大功率led驱动电源的设计与制作-学位论文.doc

大功率LED驱动电源的设计与制作
摘要：LED问世至今已有40余年的历史，凭借其固有的特点广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、照明等领域。LED驱动电源对LED的正常照明有着重要的作用。
本文阐述了节能型LED恒流驱动电源的工作原理、技术方案及要求，并给出了整体电路设计的理论依据。根据技术参数等要求，系统以pt4107芯片为核心器件，配以外围降压稳压电路、滤波电路以及电源转换等电路，最终实现了一种适用范围广、易维护的LED可控恒流源驱动系统。
关键字：LED照明；恒流；PT4107；PFC；EMC

The Design of High Power LED Drive Power Source
Abstract: The history of available LED has been more than 40 years, it is widely used as indicator lights, display, lighting, and other fields by virtue of its inherent character. As a LED drive power, it is very important to the normal lighting of LED.
This paper expounded the working principle, technical project and requirement, and given the basis of the overall design of the circuit. According to the requirement of the technical parameter, the system adopted PT4107 as the core, combining with piezoelectricity circuit, filter circuit, PFC, power supply change-over circuit and so on, finally, we achieve a LED constant-current controllable system with wide application and simple maintenance.
Keywords: LED lighting; Constant-current; PT4107; PFC; EMC

目录
1 引言 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 课题研究的研究现状 1
1.3 LED驱动电源面临的问题 2
1.4 课题的研究目标、内容及论文结构安排 3
1.5 小结 4
2 LED驱动电源设计 5
2.1 LED驱动总体设计思路 5
2.1.1系统整体设计思路： 5
2.1.2驱动电路设计方案的确定： 5
2.2 电路设计 6
2.2.1 PT4107概述 6
2.2.2 保险丝 8
2.2.3 NTC保护 8
2.2.4 EMI滤波电路 9
2.2.5 全桥整流电路设计 10
2.2.6 PFC设计 11
2.2.7 稳压降压电路设计 12
2.2.8 PT4107外部电路设计 14
2.2.9 MOSFET的选择 15
2.2.10 电流输出电路 16
2.3 小结 17
3 LED灯电路 17
3.1 LED光源特性 17
3.2 LED电路连接 18
3.3 小结 18
4 测试报告 19
4.1 系统测试 19
4.2 小结 20
5 总结 21
5.1 本系统的优点 21
5.2 本系统的缺点 21
5.3 小结 21
参考文献 22
致 谢 23

IV

1 引言
1.1 课题研究的背景及意义
应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。
LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用[1]。
近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。
随着大功率从LED 的问世，因其放光效率是一般荧光灯或白炽灯的5-7倍，节能效果十分显著。因而，大功率LED具有广泛的应用前景。目前，单个大功率LED 已有1W、3W、5W和10W，已被大量使用的是1W和3W的大功率LED，采用多个大功率LED串联和并联，其组合输出功率已达70W-100W。
大功率LED虽具有发光效率高和节能的优点，但其管压降的不一致确实需要克服的缺点。其次，大功率LED的温度特性较差，随着结温和环境温度的改变，其管子的电流和发光效率变化很大，这也给使用带来了不便。
由于大功率LED存在以上的缺点，应此在使用时一般多采用两种驱动方案：
1.恒压源驱动。即采用多个LED并联后恒流源驱动。这样，由于LED的管压降不一致，是的二极管的电流不一致，从而其发光效率也不大一样。在大功率LED中，此方案应用较少。
2.恒流源驱动。由于大功率LED 的管压降不一致。另外，LED受其结温和环境温度的影响较大，所以，用多个LED串联，并用恒流源驱动能有效克服上述缺点。
1.2 课题研究的研究现状
大功率LED应用于普通照明正在起步当中。具有诸多优点的LED在照明领域中有广阔的发展前景。
LED是采用直流驱动的，且电压不宜过高，因此在市电与大功率LED之间需要进行降压，需要一个电源适配器即LED驱动电源，把交流市电转换成合适的使用于LED的直流电。
LED 供电的原始电源目前主要有三种:即低压电池、太阳能电池和交流市电电源。无论是采用哪一种原始电源，都必须经过电源变换来满足 LED 的工作条件。这种电源变换电路，一般来说就是指的 LED 驱动电路。在 LED 太阳能供电系统中，还需要蓄电池或超级电容器，用以储存太阳能。在夜晚需要照明时，蓄电池或超级电容器再通过控制电路放电，为 LED驱动电路供电。太阳能和风能与 LED 的结合，是 LED 应用的一大亮点，它将为第三世界的贫困和边远地区带来光明，让绿色照明的光辉照亮世界的每一个角落。
目前LED驱动电源按驱动方式可分为恒流式和稳压式。前者输出的电流时恒定的，输出的直流电压随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载的阻值小，驱动输出的电压就低，反之，负载阻值越大，输出电压就越高。而稳压电源驱动电路，其输出的电压是固定的，输出的电流却随着负载阻值的变化而变化[2]。
LED是电流随着电压变化而有显著变化的器件，在其正向导通时，电压微小的变化就可引起电流的巨大变化。即在以稳压驱动方式下，当负载变化时，LED电路中的电流波动较大，LED长期工作在这种方式下会损坏。由于LED灯的空间狭窄，较为密闭，散热不好，会使管内的温度升高，从而导致其工作电流的明显变化。这是其无法长时间工作，老化的主要原因。因此控制LED的驱动电流稳定对于延长LED的寿命较为重要。所以采用恒流驱动电源是比较理想的大功率LED灯驱动方式。
当输入电压高于 LED或 LED串的电压降时，LED驱动通常采用线性稳压器或开关型降压稳压器。
(1)线性稳压器
线性稳压器是一种 DC-DC 降压式变换器。LED 驱动电路所采用的线性稳压器大都为低压差稳压器(LDO)，其优点是不需要电感元件，所需元件数量少，不产生 EMI，自身电压降比较低。但是与开关型稳压器相比，LDO的功率损耗还是较大，效率较低。LDO在驱动 350mA以上的大功率 LED串时，往往需要加散热器。
(2)开关型降压(buck)稳压器
基于单片专用 IC 的开关型降压稳压器需要一个电感元件。许多降压稳压器开关频率达 1MHz以上，致使外部元件非常小，占据非常小的空间，效率达 90%以上。但这种变换器会产生开关噪声，存在 EMI问题。
目前有很多降压变换器单片IC将开关MOSFET和降压二极管也集成在同一芯片上，使外部元件数量进一步减少。
1.3 LED驱动电源面临的问题
LED照明灯具有巨大节能作用，每年以50%的速度增长，将会取代传统光源，从而引发人类照明史上的第四次革命，极大地改善人类的生存环境，缓解全球日益严峻的能源危机，在LED大放异彩的同时，LED驱动电源则是LED产业链发展的保障，LED电源的品质直接制约了LED产品应用的可靠性，因此，在LED产业链逐步完善的今日，LED驱动电源的发展和成熟也至关重要。
由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是2～3伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数，因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。2009年，虽然金融危机对世界经济的影响很大，但是欧美等国际市场对大功率LED电源的需求量还是很大，相应的高端LED产品的出口量受金融危机影响较小。2008年中国LED应用产品产值已超过450亿元RMB，LED示范应用路灯、LED全彩显示屏显示器件、太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等应用仍然是主要应用领域。但是在市场一片繁荣的背景下，LED产品质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱，市场上LED产品如火如荼的发展态势下，就LED驱动电源企业而言，目前面临几个挑战。首先是驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。其次是LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥。第三，以大调光比高效率地对LED调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。同时要降低成本，目前在功率较小(1～5W)的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。
受控的亮度需要用一个恒定的电流来驱动 LED，无论输入电压如何这一恒定的电流都必须保持恒定不变。通常，LED 都会有调光要求，例如，想要调节显示器或建筑照明亮度。实现 LED 调光有两种方法：改变 LED 电流或使用脉宽调制 (PWM)。效率最低的方法是改变电流，因为光输出并非完成随着电流变化而发生线性变化，并且在电流低至其额定值时 LED 色谱会发生变化。
1.4 课题的研究目标、内容及论文结构安排
正是基于市场需要，本课题尝试使用PT4107这一IC芯片、开关MOSFET和相关配件制作一款LED灯恒流驱动。使之能在市电下驱动LED灯组，并且正常工作。
本文详细阐述了LED灯恒流驱动系统的设计过程，其结构安排如下：
第二章介绍LED驱动的设计方法，详细的阐述了从整体的方案设定到各个模块的方案的选择；
第三章介绍LED灯组连接方式；
第四章察看在市电下电路能否正常工作；
第五章对系统设计进行了总结，总结出了系统存在的优缺点以及改进的措施。

1.5 小结
本章主要介绍了以下几方面：
1．LED的背景及LED灯所具有的诸多特点，在某些方面其具有重大的研究意义。
2．LED通常采用的驱动方式。
3. 大功率LED驱动电源面临的挑战。
4．论文研究目标及相关内容。

2 LED驱动电源设计
2.1 LED驱动总体设计思路
系统总体框图如图2-1 所示。

图2-1 系统总体框图

2.1.1系统整体设计思路：
1. 选取一片合适的IC芯片作为LED驱动电源的核心，负责驱动LED，实现恒流输出，保证系统及LED的稳定正常运行。
2. 抗浪涌NTC保护，在冷启动时，NTC热敏电阻成高阻抗，使浪涌电流得到限制。而当电流热效应使NTC热敏元件升温，降低其阻抗对系统的电流影响较小。
3. EMC滤波全桥整流，除掉传导干扰信号及辐射噪声，完成AC/DC转换。
4. 降压稳压，把电压调降到适合芯片的工作环境电压。
5. 通过芯片、MOSFET管及后面的镇流电感、续流二极管等实现对LED的恒流输出。
2.1.2驱动电路设计方案的确定：
要普及LED灯，使其大量使用，以利于节约能源，则LED灯应可以在普通的民用电如我国220V的普通交流电下可以使用。又根据芯片资料，该芯片可以在经过整流的110V或220V的交流电下驱动芯片进行工作。因为是在220V的交流电下工作为保证安全，在电路中要加保险丝。同时因为是直接连在普通的交流电下，其上的信号干扰较多所以还要得电路上进行EMI滤波及加NTC来抗浪涌[2]。然后经过整流桥使220V的交电流完成AC到DC的转换，由于普通的整流桥会使功率因数降低，因此又在电路上增加了无源的功率因数补偿电路。为了使PT4107芯片工作在相对稳定的环境下，在给芯片供电前加上稳压降压电路来保证PT4107芯片在相对稳定的境况下运行。设计是用IC芯片PT4107控制MOSFET管，通过MOSFET管的开与关来实现对LED灯的恒流供电。同时芯片、MOSFET管、镇流电感、续流二极管及电容构成降压稳压电路保证对LED灯提供适合的电压电流环境。总驱动电路如图2-4所示。
图2-4 总驱动电路图
设计成的LED开关恒流源电原理图如图2-4所示。从AC220V看进去，交流市电入口接有1A保险丝FS1和抗浪涌负温度系数热敏电阻NTC；之后是由L1、L2和CX1组成的EMI滤波器；再则是BD1整流全桥，内部是4个高压硅二极管；C1、C2、R1、D1～D3组成无源功率因数校正电路；PT4107芯片由T1、D4、C4、R2～R4组成的电子滤波器降压稳压后供电，这个滤波器输入阻抗很高，输出阻抗很小，整流后近300V直流高压经此三极管降压向PT4107的Vin端提供约18-20V稳定电压，确保芯片在全电压范围里稳定工作，PWM控制芯片U1（PT4107）和功率MOS管Q1、镇流功率电感L3、续流二极管D5组成降压稳压电路。
2.2 电路设计
2.2.1 PT4107概述
LED 灯条电源驱动方案有很多种，目前非隔离方案因其效率高而占主流，而用PWM驱动技术来做LED 驱动电源的又占绝大多数。
PT4107是一个典型的PWM 驱动控制器，其内部拓扑结构如图2-2。

图2-2 PT4107内部拓补结构
PT4107 是一款高压降压式LED 驱动控制器。通过外部电阻和内的齐纳二极管，可以将经过整流的110V或220V交流电压钳位于20V。当Vin 的电压超过欠压闭锁阈值 18V 后，芯片开始工作，按照峰值电流控制的模式驱动外部的MOSFET。在外部MOSFET 的源端和地之间接入电流采样电阻。电阻上的电压直接传递到PT4107 芯片的CS 端，当CS端电压超过内部的电采样阈值电压后，GATE 端的驱动信号终止，外部MOSFET关断。阈值电压以由内部设定，或者通过在 LD端施加电压来控制[4]。如果要求软启动，可以LD端并联电容，以得到需要的电压上升速度，并和 LED电流上升速度相一。PT4107的主要技术特点：从18V到450V的宽电压输入范围，恒流输出；用频率抖动减少电磁干扰，利用随机源来调制振荡频率，这样可以扩展音频能谱，扩展后的能量谱可以有效减小带内电磁干扰，降低系统级设计难度[3]；可用性及PWM调光，支持多个 LED的驱动应用，工作频率25KHz-300KH可通过外部电阻来设定。
PT4107封装如图2-2-2，各引脚功能如下：
1）GND 芯片接地端；
2）CS LED峰值电流采样输入端；
3）LD 线性调光接入端；
4）RI 振荡电阻接入端；
5）ROTP 过温保护设定端；
6）PWMD PWM 调光兼使能输入端，芯片内部有100K上拉电阻；
7）VIN 芯片电源端；
8）GATE 驱动外挂 MOSFET栅极；
图2-3 PT4107封装

2.2.2 保险丝
由于电路直接在市电（AC 220V）下运行，所以为保证安全接上保险丝。保险丝的额定电压Vrating需要大于Vmax,ac，即大于265V。而额定电流Irating 。选择保险管额定电流时要保留0.5的系数，所以本方案保险管的额定电流选择1A熔化热能值与浪涌电流产生的能量有关。表征当大电流流过保险管时，保险管熔断的特性。It要大于浪涌电流产生的能量，使启动的时候不会错误地把保险管熔断。
Ø 额定温度 ：
实际工作温度不能超出额定温度范围。
Ø 使用寿命:
实际工作电流大于Irating或者实际工作温度超出额定温度范围，F1的寿命将会明显缩短。
2.2.3 NTC保护
由于外界环境的影响如雷击的感应 ,从电网系统会向电路侵入各种浪涌信号 ,有些浪涌会导致LED 的损坏。而LED抗浪涌电流和抗反向电压能力都比较差 ,加强这方面的保护也非常重要,尤其是有些LED灯装在户外 ,如LED路灯。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。本电路采用NTC(负温度系数热敏电阻)来限制电流的突变。
NTC是 Negative Temperature Coefficient 的缩写 ,意思是负的温度系数 ,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件 ,所谓 NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。限制浪涌电流的最简单有效的方法是在线路输入端串联一只 NTC热敏电阻,如图2-4中的NTC。由于在冷启动时 ,NTC热敏电阻呈现高阻抗 ,因而使浪涌电流得到限制。而当电流的热效应使NTC热敏元件的温度升高 ,NTC阻值急剧下降时 ,对系统的电流限制作用会较小[5]。由于NTC热敏电阻在热态下的阻抗并不是零 ,故会产生功率损耗 ,当然这种损耗是很小的。
2.2.4 EMI滤波电路
EMI（Electric Magnetic Interference）滤波电路部份。市电进入电源后，首先经过是最前级的EMI滤波电路部份，EMI滤波的主要作用是滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时还有减少开关电源本身对外界的电磁干扰。实际上它是利电感和电容的特性，使频率为50Hz左右的交流电可以顺利通过滤波器，而高于50Hz以上的高频干扰杂波将被滤波器滤除。
在交流电源输入端，一般需要增加由共轭电感、X电容和Y电容组成的滤波器，以增加整个电路抗EMI的效果，滤除掉传导干扰信号和辐射噪声。如图2-5，本电路采用共轭电感 加X电容的简洁方式，主要还是出于本着够用就好的设计原则。X电容器应标有安全认证标志和耐压AC275V字样，其真正的直流耐压在2000V以上，外观多为橙色或蓝色[7]。共轭电感是绕在同一个磁芯上的两个电感量相同的电感,主要用来抑制共模干扰，电感量在10～30mH范围内选取。为了缩小体积和提高滤波效果，优先选用高导磁率微晶材料磁芯制作的产品,电感量应尽量选较大的值。使用二个相同电感替代一个共轭电感也是一个降低成本的方法。
图2-5 EMI电路

本方案选择安规电容CX1
(1) 额定电压Vrating
额定电压Vrating需要大于输入交流电压Vmax,ac，即额定电压大于265V。
(2) 电容容值C
取值在0.01uF-2.2uF。视差模干扰大小决定，这里选择0.1uF。
(3) 绝缘等级
绝缘等级一般选择X2，即耐压小于或等于2.5KV。
(4) 额定温度
实际工作温度不能超出额定温度范围。
(5) 使用寿命
需要注意安规电容的寿命问题，选择时根据安规电容厂家提供的温度和寿命参数进行选择。该方案选择0.1uF/275VAC绝缘等级为X2的安规电容，主要抑制差模干扰。
电感选择：本方案用两个相同的电感代替共轭电感。
(1)电感量L1
当电路工作在电流连续模式和电流非连续模式之间的临界模式时，电感变化量ΔI 等于两倍的电路最大输出电流Io（max）计算公式：

这是临界模式时的电感取值，为保证电路工作在电流连续模式，电感取值要大于上面计算得到的值，并且电感取值越大输出电流的纹波越小。
(2)电感饱和电流IL

是驱动输出的电流，是芯片的频率。
由上式可以看出电感量越大，电感的饱和电流越小。
(3) 电感体积
受到空间的限制，在保证电感量和电感饱和电流的情况下，电感体积越小越好，如果一个电感体积太大，可以考虑用2个电感串联。
该方案选择电感量大于，并且饱和电流大于的电感。
2.2.5 全桥整流电路设计
全桥整流器BD1，主要进行AC/DC变换。整流桥承受的最大反向耐压V

(2) 额定电流Irating
整流桥的额定电流与保险管的额定电流相同，选择1A的额定电流即可。
(3) 整流桥正向导通压降VF
与效率有关。VF越小，消耗的导通功耗就越小，效率越高。
(4) 额定温度
实际工作温度不能超出额定温度范围。
该方案选择电压大于600V，电流大于Irating，VF尽量小的整流桥。因此需要给予1.5系数的安全余量，因此这里选用600V 1A的整流桥。
2.2.6 PFC设计
普通的桥式整流器整流后输出的电流是脉动直流，电流不连续，谐波失真大，功率因数低。因此需要增加低成本的无源功率因数补偿电路，如图2-6所示。这个电路叫做平衡半桥补偿电路[8]，C1和D1组成半桥的一臂，C2和D2组成半桥的另一臂，D3和R组成充电连接通路，利用填谷原理进行补偿。滤波电容C1和C2相串联，电容上的电压最高充到输入电压的一半(/2)，一旦线电压降到/2以下，二极管D1和D2就会被正向偏置，这样使C1和C2开始并联放电。这样一来，正半周输入电流的导通角从原来的75°～105°上升到30°～150°；负半周输入电流的导通角从原来的255°～285°上升到210°～330°。与D3串联的电阻R有助于平滑输入电流尖峰，还可以通过限制流入电容C1和C2的电流来改善功率因数。采用这个电路后，系统的功率因数从0.6提高到0.89。R有浪涌缓冲和限流功能，因此不宜省略。这个10欧的电阻用来做保护的，如果后面出现故障等导致过流，那么这个电阻将被烧断，从而避免引起更大的故障。

图2-6 PFC功率因数校正电路
二极管D1，D2，D3
(1) 最大反向耐压V
V =1.2×(0.5× 2× )=225V
(2) 额定电流Irating
由于开机时导通电流都要留过D2，所以二极管的额定电流与保险管一样，选择1A左右的额定电流。
(3) 反向恢复时间trr
由于输入电压是低频，所以trr的大小对电路没什么影响，可以不考虑。
(4) 额定温度
实际工作温度不能超出额定温度范围。
该方案选择V大于225V，Irating左右1A的二极管。
电解电容C1，C2
(1) 电容耐压Vdss
电容的耐压与二极管D1，D3的反向耐压相同，也是大于225V；
(2) 电容容量C
选择合适的电容，使电容在充放电的过程中能够保证后级电路所需要的能量。要保证系统的正常工作，电容上的最小电压应该为最大输出电压的两倍以上(即保证系统占空比不超过50%)，所以整流后最小直流电压：
= 2×Vo,max
输入电容应能够保证在最小的输入电压下，为后级电路提供足够的能量，所以电容

其中为驱动输出最大电压，为驱动输出的最大电流，为电路的有效利用率，f为交流电的频率。
由于上面的计算取的放电时间为1/4f(其中f为输入交流电压的频率)，实际放电时间并没有这么长，所以电容的容值可以取小些。
(3) 电容类型
由于用到的电容容量较大，一般使用铝电解电容。
(4) 等效串联阻抗ESR
ESR越小，损耗越小。
(5) 额定温度
实际工作温度不能超出额定温度范围。
(6) 体积
实际应用中会受到体积的限制，而电解电容体积较大，所以要注意体积是否能满足要求[8]。
(7) 使用寿命
由于一般LED使用的寿命比电解电容的寿命长，所以尽量选择寿命长的电解电容。
经计算该方案选择耐压等于250V，电容值等于10uF，低ESR值，寿命长的铝电解电容。
2.2.7 稳压降压电路设计
给PT4107供电的电路是倍容式纹波滤波器，具有电容倍增式低通滤波器和串联稳压调整器双重作用，如图 2-7。在射极输出器的基极到地接一个电容C4，由于基极电流只有射极电流的1/(1＋β）, 相当于在发射极接了一个(1＋β)C4的大电容，这就是电容倍增式滤波器的原理。如果在基极到地再连接一个齐纳二极管，就是一个简单的串联稳压器，该电路能有效地消除高频开关纹波。注意T1要选择双极型晶体管的Vbceo>500V, Ic=100mA。稳压二极管D4要用20V、1/4W任何型号的小功率稳压管。

图2-7降压稳压电路
（1）串联稳压
串联稳压电路如图2-7，T1是调整管，D4是基准电压源，R2、R3是限流电。由于T1基极电压被D1固定在UD4，T1发射结电压（UT1）BE在T1正常工作时基本是一个固定值（一般硅管为0.7V，锗管为0.3V），所以输出电压UO＝UD1-（UT1）BE。当输出电压远大于T1发射结电压时，可以忽略（UT1）BE，则UO≈UD1[9]。而为保证稳压管的正常工作即稳压管工作在稳压区所允许的电流变化范围要大于负载电流的变化范围。稳压管的最大稳定电流选取应留有充分的余量。所以要串联上足够大的电阻防止稳压管过流。
该稳压降压电路是为PT4107芯片提供大约18—20V的直流电压，因此D4稳压管的电压选择20V。
（2）有源滤波
由分析可知，在ω值一定的情况下，R愈大，C4愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好[10]。而R值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大C2的电容量，又会增大电容器的体积和重量，实现起来也不现实。
为了解决这个矛盾，于是常常采用有源滤波电路，也被称作电子滤波器[11]。电路如图2-8。它是由R2、R3、C4组成的π型RC滤波电路与有源器件--晶体管T组成的射极输出器连接而成的电路。由图2可知，流过R（R2、R3串联）的电流IR=IE／(1+β)。流过电阻R的电流仅为负载电流的1/(1+β)．所以可以采用较大的R，与C4配合以获得较好的滤波效果，以使C4两端的电压的脉动成分减小，输出电压和C4两端的电压基本相等，因此输出电压的脉动成分也得到了削减。
从输出端看，基极回路的滤波元件R、C4折合到射极回路，相当于R减小了(1+β)倍，而C4增大了(1+β)倍。这样所需的电容C4只是一般RCπ型滤波器所需电容的1／β，比如晶体管的直流放大系数β=50，如果用一般RCπ型滤波器所需电容容量为1000μF，如采用电子滤波器，那么电容只需要20μF就满足要求了[12]。采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果，因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中。

图2-8电子滤波器
2.2.8 PT4107外部电路设计
根据芯片的资料连结并设置各芯片管脚的值。管脚CS采集电流采样电阻R6～R10上的峰值电流，由内部逻辑在单周期内控制管脚8GATE信号的脉冲占空比进行恒流控制，输出恒流与D5、L3的续流电路合并向LED光源恒流供电，改变电阻R6～R10的阻值可改变整个电路的输出电流。管脚RI连结R5是芯片振荡电路的一部分，改变它可调节振荡频率；连在管脚LD上的电位器RT在本电路中不是用来调光，而是用来微调恒流源的电流，使电路达到设计功率。由于器件的分散性，同样型号的元器件存在差异，可用此电位器来调整电源板的输出电流，为了保证已调好电源板的稳定性，一定要选用涡轮涡杆微调电位器，并在调好后滴胶固封，芯片电路如图2-9所示。

图2-9 PT4107外部电路
（1）PT4107开关频率设定
PT4107 开关频率的高低决定功率电感 L3 和输入滤波电容器 C1、C2、C3的大小，开关频率高了，可以选用更小体积的电感器和电容器，但Q1 MOSFET管的开关损耗也将增大，会导致效率下降[13]。因此对 AC220V 的电源输入来说，50KHz—100KHz 是比较适合的。PT4107开关频率设定电阻R5计算公式如下，当F=50KHz时，R5=500K；如R5=470K，F=53.2KHz。

（2）电流采样电阻
电阻R6、R7、R8、R9 R10 并联作为采样电阻，这样可以减小电阻精度和温度对输出电流的影响，并且可以方便地改变其中一个或几个的阻值，达到修改电流的目的。电流采样电阻R6-R9的总阻值设定和功率选用，要按整个电路的LED光源负载电流为依据来计算：

2.2.9 MOSFET的选择
MOSFET管Q1是本电路输出的关键器件，首先它的RDS（ON）要小，它工作时本身功耗就小，它的耐压要高，它在工作中遇高压浪涌不易被击穿。 在MOSFET的每次开关过程中，采样电阻R6-R9上将不可避免的出现电流尖峰， 为避免这种情况发生，芯片内部设置了400nS的采样延迟时间。因此，传统的RC滤波器可以被省去，在这段延迟时间内，比较器将失去作用，不能控制GATE引脚的输出。使出现电流尖峰前沿消隐。
mos管Q1：
(1) mos管耐压VDSS
mos管的最大耐压为交流整流后的电压最大值，留50%的裕量[14]，选取耐压值为

(2) mos管的额定电流IFET
流过mos管的电流取决于最大占空比，本系统最大占空比为50%，所以留过mos管的额定电流为

mos管的额定电流为工作电流3倍时，损耗较小，所以选取mos管的额定电流IFET≥1A。
(3) mos管开启电压Vth
要保证Vth小于芯片的驱动电压，即Vth<11V，由于一般高压mos管的Vth为3～5V，所以这个参数不需要过多考虑。
(4) mos管导通电阻Rdson
mos管的导通电阻Rdson越小，mos管的损耗就越小[15]。
(5) 额定温度
实际工作温度不能超出其额定温度的范围。
该方案选择耐压为600V，额定电流大于或等于1A，Rdson较小的mos管。
2.2.10 电流输出电路
1.镇流功率电感：镇流功率电感L3与Q1 MOS管，以及R6、R7、R8、R9 并联的电流采样电阻是此电路恒流输出的三大关键元件。镇流功率电感L3要求Q值高、饱和电流大、电阻小。标称3.9mH的电感，在 40KHz～100KHz 频率范围里 Q 值应大于90[16]。 设计时要选用饱和电流是正常工作电流 2 倍的功率电感。本电路设计输出电流250mA，因此选500mA。选用功率电感的绕线电阻要小于 2 欧姆。一旦电感发生饱和，MOS管、LED光源、PWM控制芯片就会瞬间烧毁。
2.续流二极管：续流二极管D5一定要选用快恢复二极管，它要跟上MOS管的开关周期，如在此使用1N4007，那末在工作时会烧毁的。而且续流二极管通过的电流应是LED光源负载电流的1.5-2倍，本电路要选用1A的快恢复二极管。
续流二极管D5
(1) 最大反向耐压VRRM
当mos管导通时，二极管D4承受的反向耐压为

所以选取反向耐压为600V。
(2) 额定电流Irating
mos管关断后，D5给电感L3提供续流回路，所以通过D5的电流不会超过电感L3饱和电流IL。
(3) 反向恢复时间trr
由于电路工作的频率较高，所以需要反向恢复时间小的超快恢复肖特基，以防止误触发， 选用trr小于或等于75ns的超快恢复肖特基[17]。
(4) 正向导通压降VF
正向导通压降VF越小，效率越高，尽可能选择正向导通压降小的超快恢复肖特基。
本方案选择反向耐压为600V，额定电流为1A，反向恢复时间小于或等于75ns的超快恢 复二极管。
3.输出电容C7：输出电容的作用是减小LED电流的波动，越大越好，但由于体积的限制，要合理选择
2.3 小结
本章共介绍了以下几个要点：
1. 依据LED灯的特点及其使用环境，用模块化的思想给出了大功率LED灯驱动电路的设计框图。主要以IC芯片控制MOSFET管的开关以实现对LED电路的恒流供电。根据IC芯片所需及电路要求配以辅助电路以达到设计要求。
2. 选择IC芯片，并根据芯片特性及系统框图设计驱动电路图，以实现对LED灯组的恒流出。
3. 对电路中的各个模块进行了详细的分析。说明选取各个模块电路的原因以及各模块在电路中发挥的功能，并指出模块电路中一些元器件的选择。

3 LED灯电路
3.1 LED光源特性
LED具有单向导电性:光通量随电流增加而增加,是电流的关系函数;在 LED导通后,电压随电流的变化而急剧变化,如图3-1[18] ;由LED特性图可知:VF的微小变化会引起电流 IF的较大变化,从而引起亮度的较大变化。因此采用恒流驱动可以控制 LED光源亮度及波长的一致性；

图3-1 LED伏安特性
3.2 LED电路连接
LED灯电路采用串并混合连接，连接方式如图3-2。如此连接LED可以防因为电路中的某个LED损坏而导致一串的LED不能正常工作。

图3-2 LED串并混合连接方式
3.3 小结
本章介绍了LED的一些特性，以及电路采用的LED灯的连接方式：串并混合连接。

4 测试报告
4.1 系统测试
系统主要对以下几点进行了测试：
1. 由于电路是手工焊接电路，所以先检查各元器件是否焊接正确，有无出现短路、虚焊。
2. 根据电路图检查元器件间的连接是否一致。
3. 通电检查电路是否正常工作，即点亮LED。

本实验点亮的是12.96W的LED灯，LED灯12个串联一路，与保护电阻并联。
理论上输出的电压54V，电流220mA。
实际测得输出电压53.2V，电流228mA,计算的实际功率12.13W。
由于在试验电路改进时，LED灯的烧毁，现在采用12路串联，18路并联的LED灯连接方式，实现LED灯的正常发光。
LED驱动电路工作前得状态如图4-1所示。在工作后能点亮LED灯如图4-