基于l6562的60w带pfc的led灯驱动电源设计Word格式文档下载.docx
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本设计最终能实现功率因数0.9以上,输出功率达60W,同时效率达到85%的基本要求。
关键词:
反激式;
开关电源;
L6562;
高功率因数;
LED灯;
BasedonL6562single-endedflybacktypePFCLEDdrivepowersupplydesign
Abstract
AccordingtotherequirementsoftheLEDlamphighfrequencyswitchingpowersupplydesign,thesingle-endedflybacktypehasbeendesignedthestructureoftheactivepowerfactorcorrectionconstantflowpressurelimitingfeedbacktheLEDdrivepowersupplycircuit.Drivingpowersupplyofratedpoweroutputof60w.CorrectionofdrivepowersupplycontrolchipusingL6562,L6562workincriticalconductionmode.Single-stageflybacktypestructurenotonlyhasrealizedthehighpowerfactorcorrection,alsocompletedthelevelDC/DCbuckandhighandlowvoltageisolationfunction.DrivercanprovidetheLEDconstantcurrentpowersupply,theLEDlampcansteadyglow.
Inviewofthesingle-stagePFCflybackswitchpowersupplytransformernotonlyrequiresthePFCinductanceenergystoragefunction,butalsocanachievethefunctionofcountertypetransformerisolationstep-down.Sotheinductanceoftheprimarystructureofthespecialdesign.Thispaperillustratesthedesigncriteriaandcalculationofthetransformer.Designcanletthesingle-stagePFCflybackswitchpowersupplytoworkproperly,atthesametimehashightransmissionefficiencyoftransformer.
ThedesignoftheflybacktypeclampingwayisusedinthecircuitRCDclamp,RCDclampcircuitcaneffectivelyreducethepowersupplyEMI.CircuitisusedtoswitchdevicesinMOStube.Thisdesigncaneventuallyrealizethepowerfactorabove0.9,theoutputpowerupto60w,atthesametime,thebasicrequirementofefficiencyreached85%.
Keywords:
FlybackSwitchingpowersupplyL6562High
power
factor
第一章引言
1.1课题背景与来源
爱迪生在20世纪发明了白炽灯,白炽灯颠覆人类文明几千年日出而作,日落而息的传统作息观念。
这一伟大发明我们不能否认,但是随着世界文明的的进步,电子的科学技术也得到飞跃的发展,所以照明的科学技术也得到快速的发展。
到现在的21世纪的今天白炽灯已经慢慢的灾和我们告别,新的照明系统慢慢的统治整个社会,发光二极管最终会替代白炽灯和荧光灯。
在现在世界能源枯竭问题日益严重的背景之下
,生活生成中的能源成本也在日益的上升,再这样的背景之下,白炽灯就站在了不节能的一边,一个白炽灯消耗的能源有97%是白白浪费掉的,而荧光灯也只是比白炽灯好一点点,荧光灯同样也存在85%的能量是别白白浪费掉的,荧光灯的平均寿命大概在5000个小时左右,而且荧光灯还得使用有毒的水银制作灯管,发出来的光也是很粗超的。
白光LED灯相比于白炽灯是荧光灯,LED的寿命是前者是10倍,也不含有毒物质,同时还能发出任何颜色的光
。
推动内需更好的发展中国的内部经济,同时解决中国就业紧张,缓解社会的各方面矛盾。
在这样的一个背景之下启动“十城万盏”、“千里十万”、“绿色照明示范城市”等等一些列有关绿色照明的活动项目。
这些活动不仅仅带来就业发面的职位,更加重要的就是推动中国照明行业往绿色,环保,无污染方面发展。
为这一伟大的行业中国发改委发布了《半导体照明节能产业发展意见》。
在自身前景宽广,性能突出的LED灯照明系统,加上政府的关心和扶持,使得LED灯照明系统得到质的飞跃,慢慢开始步入社会,成为社会比较成熟的照明系统。
据不完全统计,中国每年LED路灯的需求是300万盏,每年都超多120%的增长率。
又此可见,LED灯即将得到广范围的使用和推广,将人类的照明技术推上一个新的台阶。
1.2课题意义
我国人口数量非常庞大,占据着世界四分之一的人口。
人口虽多,但是资源的占有却非常的稀少,国民的人均资源就更加的稀缺。
能源是我们发展的动力,我们的衣食住行都没有办法离开能源,不同的行业做着不同的生产,都必须依赖于能源,在这样的背景之下。
节约能源成为我们唯一途径。
在照明行业之中也必须坚持往节约能源、减少污染充分发挥我国的劳动力资源。
LED照明行业有着巨大的市场潜力。
世界各国的政府都在政策和资金上支持和鼓励。
节能、高效的、安全的恒流源驱动开关电源的研制将极大的提高我国在LED照明产业上的竞争力。
LED照明行业的蓬勃发展,是依靠高效的LED恒流驱动电源的支持。
白光一般的LED照明需要连接220V市电供电。
国内市场驱动LED灯的两大方式是使用恒压控制加限流电阻或者用驱动芯片来设计满足恒流开关电源去驱动LED灯。
设计用传统的恒压电源控制芯片来实现恒流的功能,这样的设计将大大的降低成本,减小体积,提高效率,同时设计也更加的灵活,提高国内LED照明产业的世界占有率。
传统开关电源大多实现恒压控制的,恒流电源属于特种电源,随着LED照明的迅速发展,这促使了恒流电源成为常规的电源。
因为恒流控制理论和技术方面的研究相对较少,所以恒流驱动方式提供了研究开关电源的新视角
1.3本论文的主要工作
本文通过对开关电源理论知识的深入分析和研究。
一理论知识为基本的指导思想,去设计一款可以额定输出60W的LED灯驱动器。
在设计的过程中不停的研究电源的寿命,同时分析造成电源寿命改变的原因进行深入的研究分析,在设计中做到如何去造成做到尽可能的避免改变电源寿命的不良因素的的出现。
不同的系统有不同的要求,依据实际的设计要求去设定一个电源系统的总体框架和详细输出和输入参数。
对整个系统中的各个模块做出详细的推导计算和验证。
有了理论的基础之后,在这个理论结果的基础之上进行实际的实验板验证,对验证过程中出现的问题进行修改,通过不断的优化设计,最后设计出合格的驱动电源方案。
本文章节安排如下。
(1)介绍分析LED驱动电源的技术水平,确定自己的研究方向。
(2)分析介绍开关电源中使用到的一般电路拓扑。
(3)设计总体的框架方案,设定了系统的总体参数,明确各个模块部分的设计方案。
(4)设计了60W电源系统的主体电路。
(5)制作实验板验证设计方案,分析各项参数,得出最终设计结论。
(6)对全文的总结和展望。
第二章LED灯的特点与驱动方式
2.1LED与传统光源的差别
(1)LED灯的发光效率极高,所以其功耗也是极小的。
普通的白炽灯和钨灯的效率也就约为12-25lm/w,荧光灯好一点也就是50-130lm/w
这两类10%的灯发射的能量的转换率是人难以接受的,这样低的转换率就造成了记起的浪费。
然而300lm/w的光效是其他照明系统无法替代和胜出的,就是说LED灯的光效是前两种的10到15倍
LED灯无论是从灯光的颜色还是和光谱看,它都远远胜于其他光源,这也是LED的突出优势。
(2)LED灯的寿命也是很长的。
一般的LED灯都会超过十万个连续点亮小时。
相对于使用钨丝发热从而发出光源的白炽灯而言好很多了。
在机械结构中LED灯的也有突出的优势,非玻璃结构远远安全过玻璃结构。
由此可见LED灯的工作使用寿命不是白炽灯和日光灯的工作使用寿命长可相比的。
(3)LED安全环保性能突出。
其不含汞元素,驱动方式是直流电,没有频闪问题,用在照明场合更有利于保护人的视力。
而且其电路故障也很低,很适合用于现代的电子产品中。
再液晶屏幕中这个优秀的性能就更加突出了。
(4)LED的体积小也是其一大优点。
LED灯已经颠覆了普通传统照明的系统的样子,其体积可以其节能的特性,使得它基本成为电子产品照明发光的首选
给我们的生活带了无限的精彩和快乐。
小到人的肉眼都无法发现为止。
在移动设备引领,LED解决了其他照明体积庞大的短板。
2.2LED的发光原理
LED的来源于英文LightEmittingDiode的缩写。
在中文中称之为发光二极管。
在结构材料中看它是一种半导体结构器件,由此其基本特性与普通二极管的特性差不多
在PN的结构中,当PN结两端处在正向压降时,它会强制的把N区内的电子就会推向了P区,被强制推过去的电子会与P区内的多数载流子复合,在复合时就会产生多余的能量,而这些产生多余的能量不能被消耗就只能以光能的形式释放出来外界,实现把电能转化为光能,LED也就是一个PN节。
从二极管的原理之中可以知道,如果PN节两端的电压是反向电压,这个反向电压就会把电荷区家得很宽阻止电子的转移,PN节不导通,灯不发光。
经过无数人的研究发现发光的波长与材料有关,材料的能隙Eg(单位为电子伏(eV))
式中v是电子速度;
h为普朗克常数;
q为载流子所带电荷;
c为光速;
为波长。
如果想要产生波长为380~780mm的可见光,在半导体的Eg应该再1.63到3.26eV之中。
如下图2-1和图2-2。
图2-1照明LED灯图2-2指示LED灯
2.3LED的特性
LED作为照明电源的材料,其主要的光学特性、电学特性和热学特性就成为我们研究和关注的内容。
LED的主要光学特性参数为:
光通量、发光效率、发光强度、光强分布和波长。
光通量就是波长为360nm到380nm之间的光源所辐射的总能量
光通量的单位是流明(lm)。
光通量和耗电功率的比值决定了发光效率的强弱,发光效率的单位是流明/瓦(lm/W)。
发光强度是指从一个特定方向上的发光强弱的大小,因为指定不同的角度,就会有不同的空间角度,LED灯光强差别就会很大。
须研究LED灯不同角度的发光强弱的分布特性。
知道LED灯的发光强弱分布特性之后我们就能依据这个特性,设计计算出LED灯的最大照射角度了。
2.4伏安特性
不同LED灯芯PN结性能就存在不同的伏安特性,伏安特性就直接衡量了PN结的性。
非线性和单向导通性是PN结最主要的性能。
只有PN节外加的电压是正向电压时LED灯才表现为低电阻态,反之为高电阻。
伏安特性有一大不确定性,就是同批次的灯,展现出来的特性也是不完全相同的。
在恒定的电压驱动的前提条件下,相同批次不同的LED的正向电流不同大小值不一样。
在LED导通后,只要外加电压稍微的变动一下,都将引起LED电流的突变化。
在正向工作区,工作电流If与外加电压呈指数关系
:
式中的
表示反向饱和电流,
是正常时的导通电流值。
2.5LED的允许功耗P
假设
为流过LED的电流值,
为LED的导通压降,LED的总功耗为
当LED工作时PN节内一部分的的载流子会和电子复合发出光子,当然没有转化为光子的载流子就会复合变成热量,这些热量会让LED的结温度升高
热量总是从高温往低温传递,当外部的温度和LED的节温存在温差时,灯上面的热量就会通过特殊的散热结构基座往外环境传递热量,以此来降低灯内部的温度。
在设计大功率的照明灯是都必须设计好散热器,用来加快向外面释放热量,降低LED的温度保护LED灯,使他的寿命更加长。
2.6LED的时间响应特性
响应时间是衡量LED的反应速度,反应时间越短就说明灯的反应时间越短,灯的质量就越好。
研究LED的响应特性很重要,我们知道他可以用在设计驱动器时去避免一些频闪问题。
特别是在对频闪要求严格控制LCD显示应用场合。
如图下图所以是LED的响应特性图。
灯的点亮响应时间又自己的特殊定义,LED的亮度从正常亮度的10%到90%的这段时间就为做LED的点亮响应时间。
同样的灯的熄灭响应时间也有自己定义,当LED从正常亮度减弱到10%的这段时间长度称之为LED的熄灭响应时间
LED的响应时间包括LED的点亮时间和熄灭时间。
在现在智能化的系统光源中,响应时间就成评定一套光源系统性能优良的重要数据之一了,不同的LED的制作工艺和不同的材料特性都会得到不用的响应时间如图2-3。
图2-3LED灯响应特性图
2.7LED灯的光源问题
由于受到散热的问题影响,单颗LED的功率都做不大。
一般场合的照明功率要求远比单颗灯的额定功率大得多。
在一些特殊的照明场合可以使用单颗LED灯来照明。
但在一些要求大功率的照明场合单颗就不能满足了,所以就必须把多颗LED同时使用才能达到照明的要求。
所以市场上更多卖的是多颗LED灯块,厂家把很多个小功率的LED灯封装在特殊的封装中,以此来达到照明功率要求。
人眼特别容易捕获颜色。
光谱的偏移越厉害就意味着光源的质量越低下。
人民对LED灯颜色质量和稳定性要求越来越高,所以提高灯的质量就成了LED灯光源的大趋势。
但是以目前的技术而然还有很大的差距。
不断的改进LED的封装工艺和制作工艺,我们的LED新光源会得到很大的改善
2.8串联连接方式
我们在设计照明系统时,都必须先确定是用什么样的驱动方式。
这就要求我们必须先确定LED的链接方式。
LED灯的串联链接方式如下图。
这类链接方式的最大特点就是要求电源的输出电压比较高,串的灯数越多,要求的输出电压就越高。
串联过灯的电流大小一样时各个LED灯的亮度都一样。
但是这种链接方式也是存在一些缺点的,如果使用稳压驱动方式时,当出现一个LED灯因某种原因出现短路时,而驱动器两端输出的电压恒定不变,剩余的LED就得平均分摊这个电压,会造成每颗灯两端的电压升高,驱动电流会增大。
后果就是容易损坏余下的所有LED;
如果是采用恒流驱动方式,由于驱动电源的输出电流不变,当出现以上情况时,不会造成流过LED灯的电流增大,LED能正常工作
串联连接图如图2-4。
如图2-4LED灯的串联链接方式
2.9并联的连接方式
LED灯的并联链接方式,驱动时要求的电压低电流大纹波低。
因为并联所以分配在所有的LED灯两端电压相同。
这种链接方法当是使用稳压源驱动,由于每颗LED都存在一定的差异,其等效阻抗不相同这会使得流过每颗LED灯的电流不一致,会造成LED的亮度产生明显差异。
同时由于LED灯是负温度特性,所以会造成亮的会越亮,暗的也会越暗。
当出现一颗烧坏短路时,稳压源就会出现短路现象。
如果使用恒流源驱动,每颗LED灯的阻抗都不一样电流分配不均匀,也会出现亮的会越来越亮,暗的越来越暗的情况。
恒流输出,一些电流小了,意味其他的电流就大,LED灯如果出现过流现象就很容易烧坏。
会造成循环性的烧毁。
并联连接如图2-5。
图2-5LED并联连接方式示意图
2.10混联的连接方式
在实际的应用当中一颗灯珠的额定功率是比较小的,在一些需求照明亮度比较大的地方,往往需要很多个LED灯一起使用才能达到照明的要求。
在一盏大功率的LED灯中只使用LED串联的方式把所有的灯珠连在一起就需要比较高的驱动电压。
这样会要求LED驱动器输出比较高的电压,外壳绝缘设计就要更加的严格苛刻了,而且在生产安装维和和更换时都是不安全的。
如果把所有的LED灯珠并联起来用,要求LED灯驱动电源输出电流比较大。
如果单单使用串联或者并联连接所有的LED灯,这会大大的增加了LED驱动器的成本。
人们就想出了设计一种连接方式,输出电压不要求很高,输出电流不一用很大,那么就是综合串联和并联的方式的得到一种混联的连接方式,混联连接如图2-6。
图2-6LED灯的混联连接示意图
本次设计我使用的灯块就是使用混联连接方式,一个灯块的功率是30W,我使用了两个灯块串起来当作负载,所以输出就就有60W的负载。
没个灯块里面又有9*3=27个小LED灯混联连接的,是9LED灯芯串起来,然后3列并起来的连接方式。
灯块实物如图2-7。
图2-7灯块实物图
2.11功率因数校正的目的
功率因数PF的计算值等效于输入电流和电压的相位差得余弦值。
当这两者的相位差越大PF值就就月低,相反两者的相位差越小,功率因素PF值就越高。
一般的用电设备在运行工程中都会产生高次谐波,这些高次谐波会通过电源线进入到交流电网产生一定的谐波污染,这些污染现在越来越受到的世界各国的重视,很多国家已经开始制定一定的标准要求用电设备的产生的谐波分量进行的严格控制,以此来减少对交流电网的污染。
中国也不例外,也开始设定这类的标准要求电器设备严格遵守,控制好高次谐波的强度。
在功率因数的要求方面,欧洲的制度和要求的最明确,欧盟强制要求市面出售的用电设备功率达到30W的必须满足IEC1000-3-2的电流谐波标准
而要想达到IEC1000-3-2电流谐波标准的用电设备必须达到有功率因素校正环节。
现在大量使用的开关电源,其实质是一个电容性的输入电路,所以其输入电流和电压就存在相位差,而正是这个相位差会造成交换功率的损失。
在开关电源之前加入PFC电路是避免在功率交换时能量不必要损失的唯一途径。
PFC的意义是“功率因素校正”。
功率因素在数值也可以用有用功率和视在功率的比值来计算,表达式(2-4)为:
是电流和电压的相位差,P是有用功率,S是视在功率。
功率因数的大小还和负载的特性有关。
如我们常用白炽灯属于纯阻性负载,纯阻性负载电流和电压时时刻刻都是满足欧姆定律的,所以其的功率因数为1。
当负载时非纯阻性负载时功率因数都会小于1。
功率因素是一个很重要的技术指标,一个设备的效率好低可以用它的功率因素作为衡量指标之一。
因为功率因素低实际上就设备的无用功率过大。
从理论上讲设备只会从电网中吸取能量,而不会产生向电网中输送能量。
这就要求用电设备相对电网接口是一个纯阻性负载。
因为纯阻性负载的输入电流和电压随时时刻都满足欧姆定律,也就是满足正比关系。
功率因数校正就是强制让电设备相对电网接口是一个等效的纯阻性负载这么一件事。
2.12无源功率因数校正技术简介
在最早的校正技术中的选择就局限在无源功率因数校正技术。
所谓的无源校正就是使用大电容和大电感特殊延时性构成一个无源网络进行电流和电压的移相从而实现了功率因数的校正。
效率高,可靠性高,很低EMI,价格低成为无源校正技术的优势所在。
而电容和电感的取值很大,意味着电容和电感的体积很大,这会造成设备的体积大而且笨重,更主要的缺点是很难实现比较高的功率因素,同时抑制电流的谐波也不是很理想,同时校正后的DC电压是后一级的输入电压,它会随着后级的负载改变而改变的,也会随着输入电网电压的波动而波动,这会造成后级的不稳定。
由于无源功率校正技术是使用低频电感和电容来进行校正的,所以其工作的特性都会与频率、负载和输入电压的变化而变化的,这些都现在无源校技术的应用,一般的无源校正技术都是用在300W以下,而且对重量,体积。
价格要就不高的场合。
2.13有源功率因数校正技术
APFC是有源功率因数校正技术的简称
由于近十年开关器件功率性能都得到了的不断发展,这也促使APFC技术也得以突飞猛进的发展。
APFC换器工作在高频的环境中,所以必须依赖于的开关的技术发展情况。
APFC的工作频率的一般都会超过30K赫兹。
高频设计工作状态设计出来的东西具有体积小、重量非常轻,效率高和高PF等优点。
APFC有以下的几种分类:
(1)平均电流型。
在这种工作模式下其输入电流是连续的模式(CCM)。
同时其工作频率也是固定的,电流其波形如图2-8。
芯片UC3854就是工作在平均电流模式。
这种芯片的开关频率固定,电感的电流是连续状态。
开关管电流有效值小功耗低。
前端的EMI滤波器不但体积小而且还能很好的抑制开关电源的噪声。
主要缺点是:
在这种工作模式下控制电路复杂非常之多。
需要有专门的空乘法器和除法器。
平均电流型控制方法的输入电流波形如图2-8。
图2-8平均电流波形图
(2)滞环电流型。
滞环电流型工作频率可变的环境中。
当电流达到滞环带内发生功率开关通断操作,开通时输入电流上升、关断是输入电流下降。
电感的输入电流决定了电流波形平均值,电感电流输入波形如图2-9。
图2-9滞环电流波形图
(3)峰值电流型。
峰值电流型的工作是频率不是固定不变的,它是随时在改变的。
而电流是不连续(DCM)波形如图2-10所示。
峰值电流型最大的优点是采用的是跟踪器的方法,使得电路结构非常的简单、易于调试。
但也存在一些缺点:
PF值受到的和输入电压与输出电压的比例影响较大。
输入电压不同时PF值也将跟着不同。
在相同容量的情况下DCM峰值电流比CCM的峰值电流高出一倍,这样导致了流过MOS管的峰值电流大从而导致开关损耗增加,所以CCM模式就特别适合在大功率APFC电路中使用。
电感电流输入波形如图2-10。
图2-10峰值电流波形图
2
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