具拥有特别好的节能长寿命特色，跟着白色LED价钱的不停降低，LED照明灯不单在节日彩灯装修中宽泛应用，并且渐渐延长到路面照明、民用照明等低照度要求的领域，全面进入适用化，并且在环保方面荒弃物能够回收，没有荧光灯的汞污染问题，是国家要点张开的继白炽灯、荧光灯今后的第三代照明家产。......LED驱动电源原理以以下图为超高亮LED的特色伏案特色曲线，即正向电流(IF)和正向压降(VF)的关系曲线，由曲线可知，当正向电压超出某个阈值，即平常所说的导通电压今后，可近似以为，IF与VF成正比。表中是目前主要超高亮LED的电气特色。目前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF平常为2～4V。〔图1〕因为LED的光特色平常都表述为电流的函数，而不是电压的函数，〔图2〕是光通量(φV与)IF的关系曲线，所以，采用恒流源驱动能够更好地控制亮度。其余，LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上)，而由〔图1〕中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会惹起较大的，IF变化，进而惹起亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不可以够保证LED亮度的一致性，并且影响LED的靠谱性、寿命和光衰。所以，超高亮LED平常采用恒流源驱动。〔图2〕〔图3〕是LED的温度与光通量(φV)关系曲线，由〔图3〕可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而-40℃光阴输出是25℃时的倍。温度的变化对LFD的波长也有一些影响，所以，优秀的散热是LED保持恒定亮度的前提。〔图3〕是LED的温度与光通量(φV关)系曲线。......〔图3〕一般LED驱动电路介绍因为遇到LED功率水平的限制，平常需同时驱动多个LED以知足亮度需求，所以，需要专门的驱动电路来点亮LED。下边简要介绍LED见解型驱动电路。阻限流电路如〔图4〕所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。〔图4〕式中：Vin为电路的输入电压：IF为IED的正向电流;VF为LED在正向电流IF时的压降;VD为防反二极管的压降(可选);y为每串LED的数目；x为并联LED的串数。由上图可得LED的线性化数学模型为：式中：Vo为单个LED的开通压降;Rs为单个LED的线性化等效串联电阻。那么上式限流电阻的计算可写为：......当电阻选定后，电阻限流电路的IF与VF的关系为由上式可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压颠簸时，经过LED的电流也会跟从变化，所以调理性能差。其余，因为电阻R的接人损失的功率为xRIF，所以效率低。线性调理器介绍线性调理器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFFET作为一动向可调电阻来控制负载。线性调理器有并联型和串联型两种。〔图5〕a所示为并联型线性调理器又称为分流调理器(图中仅画出了一个LED，实质上负载能够是多个LED串联，下同)，它与LED并联，当输入电压增大或许LED减少时，经过分流调理器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使经过LED的电流保持恒定。因为分流调理器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的状况下很难做到恒定的调理。〔图5〕b所示为串联型调理器，当输入电压增大时，调理动向电阻增大，以保持LED上的电压(电流)恒定。〔图5〕因为功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，所以，输入的最小电压必然大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。开关调理器介绍上述驱动技术不单受输入电压范围的限制，并且效率低。在用于低功率的一般LED驱动时，因为电流只有几个mA，所以耗资不显然，当用作电流有几百mA甚至更高的高亮LED的驱动时，功率电路的耗资就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换中效率最高的，能够抵达90%以上。Buek、Boost和Buck-Boost等功率变换器都能够用于LED的驱动，但是为了知足LED的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反响控制。〔图6〕(a)为采用Buck变换器的LED驱动电路，与传统的Buek变换器不一样样，开关管S移到电感L的后边，使得S源极接地，进而方便了G的驱动，LED与L串联，而续流二极管D与该串联电路反并联，该驱动电路不单简单并且不需要输出滤波电容，降低了本钱。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低也好多个LED串联的场合。......〔图6〕(b)为采用Boost变换器的LED驱动电路，经过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值，实此刻低输入电压下对LED的驱动。长处是这样的驱动IC输出能够并联使用，有效的提高单颗LED功率。〔图6〕(c)为采用Buck—Boost变换器的LED驱动电路。与Buek电路近似，该电路S的源极能够直接接地，这样方便了G的驱动。Boost和Buck-Boosl变换器固然比Buck变换器多一个电容，但是，它们都能够提高输出电压的绝对值。所以，在输入电压低，并且需要驱动多个LED时应用好多。〔图6〕第2章开关式恒流驱动电源原理分析2.1LED驱动方式常有的LED驱动方式有以下三种：阻容降压、间隔反激以及原边调理方案。此中阻容降压式电路简单，本钱低，但效率低，调理精度差，已被裁汰。目前主要采用的是开关电源方式的间隔反激以及原边调理方案。开关式稳压电源的根本工作原理开关电源是经过控制晶体管的导通与截止的时间或频次，以抵达坚固输出电压的一种电源。比较线性电源，拥有效率高、体积小、重量轻、适应电网电压范围宽等长处。开关式稳压电源的控制方法能够分为脉宽调制〔PWM〕方法和频次调制〔PFM〕方法两种，在我们实行的工作和使用中，根本上都是用脉宽调制式开关稳压电源。就当下的开发和设计的开关电源集成电路中，八成以上都是采用脉宽调制型。所以接下来我们就主要介绍脉宽调制式开关稳压电源。脉宽调制式开关稳压电源的根本源理可拜见以以下图：......图2-1开关电源根本源理从上图所示的单极性矩形脉冲能够看出，单极性矩形脉冲的宽度决定了U0的值，假如脉冲的宽度加宽，那么相应的直流电压也会增添。Uo可用以下公式计算得出结果：Uo=T1/T×Um=DUm此中T1是矩形脉冲宽度，T为该矩形脉冲周期，Um是矩形脉冲的峰值，D为占空比。从上边的公式我们能够得出结论，Uo能够经过调理D实现坚固。AC/DC开关式稳压电源的原理图2-2开关电源原理电路沟通电压AC经过整流电路和滤波电路整流滤波后，含有脉动成分的直流电压，电压被开关变换器变换成方波电压，这个方波电压被调宽〔或调频〕后，再经整流滤波后成为我们所要求的DC。脉冲宽度调制局部的电路，包含抽样器、比较器、振荡器、脉宽调制、参照电压电路等等。反激式概括反激式(Flyback)变压器，英文名称：FlybackTransformer。变压器也称之为变换器、变换器。反激式是指当初级线圈被变压器的直流脉冲电压激励时，负载没有变压器次级线圈供给的功率输出；只有当断开变压器初级线圈的激励电压时，负载才会有功率输出。这就是反激式开关电源。图2-3反激式开关电源工作原理反激式变压器有以下几点长处:1.变换的效率高，2.变压器匝比Nps数值小3.电路简单，体积小，节约本钱。反激式开关电源的工作过程......以上图所示的电路为例，我们来分析一下反激式的工作原理。当三极管VT导通的时候，即左边电路构成通路，初级线圈绕组Np上有电流流过即Ip，并且开始积蓄能量。从图中能够看出，初级线圈Np和次级线圈N2的极性是相反的，二极管反偏截止，能量也就没法进行传达，进而没法抵达负载。而当三极管VT截止的时候，分析跟上述相反，二极管正导游通，能量抵达负载，I0流过负载。其过程的波形图以下：图2-4波形图反激式开关电源的工作方式反激式变压器的工作方式大概有以下两种：其一是本次设计采用的工作方式，那就是DCM工作方式，即是电感电流不连续模式，其二是CCM工作方式，即便电感电流连续模式。1.CCM(ContinuousInductorCurrentMode)，就是周期内开启时间所获取的能量在反激的时间里部份或者说不圆满的传给输出端。2.DCM(DiscontinuousInductorCurrentMode)，就是周期内开启时所积蓄的能量在周期内的反激时间完全或许说是所有流到输出端。图2CCM与DCM工作模式波形图。原边反响概括2.3.1PSR〔PrimarySwitchingRegulator，原边开关调理〕控制原理......近两年因为PSR线路简单，本钱低，所以在充电器，LED驱动应用方面相当流行。先说说CV操作模式，此刻全局部芯片都是直接取样协助线圈上电压，因为漏感的原由，在MOS关断后，也就是次级二极管导通瞬时，会产生一个尖峰，影响电压采样，为了避开个这个尖峰，全局部厂家都是采用延时采样，也就是在MOS管关断一段时间后再来采样线圈电压。进而避开漏感尖峰。PI是在高压开关关断μｓ采样。这类采样方式其实在从前好多芯片上的过压保护上也都有应用，比方OB2203和UCC28600，NCP1377上都有这样的应用，所以能够获取较高精度的过压保护。还有些厂家是在下取样电阻上并一个小容量的电容来实现。同时建议大家汲取电路使用恢复时间约只有2us的IN4007再串一个百欧左右的电阻作汲取。能够减小漏感产生的振铃，进而减小取样偏差。获取较高采样精度。次级圈数固定，协助绕组固定，取样精度高。比较器内部精度也高，自然能够获取较高的输出电压精度。图片截自NCP1377规格书。因为输出电流Io是次级电流〔以以以下图的三角形〕在一个工作周期的均匀值，所以Io=(Td/T)*Ipsk/2,其中T为工作周期。由安匝均衡条件，Np*Ipk=Ns*Ipks，所以Ipks=Np*Ipk/Ns,将Ipks=Np*Ipk/Ns代入Io=(Td/T)*Ipsk/2，获取：Io=(Td/T)*〔Np*Ipk/Ns〕/2。......由上式能够看出，Np,Ns为常数，只需固定Ipk和Td/T，就能够获取固定的电流输出，即恒流〔CC〕输出。市道上好多IC固定Ipk的方式是限制初级MOS取样电阻上的峰值电压，同时为了防备寄生电容在导通时产生的电流尖峰，会参加一段消隐时间。Td/T是由IC内部固定的。OB企业的是〔它是给出Td同频次的关系〕，BYD的1508是直接给出。仙童的没有直接给出1317没直接给出这个值，而是给出了一个计算初级电流的公式。也是间接告诉了Td/T。COP8155也是这样，经过计算。在CC时，在不一样样输出电压状况下，工作在PFM模式以保证固定的Td/T而实现坚固的输出电流。这就是实现恒流的根本源理，输出电压变化时能保证电流不变。只需保证IC的Td/T的精度，以及初级峰值电流的限流精度就能够获取较高的输出电流精度。这两局部根本上取决于IC。取样电阻保证１％是没有问题的。关于PSR对电感量赔偿的原理，当电感量低出设计正常值时，要抵达相同的峰值电流需要的时间就短了，Δt=L*ΔI/V,ΔI在DCM模式时等于峰值电流，而峰值Ipk电流是固定的〔见上述〕。V就是Vin,为常数，所以L低会造成Δt降落，也就是Ton〔Δt=Ton〕降落。依据伏秒均衡，Vp*Ton=Vs*Td,得Ton=Td*Ns/Np,Np,Ns为常数，Ton的降落相同也造成Td降落。因为Td/T为固定值，Td降落造成T变小，所以频次就高升了。但是因为有最高频次的限制,所以设计时要注意在最重担载时，频次不可以够工作在最高频次，这样电感量的变化将得不到赔偿〔经过调理频次〕。应适合低于最高工作频次。电感量超出正常值时，结果自然是相反的。Io=(Td/T)*〔Np*Ipk/Ns〕/2。只需Ipk,Td/T不变，输出电流也就不变。所以电感量变化惹起的是频次的变化。从公式P=1/2*L*I2*f也能够看出。I固定，输出功率不变，L的变化惹起的是频次f的变化，但必然要注意最高工作频次限制。同时该公式还说明，I固定，f随P减小而减小，进而能够减小电源的待机功耗，但要注意最低的频次要大于可闻频次〔20KHz〕，免得变压器产生可听到的“吱吱〞噪声。初级调理原理我们能够经过联合下边的原理图来进行分析。负载的任何改变我们都能够经过协助绕组(NAUX)的电压变化来监控。我们用控制器打开MOS管。使其导通今后，初级绕组线圈电流I从0线性上升到ipeak,其公式为iVinpeaktLpon〔2-1〕这个过程中初级绕组NP已经把能量积蓄起来了，而当我们让MOS管封闭今后，在初级绕组里面积蓄的能量将会发生转移，这个时候次级绕组线圈开始接受来自初级绕组的能量，能量挪动的过程就这样达成了。此后能量经过整容滤波电路今后，就能够加载到输出端上.图2-5原边反响原理图......2PSR电源的CV/CC工作区间PSR电源的次级侧工作区间以以以下图所示。电源启动后，在没有抵达设定的恒流电路从前，输出电流随着输出电压的增添而增添〔线性区〕；当抵达恒流调理状态〔恒流区〕时，经过调理输出电压赔偿LED压降的温漂变化，使流过LED的电流保持恒定；当输出电压抵达必然值时，将保持不变〔恒压区〕。在没有副边电压和电流检测的时候采用原边控制的方法能够抵达精准的恒压/恒流控制的目地.图1是第3章BP9022工作原理及技术参数3.1BP9022概括及原理该BP9022控制器在开关模式电源应用宽泛。其高度集成的功能，比方在欠压锁定〔UVLO〕，前沿消隐〔LEB〕和内置电缆赔偿供给用户高效率和低本钱的解决方案AC/DC电源的应用程序。BP9022电源能够迅速动向负载响应。BP9022的待机电流略高，当进行LED优化了应用的时候。其余，BP9022拥有丰富开路保护、过压保护、温度保护，以除去外面保护电路，并供给靠谱的操作。BP9022供给SOP8封装。典型应用电路〔以以下图所示〕......引脚功能BP9022引脚功能BP9022内部工作框图图3-3BP9022内部框图......应用信息BP9022A是一款专用于LED照明的恒流驱动芯片，采用专利的恒流架构和控制方法，芯片内部集成650V功率开关，只需要很少的外面组件就能够抵达优秀的恒流特色。采用了原边反响技术，BP9022A

无需光耦及TL431反响，也无需协助绕组供电和检测，系统本钱极低。启动系统上电后，母线电压经过启动电阻对VCC电容充电，当VCC电压抵达芯片开启阈值时，芯片内部控制电路开始工作。BP9022A内置17V稳压管，用于钳位VCC电压。芯片正常工作时，需要的VCC电流极低，所以无需协助绕组供电。恒流控制，输出电流设置芯片逐周期检测变压器原边的峰值电流，CS端连结到内部的峰值电流比较器的输入端，与内部400mV阈值电压进行比较，当CS电压抵达内部检测阈值时，功率管关断。变压器原边峰值电流的计算公式为：此中，RCS为电流采样电阻阻值。CS比较器的输出还包含一个500ns前沿消隐时间。......LED输出电流计算公式为：此中，NP是变压器主级绕组的匝数，NS是变压器次级绕组的匝数，IP_PK是主级侧的峰值电流。工作频次系统工作在电感电流断续模式，无需环路赔偿，最大占空比为42%。介绍芯片最大工作频次为120KHZ。芯片限制了系统的极限最小工作频次，以保证系统的坚固性。工作频次的计算公式为：此中，Lp是变压器主级侧电感。过压保护电阻设置......开路保护电压能够经过ROVP引脚电阻来设置，ROVP引脚电压为。当LED开路时，输出电压渐渐上涨，退磁时间变短。所以能够依据需要设定的开路保护电压，来计算退磁时间Tovp。此中，Lm是原边电感量Vcs是CS关断阈值〔400mV〕Nps是变压器的原副边匝比Vovp是需要设定的过压保护点此后依据Tovp时间来计算Rovp的电阻值，公式以下：保护功能BP9022A内置多种保护功能，包含LED开路/短路保护，CS电阻短路保护，VCC欠压保护，芯片温

度过热调理等。当输出LED开路时，系统会触发过压保护逻辑并停止开关工作。当LED短路时，系统工作在5KHz低频，CS关断阈值降低到200mV，所以功耗很低。当有些异样的状况发生时，比方CS采样电阻短路或许变压器饱和，芯片内部的迅速探测电路会触发保护逻辑，系统立刻停止开关工作。系统进入保护状态后，VCC电压开始降落；当VCC抵达欠压保护阈值时，系统将重启。同时系统不停的检测负载状态，假如故障消除，系统会从头开始正常工作。过温调理功能BP9022A拥有过热调理功能，在驱动电源过热时渐渐减小输出电流，进而控制输出功率和温升，使电

源温度保持在设定值，以提高系统的靠谱性。芯片内部设定过热调理温度点为150℃。PCB设计在设计BP9022APCB板时，需要依据以下指南：旁路电容VCC的旁路电容需重要靠芯片VCC和GND引脚。ROVP电阻开路保护电压设置电阻需要尽量凑近芯片ROVP引脚。地线电流采样电阻的功率地线尽可能短，且要和芯片的地线及其余小信号的地线分头接到母线电容的地端。功率环路的面积减小功率环路的面积，如变压器主级、功率管及汲取网络的环路面积，以及变压器次级、次级二极管、输出电容的环路面积，以减小EMI辐射。NC引脚NC引脚必然悬空以保证芯片引脚间距离知足爬电距离DRAIN引脚增添DRAIN引脚的铺铜面积以提高芯片散热。第4章3W的LED灯驱动设计计算3WBP9022方案LED恒流驱动电源......BP9022LED恒流驱动电源原理图4.2系统设计方法〔公式〕设计顶用到的参数以及表达方式：Vac-min：沟通最小输入电压；Vac-max：沟通最小输入电压；Vdc-max：母线输入电压最大值；C1：主输入电容的容值；T：开关管工作周期；f：开关管工作频次；FL：沟通输入电压频次；Ton：功率三极管开通时间；Tdis：输出电感放电〔去磁〕时间；Lp：初级电感量；Ls：次级电感量；Ipk：初级电流峰值；Ipks：次级电流峰值；Np：初级线圈匝数；Ns：次级线圈匝数；Nps：首次级线圈匝数比；Vo：输出电压；Io：输出电流；VD：输出二极管的正向压降；Vs：Vo与VD之和；：变压器变换效率；K：芯片内部设定的比率参数；Rcs：初级电流采样电阻；......Vcsth：Rcs上电压的限制值；D：占空比。条件：沟通输入电压：Vac-min=85V，Vac-max=264V输入沟通电压频次FL=50KHz系统工作频次f=60KHz输出功率：Po=3WLED个数：3/0.5=6输出：，取10V，〔2并3串〕工作电流：=75%D：平常取设计过程：本次设计采用面积相乘法(AP)来对变压器进行设计。依据设计的要求，采用EE型磁芯。AP法选择磁芯的公式以下〔1〕PO410KDKBfAP=AwAe=(见参照文件[3])Wjms=表4-1磁芯规格在上式中：AW为磁芯窗口面积，单位为2cm，Ae为磁芯截面积，单位为2cm；......Kw为窗口有效使用系数，Kj为电流密度，一般取J=200～600A/cm2；B为磁芯工作磁感觉强度，单位为T，一般为。m依据求得的AP查磁芯规格表，选择适合的磁芯。为了使磁芯的窗口有效使用系数较高，尽可能选择窗口长宽之比较大的磁芯。并且还可以够减小漏感。依据，从上边的磁芯规格表中查出的磁心规格为EE10。，。1最低母线输入电压Vdc-min2Vac_min22VOIO〔*2Cbulk1FLT〕C〔4-2〕=最大输入母线电压为：Vdc2V_maxac_max〔4-3〕=2确立最大匝数比系统在任何条件下都工作在不连续电流模式(DCM)，那么应当知足：TTonTdis〔4-4〕经过公式推导，能够转变为NpsVdc_min〔2KVO-1VOVD)〔4-5〕选择Nps=3计算初级尖峰电流Ipk和电流采样电阻RcsKI4oI〔4-6〕pkN6psRcsVcsthIpk〔4-7〕4确立