LED恒流驱动电源架构.doc

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1、编号 密 级 ： 毕 业 设 计 论 文课题名称：LED恒流驱动电源的设计年级专业：姓 名：指导教员：二009年6月 指导教员评语 指导教员：（签字）年 月 日 毕业答辩小组评语： 成绩评定：答辩小组组长：（签字）组员：年 月 日摘 要LED具有高效、长寿命、低功耗、安全等优点,已被广泛应用于城市景观装饰、交通车站和商业广告等公众设施.近年来,随着单晶单管LED的输出功率、发光效率以及高功率封装技术的不断发展,使LED作为一般照明具有广泛的应用前景.然而,LED的输出光流明数和波长同PN结的温度以及电流密切相关.常规的驱动电路,恒流效果差,温度漂移特性差,输入电压范围窄等缺点,将引起LED的提

2、前老化,不能达到LED长寿命的特点等.本设计中的研究方向是改变上述电路的缺点,达到高效率,低成本,真正达到恒流效果. 以达到实际工业生产中的要求。文中重点阐述了电路的反馈系统以及电路中应用元件的简介及选择,并对开关电源的分类和功能进行了简单说明, 最后还对本次设计的优缺点及展望作了描述。关键词：LED开关电源反馈系统恒流 目录第一章 引言11本课题研究的目的12设计LED开关电源时应该注意参数13LED驱动电源的分类及特性第二章 设计中元件简介2.1 NCP1200简介2.2 PC817简介2.3 LM358简介2.4 周边元器件选择第三章 设计方案3.1 电路原理3.2 电路要求3.3案一

3、不隔离型直接反馈电路3.4 方案二 不隔离型晶体管反馈电路3.5 方案三 不隔离型运放反馈电路3.6 方案四 不隔离型光耦直接反馈电路第四章 实验中问题及处理方法第五章 实验总结第一章引言11本课题研究的目的 LED驱动电源成为LED工程亮化一个软肋 LED驱动电源贯穿整个LED产业链的发展，可以比喻为保持LED产业顺利发展的血液，缺少了LED电源环节，上中下游的发展将短路、缓慢，无法实现高速的飞跃，因此，在中国LED产业链的逐步成熟的今日，掌握了先进可靠的LED驱动，将快速的抢占市场，从而迅速的实现LED的产业化。 LED灯珠芯片没有问题，但是电源提前损坏了，虽然LED灯本身还是好的，但是展

4、示在客户面前就是你的灯不行，灯坏了，不能用。所以，电源还是一个比较困惑的问题。” LED驱动电路应该解决的问题： 1.封装环节中的LED灯珠静电保护和开路保护难题； 研发的具有静电保护功能的器件，使得LED能够防止静电，同时避免因其中一颗损坏（开路）而引起整个灯串不亮的情况。 2.高压交流输入提供恒流源； 为LED提供最佳的恒流源驱动，保持其处于最佳的工作状态；为实现LED的普及和应用提供了可靠的基础。 3.工程应用中的电源方案； 由于天气的差异、各地电压的差异，LED的工作环境的不同，实际工程中的设计和应用的种种特殊指标和要求。 1设计LED开关电源时应该注意参数LED 开关稳压电源(以下简

5、称LED开关电源)问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源.早期出现的是串联型LED开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态.随着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM-LED开关电源问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,LED开关电源的效率可达65%70%,而线性电源的效率只有30%40%.因此,用工作频率为20 kHz的PWM-LED开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在LED开关电源技术发展史上被誉为20kHz革命.随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺

6、寸的不断减小,LED开关电源的尺寸与微处理器相比要大得多;而路灯LED开关电源、大功率LED开关电源、军用LED开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的 LED开关电源.因此,对LED开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量也要小.此外,还要求LED开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等.这一切高新要求便促进了LED开关电源的不断发展和进步. 设计LED开关电源时应该注意参数: 1:LED开关电源功率密度 提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断追求的目标.这对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要.使开关

7、电源小型化的具体办法有以下几种. 一是高频化.为了实现电源高功率密度,必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量. 二是应用压电变压器.应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度.压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热点之一. 三是采用新型电容器.为了减小电力电子设备的体积和重量,须设法改进电容器的性能,提高能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等. 2:LED开关电源中高频磁性元件的选

8、择 LED开关电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件,有许多问题需要研究.对高频磁元件所用的磁性材料,要求其损耗小、散热性能好、磁性能优越.适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用. 3:LED开关电源中高频化以后软开关技术的应用 LED开关电源高频化以后,为了提高LED开关电源的效率,必须开发和应用软开关技术.它是过去几十年国际电源界的一个研究热点. PWM-LED开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠),因而开关损耗大.高频化虽可以缩小体积重量,但开关损耗却更大了.为此,必须研究开关电压/

9、电流波形不交叠的技术,即所谓零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术,或称软开关技术,小功率软LED 开关电源效率可提高到80%85%.上世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础.随后新的软开关技术不断涌现,如准谐振(上世纪80年代中)全桥移相ZVS-PWM,恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM(上世纪80年代末)ZVS-PWM有源嵌位;ZVT-PWM/ZCT-PWM(上世纪90年代初)全桥移相ZV-ZCS-PWM(上世纪90年代中)等.我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中,效率达93%. 4:LED开关电源中使用同步整流技术 LED开关电源中使用同步整流技术,相对于低电压、

10、大电流輸出的软开关变换器,可进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗.例如同步整流(SR) 技术,即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,代替萧特基二极管(SBD),可降低管压降,从而提高LED开关电源电路效率. 5:LED开关电源中功率因数校正(PFC)变换器应用 LED开关电源中功率因数校正(PFC)变换器应用.由于AC/DC变换电路的输入端有整流器件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6- 0.65.采用功率因数校正(PFC)变换器,网侧功率因数可提高到0.950.99,输入电流THD10%.既治理了对电网的谐波污染,又提

11、高了电源的整体效率.这一技术称为有源功率因数校正(APFC). 6:LED开关电源的全数字化控制 LED开关电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段.全数字控制是发展趋势,已经在许多功率变换设备中得到应用. 全数字控制的优点是数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量,芯片价格也更低廉;对电流检测误差可以进行精确的数字校正,电压检测也更精确;可以实现快速,灵活的控制设计. 7:LED开关电源电磁兼容性 LED开关电源电磁兼容性:高频LED开关电源的电磁兼容(EMC)问题有其特殊性.功率半导体器件在开关过程中所产生的di/dt和dv/dt,将引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰,

12、以及强电磁场(通常是近场)辐射.不但严重污染周围电磁环境,对附近的电气设备造成电磁干扰,还可能危及附近操作人员的安全.同时,电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰.上述特殊性,再加上EMI测量上的具体困难,在电力电子的电磁兼容领域里,存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究. 8:LED开关电源设计和测试技术 LED开关电源系统的CAD,包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等.用基于仿真的专家系统进行LED开关电源系统的CAD,可使所设计的系统

13、性能最优,减少设计制造费用,并能做可制造性分析,是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一.此外,LED开关电源系统的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的. 9:LED开关电源系统集成技术 LED开关电源系统集成技术:LED电源设备的制造特点是非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可靠性低等,而用户要求制造厂生产的LED开关电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、成本更低.这些情况使LED开关电源制造厂家承受巨大压力,迫切需要开展集成LED开关电源模块的研究开发,使 LED开关电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现. 实际上,在

14、LED开关电源集成技术的发展进程中,已经经历了电力半导体器件模块化,功率与控制电路的集成化,集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段.近年来的发展方向是将小功率LED开关电源系统集成在一个芯片上,可以使LED开关电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄生参数.在此基础上,可以实现一体化,所有元器件连同控制保护集成在一个模块中. 上世纪90年代,随着大规模分布电源系统的发展,一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成,提高了集成度,出现了集成电力电子模块(IPEM).IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装,得到标准的,可制造的模块,既可用于标准

15、设计,也可用于专用、特殊设计.优点是可快速高效为用户提供产品,显著降低成本,提高可靠性.13LED驱动电源的分类及特性 1、按驱动方式可分为两大类： （1）恒流式: a、 恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高； b、 恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。 c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。 d、 应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量； （2）稳压式： a、 当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载

16、的增减而变化； b、 稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。 c、 以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。 2、按电路结构方式分类 （1）电阻、电容降压方式：通过电容降压，在闪动使用时，由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低。 （2）电阻降压方式：通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源，降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式电源效率很低，而且系统的可靠也较低。 （3）常规变压器降压方式：电源体积小、重量偏重、电源效率也很低

17、、一般只有45%60%，所以一般很少用，可靠性不高。 （4）电子变压器降压方式：电源效率较低，电压范围也不宽，一般180240V，波纹干扰大。 （5）RCC降压方式开关电源：稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可以做到70%80%，应用也较广。由于这种控制方式的振荡频率是不连续，开关频率不容易控制，负载电压波纹系数也比较大，异常负载适应性差。（6）PWM控制方式开关电源：主要由四部分组成，输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。PWM开关稳压的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，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，调节主

18、电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定（即相应稳压电源或恒流电源）。电源效率极高，一般可以做到80%90%，输出电压、电流稳定。一般这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。3、按LED应用范围可分为路灯用LED开关电源,庭院灯用LED开关电源,草坪灯LED开关电源,水底灯防水LED开关电源,广告灯防水LED开关电源等4、按外观分类又有:LED防水电源,裸板LED开关电源,有壳但不防水LED开关电源,主要视LED开关电源使用环境选择第二章 设计中元件简介2.1 NCP1200简介NCP各引脚功能如下图NCP的基本技术参数如下图2.1 PC817简介2.3 LM358简介

19、LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 特性(Features)： 内部频率补偿。 直流电压增益高(约100dB) 。 单位增益频带宽(约1MHz) 。 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5一15V) 。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入偏流。 低输入失调电压和失

20、调电流。 共模输入电压范围宽，包括接地。 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 。 参数输入偏置电流45 nA，输入失调电流50 nA，输入失调电压2.9mV，输入共模电压最大值VCC1.5 V，共模抑制比80dB，电源抑制比100dB DIP塑封引脚图引脚功能图如下圆形金属壳封装管脚如下LM358内部结构原理图2.4 周边元器件选择电感选择: 在设计LED恒流源时为保持严格的滞环电流控制,电感必须足够大,保证在HO,ON 期间,能向负载供应能量,避免负载电流显著下降,导致平均电流跌到期望值以下. 首先,我们来看一下电感的影响,假设没有输出电容(COU

21、T)的存在,这样负载电流和电感电流完全一致,能更清楚地说明电感的影响.下图给出了在输入电压的变化范围内,电感值对频率的影响.可以看出,输入电压对频率的影响很大,电感值在输入低电压时对降低频率有很大影响.(注:您的不一定是和参考图完全一样,我在此只是说明问题) 上图是不同电感值下的频率响应.下图说明了电感减小时,在输入电压的变化范围内,负载电流的变化明显增大. 下图给出了频率根据不同的输出电压和不同的电感值的变化曲线. 下图, 说明了电感减小时,在输出电压的变化范围内,负载电流的波动明显增大. LED的驱动电路产生人耳听得见的噪声(audible noise,或者microphonic nois

22、e).通常白光LED驱动器都属于开关电源器件(buck、boost 、charge pump等),其开关频率都在1MHz左右,因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声.但是当驱动器进行开关调节的时候,如果PWM信号的频率正好落在200Hz到20kHz之间,白光LED驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声.所以设计时要避免使用20kHz以下低频段. 我们都知道,一个低频的开关信号作用于普通的绕线电感(wire winding coil),会使得电感中的线圈之间互相产生机械振动,该机械振动的频率正好落在上述频率,电感发出的噪音就能够被人耳听见.电感产生了一部分噪声,另一部分来

23、自输出电容. 选择电感感值大小在参考设计范围左右最多的是您的经验值,合适的选择感值主要需要考虑的条件是线路工作在合适的频率范围、合适的开关频率减少MOS开关次数,减少mos发热量、避免与同PCB线路同频干扰;选择合适的电感内阻,内阻是电感发热的主要因数,从而提高线路效率;选择合适的电流值,有时体积和成本是制约主要因数,但是还是要大于峰值电流的2倍(通常在65%),就算在板级空间十分珍贵的情况下也要保证30%预留空间余量,这样可以有效的减小内阻,减小发热量;质量不好、绕制松散电感器件也会有噪声;未屏蔽的电感在金属外壳安装时会发生线路震荡频率改变,从而产生噪声,这时需要将电感屏蔽;另外,当被屏蔽干

24、扰信号的波长正好与金属机壳的某个尺寸接近的时候,金属机壳很容易会变成一个大谐振腔,即:电磁波会在金属机壳内来回反射,并会产生互相迭加. 为了获得最佳的效率,应选用铁氧体磁芯电感器.应选择一个能够在不引起饱和的情况下处理必须的峰值电流的电感器,确保该电感铜线低的DCR(铜线电阻).以便减小I2R功耗.切记电感铜线绝缘层耐不了160度或长时间高温温度环境,SMT有时也会有影响,会使得电感感值发生严重变化,要仔细了解供应商产品温度忍耐限度要求.输出电容器件选择: 输出可同时使用输出电容以达到目标频率和电流的精确控制.电容能在整个输入电压范围内减小频率,一个小的 4.7F 的电容就能显著减小频率.电流

25、的调整也能因为电容值的增加而得到改善.从下面图片可以很容易看到,图上存在一个拐点,再增加电容值,对操作频率和输出电流的调整影响不大. 增加输出电容(COUT),从本质上来说,是增加了输出级所能储存的能量,也就意味着能供应电流的时间加长了.因此通过减慢负载的di/dt 瞬变,频率显著减小.有了输出电容(COUT)之后,电感的电流将不再和负载上看到的电流保持一致.电感电流仍将是完美的三角形的形状,负载电流有相同的趋势,只不过所有尖锐的拐角都变得圆滑了,所有的峰值明显减小,如下图所示. 应用设计在输出端上采用低ESR(等效串联电阻)陶瓷电容器,以最大限度的减小输出波纹.采用X5R或X7R型材料电介质

26、,这是与其它电介质相比,这些材料能在较宽的电压和温度范围内维持其容量不变.对于大多数高的电流设计,采用一个4.7至10uF输出电容就足够了.具有较低输出电流的转换器只需要采用一个1至2.2uF的输出电容器.输入电容器的选择: 一般在驱动IC输入设置一颗电容,主要是解决线路开关频率对供电部分的EMI问题.有时大家会误认为是电源滤波而设置,事实并非这样.因其整流二极管广泛使用,价格变得非常低廉而稳定,集成到IC内部没有成本优势,所以大多将整流滤波部分不予整体考虑. 如果采用电解电容提供了附加的旁路或输入电源阻抗很低,则采用一颗较小的价格低的Y5V电容器也会有很好的效果.一般恒流器件会有非常快的上升

27、和下降时间的脉冲从输入电源吸收电流.输入电容器未了减小输入端的合成电压纹波,并强制该开关电流进入一个严密的本机环路,从而最大限度的减低EMI.输入电容在开关频率条件下必须具有低阻抗,以高效的完成这项工作,而且,它必须具有一个足够的额定纹波电流.通常纹波电流不会大于负载电流的1/2倍. 陶瓷电容器小尺寸和低阻抗(低的等效串联电阻或ESR)特征而成为优选方案.低的ESR产生了非常低的电压纹波,与数值相同的其它电容器类型相比,陶瓷电容器能够处理更大的波纹电流.应选用X5R或X7R型介质陶瓷电容器.可以选用参考值多于1/3容值的电解电容器代替,但是体积和寿命等因数并不是很合适与LED匹配.钽电容会因浪

28、涌电流过大易出现故障,也不建议在此使用.肖特基二极管选择: 通常开关转换型LED恒流驱动IC在mos管关断期间传到电流,所选择二极管反向耐压要针对线路最高输出电压脉冲值来确定,要大于这个值.二极管的正向电流不必与开关电流限值相等.流经二极管的平均电流是If是开关占空比的一个函数,因此应选择一个正向电流IF=I*(1-D)的二极管.通常二极管在功率开关断开时传到电流占空比通常小于50%,选择电流值与驱动电流相等即可.如果需要采用PWM调节灰度,则需要考虑PWM低电平期间来自输出的二极管泄漏(有气在热点上),这一点或许也很重要. 升压型转换器中的输出二极管在开关管关断期间流过电流,二极管要承受反向

29、电压等于稳压器输出电压.正常的工作电流等于负载电流,峰值电流等于电感峰值电流. Id(二极管电流)=Il(电感电流)=(1+X/2)*Iout(最大电流)/1-Dmax 二极管消耗功率为: Pd=Iout(最大)*Vd 保持较短的二极管引线长度并遵循正确的开关节点布局,以免振铃过大和功耗增大.耐压不是越高越好,是要合适,高耐压肖特基二极管Vf值也会高些,功耗会大,价格也会高.相对耐压大电流的型号Vf值会低些,成本也会稍有增加,没有成本压力可以考虑. 经常可以使用的二极管可以是: IN58171A20V IN58191A40V CMSH1-60M 1A60V CMSH1-100M1A100V B

30、YV26A1.5A200V BYV26B1.5A400V BYV26C1.5A600V BYV26D1.5A800V B2202A20V B2402A40V B2100 2A100V B3203A20V UPS3403A40V SBM4303A40V 8ETU048A400VLED恒流驱动器件MOSFET选择! 常用的是NMOS.原因是导通电阻小,应用较为广泛,也符合LED驱动设计要求.所以开关电源和LED恒流驱动的应用中,一般都用NMOS.下面的介绍中,也多以NMOS为主. 功率MOSFET的开关特性:MOSFET功率场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的,因此它的一个显著特点是驱动电路简

31、单,驱动功耗小.其第二个显著特点是开关速度快,工作频率高,功率MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定. MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,由于制造工艺限制产生的.寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免.MOSFET漏极和源极之间有一个寄生二极管.这个叫体二极管,在驱动感性负载,这个二极管很重要.体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的. MOS管是电压驱动器件,基本不需要激励级获取能量,但是功率MOSFET和双极型晶体管不同,它的栅极电容比较大,在导通之前要先对该电容充电,当电容电压超过阈值电压(VGS-TH)时M

32、OSFET才开始导通.因此,栅极驱动器的负载能力必须足够大,以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容(CEI)的充电. MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系.使用者虽然无法降低Cin的值,但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度.一般IC驱动能力主要体现在这里,我们谈选择MOSFET是指外置MOSFET驱动恒流IC.内置MOSFET的IC当然不用我们再考虑了,一般大于1A电流会考虑外置MOSFET.为了获得到更大、更灵活的LED功率能力,外置MOSFET是唯一的选择方式,IC需要合适的驱动能力,MOSFET输入电容是关键的参数!

33、 下图Cgd和Cgs是MOSFET等效结电容. 一般IC的PWM OUT输出内部集成了限流电阻,具体数值大小同IC的峰值驱动输出能力有关,可以近似认为R=Vcc/Ipeak.一般结合IC驱动能力 Rg选择在10-20左右. 一般的应用中IC的驱动可以直接驱动MOSFET,但是考虑到通常驱动走线不是直线,感量可能会更大,并且为了防止外部干扰,还是要使用Rg驱动电阻进行抑制.考虑到走线分布电容的影响,这个电阻要尽量靠近MOSFET的栅极. 以上讨论的是MOSFET ON状态时电阻的选择,在MOSFET OFF状态时为了保证栅极电荷快速泻放,此时阻值要尽量小.通常为了保证快速泻放,在Rg上可以并联一

34、个二极管.当泻放电阻过小,由于走线电感的原因也会引起谐振(因此有些应用中也会在这个二极管上串一个小电阻),但是由于二极管的反向电流不导通,此时Rg又参与反向谐振回路,因此可以抑制反向谐振的尖峰.这个二极管通常使用高频小信号管1N4148. MOS开关管损耗:不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗.选择导通电阻小的MOSFET会减小导通损耗.现在的小功率MOSFET导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有. MOSFET导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的.MOSFET两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的

35、过程,在这段时间内,MOSFET管的损耗是电压和电流的乘积,叫做开关损耗.通常开关损耗比导通损耗大得多,而且开关频率越快,损失也越大.在LED恒流源设计中要注意频率的选择,降低损耗但也要兼顾杂声的出现. 导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损耗也就很大.缩短开关时间,可以减小每次导通时的损耗;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数.这两种办法都可以减小开关损耗. 输出的要求:因为MOSFET一般都连接着感性电路,会产生比较强的反向冲击电流.另外一个需要注意的问题是对瞬间短路电流的承受能力,对于高频SMPS尤其如此.瞬间短路电流的产生通常是由于驱动电平脉冲的上升或下降过程太长,或者传输延时过

36、大,瞬间短路电流会显着降低电源的效率,是MOSFET发热的原因之一. 估算结区温度:一般来说,即使源极/漏极电压超过绝对的最大额定值,功率 MOSFET 也很少发生击穿.功率 MOSFET 的击穿电压 (BVDSS) 具备正向的温度系数.因此,温度越高,击穿器件所需的电压越高.在许多情况下,功率 MOSFET 工作时的环境温度超过 25,其结区温度会因能量耗散而升至高于环境温度. 当击穿真正发生时,漏极电流会大得多,而击穿电压甚至比实际值还要高.在实际应用中,真正的击穿电压会是额定低电流击穿电压值的 1.3 倍. 尽管非正常的过压尖峰不会导致器件击穿,但为了确保器件的可靠性,功率MOSFET

37、的结区温度应当保持于规定的最大结区温度以下.器件的稳态结区温度可表达为: T_J=P_DR_ JC+T_C 其中, T_J:结区温度;T_C:管壳温度;P_D:结区能耗;R_ JC:稳态下结区至管壳的热阻. 不过在很多应用中,功率 MOSFET 中的能量是以脉冲方式耗散,而不是直流方式.当功率脉冲施加于器件上时,结区温度峰值会随峰值功率和脉冲宽度而变化.在某指定时刻的热阻叫做瞬态热阻,并由下式表达: Z_ JC(t)=r(t) R_ JC 这里,r(t)是与热容量相关,随时间变化的因子.对于很窄的脉冲,r(t)非常小;但对于很宽的脉冲,r(t)接近1,而瞬态热阻接近稳态热阻. 有时输入电压并不

38、是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动.这个变动导致PWM电路提供给MOSFET管的驱动电压是不稳定的.为了让MOSFET管在高gate电压下安全,很多MOSFET管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值.在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗.同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗. MOSFET导通时需要是栅极电压大于源极电压.而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V

39、.4V或10V是常用的MOSFET的导通电压,设计时需要选择合适.合适的门电压会使得导通时间快,导通电阻小. 目前市场上也有低电压驱动MOSFET,但耐压都较低,可以选择用在串接要求不是很高的场合.第三章 设计方案3.1电路原理这个电路的原型是降压型buck电路，原理是在MOS管开通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当MOS管关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。3.2电路要求本设计针对驱动一定数量的LED灯珠提出以下要求：1. 设计电路能够满足驱动23-30颗灯珠（一颗1WLED灯珠的驱动电压大概为3V，电流为350mA左右

40、）2. 电流精度高，能够达到350mA10Ma3. 输入电压范围广，能够在输入电压为140-290V之间工作4. 在220V正常输入电压情况下，电路的效率能够达到80%以上5. 低成本，便于量产等等。3.3不隔离型直接反馈电路针对该电路提出的要求，为了提高电路的效率，决定使用不隔离型电路，减少变压器的消耗。另外为了提高效率和降低成本，将输入端的EMI也去掉了。电路图如下 在该电路中用到了NCP1200的CS脚来控制负载的电流，原理是在一个周期内MOS管导通时，负载电流开始上升，当其值到达我们设定的值时，通过采样电阻给CS端反馈一个电压信号，控制MOS管的关断，此时负载由电感供电，电感在下个开关

41、周期前将所储存的能量放完，这种模式叫做不连续模式。这种控制峰值电流来达到恒流的方法不能实现真正的恒流，负载电流会随着输入电压的波动和负载数量的波动而变化输入为可调变压器的110V，串接6个（10W51RJ）电阻（代替30个1WLED灯珠）联47uF400V电容，Rs=1，FB接口接15K电阻，实验后测量电压为108V，根据I=U/R换算成电流为363mA;只改变负载，改为串接5个电阻，测量电压103V，换算成电流为410mA。 串接5个电阻调节输入电压后测量输出电压，结果如下： 输入（V）：65 70 75 80 85 90 95 100 110 120 130 135 140 145 155

42、 165 178 196 228 255 输出（V）：65 71 76 81 85 88 91 94 101 108 113 103 97 92 88 86 84 83 82 82 串接6个电阻调节输入电压后测量输出电压，结果如下： 输入（V）：59 86 98 113 125 147 180 205 255 输出（V）：63 90 100 111 120 108 95 93 93由以上数据可以看出，该方案恒流效果不是很好，尤其是在低压情况下，容易造成LED击穿。况且在负载LED数量变化时，输出电流变化较大。该电路只是简单的靠限制峰值电流来达到恒流效果的。当LED灯珠坏掉一个的话，此电路的恒定

43、电流值会增加，这样会让剩下的LED灯珠加速老化。输入电压在140-290变化时不能满足恒流要求，故不考虑该方案。3.4不隔离型晶体管反馈电路该电路原理图如下该方案是利用晶体管的反向击穿特性，三极管在PN结温度变化时，电压基准的话会有较大的变化，Vbe=0.65V,当温度在-40度和80度变化时，Vbe变化是2.5V/。这样电压基准就变化了，而且范围较大。电流变化精度受到外部温度的影响较大，会超出要求范围，而且其成本也会相对提高。故该方案不予考虑。3.5不隔离型远放反馈电路运放加光耦方式的原理是通过运放来比较与负载串联的电阻上的压降，把这个信号通过光耦的隔离，反馈到芯片的FB脚，来控制MOS管的

44、导通关断时间。当负载电流上升时，采用电阻上的压降会升高，这将使得运放的正向输入端电压高于反向输入端，运放输出为高电平，这样流过光耦的电流会增大，光耦输出端的阻值会降低，这样就拉低了FB端的电压，芯片会缩短MOS管的导通时间，使负载电流降低，从而实现恒流。运放的电源要求是15V，而我们的负载压降是90V上下，这就需要我们为运放设计一个电压稳定的电源。第一是用稳压二极管串联电阻的方法，第二是用TL431串联电阻的方法。前者的优点是成本低，稳定性有待实验测试；后者的优点是稳定性好，成本高一些。实验后发现稳压管的电压会有大的波动，这是因为负载变化时，稳压管的漏电流会发生些许的变化，从而引起了稳压值的漂移；而使用后一种方案的稳压效果相当理想，所以最终确定使用TL431串联电阻为运放提供电源此方案可以保证电流变化精度在要求范围内，可以驱动20-28颗LED，而且经理论分析其可靠性不错，但是达到这种性能需要增加2元钱的材料成本，而且电路相对复杂了一些，不过这个方案适合量产。运放方案加上了开路保护功能，当电路不接负载时是很危险的，并联在负载两端用于滤波的电解电容会因实际电压超过其标称值而爆炸。开路保护的原理是通过比较负载端的电压与设定值的大小，来驱动光耦，进而反馈到芯片FB端来控制MOS管的导通