led照明电源系统设计.doc

青岛理工大学本科毕业设计(论文)说明书

青岛理工大学
毕 业 设 计（论 文）

题目 LED照明电源系统设计

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摘 要

LED在照明应用中，因其具有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、可靠性高、调控方便等诸多优点，正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用。本论文介绍了一种基于TOP224Y三端离线式PWM集成芯片的反激式开关稳压电源；分析了TOP224Y的特性和工作原理，设计了一款直流输出电压电、流分别为+12V，+350mA的单片开关电源，并对系统开关电源实用电路及主要单元电路进行了详细的分析，进行了参数值计算、器件的选取与电路设计；最后，给出PCB板电路图。实验证明：该开关稳压电源具有效率高、波纹小、输出电压稳定等优点。
关键词：TOP224Y；单片开关电源；高频变压器；PCB板。

目 录

摘 要 I
目 录 III
第1章 绪 论 1
1.1引言 1
1.2 LED照明的现状和发展趋势 1
1.3 LED照明目前存在的问题与解决方法 4
1.4论文主要工作及设计目标要求 5
第2章 驱动电源整体方案设计 8
2.1 LED照明驱动电源的确定 8
2.2 LED照明反馈电路的确定 11
2.3 LED照明调制控制方式的确定 14
2.4小 结 15
第3章 开关电源主电路的设计 16
3.1 主电路拓扑及芯片的选择 16
3.1.1主电路拓扑的选择 16
3.1.2芯片的选择及简介 17
3.2 开关电源输入回路（整流滤波电路）的设计 20
3.3 驱动变压器的设计 21
3.4 箝位保护电路的设计 23
3.5 输出整流滤波电路的设计 24
3.6 反馈电路的设计 25
第4章 PCB板设计 27
4.1 PCB技术简介 27
4.1.1 PCB的分类 27
4.1.2 国内PCB技术的发展前景 28
4.2 PCB板设计应注意的问题 30
4.3 元器件的封装 33
4.4 小结 35
总 结 36
参考文献 37

第1章 绪 论

1.1引言
1879年，爱迪生发明了碳丝白炽灯，使照明技术进入一个崭新的时代。回顾20世纪的照明史，荧光灯、汞灯、高／低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、高频无极荧光灯以及微波硫灯等新光源层出不穷。白炽灯从其问世的那一天起就带有先天性的缺陷，寿命短，钨丝加热耗电大，灯泡易碎，而且容易使人触电。荧光灯的出现，虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力产生不利的影响，灯管内的重金属汞也有害于人体和环境。真正引发照明技术发生质变的还是LED的发明。与传统照明技术相比，LED的最大区别是结构和材料的不同，它是一种能够将电能转化为可见光的半导体。LED属于全固体冷光源，体积极小、结构坚固、重量轻、而且工作电压低，使用寿命长，节能环保。LED光源被称为继白炽灯、荧光灯、高强度气体灯之后的第四代光源。

1.2 LED照明的现状和发展趋势
目前，LED已经应用于各种照明领域，这包括景观照明、汽车市场、普通照明、道路照明等。LED照明市场已经逐步形成规模，如日本松下电工已开始生产“袖珍型LED照明灯”，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯，国内明达光电厦门有限公司开始生产LED路灯等。由于石化资源的匮乏，世界性的能源危机引起了各国的重视，并纷纷把照明节电特别是白光LED产业的发展纳入国家发展战略中。面对LED照明将要形成的巨大市场，世界上掌握半导体照明技术的公司，如通用电气、飞利浦、欧司朗等世界三大照明工业巨头、全都启动大规模商用开发计划，不断推进半导体照明的发展。国内对LED的研究和应用也进行了重点投入。2006年l0月，国家“十一五”863计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。我国半导体产业正在进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇。我国出现了很多示范性路灯照明实例。随着2008年北京奥运会和20l0年上海世博会的陆续申办成功，北京、上海等主要的举办城市加大了对景观照明的投入，受此影响，2007年LED用于景观照明市场的规模达到21.2亿元。可以预见，未来LED将逐渐替代白炽灯、荧光灯等光光源，成为人造光源逐流产品，广泛应用于各种照明、显示和标识，专家估计将会有1000亿美元的产业规模。
并且LED照明与其他照明相比具有以下优点：
(1) 高效节能：传统的照明光源存在光效低(一般白炽灯光效20％左右，普通节能灯只有40％~50％左右)、耗电量大、光线中含有大量的紫外线、红外线辐射，电能绝大部分转化为热能。按照通常的光效定义，LED的光效并不高，但由于LED的光谱几乎全部集中在可见光频段，效率可达80％～90％，一般LED灯使用低电压、低电流驱动，功耗低，在相同的照明效果下比传统光源节能80％以上。
(2) 寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有松动的部分，不存在普通灯丝发光发热易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可高达6万～10万小时，是传统光源使用寿命的10倍以上。由于寿命长，经久耐用，减少了维护和更换的费用，降低了成本。
(3) 绿色环保：现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃后都会对人体的健康和环境造成危害。而LED运用冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。
(4)光效高：白炽灯的光效为12～241m／W，荧光灯的光效为50～701m／W，钠灯的光效为90～1401m／W，大部分的耗电变成热量损耗。目前LED的光效为50～1001m／W左右，世界各国均加紧提高LED光效的研究，按现在LED技术发展的速度预测，到2010～2015年，白光LED的光效将达到l50～2001m／W，远远超过其他所有照明光源的光效。
(5) 光色纯、光束集中：传统照明光源的光谱较宽，且发光方向为整个立体空间，不利于配光和光线的有效利用。而LED则为分立的光谱，谱线较窄，色彩丰富、鲜艳，可以有多样化的色调选择和配光，并且LED光源发光大部分集中会聚于中心，发散角较小，可以有效地控制眩光，从而简化灯具结构，节省设计和制造成本。
(6) 高新技术：与传统光源的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功地融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术和嵌入控制技术等。
LED在照明领域中的应用主要包括以下四个方向的技术：LED光源技术、LED驱动电源技术、LED配光技术和LED散热技术。本论文主要从LED驱动电源技术介绍LED照明的研究现状和发展趋势。
LED驱动电源技术：原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作为照明光源就要解决电源变换这一问题。现有用原始电源给LED供电主要有以下四种情况：低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动以及市电驱动。不同的情况在LED电源变换器的技术实现上有不同的方案。下面简要介绍这四种不同的驱动电源技术。
(1) 低电压驱动：
低电压驱动就是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED，如一节普通的干电池或者镍铬／镍氢电池，其正常供电电压为0.8至1.65V。低电压驱动LED就是要把电压升高到足以使LED导通的电压值。对于LED这样的低功率照明器件，这是一种常见的使用情况，如LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的变换效率。另外，考虑到有可能配合一节5号电池工作，还要有最小的体积，其最佳技术方案是电荷泵式升压变换器。
(2) 过渡电压驱动：
过渡电压驱动是指给LED供电的电源电压值在LED管压降附近变动，这个电压有时略高于LED管压降，有时略低于LED管压降。如一节或者两节锂电池串联的铅酸电池，满电时电压在4V以上，电快用完时电压在3V以下。用这类电源供电的典型应用有LED矿灯等。过渡电压驱动LED的电源变换电路既要解决升压问题又要解决降压问题，为了配合一节锂电池工作，也需要有尽可能小的体积和尽可能低的成本。一般情况下功率也不大，其最高性价比的电路结构是反极性电荷泵式变换器。
(3) 高电压驱动：
高电压驱动是指给LED供电的电压值始终高于LED管压降，如5V、12V，24V的电源。典型应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压驱动LED要解决降压问题，由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电，会用到比较大的功率(如机动车照明和信号灯光)，应该有尽可能低的成本。变换器的最佳电路结构是串联开关降压电路。
(4) 市电驱动：
市电驱动，顾名思义就是用220V、50Hz的交流市电经过电源变换装置给LED供电。这是一种对LED照明应用最有价值的供电方式，是半导体照明普及应用必须要解决好的问题。用市电驱动LED要解决降压和整流问题，还要有比较高的变换效率、有较小的体积和较低的成本。另外，考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对中小功率的LED，现在普遍使用的电路结构是反激变换器。对于大功率的应用，则是使用桥式变换电路。
目前，单颗LED的光效还不足以满足大部分照明的要求，这就要求LED驱动电源能够同时驱动多个LED，只有合理的配合设计才能保证LED正常工作。LED负载的连接形式直接关系到其可靠性和使用寿命，现有的连接方式有全部串联、全部并联、混联三种。
无论是何种驱动电源技术，归根到底对于LED照明而言只有恒压和恒流的区别。采用恒压设计会危害LED的未来。LED是需要恒流方式驱动工作的，但目前由于恒流方式限制达不到实际需求，而较多地使用恒压方式设计。恒压方式是暂时的过渡，很快会被恒流技术取代。故本设计采用的是市电驱动

1.3 LED照明目前存在的问题与解决方法
目前，LED照明光源的光效虽然还不是很理想，但随着时间的推移和制作工艺的进步，其光效将达到甚至超过现有的其他照明光源的光效。同时，高功率LED照明的散热效果也有望进一步得到改善。LED的理论使用寿命在6万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，LED照明忽明忽暗，使LED极易损坏。当前很多厂家生产的LED灯类产品采用阻容降压的方式向LED供电，这样做使得效率低。并且现有的大部分驱动电源功率因数普遍偏低，降低了电能的有效利用率。精确设计驱动电源是解决上述问题的关键，只有根据LED照明产品的要求、应用场合，选择合适的拓扑结构，合理选用LED驱动方式，才能提高LED照明的效率和可靠性，将LED照明的优势充分发挥出来。
在LED照明的配光技术方面，目前的配光大部分沿用传统配光方法，普遍采用透镜聚光和反射镜利用旁侧光照，为了达到一定的光照效果，往往给照明灯具带来种种问题例如散热差和灯具的体积大和重量增加及其影响外观，同时也忽略了LED的光学特性，而且LED照明灯具配光后的光利用效率也较低。解决上述问题，只有从LED自身的结构和发光特性出发，寻求一种能够满足LED照明要求的，且具有LED照明特点的配光方法。
综上所述，解决LED照明的方法只有从LED自身的光学、电学和结构特点出发，根据具体的应用环境和条件要求，因地制宜，才能解决LED照明技术上存在的问题，使LED照明真正成为值得广泛推广使用的绿色照明。

1.4论文主要工作及设计目标要求
①．论文的主要工作：
(1) 熟悉LED照明系统工作原理，发展趋势，开关电源的控制方式以及工作原理。
(2) 研究LED照明驱动电源的相关技术，对驱动电源的主电路进行分类和比较，重点研究驱动电源的驱动效率和校正问题,总结一般LED照明对驱动电源的要求，然后按设计要求选择驱动芯片，设计驱动电源电路。
(3) 研究LED照明系统开关电源的控制级电路和功率级电路，按设计要求设计合理的控制方式及反馈电路。
(4) 开关电源输入电路要求：宽电压输入，要求可在交流85～265V范围内正常工作；
(5) 开关电源输出电路要求：单路输出，恒压输出：12V，精度±5%，恒流输出：350mA，精度为±7；
(6) 制作印刷电路板，生成PCB板电路图纸。
②．LED照明对驱动电源的设计要求
在开发高能效的LED通用照明系统时，需要从系统的角度来分析其要求，总的来看，LED照明系统涉及以下几个方面的要求：LED光源、电源转换、控制和驱动、热管理、光学设计。其中，LED的电源转换、控制和驱动是本节讨论的重点。
总体来说，对于LED照明驱动电源而言，它面临的主要问题是LED的非线性。这主要体现在LED的正向电压会随着电流和温度而变化，不同LED器件的正向电压也会有所差异，LED“色点"会随着电流和温度而漂移，而且LED必须在规范要求的范围内工作从而实现可靠工作。而LED照明驱动电源的主要作用，就是在工作条件范围内稳定电流，无论输入条件和正向电压如何变化，始终能够保持LED的工作电流稳定，从而保证LED的工作寿命和满足可靠性的要求。
具体地说，根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，在选择和设计LED照明驱动电源时要考虑到以下几点：
1．高可靠性
特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便，并且维修的花费也大。
2．驱动方式
现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。
3．高效率
LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。
4．高功率因素
功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。对于30瓦～40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因素方面有一定的指标要求。
5．浪涌保护
LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。
6．保护功能
电源除了常规的保护功能(过流、过压、短路、过载等保护)外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。
7．防护方面
灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。
8．驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。
9．要符合安规和电磁兼容的要求。

第2章 驱动电源整体方案设计

电是工业的动力，是人类生活的源泉。而电源是产生电的装置。我们用的电，一般都是需经过转换才能适合使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。自20世纪60年代，人们发明了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。而在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源(Switching Power Supply)。开关电源作为一种绿色电源以及其高效的特点而广泛应用于各种驱动电源的设计当中。

2.1 LED照明驱动电源的确定
为了保证LED在照明中得到良好的应用，需要采用恰当的驱动电源与之搭配。本文将目前常用的LED照明驱动电源按照电路功能和应用要求的不同分为线性型电路、开关型电路。下面简述其各自特点：
线性型电路是一种最为简单和最为直接的驱动应用方式。线性型驱动应用可分为两种：稳压电源+镇流电阻和稳流电源+镇流电阻。在照明级LED的应用中，虽然存在着效率低、调节性差等问题，但是由于其电路简单、体积小巧，能满足一般要求，因此在一些特定的场合应用较多。这种类型的电路主要用于较小功率级的照明，如手机的背光照明等。
开关型电路沿用开关电源的设计思路，其电路主要由控制级电路和功率级电路(主电路)组成，功率级主要由电感、电容、开关管和整流管组成，控制级电路一般是由反馈和调制电路组成。利用开关型电路可以获得良好的电流控制精度和较高的总体效率。
综上所述，出于对效率和实用性的考虑，本设计将采用的是开关型电路。由于本文的设计采用的是开关型电路，所以这小节详细讨论一下电路的功率级部分，按照输入电压和输出电压的大小关系分为降压型变换器、升压型变换器和升降压型变换器三种拓扑结构。
1．降压型变换器(buck变换器)
如图2-1所示，其工作原理：当开关闭合时，巧一向负载提供能量，并同时贮存一部分能量在电感L中，整流二极管不导通。当开关S打开时，为了维持电流不突变，L两端电压反向，整流二极管导通，贮存在L中的能量释放出来，以维持负载稳压。开关S导通和关断的时间段里，电感的电流变化量应相等，即：

可知：
即得：
所以电压的增益系数：

式中：D为占空比，上面的推导皆是建立在假设变换器工作在非CCM的工作模式下的，为开关管的导通时间，为开关管的关断时间，，忽略整流二极管的压降。下面讨论的前提条件都一样。

图2-1 降压型变换器
降压型变换器是不连续工作模式，当储能电感很小时，电感中能量释放完时可能输入未导通，导致电流断流，会造成输出电压纹波较大，电源调整率差。
2．升压型变换器(boost变换器)
如图2-2所示，其工作原理：当开关S闭合时，输入电压K刀对电感L充电，整流二极管两端电压方向不导通；当开关S断开后，电感L两端电压反向，整流二极管导通，输出电压为输入电压与电感电压之和。在开关S导通和关断时间里，电感电流变化量应相等。
可知：
即得：
所以电压的增益系数：

图2-2升压型变换器
由于需要将低压升为高压的场合不多，升压型变换器没有降压型变换器应用广泛。即使有些需要高压的场合，也可用其他的更有利的方法替代。尽管如此，对升压型变换器多做研究还是很有益的。因为只要用变压器替代电感，升压型变换器即可变为很有价值且应用广泛的反激变换器拓扑。
3．升降压型变换器(buck．boost变换器)
如图2-3所示，其工作原理：当开关S闭合时，输入电压对电感L充电，至；当开关S断开后，为了维持电流不突变，保持输出电压稳定，电感L上电压反向，整流二极管导通，电感L释放能量以维持输出电压稳定。
可知：
即得：
所以电压增益系数：

图2-3 升降压型变换器
升降压型变换器的电压增益随D变化，可以降压也可以升压，这是它的主要特点。但是，它的实际应用电路稍显复杂，因为输入电流，输出电流是脉动的，为了平波要加滤波器。
比较上述三种变换器，有一个共同特点：输入输出的一根线是公用的，因此也称为三端开关式稳压器。本章节只对其作简短的介绍，第三章将作具体的选择分析。

2.2 LED照明反馈电路的确定
驱动电源电路中的输入电压、输出电压、开关器件电流、电感电流均可作为反馈取样控制信号，从而有电压模式、电流模式(也称为峰值电流模式)、平均电流模式、滞环电流模式和相加模式五种反馈控制模式，其中电压模式和电流模式为最常用的两种反馈控制模式。
1．电压控制模式
图2-4是电压控制模式的拓扑结构图，基本原理是：对输出电压检测得到反馈信号VFB与参考电压VREF比较放大，得到误差信号V，V和锯齿波信号比较后，PWM比较器输出一系列时钟信号，这些时钟信号的宽度随误差信号源的变化而变化。而输出时钟宽度取决于输出能量的大小，当负载消耗能量增大时，时钟宽度增大，而输出能量减少时，输出时钟宽度减小，从而维持输出电压恒定。这种电压控制开关电源只需要一个反馈信号，用于实现整个电路的负反馈而维持输出恒定。由于在整个控制电路中只有一个反馈回路，所以是一种单环控制系统。

图2-4电压型反馈控制原理图
电压控制模式开关变换器是一个二阶系统，系统存在两个状态变量：输出滤波电容器上的电压和输出滤波电感中的电流。二阶系统是一个有条件稳定系统，只有对控制回路进行精心设计，在满足一定条件下，闭环系统才能稳定工作。驱动电源的电流郜要通过电感，对于电压信号有90度的相位延迟。而对整个稳压电源系统来说，通过初级的励磁电流改变高频变压器中的磁通，以适应输入电压和负载的变化而保持输出电压恒定的要求。这种检测输出电压的方法在调节过程中存在一定滞后，结果必然是响应速度慢、稳定性差，大信号变动时甚至产生振荡。
电压控制模式的优点：
(1) PWM锯齿波幅值较大，时钟宽度调节时具有较好的抗干扰裕量；
(2) 占空比调节不受限制；
(3) 对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好；
(4) 单一反馈电压控制设计，调试比较容易；
(5) 对于输出负载的变化有较好的响应调节。
电压控制模式的缺点：
(1) 对输入电压变化的动态响应较慢；
(2) 闭环增益随输入电压的变化而变化，使补偿网络的设计复杂；
(3) 输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计EA时需要对主极点进行低频衰减或增加一个零点补偿。
2．电流控制模式

图2-5 电流型反馈控制原理图
由于电压控制模式是单环控制系统，控制过程中电源电路内的电流值并未参与，因而存在上述的诸多缺点。为了克服电压模式的缺点，电流模式应运而生。峰值电流模式控制简称电流模式控制，它的工作原理就是在脉宽比较器的输入端直接用检测到的输出电感电流信号或功率管电流信号与误差放大器的输出信号进行比较，从而控制输出脉冲的占空比，以此达到调节输出电感的峰值电流跟随误差电压变化。它并不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制输出一侧的电感电流或功率管电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。它是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。电流控制型开关变换器正是在传统电压控制型的基础上，增加电流内环，使其成为双环控制系统，让电感上的电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器的二阶模型去掉了电感电流而成为一阶系统。图2-5所示为电流型反馈控制的原理图，电流信号源和斜坡补偿信号源叠加后跟误差放大器的输出电平进行比较，输出时钟与OSC信号得到Logic，驱动功率管导通，电源回路中的电流时钟逐渐增大。当v十v的幅值达到v时，比较器状态翻转，功率管截止，逐个地检测和调节电流时钟达到控制电源输出的目的，并且电流模式控制PWM具有比电压模式控制大得多的带宽。
电流控制模式较电压控制模式有如下优点：
(1) 暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化瞬态响应均较快；
(2) 逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；
(3) 优良的电流电压调整率；
(4) 环路稳定，易补偿；
(5) 纹波系数电压控制型小得多；
(6) 整个反馈电路变成了一阶电路，由于反馈信号电路与电压型相比，减少了一阶，因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化，稳定度得以提高且改善了频响；
(7) 简化了反馈控制补偿网络、负载限流；
(8) 逐个检测电流脉冲的幅度，自动平衡变压器中的磁通量；
(9) 自动均流并联功能。
电流控制模式的缺点：
(1) 占空比大于50％的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；
(2) 闭环响应不如平均电流模式控制理想；
(3) 容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50％，也有发生高频次谐波振荡的可能性，因而需要斜坡补偿；
(4) 对噪声敏感，抗噪声性差，因为电感处于连续储能电流状态，与控制电压编程决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号的上斜坡通常较小，电流信号上较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡；
(5) 电路拓扑受限制；
(6) 对多路输出电源的交互调节性能不好。
综上所述，出于效率和经济效益的考虑，本设计采用的是电流控制模式反馈电路。

2.3 LED照明调制控制方式的确定
LED需要调节其发光亮度来满足各种应用场合的照度需求，因此需要对其调光，常用的调光应用主要采用PFM、PSM、PWM三种调制方式。脉冲频率调制(PFM)方式为时钟宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，实现对电路控制的调制方式称为定宽调频；脉冲跨周期(PSM)方式为时钟宽度恒定，选择性地跳过某些工作周期调节电路的调制方式；脉冲宽度调制(PWM)方式为开关频率恒定，通过调节导通时钟宽度来改变占空比，实现对电路控制的调制方式称为定频调宽。下面分别介绍三种调制方式的优缺点。
1．PFM调制方式
PFM调制方式是开关电源变换器中常用的调制方式，多与PWM结合达到最佳控制效果。通过负载端反馈信号与基准信号进行比较，输出误差信号对工作频率进行调节，然后输出一个恒宽变频的方波信号对功率管进行控制，依据负载状况实时调节开关管的导通时间，稳定输出电压。
优点：在负载较轻的情况下工作效率很高，工作频率高，频率特性好电压调整率高，适用于(峰值)电流或者电压控制模式。
缺点：负载调整范围较窄，滤波成本相对较高。
2．PSM调制方式
PSM调制方式是开关电源变换器中一种新的控制方式。将负载端反馈信号转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平，决定是否在该时钟周期内工作，调节功率管的导通时间，稳定输出电压。
优点：在负载较轻情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理IC。
缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱。
3．PWM调制方式
PWM调制方式是开关电源变换器最普遍的调制方式。通过负载端反馈信号与内部产生的锯齿波进行比较，然后输出一路恒定频率占空比变化的时钟控制信号对功率管进行控制，并且依据负载状况实时调整开关管的导通时间，稳定输出电压。
优点：在负载较重的情况下效率较高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电压或电流控制模式。
缺点：轻负载时效率下降。
综上所述，由于PWM调制方式凭借自身的优点，在开关电源中得到最广泛的应用，所以本文中驱动电源的设计采用PWM调制方式。
2.4小 结
本章对LED照明驱动电源进行分类归纳，并总结了各类电路拓扑以及反馈电路和电路调制方式。再结合本次设计要求，通过对各个电路的经济效益和效率等方面的综合考虑对驱动电源的各个回路进行了确定。

第3章 开关电源主电路的设计

开关电源代替传统的铁芯变压器电源，是时代的进步、科学的发展。要求所有的电子设备体积小、重量轻、节省电能是众望所求，但是各种电子设备的技术指标不同，因此，也对开关电源有不同的标准要求。开关电源有一般的注意事项，也有通用规程。不同国家也有不同的标准，所以在设计开关电源时要充分考虑各方面的条件和相应的规定，才能设计出性价比较高的开关电源。

3.1 主电路拓扑及芯片的选择

3.1.1主电路拓扑的选择

目前，开关电源广泛应用于各种电子设备。开关型电路具有自身功耗小，效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等特点，也已经在LED照明驱动电源中得到了应用。LED应用于照明通常需要较多的LED以串联或者并联的方式连接，在需要驱动较多LED的情况下，一般采取先串联再并联的方式，这样既可以减少并联扩展时需要的元件，也可缩小不同支路的电学特性差异。并且由于下面LED照明系统设计时采用的是散热较好的小功率LED，为了能够串联驱动更多的LED，因此有必要在这里选择boost变换器拓扑，而且boost拓扑的引入恰好构成了单级功率因数校正电路。根据设计目标以及LED照明的一般要求，LED正常工作需要较为稳定的电压电流，需要对输出电压和输出电流进行反馈调节。这里采用常用的PWM调制方式的电流反馈控制电路，以电压外环控制和电流内环控制模式保证驱动电源能够向负载提供稳定的电压和电流。其主电路原理框图如图3-1所示。

图3-1 主电路原理图
3.1.2芯片的选择及简介
根据上述拓扑结构及设计目标，选择了一种驱动芯片来设计主电路。该芯片属于美国PI公司生产的TOPSwitch单片开关电源芯片TOP224Y，它属于TOPSwitch－II系列中一种最常用的芯片，其封装形式是TO-220，自带小散热片，是典型的三端集成器件，三个管脚分别为控制端C，源极S，漏极D，其内部功率MOSFET器件的耐压值高达700V，可设计成40W以上仪器仪表的多路隔离式内置控制电源，TOPSwitch－Ⅱ系列产品具有以下显著特点：
(1) 将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。由于采用CMOS电路，使器件功耗显著降低。
(2) 采用漏极开路输出，并利用控制极反馈电流IC来线性调节占空比实现AC/DC变换的，即属于电流控制型单片开关电源。
(3) 输入交流电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时，可选110V/115V/230V交流电，允许变化±15%。在宽电压范围输入时，适配85～265V交流电，但输出功率峰值POM要比前者降低40%。
(4) 它只有三个引出端能以最简方式构成无工频变压器的单端反激式开关电源。开关频率的典型值为100kHz，允许范围是90k～110kHz，占空比调节范围是1．7%～67%。
(5) 外围电路简单,电磁干扰小，成本低廉。由于芯片本身功耗很低，电源效率可达80%左右，最高可达90%。因此，被誉为“绿色”电源。
TOP224Y工作原理：OP224Y的内部框图如图3-2所示，主要包括10个部分,其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。主要特点是：
(1) 前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击；　
(2) 自动重启动功能，以典型值为5％的自动重起动占空比接通和关断；
(3) 低电磁干扰性（EMI），TOP系列器件采用了与外壳的源极相连，使金属底座及散热器的dv/dt=0，从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制；
(4) 电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。
下面简要叙述一下：
(1) 控制电压源：控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压，

图3-2 TOP224Y内部结构框图
而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示，由它决定自动重起动的定时，同时控制环路的补偿，Uc有两种工作模式，一种是滞后调节，用于起动和过载两种情况，具有延迟控制作用；另一种是并联调节，用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic，以便给控制电路供电并对Ct充电。
(2) 带隙基准电压源：带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外，还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源，以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。　
(3) 振荡器　　 内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电，以产生脉宽调制器所需要的锯齿波（SAW），与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰，提高电源效率，振荡频率（即开关频率）设计为100kHz，脉冲波形的占空比设定为D。
(4) 放大器　　 误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10Ω～20Ω，典型值为15Ω。误差放大器将反馈电压UF与5．7V基准电压进行比较后，输出误差电流Ir，在RE上形成误差电压UR。
(5) 脉宽调制器（PWM）　 脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路，它具有两层含义。第一、改变控制端电流Ic的大小，即可调节占空比D，实现脉宽调制。第二、误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器，滤掉开关噪声电压之后，加至PWM比较器的同相输入端，再与锯齿波电压UJ进行比较，产生脉宽调制信号UB。　
(6) 门驱动级和输出级　　 门驱动级（F）用于驱动功率开关管(MOSFET)，使之按一定速率导通，从而将共模电磁干扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。MOSFET管的漏源击穿电压U(bo)ds≥700V。
(7) 过流保护电路　　 过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT，同相输入端接MOSFET管的漏极。此外，芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0．75A。
(8) 过热保护电路　 当芯片结温TJ>135℃时，过热保护电路就输出高电平，将触发器Ⅱ置位，Q=1，，关断输出级。此时进入滞后调节模式，Uc端波形也变成幅度为4．7V～5．7V的锯齿波。若要重新起动电路，需断电后再接通电源开关；或者将控制端电压降至3．3V以下，达到Uc(reset)值，再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零，使MOSFET恢复正常工作。　
(9) 关断/自起动电路　　 一旦调节失控，关断/自动重起动电路立即使芯片在5％占空比下工作，同时切断从外部流入C端的电流，Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除，Uc又回到并联调节模式，自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1．2Hz。
(10) 高压电流源　　 在起动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S1给内部电路提供偏置，并且对Ct进行充电。电源正常工作时S1改接内部电源，将高压电流源关断。当TOP开关起动操作时，在控制端环路振荡电路的控制下，漏极端有电流流入芯片，提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时，由控制端进行闭环调整，改变Ir，经由PWM控制MOSFET的输出占空比，最后达到动态平衡。
用TOP224Y芯片设计的单端反激式开关电源的原理图如3-3（附图）所示。输入为＋85～265VAC，输出为+12VDC，电流为+350mADC。
由于TOPSwitch芯片集成度高，设计工作主要是外围电路的设计。外围电路基本分为：
(1) 输入整流滤波电路；
(2) 高频变压器；
(3) 箝位保护电路；
(4) 输出整流滤波电路；
(5) 反馈电路5部分。
根据设计要求，按5个部分分别进行说明。

图3-3 开关电源主电路图

3.2 开关电源输入回路（整流滤波电路）的设计
输入整流滤波电路包括交流滤波、整流部分和整流滤波电容。
交流滤波采用技术成熟的Ⅱ型滤波电路，具体参数如下：去除查谟干扰的C8、C9为0．1；去除共模干扰的C10、C11为10Nf；滤波线圈L1为10~33mh，采用双线并绕。整流电路选择不可控的整流桥，整流二极管的反向耐压应大于400V，其承受的冲击电流应大雨额定整流电流的7~10倍。还应注意，选定的整流二极管的稳态电流容量应为计算值的两倍。
本设计中，选用四个IN4007整流二极管构成电流桥。在当前的供电条件下电容C1的值可根据输出功率按照1/W来取值，在考虑余量后，取C1=22/4