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1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）：电子与电气工程学院专 业：电气工程及其自动化学 生： 薛冰冰 指导教师： 胡瑞华 （四号、黑体、居中）完成日期 年 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）大功率LED道路照明系统及驱动电源的设计 High power LED road lighting system and the design of the driving power总计： 毕业设计（论文） 页表 格： 个插 图 ： 幅目 录1 引言6 1.1 大功率LED发光原理6 1.1 大功率LED的特性72 LED 路灯驱动电源的总体方案设计9 2.1 大功率 LED 的电气
2、特性错误！未定义书签。 2.2 LED 的连接方式及其对驱动电源的要求10 2.3 LED 路灯驱动电源的主要技术指标11 2.4 LED 路灯驱动电源的总体方案设计123 LED 路灯驱动电源的硬件设计133.1 输入端保护电路设计133.2 有源功率因数校正电路设计153.2.1 功率因数与谐波畸变率153.2.2 临界导电模式 APFC 工作原理163.2.3 电路参数设计173.4 单端反激式 DC-DC 变换电路设计193.4.1 单端反激式 DC-DC 变换器工作模式选择193.4.1连续工作模式203.4.2 变压器设计223.4.3 PWM 控制电路设计233.4.4 输出过压
3、保护电路设计253.5 LED 路灯驱动电源的建模和仿真263.5.2 单端反激式 DC-DC 变换器建模和仿真283.6 本章小结错误！未定义书签。4 LED 路灯驱动电源的可靠性容差设计314.1 引言错误！未定义书签。4.2 电子线路可靠性容差设计方法错误！未定义书签。4.3 LED 驱动电源输出特性的可靠性容差设计314.3.1 可靠性指标及约束条件314.3.2 灵敏度分析324.3.3 参数容差分配324.3.4 参数容差分析334.3.5 容差设计方案选择344.4 本章小结错误！未定义书签。5 LED 路灯驱动电源的测试及结果分析375.1 引言错误！未定义书签。5.2 LED
4、 路灯驱动电源的性能测试375.3 LED 路灯驱动电源的可靠性测试395.5 本章小结错误！未定义书签。结 论错误！未定义书签。参考文献41摘 要目前，LED的驱动电源存在在输出功率不高、功率因数不高、转换效率差、输出电流不稳定，寿命短，这些问题成为制约LED照明装置发展的主要问题。因此，需要研制高性能高可靠性的LED驱动电源是必不可少的一个重要环节。本文就是为大功率的LED路灯设计了一款带有功率因数校正功能而且具有各种保护措施的大功率LED驱动电源，为了保证了输出电流的稳定性，并对其输出电流进行可靠性容差设计。本文根据用户提供的设计要求和条件，提出了一种具有单端反激式DC-DC变换器作为主
5、拓扑，并且具有有源功率因数校正环节的恒流驱动电源的设计方案。本文对LED路灯的驱动电源进行硬件设计，采用临界导电模式的有源功率因数校正电路，具有过流保护、过压保护、差共模干扰抑制功能的输入端保护电路；提出一种处于连续工作模式，采用电流控制型PWM芯片，具有恒流输入功能的单端反激式DC-DC变换器。本文对上述硬件电路进行了建模和仿真，验证了电路硬件设计的正确性。最后，验证了LED路灯的驱动电源是否达到标准，对LED路灯驱动电源进行了性能测试和可靠性测试。关键词：大功率LED；恒流驱动；容差设计；单端反激式ABSTRACT At present, the LED driver power supp
6、ly in power output is not high, the power factor is not high, low conversion efficiency, output current is not stable, life is short, these problems become the main problems which restrict the development of the LED lighting device. Therefore, we need to develop high performance high reliability of
7、the LED drive power supply is a indispensable and important link.This article is designed for high power LED street light with a power factor correction function and have all kinds of protection measures of high power LED drive power supply, in order to ensure the stability of the output current, an
8、d the output current for reliability tolerance design. In this paper, according to the design requirements and conditions of the users, this paper proposes a with single-ended flyback type DC - DC converter as the main topology, and has the active power factor correction link of constant current dri
9、ve power supply design scheme. In this paper, the hardware design of LED street lamp driver power supply, a critical conduction mode of active power factor correction circuit, over-current protection, over-voltage protection, differential/common-mode interference suppression function input protectio
10、n circuit; Put forward a kind of in a continuous working mode, using the current control PWM chip, which has the function of constant current input single-ended flyback type DC - DC converter. Modeling and simulation is carried out in this paper, the hardware circuit, and verifies the correctness of
11、 the design of hardware circuit. Finally, verify the LED street lamp driver power is up to standard, LED street lamp driver power supply for the performance test and reliability test. Key words：High power LED，Constant-current driver,Tolerance design,single-flyback topology1 引言1.1 大功率LED简介1.1.1 大功率LE
12、D发光原理LED发光二极管，是一种固态的半导体器件，是由-族化合物，如磷化镓、砷化镓、磷砷化镓等半导体制成的。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片的一端固定在引脚上作为负极使用，另一端引出作为正极，晶片的本质是一个PN结，用环氧树脂将整个晶片封装。所以LED具有的伏安特性与普通二极管相似，在管脚两端施加正向电压时,LED处于导通状态，在两管脚之间施加反向电压时，LED处于截止状态，而过高的反向电压作用于LED上时，可能导致PN结被击穿。与普通LED不同的是，它还能将电能转换为光能。当PN结两端加上正向电压时，空穴由P区注入N区，相反自由电子则由N区注入P区。进入对方区域的少数载流子与对方区域的
13、多数载流子相结合，导致能量以光和热两种形式释放，如图1-1所示。LED早在20世纪60年代初就已经被成功制造并推向市场，因为LED的激励响应时间短、有效寿命长、功耗低，常被用在小指示器光源和字母数字显示器等领域中。但由于制造技术的限制，使其发光亮度小，且只有红色一种颜色，所以在照明领域难以见到它的身影，近年来，技术的进步和理论的创新，使得LED的可用性增强，例如发光强度提高、效率提高、成本大幅下降，使其得到应用领域越来越广。图1-1 LED发光原理示意图1.1.2 大功率LED的特性LED灯与白炽灯、荧光灯等传统光源有着不同的特性。为了设计出更好的LED驱动电源，必须对LED的特性进行必要的了
14、解。（1）发热特性：由于在LED照明应用中，一般需要同时将若干颗LED共同发光使用，所以就会产生较大的热量。另外，掺加了荧光粉的LED，在转换波长的时候会产生热量。LED仅在微小电流流过时，效率才比较高，若工作在大电流、高温状态下，LED的发光效率就会明显降低。LED芯片、荧光粉、封装树脂也会因高温而加快老化，影响使用寿命。因此，必须控制LED的使用温度以达到“高效率”、“长寿命”的目的，而控制温升的主要手段就是控制工作电流，所以对于LED驱动电源来说最重要的工作就是控制电流。（2）供电特性：在工作电源的需求上，LED驱动电源与传统的白炽灯、荧光灯有很大的区别。传统的白炽灯直接连接到220V的
15、交流电上使用，电网的电压波动只会造成照明强弱的不同而已。荧光灯虽然需要靠镇流器启动，但启动电路简单，启动后不需要启动器依然能维持工作。而LED则需要工作在恒定的直流电流源上。而调节LED的发光强度主要是靠改变流过LED的电流平均值来实现的，LED是通过电子与空穴的再结合来发光，发光强度取决于单位时间内复合的电子与空穴数目，也就是说LED的发光强度与电流大小有密切关系。实验发现，在工作电流较小的情况下，LED的发光强度与通过PN结的电流大小近似成正比关系，而当LED的工作电流电流增大，随着发热损耗的增大，导致这种比例关系消失，具体来说，由于发热量正比于电流的平方，所以当电流增大时，发热量的升高速
16、度将大于发光量的升高速度，导致发光效率降低。（3）发光特性：单个LED的发光强度并不大，一般只有几十流明，所以需要同时使用多颗LED共同工作。同时，由于LED的发光面积小，而亮度又很高，而且发出的光汇聚能力强，肉眼直视LED会对视力造成伤害并无法发看清光源以外的东西，失去照明意义。为了降低光线聚集度，通常需要配合柔光罩使用。但是，使用由于柔光罩本身的透光性问题，导致发光效率会有所降低。LED与传统照明灯具的配光分布不相同。所谓配光分布是指光源的发射方向以及各方向的发光强度。若不采用专门为LED设计的散光设备，而采用传统灯具的散光设备，则可能会出现需要加强照明的部分不但不增加反而减小的情况。要提
17、高照明效率，需要改善配光分布，目前多采用透镜和反光镜作为改善装置。由于LED本身就具有发光面积小、配光分布具有对称性等特点，如果配合合适的透镜和反光镜，则LED将会是很好的照明工具。其他在光源属性中，还应该考虑LED的光谱特性，LED所发出的光，光谱范围较窄，几乎不放射出红外线。因此，不会导致照射物发热，即冷光。但是LED在工作时自身会发热，所以应该防止热传导作用破坏冷光效果。（4）伏安特性：LED的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似，如图1-2所示。不过通常曲线很陡。LED的伏安特性曲线并不是由电压、电流唯一确定的，而是随温度的变化而变化，所以当电压恒定时，电流并不能确定，它将随温度变化
18、而变化。而LED的伏安特性通常具有负温度系数。也就是随着温度的升高，其伏安特性曲线将向左移动，若所加电压为恒定，显然在温度升高时电流也会随之升高。大功率LED工作时温升较大，假如散热设计不好，其温度很容易上升到八、九十度以上。例如采用3.3V恒压电源供电，常温下工作电流在320mA左右，而温度升高到85时，电流就会增加到420mA，多消耗的电能以热量的形式散发，而LED亮度增加并不大。这种情况下只会使它的温升更高，增加光衰，降低寿命。温度降到0时,电流就会降低至120mA，亮度会大大降低，使其无法胜任照明工作。对于功率更大的LED，由于功率大，散热更不容易，温升问题更加严重。这就表明，恒压源下
19、工作的LED是不稳定的，当电压恒定，随着LED的使用发热，温度升高，流过的电流增大，更大的电流导致温度进一步升高，使电流也随之继续增大，所以LED驱动电源的主要目的就是给LED以恒定的电流，保证LED稳定工作。图1-2 LED的伏安特性（5） 稳定性：结合LED的伏安特性可知，工作在恒压源上的LED是不稳定的，另外，若干颗LED也不能简单的并联使用，理由是若扰动使其中一颗LED电流增大，那么由于LED的不稳定性，将导致这颗LED的工作电流越来越大，而其它LED将不能获得足够大的工作电流。2 LED 路灯驱动电源的总体方案设计2.1 LED驱动器的分类及驱动方法为了保证照明LED有较长的使用寿命
20、，第一，需要特定的使用条件，第二，照明成功使用，就要使其参数条件得到满足，就要有合适的驱动电路。驱动电路，本质上属于特殊的电源，有供电的功能，其本身还具有结构简单、占用空间小、转换效率高等属性。在驱动电路中，其输出电的电流和电压的值，要与LED的相关参数保持一致，而且系统还要保持科学的限压、电流控制等。当系统中出现多条线路时，要确保每一条线路都能被独立管理。LED 的照明效果要保持良好调节性能，可以根据不同场合的需要进行相关调节。当电路出现故障时，系统要有相关的自我保护功能。当驱动电路系统开始正常运行时，要确保不能对其他电路有太大的影响，要有良好的电磁兼容功能。原始电源有各种形式，但无论哪种电
21、源，都不是直接与LED发生联系。所以，要想LED充分发挥其照明的作用，就必须要为其提供可以变换的电源。具有大功率的LED设备，本质上就是单向导电设备，只是该设备是由电流驱动的，属于低电压。LED驱动设备具有很多优点，其中过压保护、体积小、方便、效率高等主要特点。 目前LED均采用直流驱动，因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器，即LED驱动器。它的功能是把交流市电转换成合适的LED直流电。在设计中应根据电网的用电规定和LED的驱动特性要求，选择和设计LED驱动器。LED虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是LED光源却不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压，它必须配有专用电压转换设备
22、，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，LED才可能正常运行。2.2 LED 的连接方式目前，被广泛使用的LED电路中，串联、并联、混连连接方法，采用哪种连接方式，就要采取相适应的驱动方法。图2-3是几种连接方法的图例。表2-1则是几种方式的优点和缺点，也列出了最好的驱动模式。图 2-3 常用的LED连接方式从表2-1中我们分析得出，在LED系统中，恒流驱动比较适用于串联电路，但是这种设置存在一种比较坏的影响，就是整个系统中，只要有个LED设备异常，整个系统的照明就会停止。针对这一问题，目前有关专家提出一种方法，就是给单个LED捆绑一个二极管。在系统正常运行的情况下，这个二极管是不工作的，电
23、流通过整个线路，系统开始正常照明。但是当有一个LED出现异常，与这个LED进行捆绑的二极管就派上用场，二极管在反向电压的作用下，成为导通的载体，这时，整个系统又会恢复正常运行。这种方法目前已经被有效的使用，对LED 异常问题可以顺利解决，确保了整个系统照明的周期。本文主要讨论整个系统由40个大功率的LED组成，这些LED具有白光等特性，整体系统也是采用恒流驱动的模式。表2-1 LED连接方式的最佳驱动方式及其优缺点2.3 LED 路灯驱动电源的主要技术指标系统由40个大功率的LED组成，这些LED具有白光等特性，整体系统也是采用恒流驱动的模式。图 24 为系统的实物图。图 2-4 LED 路灯
24、实物图从驱动电源的相关负载研究中得出，在用户的需求之下，本设计对LED驱动电源的相关技术参数要求如下：(1) 电压输入值如下：185V265V；(2)电流输出值如下：700mA；(3) 功率输出值如下：100W；(4) 效率值如下：大于83%；(5) 功率因数如下：大于0.95；(6)电压纹波输出值：小于1%；(7) 系统具有过压、过流、空载等保护性能。 (8)电流波动输出范围值：正负15mA；(9) 温度范围值如下：-3060；(10) 电源输出电流合格率如下：大于0.95。2.4 LED 路灯驱动电源的总体方案设计图2-5是该系统的总体方案案例。交流电压输入值用U表示，RCD电路由；Rc、
25、Cc、Dc组成。变压器用T表示，整流二极管用D表示。整流电容用C 表示。采样电阻用Rc表示。该系统的驱动电源应该满足隔断的作用，这样设计的主要目的就是保护电网和设备能正常使用。输入保护电路的设计可以对系统中的驱动电源进行有效的保护，使其相关干扰下能正常运行，通常线路中干扰来自顺泰浪涌、快速脉冲群。这样设计还能对共模干扰、差模干扰进行阻断。为了使得系统的设计满足IEEE的相关标准和规定，使得功率因数大于0.95。本文在设计之初，使用了有源功率因数来对电路进行校正。在电路系统中，对电流采用反馈控制，由电阻来测量输出电流值，并和相应的参考电位进行比对，系统中就会有PWM控制信号输出，使得原边的能量有
26、效地向副边传达。光耦隔离是维持系统隔离状况的最佳方案。驱动电源输出值对系统中LED照明的可靠性有很大的影响。该路灯驱动电源中含有一定数量的电子元器件，这些元器件的参数值会因很多干扰而出现变化。变化只要体现在下面几点：一是使得电源的实际值出现差异，与标准值不符，从而制造照明故障。二是影响产品的使用寿命。为了对路灯驱动电源的参数进行有效的控制，本文在设计时，对其进行了可靠性容差的设置。可靠性容差的工作原理图如2-6。这种可靠性容差的设计同样也满足其他电子产品的需要。图 2-5 LED 路灯驱动电源总体设计方案图 2-6 LED 路灯驱动电源可靠性容差设计思路3 LED 路灯驱动电源的硬件设计3.1
27、 输入端保护电路设计通常情况下，LED路灯存在的环境非常的险恶，而且外部环境的多种干扰还会对电路造成断电等故障。也可能因为LED 的故障导致整个电网系统瘫痪。所以，在输入端设计保护电路是必不可少的手段，能对LED路灯系统乃至整个电网起到很好的保护作用，功能十分强大。图31是保护电路的工作原理图，其中各种子设备的作用如下：图 3-1 LED 路灯驱动电源输入端保护电路原理图（1）NTC电阻RN：该电阻是负温度系数，属于热敏电阻。主要功能是对过流电源进行保障。主要工作原理如下：就是电路在启动的那一刻，电源本质就是一个负载，就会有涌浪电流产生，从而对电源造成强大的影响。这就需要NTC电阻RN发挥作用
28、，使其与电源处于串联的模式，在启动初始，该电阻的温度不高，冷态电阻值很高，能对涌浪电流进行有效的压制。系统运行一段时间后，该电阻就会升温，电阻值也开始降低，对损耗也能降低。本文在设计中，采用的热敏电阻型号为NTC8D-13。（2）F表示保险丝：主要功能也是对系统进行过流保护。在电路运行过程中，如果电路的负荷过大，造成整流桥、开关管失去本身的作用，就会带来过流，如果在这种危机情况，采用保险丝，就等阻断电路，避免整个系统被烧毁的危险。本文在设计中保险丝的型号主要采用2A/250V。(3) 电阻RV：属于压敏电阻。主要功能就是减少瞬变传导的干扰，对浪涌和脉冲进行有效的吸收。在电网运行过程中，常常会受
29、到雷击等状况，从而使得电网发生较大的尖峰电压。当尖峰电压达到一定值，就会烧毁电源。这时，压敏电阻的功能就非常重要，当尖峰电压出现时，压敏电阻的值就会迅速降低，从而很好的吸收尖峰值，能有效避免电源被烧毁的状况。本文压敏电阻采用型号为07D47K。(4)共模干扰、差模干扰共同对电路进行压制。共模扼流圈L1、L2，X电容CX，Y电容CY1、CY2共同组成了这条电路。在电源运行过程中，容易受到外界环境的干扰，驱动电源本身也会到其他通电设施造成影响，所以，通过对输入口采用共模干扰、差模干扰共同对电路进行压制，采用这样方法可以得到上述两种作用。扼流圈L1、L2存在同一样磁芯上面，而且拥有的匝数也是一致，只
30、是缠绕的方向完全不同。共模干扰经过电路时，线圈内的磁通方向一致，这时感抗值处于高位，所以能对共模干扰进行进行压制。 如图3-2, 低通滤波器是由L1+ CY1 ，L2+ CY2分别组成的。对系统产生的共模噪声有很强的抵消作用。图33.则展示的是差模干扰有效的被L1、L2漏感以及别路电容有效的压制。本设计中扼流圈采用值为12mH、X电容采用值为220nF，Y电容值为4.7nF。图3-2 L2与 CY 1 构成的低通滤波器图3-3 扼流圈漏感和旁路电容构成的差模干扰抑制电路3.2 有源功率因数校正电路设计3.2.1 功率因数与谐波畸变率目前电网系统中常用的变流方式如下：220V的交流市电被整流后，
31、提供给后面的电力电子变换器。而整流方式是通过整流桥将交流电变化，得到直流电，其中整流桥是由4个二极管构成。但是这种整流方法有严重的缺陷：就是在变化过程中，产生电流谐波以及无功功率，容易给电网系统造成污染，造成电压不稳定，严重的还会造成整个电路的瘫痪39。功率因数 PF，英文表示为Power Factor，它的含义如下：就是有功功率、视在功率二者的比值。通过计算我们可以得出，系统的功率因数与有功功率的占有量成正比，有功功率的比值越大，能效的损害就越小。在计算中，常常输入端的电压用正弦表示，即是大写的V。它与电流的正弦波I的关系式为： （3-1）式中 电流与电压波形的相位差。在系统中，设备的输入端
32、普遍有很多非线性元器件的存在，他们是输入电流发生改变的主要原因。傅里叶分解法是常用的方法，他将输入电流进行分解，得到电流基波I1，二次谐波I2，以及N次谐波I n ，这时电流畸变率（THD）的表示式为： （3-2）当 = 0时，功率因数、谐波畸变率二者联系可用以下式子表示： （3-3）（3-3 可从两个方面入手，提高功率因数。一是，输入电流和电压有一个相位差，这个值需要减少。二是，输入电流产生的谐波同样也要减少，使其波形变为正弦波。3.2.2 临界导电模式 APFC 工作原理图34是APFC的原理图示。k U i 是整流输入电压的比例变换值。K 则是交流电压分压器、乘法器二者的比例参数值。电感
33、电流波形运行线路时斜线，通常由零变为参考信号，最后再回到零。由此可以得出公式： ，且333令两式中的电流峰值相等，便得出： 从而得出： 从式子中可以得出，kiU i，ton为都是常量。Off在运行期内容易产生变数。APEC工作的原理如下：系统中电压、负载参数在知道的情况下，导通时间就是一个常量。图 3-4 电感电流和开关管门极驱动波形 APFC有两个优点如下：一是，电感电流处于临界导电模式状态下，它的值必须为零，在下一个周期到来之前。但是，MOSFET在电感电流值为零之前是不能工作的，所以这就保证了APFC有很高的工作效率，损耗也少。二是，临界导通模式状况下，电感电流周期之间不存在死区时间。可
34、以对开关管的峰值电流进行有效的限制，控制在输入电流两倍的之内。3.2.3 电路参数设计 MC33260是由美国公司生产的芯片，使用方便、成本低廉。该芯片不需要乘法器的运用，它是基于临界导电模式的有源功率因数。该芯片在使用过程中，功能十分强大，少量的外部元件就可以达到恒定升压的状态。 图 3-5 是MC33260芯片工作原理图。从图中可以看到，该系统使用的外部元件很少。图 3-5 基于 MC33260 的有源功率因数校正电路图 (1) 电感的计算公式 APFC相关技术参数如下：输入电压值的大小：交流电压最低输入值V ac(LL)85V，最高输入值Vac(HL)265V；稳压直流的输出电压值为：V
35、o400V；额定输入功率大小为：Pin120W； ttotal 取 40s .由式子 3-9 得到电感Lp大小为 865mH。 (2) 开关管的选择 STP10NK60Z是常用的选择，其最大耐压值大小为VDS = 600V ，导通电阻值 RDS 小于 0.75 ，漏源电流承受值为 I DS = 10A ，工作温度值处于：-55150。则得到开关管上，消耗的功率值公式为： （3）设计稳压电阻 (4)震荡器电路的设置 针对恒定升压电路的特点，式子3-10 选择 CT ： 但是在实际使用者， CT值为 10nF 。 (5) 过流保护电阻的应用通常电阻值为0.39 ，则得到过流保护电阻 Rocp 的求
36、法： 该公式中，Iocp管脚电流值，大小为205A。在此次设计中Rocp= 9.1k 。(6) 滤波电容输出值在校正电路中，功率输出值为100W，电压值为400V，所以在电容选择上，要满足容值为100 F，耐压值为450V 。3.3 单端反激式DC-DC变换电路设计3.3.1 单端反激式DC-DC变换器工作模式选择 单端反激式 DC-DC属于隔离变换电路的一种，主要采用原来副边极相反的变压器Boost-Buck变换器中的电感。在DC-DC变换电路中，变压器功能强大，不但有隔离、变压的功能，还兼有电感的作用，可以对能量进行储蓄。正常情况下，100W200W范围内的电源最好采用这种变压器。在本文设
37、计中，要将LED照明系统与整个电网系统分开，这样才能确保在LED故障时，不对整个电网系统产生破坏性作用。这种变换器有2种工作模式。在其绕组电流最小值I2min基础上，如果I2min的值一直大于零，则表明原副边有能量的储存，这说明整个系统中变换器处于连续工作的状态，即是CCM。I 2min的值为零的状态，这就表明，原边的能力已经开始转移到副边，就会出现死区时间。在死区时间内，变压器原副边是缺少电流经过的，这时变换器就不是连续工作状态，而是断续工作状态，即是DCM。在下述的文章里面，着重讨论了DC-DC变换器的两种工作状态的工作原理，以及这两种工作模式的优点和缺点，最后根据LED路灯的要求相结合，
38、选择比较优的工作状况40,41。为了更好的获得研究结果，对变压器漏感和绕线电阻这里就不做要求，并进行以下假设：N1，N 2 原副边线圈匝数；L1 ， L2 存在于变压器原副边的电感量；k 变压器的变比，等于 N1 / N 2 ；U1 ， U 2 变压器原副边电压值；U in 直流电压输入值；U o 直流电压输出值；I o 输出电流值；i1 ， i2 原副边电流值；I1min ， I1max 分别表示原边电流的最大值、最小值；I 2min ， I 2max 分别表示副边电流的最大值、最小值；T 表示开关周期；D 表示占空比；3.4连续工作模式当单端反激式 DC-DC 变换器在连续工作状态时，每个
39、工作周期就有两个周期的出现，以下是原理图：图 3-6。 a)b)图 3-6 连续工作模式下的两种工作状态 图 3-6 a表示第一个时段，原边开关处于导通的状态，原边线圈上就会被强加电压输入值U in，其电流就会线性上扬。因为变压器的两个极性是相反的，所以副边能对反方向的电动势进行感知，又由于受到二极管D的反相作用，所以导致副边上没有电流经过，这时候电容C就充当提供能量的角色。图 3-6b）是第二时段，也就是 DT 到 T 时段。原边开关处于断开的状态，原边电流值很快的为零，所以副边能对同方向的电动势进行感知，这时候二级管D在接受到副边电流通过时，开始对电容充电，并向系统供电。等原边开关再次接通
40、时候，副边电流值并没有为零，变压器仍然存在能量，所以这变压器原边电流就开始上升，如图37。这时候，在特定周期，磁通状态处于平衡。图 3-7 连续工作模式下电路参数波形图 在 0 到 DT时段内，原边电压值公表示为：U1 = U i 在 DT 到 T 内，原边电压为副边耦合到原边的电压值：U1 = U o / k从伏秒平衡法得出如下式子：U i DT U o (1 D)T / k = 0输出、输入电压的式子可表示为：假设，反激变换器的输出功率值用Po表示，变换效率用表示，则得出输入电流的平均值为：输入电流的峰值可以表示为：3.5 变压器设计单端反激 DC-DC 变换器的变压器承担着储能，变压，传
41、递能量等工作。上述文章中讨论可以看出，LED路灯驱动电源中，单端反激式变换器维持在连续工作的状态时最佳的选择，以下就是对工作连续状态的变压器进行研究。图 3-7可以清楚的得出，在反激变换器中，原边的开关处于断开的状态，最大承压值为U D = U in + kU o所以，对开关管的选择比较重要，耐压最好控制在U DS 以上，而且200V的裕量还必须要留下。该变压器副边耦合到原边的电压值应该不大于U f ，U f 的值由以下的公式得出：变压器原副边的匝比值如下：单端反激式 DC-DC 变换器在输入电压值处于最低状态时，最大占空比就会出现。而且当输入功率值处于最大时，工作状态趋于稳定，变压器内的磁通
42、就达到平衡，得出下式：图 3-7还表明，开关管处于接通状态时，当开通时，I1min表示原边电流，系统处于连续工作时，通过能量守恒定律得出式子：当系统处于连续工作时，通常情况下设I 1max3I1min，将此等式与上述式子计算，可以得出该变换器的原边电流。变压器的原边电感量计算公式为：LED 路灯驱动电源的相关参数要根据用户的需求在确定。比如：U in = 400V，功率输出值为Po = 100W，效率 值=0.83。当系统中40颗串联的LED照明处于正常工作模式中，这是输出电压值为U o = 140V，开关管就选择耐压值为800V的。由上述计算可以得出副边耦合至原边的电压值不能大于 200V，
43、因此U f = 140V。主控芯片的选择应为开关频率为65k的设备。由式(3-29)式 (3-32)可 以 求 出 占 空 比 D = 0.26 ， 原 边 电 感 电 流 最 大 值 和 最 小 值 分 别 为 ：I1max = 1.73A ，I1min = 0.577A ，原边电感量值如下 L1 = 1.386mH ，当原边电感值为 1.4mH。通过AP法，选用科学的磁芯，使得是使AP值与A w、Ac两者的乘积趋于一致。式中 AP磁芯窗口面积与磁芯截面面积的乘积，单位 Aw磁芯窗口面积，单位； Ac磁芯截面积，单位； Bw磁芯工作磁.数，一般为 0.20.4； Kj电流密度系数，一般取 3
44、95A/ 。查铁芯资料，选择最接近 AP 值的铁芯编号，选择 ETD-34，该型号铁芯的相关参数为： Ac = 0.97 ， Aw = 1.71， Ac Aw =1.66 。根据磁芯就可以求出原边的匝数： 在根据原，副边的匝比关系可以求出副边的匝数。大多情况下，得出匝数不为整数，就要对某些参数进行调整，使得原副边的数量都为78圈。有时候在磁回路中增加一个有效的气隙，可以有效的制止磁芯饱和。有如下的式子：式中 Ig表示气隙长度值，单位为cm； Ac表示磁芯的截面积值，单位为。3.6 PWM 控制电路设计在DC-DC变换器中，存在两种PWM控制原理：电压控制以及电流控制。第一种电压控制型工作原理如
45、下：PWM控制芯片内存在比较器，它导致反相输入的锯齿波、电压误差放大器输出二者进行比对，从而达到对脉冲的宽度进行调整的效果。这种方法有一个缺点，就是其相应速度不快，不能满足高精度的要求。电流控制型主要功能就是跟踪监测变压器原边电流变化情况，通过PWM调节，形成回路，从而形成电源电流双闭环系统。这种方法在响应速度上能满足要求，容易达到限流作用，有较强的稳定性。但是也有缺点，容易有谐波震荡42。在设计中，根据其优缺点，采用电流控制型PWM控制器。NCP1230是一种有效的PWM 控制器，属于峰值电流控制方式，有良好的供电效果，对电源的效率有明显的增大作用。这个芯片功能很多，比如软启动、电压内部补偿等。该芯片有多种型号，本设计采用频率 65k 的芯片。图38就是该芯片工作原理图，而NCP1230每个引脚的