led驱动电源的设计.doc

五邑大学本科毕业论文目 录摘 要.3 Abstract.4绪论. 5 1.1 引言.5 1.2 电源的发展趋势.5 1.3 国内外研究现状.5 1.4 本文的研究内容.6 1.5 照明光源的发展与优缺点.7 1.6 LED电源设计要求.8第2章 开关电源的所具有制作.10 2.1 开关电源的基本原理.10 2.2 开关电源的几种拓扑结构.11 2.3 本文数控电源的控制形式.11 2.4 反激式开电源的工作原理.12 2.5反激式开关电源的设计.14 2.5.1，确定设计要求.14 2.5.2，IC的选择.142.6，变压器的设计.15 2.6.1，开关电源变压器的绕线方法.15 2.6.2，磁饱和.15 2.6.3，变压器参数的计算.162.7 本章小结.21第3章 第3章主控板的制作与系统软件设计.213.1 主控板电路原理图模块.213.2 系统软件设计.24 3.2.1 主程序设计.25 3.2.2A/D模块程序.26 3.2.3PWM模块.263.3 本章小结.26第4章 第4章 结果与讨论.27 4.1开关电源原边电压波形图.27 4.2开关管的占空比.29 4.3开关电源的效率.30 4.3.1漏感导致效率低.31 4.3.2励磁电流导致.31 4.3.3原件及磁芯的选取.31 4.4单片机的电压、温度采集与PWM控制.33 4.5作品实物图片.33 4.5.1开关电源实物作品图片.34 4.5.2单片机控制模块作品图片.34 4.6本章小结.34参考文献.36致谢.37 摘 要与传统开关电源相比，数控电源具有智能功率管理功能，是未来智能电网终端应用的重要技术。在开关电源中插入单片机控制环节是实现数控电源的一种方法，通过传感器和单片机的结合，可以实时捕获电源的当前工作状态信息，通过程序处理，输出PWM信号控制开关电源的占空比，使电源的工作状态适应环境变化的要求。本文在传统反激式开关电源的基础上，采用STC12A60S2单片机对反激式开关电源的输出电流与LED灯温度的采集，输出相应的PWM信号对开关电源进行控制，使输出电流与温度达到平衡稳定的状态，并通过1602液晶显示当前的电流与温度值。论文详细论述了反激式开关电源的工作原理，各功能模块的实现方法，关键元件高频变压器的设计与制作，恒流输出原理，电流、温度采集的与单片机信号处理的方法，控制信号的接口等，并设计制作了实物模型，实验数据表明，本文所提的方法是一种简单、实用、有效的方法。关键词： 数控电源；反激式开关电源；STC12A60S2；PWM Abstract Compared with the traditional switch power supply ,Numerical control is easy to realize the power supply more intelligent more perfect power management ,Some of the information can be power through the display device display application is convenient for us ,Easy and digital system interface ,Through the program to control power in different occasions without replacement hardware circuit and many other advantages. This paper in traditional flyback type of switch power supply basis ,Through the use of STC12A60S2 singlechip flyback type of switch power supply output current and LED lights in the collection of temperature ,Through the STC12A60S2 producing controlled PWM signal to the switch power ,The 1602 current and liquid crystal display temperatureThis paper makes a study of the flyback type of switch power design, production, optimization and single chip microcomputer to switch power supply voltage signal acquisition and feedback to switch power through the output pulse occupies duty-cycle (PWM) signals to control the output power of current, power supply to meet the normal work of LED lights of control. Key words:Numerical control power source; Flyback type switch power source; STC12A60S2; PWM 第1章 绪论 1.1 引言能源、环保是我们当代所面临的两大问题，在使用能源上我们只有提高效率来降低能源的消耗。电力能源是国家人民生活、科技发展的支柱。国家能源局公布2011年全社会用电量累计达46928亿千瓦时。开关电源技术的用运用通过采用高频变换器提高了电能的利用效率，是电力电子技术中一个重要领域。 开关电源被誉为高效、节能电源。它具有效率高（可达70%90%）、体积小（单位体积下的输出功率仅为线性稳压电源的1/4）、重量轻（单位质量下的输出功率约为线性电源的4倍）【1】。目前，单片开关电源集成电路以其高集成度、高性价比、简单的外围电路获得广泛的应用。开关电源有很多种拓扑结构，在应用过程中根据所用的地方采用最佳的方式！开关电源现在正朝着高效节能，安全环保，短、小、轻、薄的方向发展。智能电源以是电源的发展方向，智能数字电源适合于工业批量生产而得到了最广泛的应用。传统的线性集成稳压电源，线性稳压电源其内部调整管与负载相串联其调整管工作在线性区而得名，其优点是稳压性能好，输出纹波小，电路简单，成本低但是效率一般在45%左右。由于开关电源具有较高效率因此正被广泛的应用。1.2 电源的发展趋势 开关电源的总体发展趋势是提高IC芯片的频率，降低空载功耗，智能化数字电源及可编程开关电源将是开关电源发展的趋势。 1.3 国内外研究现状开关电源已有几十年的发展历史。1955年发明的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，率先实现了高频转换的控制功能。1957年发明的自激推挽式双变压器，1964年提出的无公平变压器式开关电源的设计方案，有力的推动来开关电源的技术的进步。1977年脉宽调制（PWM）控制器件集成电路的问世，1994年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。于此同时开关电源的频率从20KHz提高到了几兆赫兹。国内2008年中国开关电源市场总体销售额达到123.8亿元，销售额比同期增涨14.8 。与传统采用工频变换技术的相控电源相比，采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。正因为如此，1994年我国原邮电部作出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。几年来的实践已经证明，这一决策是完全正确的。目前，国内开关电源的自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已经占据了相当大的市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品获得广泛的认同，在电源市场竞争中颇具优势，并且少量的开关电源还出口。国外许多著名的IC厂家都在大力的开发低功耗的开关电源芯片。如美国的PI公司开发的TOP系列的单片开关电源芯片。荷兰Philips公司推出的TEA1520等系列的芯片等。美国早在1992年就制定了能源之星（Energy Star）计划，以降低开关电源的空载能耗。欧盟委员会最新公布第4版电源节能标准（COC），在2009年1月1日起执行。规定要求在输出功率为0.350W普通电源的空载功耗不超过0.30W；50250W普通电源空载时的功耗不超过0.50W。新标准对0.38.0W的手机电源的空载功耗规定为在2009年1月1日2010年12月30日手机电源的空载功耗不能超过0.25W；自2011年1月1日之后不能超过0.15W。从上面我们可以看到在开关电源领域国内只有几家大公司掌握作核心技术。开关电源的IC基本上是国外生产。1.4 本文的研究内容 本文主要研究反激式开关电源与单片机控制的数控电源，反激式开关电源主要是用来给LED供电。在采用DS18b20对LED灯温度的采集进行控制，当温度高于设定温度时由单片机给开关电源反馈信号来控制输出电流来降低温度。当温度或电流超过设定值时由一个红色LED和蜂鸣器来报警。用1602液晶来显示当前电流与LED灯当前的温度。 在开关电源的制作过程中研究如何提高开关电源的效率、减少EMI干扰等。1.5 照明光源的发展及优缺点 按电光源的发光机理分类：第一代光源：电阻发光如白炽灯。第二代光源：电弧和气体发光如钠灯。第三代光源：荧光粉发光如荧光灯。第四代光源：固态芯片发光如LED. 第一代照明光源：白炽灯 1879年,美国爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯,使人类从漫长的火光照明时代进入电气照明时代。也宣告了第一代光源-白炽灯的诞生。 优缺点：白炽灯显色指数比较高，成本相对比较的低，使用安全，设备的维护费用比较的低及无污染，因此被大量的采用。但是大部分白炽灯会把消耗能量中的90%转化成无用的热能，只少于10%的能量会成为光，在白炽灯发出的光中还包含红外、紫外等不可见光，因此它的发光效率低，能耗大，寿命短为其缺点。 第二代照明光源：荧光灯 20世纪30年代，荷兰科学家开发出第一支荧光灯，其具有发光效率高，寿命长，光色好等优点，使得其在家居、办公、商业照明灯领域逐渐取代白炽灯成为使用最广泛。 优缺点：荧光灯的优点是发光效率要比白炽灯高得多，在使用寿命方面也优于白炽灯；缺点是荧光灯在灯管中有汞，在使用后没有很好的回收机制导致污染水资源， 特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，应采取措施消除频闪效应。 另外，荧光灯需要启辉器和镇流器，使用比较复杂。 第三代照明光源：金属卤化灯20世纪40-60年代，科学家发现提高气体放电的工作压力表现出的优异特性，又不断地开发出高压汞灯，高压钠灯，金属卤化物灯等高强度气体放电灯,使得其在大面积泛光照明、室外照明、道路照明及商业照明等领域得到广泛应用。其中较有代表的为金卤灯、钠灯。优缺点：金属卤化灯它综合了汞灯、荧光灯及白炽灯的优点，具有光效高、节能、显色性好、寿命长的优点。 缺点：对原材料要求苛刻，工艺复杂，尺寸和精度要求高，技术设计有难点等。 第四代照明光源：LED 20世纪60年代，科学家开发出第一个实用可见光LED，随后又相继开发出各种单色光LED。近年来，LED光效不断提升，并突破单一颜色的局限性，向白色光照明迈进。 LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。在很多国家和地区被政府推广使用。 优缺点：1、体积小， 2、耗电量低 ，3、使用寿命长，4、高亮度、低热量，5、环保，6、坚固耐用。LED 也有以下缺点：1、散热不理想，2、对人眼的伤害较大，3、显色指数受温度等环境因数影响，4、电源驱动技术还没克服影响LED灯整体寿命。1.6 LED驱动电源设计要求 LED的发光是靠载流子在发光区复合发光的，因此LED的发光强度与电流大小成正比。 LED的伏安特性 在（图1-1）中我们可以看到在LED同样有一个开启电压，在增大LED两端的电压时电流以随着增大，但是增大的幅度随电压的增大而不断的增大。因此当LED正常工作时当电压很小波动时都会导致电流的很大波动。 图1-1 LED的伏安特性曲线 温度对LED伏安特性的影响 在不同温度下LED的伏安特性曲线如图1-2，当温度升高时LED伏安特性曲线向左移动。由于LED的发光以伴随着热量的产生，如果采用恒压供电就会导致当LED内部极温上升时流过LED的电流加大。导致LED温度继续的升高这样的恶性循环，因此LED的供电一定要才用恒流供电。 图1-2 不同温度对LED伏安特性曲线 同样温度对LED的光衰以有很大的影响。如（图1-3）是不同温度下的LED当发光强度衰减到之前的70所用时间，可以看到在温度为100、90、80时当光强衰减到开始时的70%所用的时间是80时为4万小时，90时是3万小时，100时为2.2万小时，因此在设计过程中一定要注意到LED的散热。 图1-3 温度对LED发光强度与时间的曲线图由于LED的伏安特性及伏安特性随温度的变化特性因此LED的驱动电源采用恒流电源。 第2章 开关电源的设计与制作按工作原理来分电源分为线性电源与开关电源，由于开关电源具有较高的效率因此开关电源正在被广发的应用在我们的生活中如手机充电器、电脑电源等随处可见。 2.1 开关电源的基本原理 如图（2-1）可以分为几步：1，输入的交流电经过EMI跟整流滤波电路后就变成直流电。2，由开关管控制初级变压器的导通与断开将直流电在初级变压器中变成方波。3，通过变压器将能量耦合到次级，次级在通过整流、滤波输出直流电。4，通过输出的电流或者电压来反馈到开关管控制输出稳定。 图2-1 AC/DC开关电源典型框图2.2 开关电源的几种拓扑结构开关电源的拓扑结构是指功率变换电路的结构，其中开关电源的拓扑结构包含降压式变换器、升压式变换器、反激式变换器、正激式变换器、推挽式换化器、半桥式变换器、全桥式变换器。2.3 本论文数控电源的控制形式 本论文主要采取单片机对开关电源的输出信号进行采集，在通过处理输出PWM信号来对开关管的工作状态进行控制。如图2-2框图。 图2-2数字式开关电源工作图 在第二章里讲到开关电源有很多的拓扑形式，但在小于100W的小功率应用中常采用反激式开关电源。 反激式开关电源的优点是电路比较简单，体积比较小，反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多。因此在LED灯具中被大量使用。2.4 反激式开关电源的工作原理 反激式DC/DC的变换器又被称为回扫式变化器。凡是在功率开关管截至期间向负载输出能量的变化器统称为反激式变化器【2】。1，反激式开关电源工作电路简图 如图2-3是反激式开关电源的拓扑结构，在输入的交流市电经过整流、滤波后有310V左右的直流电如2-3图中的(a)图，J1为高频变压器，Q1为功率开关管MOSFET，VD为输出整流二极管，C1为滤波电容，Np与Ns分别是高频变压器的初级线圈匝数与次级线圈匝数。当Q1导通是电流经过初级线圈产生Ip的电流以电感的形式将能量存储到一次绕组中。此时次级线圈的上端为负下端为正，次级整流二极管不导通。当功率开关管截至时初级线圈中的能量将在次级线圈上产生一个感应电动势，其极性为上正下负次级整流二极管导通，产生Is的电流给负载供电的同时对电容充电如2-3图中的(b)图。Uo为输出电压。 图2-3反激式开关电源拓扑结构 2，反激式开关电源的工作原理如图2-4是将开关管简化为一个开关S这样可以跟直观的让我们了解开关电源的工作原理。当开关S闭合时，输出电压加到初级线圈上，初级线圈电感为Lp在加上输入电压后Ip将逐渐增大，并在电感中不断的存储能量。此时电容C1给发在RL供电负载电流为Io如图2-4（a）；当S断开如图2-4（b），此时存储在初级线圈中的电能将产生感应电动势来减小初级电流的变化为，感应电动势在初级为下正上负。此时次级整流二极管VD导通，将存储在初级线圈Np中的能量传递给次级，传递到次级的能量用来对电容C1充电与负载供电【3】。从上面我们可以知道在反激式开关电源中初级线圈在整个周期中是不断的充电与放电，因此在设计变压器时要考虑初级电感存储的能量多大才能供给负载。 图2-4在开关管导通与截至是的反激式开关电源简化电路图3,反激式开关电源的主要特性（1） 输出电压（Uo）与输入电压(UI)的关系 (2-1)由上面的公式我们可以看到Uo不但受到占空比（D）与周期（T）的限制外还与负载有关，因此在输入电压变化要求输出电压不变时就要求有较大的占空比的调节，因此在设计电源时一定要考虑当输入电压较低时占空比是否在开关管IC的范围内。在设计时一定要加上最小负载，避免电路空载运行时导致输出电压过高或振荡。（2）功率开关两端的电压UCE 在理想的变压器中不存在漏感的条件先讨论这个功率开关两端电压的情况。漏感：变压器的漏感应该是线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈,因此产生漏磁的电感称为漏感。 （2-2） 由上面的公式我们可以看到在开关管两端的电压一般都是很高的。其中在反射式开关电源中被称为反激电压（UOR）。2.5反激式开关电源的设计反激式开关电源的设计可以分为：1，确定设计要求。2，IC的选择。3，变压器的设计。4，电源的保护电路。5，输入整流、滤波电路。6，漏感吸收回路设计。7输出整流、滤波电路设计。8，反馈回路设计。 2.5.1，确定设计要求输入电压：220 V(AC)20范围输出电压：23V (DC)电流：700mA2.5.2，IC的选择选择TNY279是TinySwitch-III产品系列，具有灵活性及更大的功率范围是高效的离线式开关IC。这款IC在安全上采用了的迟滞热关断保护并且具备自动恢复功能，无需人工重新置位。在265 VAC输入时，无偏置绕组下的空载能耗150 mW ，有偏置绕组时空载能耗50 mW。TinySwitch-III 集成了一个700 V 的功率MOSFET、振荡器、高压开关电流源、电流限流(用户可选)及热关断电路。IC产品系列采用开/关控制方式，提供一个灵活的设计方案，并且实现更低的系统成本及更大的输出功率范围。其中振荡器平均频率设置在132 kHz 的水平【4】。 图2-5 TNY279芯片图2.6，变压器的设计在反激式开关电源的设计过程中最难的就是变压的设计了，在前面第二章我们了解在反激式开关电源中初级线圈是用来存储能量在关断时对负载供电的，因此在设计反激式开关电源的时候就要考虑初级电感的大小。 2.6.1，开关电源变压器的绕线方法先来说说开关电源变压器的绕制有两种方法：顺序绕制和夹层绕法。在这两种绕线法对EMI和漏感是有不同的，在顺序绕线法当中由于次级与初级的接触只有一个表面导致漏感一般为初级电感的5左右，正是由于只有一个接触面，耦合电容比较小导致EMI比较好。 夹层绕法又叫三明治绕法，一般是先绕1/2-1/3的初级线圈匝数在绕次级线圈。这样的绕法漏感为电感的1-3左右，漏感是减小了但是由于接触面的增多导致耦合电容增大，EMI比较难通过要求。因此综合考虑一般在小于30-40W的开关电源才用顺序绕法，大于40W由于漏感较大将产生很高的关断电压对开关芯片产生很大的冲击，在嵌位电路上消耗的能量将更多导致效率下降。电源温度上升等都是我们不想得到的因此在大功率开关电源的变压器上一般都才用夹层绕线方法。 2.6.2，磁饱和 如图2-6是磁滞回曲线图，与材料有关，其中Br被称为矫顽力。MXO型锰锌铁氧体合适工作在中频（几百千赫兹），其电阻率很低【5】。为了不让开关电源的变压器不饱和采用在磁芯中间开气隙，在设计开关电源的变压器时如果选择较低的Bm将导致线圈匝数增多，由于在绕制的线圈中存在电阻如果线圈匝数越多电阻越大导致在工作时变压器上线圈的损耗增大，导致变压器线圈发热，由于磁芯存在居里温度，当温度上升到Bm将下降当居里温度是表示的材料失去磁性的温度，铁氧体的居里温度一般在220，但是一般变压器设计工作温度不能超过80，应为在100以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温的70。在过高的温度将会导致磁芯的饱和，当温度超过100时功耗以随着温度的上升呈现正温度系数，会导致恶性循环【6】磁饱和将会导致线圈失去存储能量的能力，那变压器的初级线圈就相当与导线，将产生大的电流破坏开关管与烧坏保险管，破坏铜线的绝缘层。因此一定在反激式开关电源中加气隙，来降低Br,以增大磁通密度B的变化量。增加气隙后，虽然激磁电流将有所增大，但是磁芯不容易产生饱和，从而增加变压器存储能量的能力，便于提高开关电源的输出功率。【7】不然后果很严重。 图2-6磁滞回曲线 在中间的加气隙的方法有两种，一种是在磁芯两端上垫出气隙另一种就是将中柱磨出一段气隙。这两种方法各有优点。第一种方法是在两端垫出气隙效率比将中柱磨出气隙的变压器损耗要小，但是EMI比中柱磨出气隙要差一些，但是制作方便一般我们都采用第一种方法。由于在中柱磨出气隙时在漏磁靠外面的线圈屏蔽，所以EMI会好一些。但是损耗也大一些。是由于泄漏的交变磁场会在铜线里产生涡流损耗。2.6.3，变压器参数的计算在开关电源的设计中反激式开关电源高频变压器的设计是最为复杂的，因此在设计反激式开关变压器时我们一定要仔细。 1，变压器的磁芯选择 下图是关于功率与磁芯型号对照表 图2-7开关电源型号与输出功率的对照表【8】由于输出功率为16W因此我选择EE22。 图2-8磁芯参数表如图3-6我们查表可以得到EE22磁芯的横截面积为，在100KHZ时的饱和磁通为，在计算是为了防止出现磁饱和现象而损坏开关管，因此我们在计算时可将磁通密度2，计算脉冲信号的最大占空比在设计时对于电压在220V20%的范围内波动，对应的交流电压为176264V的交流电。在经过整流滤波后的直流输入电压最大值、最小值分、。单端反激式开关电源的反射电压为Vor=110V，在初级绕组的嵌位端采用P6KE200A，将初级电压嵌位在200V之间，加上输入电压一共有差不多560V，在TNY279PN芯片中集成了一个700V的功率MOSFET，因此选择P6KE200A来做嵌位电路如图2-9是反激式开关电源的嵌位吸收电路。 图2-9反激式开关电源嵌位电路计算脉冲信号的最大占空比为 （2-3） 根据公式（2-3）可以算出最大占空比为 没有超出规定的要求值TNY279PN芯片的最大占空比为65。3，计算一次绕组上的电感量L1高频变压器的一次电感量L1是由下面的公式确定【9】 （2-4）将数值代入上面的式中可以得到 设满载时的