可调光LED驱动电路设计--毕业设计(论文).docx

安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称可调光LED驱动电路设计学 院 电气与信息工程学院专业班级电气工程及其自动化姓 名XXX学 号毕业设计(论文)的主要内容及要求：1、 专业调查：了解LED照明目前国内外研究现状。2、 查阅文献资料并着手翻译一篇英文资料，字数不少于3000字。3、 掌握LED的发光原理和调光机理。4、 掌握驱动电路的结构及工作原理，设计电源的控制方案，对主电路器件进行参数计算和选型。5、 对高频变压器进行设计。6、 掌握51单片机的使用方法，完成控制系统的软硬件设计。7、 进行总结、编写说明书。 指导教师签字：IV目录目录I摘要IIIAbstractIV第一章绪论1第一节选题的背景及意义1第二节 LED照明的发展及前景1第三节半导体LED照明特点2第四节本文研究的主要内容3第二章 LED原理及驱动概述4第一节LED工作原理及伏安特性关系4一、LED工作原理4二、LED的伏安特性关系4第二节多个LED的接线方式5一、串联LED接线方式5二、并联LED接线方式5三、混联LED接线方式5四、交叉阵列LED接线方式6第三节LED的驱动方式6第四节LED的调光方式6一、模拟调光7二、数字调光7三、无线调光7四、PWM调光7五、TRIAC调光8第三章AC/DC式LED驱动电路主电路设计9第一节交流输入式LED恒流驱动电路的基本构成9第二节输入整流桥和滤波电容的选取10一、输入整流桥的选择10二、输入滤波电容的选择11第三节功率开关器件的选择11一、功率开关器件的要求11二、常见的功率开关器件及特点12三、MOSFET的主要参数12第四节漏极钳位保护电路设计13第五节输出整流二极管和输出滤波电容选择14一、输出整流二极管的选择14二、输出滤波电容的选取15第四章高频变压器设计16第一节反激式变换电路的原理及特点16一、反激电路的原理16二、反激变换器的特点16第二节高频变压器的设计原理17一、高频变压器的设计要求17二、基于AP法选择高频变压器磁芯17第三节反激式高频变压器的设计方法19一、一次侧电感的计算19二、磁芯尺寸的选择20三、计算绕组匝数20四、气隙计算和最大磁通校验20五、高频变压器的损耗21第四节高频变压器参数计算22第五章控制回路设计24第一节数字PWM控制24一、PWM控制原理24二、采样电路24第二节控制芯片-单片机25第三节单片机控制系统电路设计26一、单片机最小系统设计26二、模数转换采样反馈系统设计27三、外部数码显示及接口键盘设计28第四节 LED驱动软件应用架构设计29第五节LED 驱动软件功能设计30一、PWM驱动信号设计30二、按键模块程序设计31三、A/D 采样模块程序设计32四、数码管的显示设计32第六章仿真及PCB设计33第一节 MATLAB仿真及波形33第二节PCB板设计35总结36致谢37参考文献38附录39安徽工业大学 毕业设计（说明书）论文摘要发光二极管LED是20世纪末出现的新型绿色照明光源，在节能和保护环境方面性能突出。因为LED耐压和耐流值低，不能直接接入电网，所以点亮LED驱动电源的研究成为世界上热门的课题，基于开关电源技术的LED驱动电路在工程应用有着重要的地位，本文通过反激式电路拓扑为基础，设计成高频控制的变压器，从而实现AC-DC的变换，文中详细介绍了主电路中器件的参数计算和选择。通过研究单片机作为LED驱动电路中核心的开关信号控制器，可以满足高集成度、简单外围电路、数字化控制等优良特点。本文针对C51系列单片机作为控制芯片，研究了单片机作为LED驱动电源的脉冲宽度调制(PWM)信号发生器，以及单片机为处理器的后级数字化控制方法。文中给出了搭建电源硬件电路和单片机最小系统电路的具体方法，设计了基于C51系列单片机的软件控制方法，实现了以C51系列单片机为脉冲宽度调制信号发生器的大功率LED驱动设计。基于MATLAB中Simulink关于LED驱动主回路的仿真表明，设计的LED驱动电源主回路电路结构合理；利用Proteus软件画出了完整的电路和PCB制板图。达到了论文设计的目的要求。关键词：LED驱动电源 高频变压器 单片机 PWMAbstractLight-emitting diode LED is a new type of green lighting in the end of twentieth Century, the performance of the energy saving and environmental protection.Because the LED voltage and current resistance value is low, cannot be directly connected to the grid, so lit LED drive power supply has become a hot topic on the world, based on switching power supply technology of LED driver in engineering application have an important role. In this paper, the flyback circuit topology based on the design of a high frequency control transformer, so as to realize the AC-DC transformation, in this paper are introduced in detail, parameter calculation and selection of main circuit devices.By studying the single chip microcomputer as the core of the LED drive power switch signal controller, can meet the high integration, simple peripheral circuit, digital control and other excellent features. In this paper, the C51 series single chip microcomputer as the control chip, the research of the LED microcontroller as the power supply of pulse width modulation (PWM) signal generator, as well as the microcontroller as the processor after the digital control method. This build specific methods of power supply circuit and MCU minimum system circuit, design the control method based on C51 series single chip microcomputer software, using C51 series single chip microcomputer as the pulse width modulation signal generator of high power LED driver design.Based on the Simulink in MATLAB on the LED drive main circuit simulation show that, design LED drive power main circuit structure is reasonable; Using Proteus software to draw a complete circuit and PCB system board. Has reached the goal of the paper design requirements.Keywords: LED drive power supply; High frequency transformer;Single chip microcomputer; Pulse Width Modulation第一章 绪论第一节 选题的背景及意义当今社会，能源危机、温室效应以及生态的日益恶化时刻提醒人们，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率、保护环境和可持续发展已经成为当前世人的共识。照明用电在世界各国总发电量中占有相当大的比例，据国际照明委员会的统计，照明用电量约占总用电量的19%。我国的照明用电量约占全国总用电量的15%。目前全球照明需求仍有较强的增长趋势，这一比例每年还将逐渐升高。全球能源危机和环境问题逐渐突出，节能减排成为世界各国必须面对的问题，倡导“绿色照明”势在必行。随着新一代半导体材料的出现和发光二极管封装等技术的突破，单晶片红、绿、蓝、白光LED的功率等级和发光效率的不断提高，LED将成为“第四代光源”。LED是电光源发展的又一次全新革命和重大突破，从根本上改变了光源发光的原理，LED具有光效高、光色全、命长、环保、尺寸小等优点，而且调光技术在LED光源上的应用将进一步提高节能效果，因此积极研究LED照明技术具有重大的经济效益和深远的社会意义。第二节LED照明的发展及前景1965年世界上最早的用锗材料制成的发光二极管产生。不久之后，用磷砷化镓(GaAsP)材料制成的LED问世。早期红色光LED的发光效率仅有0.1lm/W，远低于白炽灯。1968年，采用氮掺杂技术的LED发光效率达到1lm/W，并制成红、橙、黄色LED。20世纪70年代，LED数码管和LED点阵显示器实现了商品化。20世纪80年代，随着铝砷化镓(AlGaAs)LED的研制成功，红光LED的发光效率提升到10lm/W。20世纪90年代中期，高亮度LED的问世，解决了发光二极管三基色缺色的问题。1998年，白光LED的问世是电光源发展史上的一次大革命，它打开了通往LED照明的世界大门。在蓝色LED芯片铟化镓(InGaN)上，涂少量的钇铝石榴石晶体(YAG)荧光粉。当蓝光照射荧光物质时，先产生与蓝光互补的黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光加以混合，便获得所需要的白光。白光是由“黄色光+蓝色光”混合而成的仿真白光。最近，超高亮度白光LED的发光效率以能达到100300lm/W,为LED 照明取代传统照明灯奠定了良好的基础。RGB-LED是利用红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色混合方式来获得白光的。为达到最佳亮度和低成本，通常选择60%绿：30%红：10%白的亮度比，构成了全彩色像素。据统计。目前全世界正在使用的白炽灯数量之多高达200亿，白炽灯与节能灯的应用比例约为4:1，而我国的这一比例高达7.5:1。与传统的照明灯相比，LED照明灯存在明显的优势。如：LED照明灯，不含对人体有害和对环境有污染的元素汞、发光效率高、同等工作条件下耗电量少、使用寿命长、响应速度快、耐震动、易维护等显著优点，是我国乃至全世界发展低碳经济名副其实的节能环保型绿色光源。用它取代传统的白炽灯和荧光灯是大势所趋，LED照明因此成为热门产业之一。面对全球气候的变迁和不断高涨的能源价格，各国政府已经开始把一些高耗能的产品列为禁用对象，白炽灯就是最好的例子，美国从2012年1月到2014年，逐步淘汰了40W、60W、75W、及100W的白炽灯。我国也从2012年10月1日起，按照功率大小分阶段逐步进行禁止进口和销售普通照明白炽灯，这为推广LED照明灯的使用带来了巨大的商机。第三节半导体LED照明特点LED是英文Lighting Emitting Diode (发光二极管）的缩写，是一种新的半导体材料，它是直接将电能转化成可见光的半导体器件。LED按颜色可以分成红色、黄光、橙红色、绿色、蓝色等，目前用于照明光源的主要指白光LED，由于单波长的LED无法发出白光，白光LED只能通过合成的方法得到，相对于标准的红光、绿光LED而言，用于照明领域的白光LED的特性更为复杂，对其工作电流也有较高的要求。 传统照明光源的优点均偏向单一化，而且往往与明显的缺点并存。而高亮度白光LED与传统照明光源相比具有独特的优势，这种新型的绿色照明光源具有以下特点(1) 发光效率高一般来说，白炽灯、卤钨灯的发光效率仅为1224lm/W,荧光灯为5070lm/W，高压钠灯为100120lm/W,其中大部分的耗电变成热量损耗。而目前LED照明灯的发光效率可以达到50200lm/W，并且LED灯光属于冷光源，在发光效率相同的前提下，LED所消耗的电能可比白炽灯节省80%。目前，世界各国均加紧提高LED光效的研究，在不远的将来其发光效率将会有更大幅度的提高。(2) 寿命长白炽灯利用灯丝发光，钨丝受热易烧断，光衰较为迅速，且玻璃泡壳容易损坏，通常寿命1000小时左右。大功率LED利用LED固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，可以承受高强度机械冲击和震动。大功率LED照明灯正常寿命为50 000小时，主要受LED驱动器寿命的限制，LED灯的使用寿命一般为10 00050 000小时。(3) 调光、调色简单传统照明光源调光通常只能采用模拟调光，且调光效果很差，有闪烁。LED照明调光可以通过LED驱动器采用模拟调光、脉宽调制(PWM)或双向晶闸管(TRIAC)调光，带总线接口的LED驱动器，可以通过单片机或DSP进行数字调光，调光效果很好，无闪烁可以察觉。与传统单个照明光源无法调节发光颜色相比，当采用RGB-LED时，可以实时根据要求变换三基色所占比例从而改变每只LED灯的发光颜色。可变换颜色的RGB-LED已成为建筑外景、桥梁轮廓、街景的装饰照明的理想选择。（4）绿色环保与传统照明光源相比，LED照明灯中不含汞、氙、铅等对人体有害的微量元素，同时作为垃圾处理时，也不会造成环境污染。所以绿色得LED照明可以为各行各业的消费者提供特有的安全感。（5）布局灵活由于LED的体积小，使得布局更为灵活，可以根据应用对象将多只LED组合做成灯具，而且能够实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。（6）LED尺寸小，防震动及抗冲击性能好。第四节本文研究的主要内容本论文主要是设计了以AC-DC式变换作为LED驱动电路的主回路，以C51系列单片机为控制芯片的LED驱动电路方案，该驱动电路的交流输入电压为50HZ的市电，幅值是,输出电压为,输出电流为,输出功率为，电路效率为，开关频率为。论文共六章，各章主要内容如下：第一章、主要介绍了论文的选题背景及论文的研究意义，概括地介绍LED照明的特点和发展历史及前景。而后对论文的内容的进行了简要介绍。第二章、主要介绍了LED的工作原理、驱动方式、调光方式、和接线方式。第三章、设计了系统的整体的框架结构，按照功能分解框架，给出详细相关参数以及技术分析，完成系统的集成。第四章、介绍了设计高频变压器的方法及计算高频变压器参数。第五章、介绍了控制回路的选择及基于C51控制回路的构成，以及控制回路的软件流程算法。第六章、介绍了MATLAB仿真，给出了PCB板设计。第二章 LED原理及驱动概述第一节 LED工作原理及伏安特性关系一、LED工作原理发光二极管（LED）是将电信号转换成光信号的半导体器件。工作原理如图2-1-1所示。LED不仅具有一般普通二极管PN结的正向导通、反向截止及击穿特性，还具有发光特性。在正向电压的作用下，电子从N区自由运动注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子中有一部分与多数载流子复合而辐射发光，其峰值发光波长与发光区域的半导体材料宽度有关，关系式如下： 图2-2-1 LED发光原理图(2-1-1）(的单位是mm，的单位是优特）二、LED的伏安特性关系所谓LED的伏安特性，即是流过LED中P-N结的电流随电压变化的特性。LED的正向伏安特性曲线比较陡峭，在正向导通之前几乎没有电流流过，当正向电压大于开启电压时，电流就急剧上升。当工作电源电压有少许波动时，那么LED的工作电流就会发生很大的变化。查阅相关书本可知（2-1-2）（2-1-3）由公式可知LED功率的波动受外加工作电压的影响非常大，随着电压的变化可能会发生过电流和过功率，会严重影响LED的使用寿命。因此根据电流和电压的特点，驱动须避免LED正向电压变化而引起的工作电流变化，而且恒流驱动可以使LED的输出功率稳定，所以此设计会采用恒流作为LED照明灯的驱动电源。第二节 多个LED的接线方式在设计LED照明系统时，需要用到多个LED时，必须正确选择驱动器及LED之间的串并联方式才能使得LED照明系统设计的分配合理，从而保证LED正常工作。LED作为负载的接线方式主要有以下几种.一、串联LED接线方式如图2-2-1，将多个LED的正负极连接成一串，然后接到电源的正负极上就是串联LED的联接方式。这种方式的优点是能够保证各个LED的亮度均匀，效率较高，布线较简单。缺点是，有较大的输出电容；若其中一个LED开路，则会导致整串LED灯都不亮；若一个LED开路，则会导致其它LED会发生过电流，甚至烧坏。若串联的LED过多时，必须有足够的电压，才能使LED正常发光。图2-2-1 LED串联接线方式二、并联LED接线方式如图2-2-2所示，将多个LED并联在一起的连接方式就是并联LED接线方式，它的特点是每个LED的电压都一样。优点是适配低压、小电流的LED；能驱动共阴极或共阴极的LED模块。缺点是必须让支路电流稳定，才能保证亮度均匀，若有一个开路，则其它LED的电流就会增大。图2-2-2 LED并联接线方式三、混联LED接线方式如图2-2-3所示，将LED串联和并联相结合的接线方式，可以降低LED驱动器的设计成本和提高LED灯的整体可靠性，并能有效驱动共阴极或共阳极LED模块。图2-2-3 LED混联接线方式四、交叉阵列LED接线方式LED交叉阵列连接形式如图2-2-4所示，每串以3个LED位一组，其共同电流输入来源于 a、b、c、串，输出也同样分别连接至a、b、c、串，构成交叉连接阵列。它可以有效降低熄灯概率，提高LED照明灯的可靠性。图2-2-4 LED交叉阵列接线方式第三节LED的驱动方式按LED驱动方式分类，LED驱动器可以分为恒流驱动方式与恒压驱动式两种。恒流驱动电路输出电流恒定，输出电压随着负载阻抗的大小而变化。恒流驱动电路负载可以短路但严禁负载开路。恒流驱动是目前最理想的 LED驱动方式。恒压式驱动电路输出电压恒定，输出电流随着负载阻抗的变化而变化。恒压式驱动方式负载可以开路，但严禁负载短路；同时，LED亮度会受整流而来的电压变化影响。目前，由于LED的应用范围不同，两种驱动方式并存，但是恒流驱动将是未来必然的发展方向，特别是在大功率照明领域的应用。第四节LED的调光方式带调光的LED照明产品比不带调光功能的照明产品更加节能，实现亮度和光通量的调节就是调节器的作用，因此，在照明驱动电路中，充分发挥利用调光方案可以使LED照明灯达到更大幅度节能的目的。灯光是人工照明，为夜晚或自然光不足的场合提供足够的亮度。但灯光消耗大量的电能，在不需要时，关掉灯光可以节约能源。不过在有些时段和情况下，如果把灯光调到较暗的程度(25%50%)也可以显著的降低能源消耗(50%75%)。所以调光技术在LED照明行业中的应用将进一步降低能源消耗，节能照明用电。下面详细介绍了5种常见的LED照明灯调光方式：模拟调光(Analog Dimming)、数字调光(Digital Dimming）、无线调光(Wireless Dimming)、PWM调光(Pulse Width Modulation Dimming)、TRIAC调光（双向晶闸管调光，又称三端双向可控硅调光）。然后对各种调光方式进行分析和比较选出合适本设计的调光方式。一、模拟调光模拟调光又称线性调光，它可利用直流电压信号使LED驱动器的输出电流连续的变化，从而实现对LED的亮度进行线性调节。其调光的特点是调光信号是模拟量，并且输出电流是连续变化的，使LED的亮度可以连续调节。模拟调光的调光比最高只能达到50:1，一般在10:1以下。模拟调光的优点有： 、调光时不会产生噪声。 、电路简单，易实现，操作方便，无闪烁。模拟调光的缺点有： 、当电流发生变化时，会造成LED发光的色偏，因为LED的色谱与电流有关，所以调光会影响白光LED的发光质量。 、模拟调光的范围较窄。 、由于模拟调光时，LED驱动器始终处于工作状态，而LED驱动器的转换效率随着输出电流的减小而迅速降低，因此会增加电源系统的功率损耗。二、数字调光利用微控制器可以实现数字调光，数字调光是微控制器通过单线接口、SMBus、SPI等串行接口给LED驱动器发出数字信号，来调节LED照明灯的亮度，可实现渐进调光。渐进调光是一种连续的调光方式，使电流以指数曲线形式逐渐增加，能很好的补偿人眼的敏感度，此外还可以利用数字电位器和单片机实现数字调光。三、无线调光无线调光是在数控恒流驱动器的基础上增加红外遥控发射器、红外遥控接收器来进行调光的，除此之外，还可以运用WIFI遥控、ZigBee控制、电脑远程控制。在智能家居的大潮下，智能化是LED未来发展趋势，无线调光也是未来发展的热点方向之一。四、PWM调光PWM（脉冲宽度调制）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路的一种控制技术。PWM利用脉宽调制信号反复地开/关LED驱动器，从而控制导通占空比，达到调节LED的平均电流，与模拟调光相比，PWM调光具有以下优点： 、LED一直在恒流条件下工作； 、颜色一致性好，亮度级别高，整个调光过程中,所以可以避免电流变化过程中出现的色偏； 、能够提供更大的调光范围和更好的线性度，并且无闪烁现象； 、低频调光时的占空比调节范围可达到1%100%，调光比可达到5000:1； 、采用PWM调光时，LED驱动器的转换效率高。采用PWM调光的缺点是： 、需要配置PWM波信号源，使其成本较高； 、若PWM信号的频率正好处在200HZ20kHZ之间，会产生很大的噪声； 、调光频率高于20kHZ,会减小LED驱动器的调光范围。五、TRIAC调光TRIAC调光又称相位调光或可控硅调光。传统的白炽灯和荧光灯普遍采用TRIAC调光器。TRIAC的特点是，只要在其控制极上加上触发脉冲，无论在交流的正负半周均可导通。DIAC是双向二极管，TRIAC是双向晶闸管。调光电位器Rp和电阻R、电容C组成延迟启动电路。其中R为保护电阻，防止Rp为零时，触发电流过大，损坏DIAC，R不宜过大，否则会使调光范围减小。TIRAC调光的缺点是：由于TRIAC调光工作在斩波方式，调光器的存在，使输入电压无法以正弦波形式输出，因此会产生大量高次谐波，进而对电网造成污染，此外还会造成电磁干扰(EMI）,影响其它电子设备的正常工作。还会对电源的效率和功率因数降低。表2-4-1 5种常见LED调光方式的比较特性模拟调光PWM调光TRIAC调光数字调光无线调光噪声没有有有无无输出光质量一般好好好好耗电情况较大一般一般一般一般外围电路一般简单一般复杂复杂本设计选用的调光方案是基于单片机的PWM调光即数字调光。该选择主要是从以下因素考虑： 与可控硅调光方案相比，数字PWM 调光能够从零到最大亮度，并且不会出现闪烁现象。性能更好。采用数字PWM 调光方案，可以采用输出功率因数校正电路，以满足全球对于照明电源的强制性要求； 与模拟调光方案相比，LED 的 数字PWM 调光方案有效率更高、调光范围更宽，允许 LED 一直在优化和恒定电流下工作、在整个调光范围内，LED 的颜色能够保持一致。第三章 AC/DC式LED驱动电路主电路设计第一节 交流输入式LED恒流驱动电路的基本构成交流输入式LED恒流驱动电路属于AC/DC变换器，又分为隔离式和非隔离式两种。隔离式是通过高频变压器来实现LED负载与电网侧的电气隔离，电路较为复杂，成本较高，但安全性较好；非隔离式电路较简单，成本低，因未和电网隔离，故安全性较差。图3-1-1 给出了交流输入式LED恒流驱动电源的基本构成。图3-1-1 交流输入式LED恒流驱动电路的基本构成在本设计中：、输入保护电路；、PFC电路；、EMC电路；这三个部分本设计中不涉及。如图3-1-2交流输入式LED恒流驱动电路的基本原理：220V市电经整流桥整流后，通过电容C1滤波，获得直流高压，接至高频变压器一次绕组的一端。一次绕组的另一端接MOSFET的漏极D，漏极钳位保护电路由电阻R和电容C组成、阻塞二极管(VD1)组成，对MOSFET起到保护作用。高频变压器二次绕组经过VD2半桥不控整流，再通过电容C2滤波后得到恒流输出I。降压式恒流变换器采用固定关断时间的方法，可以使LED得平均电流保持恒定。反馈及恒流控制电路采用一次侧的恒流控制方式，其特点是：反馈绕组、一次绕组和二次绕组隔离，并通过反馈绕组电压来监控输出电压，因此它不需在二次侧接入电流取样电阻和二次反馈电路，可省去光耦合器、二次侧的恒流控制环及反馈环路的相位补偿电路，具有电路简单、成本低的优点。图3-1-2交流输入式LED恒流驱动电路的基本原理第二节 输入整流桥和滤波电容的选取一、输入整流桥的选择全波桥式整流器简称整流桥，他是将四只硅整流管接成桥路形式，再用塑料封装而成的半导体器件，它具有体积小、使用方便，各整流管的参数一致性好，可广泛用于AC/DC式LED驱动电源的整流电路。硅整流桥有4个引出端，其中交流输入端和直流输出端各有两个。50HZ的交流电压经过整流桥后变成脉动的直流电压，再经过输入滤波电容得到直流高压。在理想情况下，整流桥的导通范围应为0180度，但由于滤波电容的作用，仅在接近交流峰值电压处的短时间内，才会有输入电流经过整流桥对电容C充电。整流桥的主要参数有：反向峰值电压(V)；正向压降(V)；平均整流电流(AV)；正向峰值浪涌电流(A)；最大反向漏电流(uA)。整流桥的反向击穿电压设输入有效值电流为,整流桥额定的有效值电流为,应使,则(3-2-1)为LED驱动电源的输出功率；为电源的效率；为交流输入电压的最小值；为AC/DC式LED驱动电源的功率因数，一般为0.50.7。整流桥通过的不是正弦波电流，因此，所以可按,取；代入（3-2-1）中得：实际选用二极管时，应留出足够大的余量，因此选用1A/1000V(最大正向电流1A，反向耐压1000V），可以选用FR107（快速恢复整流二极管）、IN4007(普通整流二极管)。二、输入滤波电容的选择为降低整流器的输出纹波电压，必须选取合适容量的滤波电容。的计算公式为：（3-2-2）为市电频率；为整流桥导通时间； 为LED驱动电源的输出功率；为交流输入电压的最小值；为直流高压的最小值。取,代入（3-2-2）式得：。电容的耐压值计算公式为：为交流输入电压的额定值；为交流输入电压相对额定值允许的变化率。所以C取35uF/550V。第三节 功率开关器件的选择一、功率开关器件的要求、 要求工作在导通和关断两种状态，工作要快，可以降低开关转换过程中的损耗，提高运行效率。、 要求导通时饱和压降V小，以降低导通损耗。、 驱动简单，驱动功率小，以简化对驱动电路的要求。、 失效率低，以提高电源工作的可靠性。、 成本低、以降低制造成本。二、常见的功率开关器件及特点（1）、GTO门极可关断晶闸管GTO容量大，它的开通损耗及导通压降低，但要求驱动功率大，门极驱动电路复杂。关断期间的不均匀性引发挤流效应，使GTO关断的限制在5001000V/us,工作频率仅为1kHZ左右，驱动电路中需要价格昂贵而体积大、笨重的吸收缓冲电路。（2）、GTR电力晶体管、双极结型晶体管它具有耐高压、通大电流的特点，绝缘性能良好，可以在功率较大的变换器中运用。GTR是电流控制型器件，驱动功率大，而且安全工作区窄，存在二次击穿现象。工作频率比GTO高，但容量不及GTO。（3）、MOSFET金属氧化物场效应晶体管MOSFET是利用多数载流子参与导电的器件，直流输入阻抗很高，交流输入阻抗与频率有关。它是电压型驱动半导体器件，驱动功率小、开关速度快、工作频率高，不存在二次击穿，饱和压降V具有正温度系数，多管并联可自动分流的特点。MOSFET不足之处是导通压降大，漏电击穿电压大，导通电阻大，电压和电流容限等级不大。由于MOSFET速度快、热稳定性优良、驱动电路简单，最适合用于高频、小功率开关变换器作为功率开关管。（4）、IGBT绝缘门极双极型晶体管IGBT是MOSFET与BJT（GTR）复合组成的功率器件，同时具有BJT的电压、电流容限大、导通压降小和MOSFET电压型控制器件的驱动功率小、开通及关断特性好、速度快等特点。三、MOSFET的主要参数、 漏极反向击穿电压;、 漏极电压,标称电力MOSFET额定电压的参数；、 漏极直流电流和最大漏极电流，标称电力MOSFET的额定电流。、 栅源极电压;、 导通电阻和极间电容C；、 跨导，;、 开通时间和关断时间;、 最高工作频率;根据参数计算选择型号为IRF840的MMOSFET。第四节 漏极钳位保护电路设计对于反激式AC/DC式LED驱动电源，每当功率MOSFET由导通变成截止时，在一次绕组上会产生尖峰电压和感应电压，其中的尖峰电压是由于高频变压器存在的漏感形成的，它与直流高压和感应电压叠加在MOSFET的D极上，很容易损坏MOSFET；因此必须增加漏极钳位保护电路。如图3-4-1所示，利用阻容吸收原件和阻赛二极管组成的R、C、VD型钳位电路。参数计算：设吸收回路工作周期T=10us,一次绕组电感为4.2mH，则吸收回路电阻R为：图3-4-1 RCD钳位保护电路时间常数比周期T大得多，一般取5倍左右。是高频变压器二次电压，设,得，。所承受电压为：；所以选用耐压值为200V以上，电流值在0.8A以上的UF4003/UF4004。第五节 输出整流二极管和输出滤波电容选择一、输出整流二极管的选择（1）、常用的高频整流二极管的主要参数表3-5-1中给出了常用的高频整流二极管的主要参数。表3-5-1 常用高频整流二极管的参数。参数快恢复二管FRD超快恢复二极管UFRD肖特基二极管SBDSi-SBDGaAs-SBD1.21.40.910.40.611.52001000251001051050100050100015100015035020100k200k1M1M（2）、整流二极管的等效电路图和参数1、等效电路图如右图3-5-1所示，它由理想二极管VD、高阻RD、结电容Cj与引线电阻R和电感L组成。主要特性参数 、反向额定电压或称反向峰值电压PIV； 、正向导通压降； 、正向允许电流； 、浪涌电流； 、反向电流； 、反向恢复时间；输出整流二极管的选取图3-5-1二极管等效电路图 、二极管反向额定电压的选取（3-5-1）、输出整流二极管额定电流的选取（3-5-2）（3-5-3）综上所述，所以选取IN5824快恢复二极管。二 、输出滤波电容的选取输出滤波电容额定电压的选取，输出滤波电容的额定电压一般由输出电压的最大值决定，必须大于最高输出电压，并留出足够的裕度，一般取。输出滤波电容C的选择（3-5-4）为二次整流滤波的纹波电压，其值为输出电压的3%左右，则设二次整流频率为50kHZ,综上所述，C取600uF/25V的电容。52第四章 高频变压器设计第一节 反激式变换电路的原理及特点一、反激电路的原理反激电路的原理图如图4-1-1所示，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。如图4-1-2中所示，S开通后，VD处于断开状态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，绕组W1的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2和VD向输出端释放。反激式电路有两种工作模式，一种是当S导通时，绕组W2中的电流未下降到零，即连续电流模式(CCM模式)；另一种是当S导通时，W2中电流已下降到零，即电流断续模式(DCM模式)；本设计选择工作在CCM模式下，此时输出电压有: （4-1-1）图4-1-1反激电路原理图图4-1-2反激电路工作波形二、反激变换器的特点由反激电路构成的一种开关电源拓扑结构称为反激式变换器，又称回扫式变换器，利用反激式变换器可以构成隔离式开关电源回路主要有以下特点：高频变压器的一次绕组与二次绕组的同名端极性相反，且一次绕组的同名端接Ui的正端，另一端接功率开关管的驱动端。当功率开关S导通时，将能量储存在高频变压器中；S关断时，将能量传输给二次侧。高频变压器相当于储能电感，即可构成AC/DC式变换器，也可构成DC/DC式变换器。输出电压的极性可正可负，取决于绕组极性和输出整流管的具体接法；输出电压大小可低于或高于输入电压，取决于高频变压器的匝数比。第二节 高频变压器的设计原理一、高频变压器的设计要求（1）、一、二次侧绕组电压的变化应满足要求的值。当输入电压降至允许的最低电压时，输出电压仍能满足规定的额定值；（2）、当输入电压Vin及占空比最大时，变压器的铁芯不允许出现磁饱和；（3）、输出功率最大时，变压器温升应在要求之内；（4）、应满足一、二次侧铜耗相等，铜耗与铁耗相等的原则，以使总损耗最低，获得较高的效率；（5）、一、二次侧绕组的漏感、分布电容应限制在最小值；（6）、符合低噪声要求、环境适应性要求、安全规范要求。二、基于AP法选择高频变压器磁芯（1）、波形系数根据法拉第电磁感