交流市电供电的大功率LED节能灯.doc

交流市电供电的大功率LED节能灯一、 应用前景LED发光二极管是一种高效固体发光器件，随着半导体制造技术的发展，LED已从早期的工作电流不过20mA，仅用于指示、显示等低亮度发光场合的小功率LED，发展到现在的工作电流超安培，功率达110W的大功率白光LED，使之将其用于高亮度照明的普通发光领域成为可能。LED相比传统照明的白炽灯、荧光灯、金卤灯等具有高效率、长寿命的显著优点。白光LED的光效一般为40120ml/W，预计在未来几年内可达200 ml/W以上，是白炽灯（815 ml/W）的38倍，荧光灯（3060 ml/W）的12倍。更为可贵的是白光LED的发光光谱几乎全部集中在可见光范围，而白炽灯在红外、荧光灯在紫外范围还造成了大量的能量（非可见光）损失，白光LED在可见光范围的实际发光效率是白炽灯和荧光灯的38倍以上，实际节能效果非常显著。将LED发光二极管用于照明是节能减排的一个重要研究方向，目前，国际国内均在其实用化研究方面投入了大量的人力物力。LED应用于照明在国外研究、应用较早，发展较快。但我国的一些城市也开始了大规模应用的尝试，2008年奥运会，水立方照明工程就采用了LED照明方案，比普通照明节电60%以上；山东潍坊已安装LED路灯11000余盏，在保证路面照度相同（甚至更优）的前提下，实测比高压钠灯节电69%，比金卤灯节电70%，每天节电超过2.4万度。据测算，如果美国55%的白炽灯、荧光灯用LED照明替代，每年可节约电费350亿美元，减排二氧化碳7.55亿吨；日本计划在5年内全国公共场所50%的传统灯具用LED照明替代，每年可减少60亿公升的原油消耗，相当于5座1.35*106kW核电站的发电量。我国也非常重视LED的照明应用，目前已确定深圳、上海、南昌、厦门和大连5个国家级半导体照明工程基地，上海世博会也确定以绿色节能为主题，世界照明行业知名公司欧司朗、飞利浦、西门子和HP等都争先与之合作，以促进LED在照明方面的应用。今年，科技部批准了全国16个省市的21个城市为“十城万盏”半导体照明应用工程试点城市。这项工程的目标是到2011年，在试点城市市政工程推广应用600万盏半导体照明产品，直接拉动内需150亿元；到2015年，半导体照明进入30%的通用照明市场。可以肯定，在未来的若干年间LED在照明领域的研究和应用是一个绝对的热门研究方向，应用前景十分广阔。二、 电路原理1、 大功率LED伏安特性1.从伏安特性上可以看出，电源电压的10%的变化（3.4V-3.1V），就会引起正向电流的3.5倍的变化（从350mA变到100mA）。2.温度系数通常是-2mV/度（-1.52.5mV/C）,也就是随着温度的升高，其伏安特性左移，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加。而LED本身的效率很低，温升很高，加电以后，假如散热不好，其温度很容易上升到八、九十度以上。假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85度时，电流就会增加到35-37mA，而其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。3.任何市电供电的系统里，都需要一个AC/DC的开关电源。一般有两种供电方法，一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路，保证输出电流恒定。但是这种方法大多只能单路大电流输出，而且恒流的精度不高。还有一种是，前面采用恒压电源，后面加很多路恒流模块，这种方案灵活性很高，恒流精度也高。2、 驱动电路结构及原理图示电路为以反激式开关电源为基础设计的驱动5个1W（350mA）大功率LED的节能灯电路。开关电源电路的AC输入电压为185265V，DC输出电压为18V（3.5V*5=18V），输出电流为350mA。IC1为ST公司生产的VIPer22A智能功率开关电路芯片，内置PWM（工作频率约60kHz）控制电路和0.7A/730V的功率MOSFET，在20W以下中小功率开关电源电路中得到广泛应用。在一次侧，D1D4和C1构成桥式整流电容滤波电路，将220V交流电转换为约400V直流电，R1为开机限流保护电阻，可以减少开机时的浪涌电流，并可做保险丝用；U1（ VIPer22A特性另述）和开关变压器的初级绕组N1（32）构成反激式开关电源电路，D5、R2、C3构成吸收回路，D6、C4为提供U1工作电源（约15V/DC）的辅助电源电路。在二次侧，D7（FR107快恢复二极管或肖特基二极管）、C6、C7构成二次侧整流滤波电路；R3、C5为吸收回路，R12和D8为假负载和输出指示；R5为电流取样电阻与Q（9014）构成限流电路（0.35A），C8为慢启动电容，防止启动时输出电容的冲击电流产生误动作；R10、R11为电压取样电阻与U3（TL431为2.5V基准电压电路）构成稳压电路；U2（PC817）为光耦芯片，现实电气隔离和反馈控制，R7为其限流电阻，R6为TL431的偏置电阻偏置电阻。变压器T在高频下工作，故体积比工频电源变压器小得多。Nl为初级绕组，N2为次级绕组，N3为U1的Vcc偏置绕组。开关变压器T采用El9磁芯，Nl为l35匝(电感值为2mH，漏感为60H)，N2为23匝，N3为9匝。变压器次级侧中的R5(2)为输出电流检测电阻，它与Q（9014）的电流比较器(CC)等组成电流控制回路，电阻分压器R10、R11与TL431组成电压控制电路。输出电流和电压两个控制回路经光耦器PC817反馈到U1的FB（3）脚，控制PWM 占空比，当输出电流大于0.35A或输出电压超过18V时，流过TL431和PC817（1/2）脚的电流（Ifb）将增加，则式中：R2=230欧，IdMOSFET的工作电流将减小。3、 Viper22A特性1. VIPERX2A 描述VIPerX2A 是一个单封装的产品，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应MOS 晶体管。这种方法可以减少组件数量，降低系统成本，简化电路板设计。因此，这个产品家族广泛用于离线开关式电源。此外，该系列产品还采用微型的SMD 封装 (SO-8)。VIPer 系列的待机功耗（小于1W）符合蓝天使和能源之星等节能标准。1.1. 一般特性VIPerx2A 产品采用ST 的VIPower M0-3 高压专利技术，M0-3 高压技术利用一个P 型掩埋层的方法，允许在同一颗芯片上集成低压系统（PWM）和电流垂直流动的功率级，如图2 所示。VIPerX2A 产品有以下一般特性:- 自动热关断- 高压启动电流源输入交流电压范围85-265Vac输出1 12V输出2 5V/400mA( 连接输出1 的线性稳压器)纹波电流50mA 连续电流输出电流（12V 和5V） 600mA 峰值电流，小于5 分钟待机功耗1W- 防止输出短路导致击穿故障的打嗝（HICCUP）模式- 保证低负载条件下低功耗的突发模式而且，VIPower M0-3 技术还可用于开发最小击穿电压为730V 的功率场效应MOS 晶体管。表2 说明了该产品在不同的封装和工作条件下的功率处理能力。图2:MO-3 技术示意图表2：在不同的封装和工作条件下的功率处理能力宽压范围（85-265V）宽压范围（85-265V）单电源电压范围（180-265V）单电源电压范围（180-265V）SO-8DIPSO-8DIPVIPer12A5W8W8W13WVIPer22A7W12W12W20W1.2. 结构框图通过仔细观察图3 的示意图，我们不难看出功率级是由含有一个快速比较器的电流式结构驱动的，驱动电流来自 NMO Ssense 和feed-back (FB) 两个引脚。比较器输出连接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一个外部振荡器，即可将开关频率固定在60kHz，从而不再需要其它的外部组件。其它的内部模块是内部电源稳压器和过热检测器，前者在VDD 引脚上能够支持45V，后者在170C （典型值）时提供热关断功能。该产品的系统控制是一个电流模式结构，在这个结构中，N-MOS 感应电流和FB 电流汇合在电阻器R2 上。电阻R2上的电压取决于这个电流值的大小，然后，这个电压值与一个内部固定的参考电压 (0.23V)比较。比较器的输出用于驱动场效应MOS 晶体管，因此，开关频率取决于反馈电流和Id 电流值的大小。在这个应用中，反馈回路的实现方法是通过一个光耦合器利用输出电压驱动这个FB 引脚，以保证输入出输出之间的绝缘。监视VDD 电压的是一个磁滞比较器，它能够管理启动电流生成器。事实上，只要VDD 电压值大于VDDON 的电压值，比较器就会导通，并给VDD 电容器充电。一旦达到这个条件，功率场效应MOS 晶体管就立即开始开关操作。突发模式工作原理是跳过相同的开关周期，以便在负载减弱时降低功耗。4、 TL431特性德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。左图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。TL431的具体功能可以用如图1的功能模块示意。由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管 图1 的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。三、 装调要求1、 首先要提醒同学们注意的是安全问题！因为这是在交流市电（强电）条件下的实验。特别注意要防止触电和有极性的元器件（比如二极管、电解电容、变压器绕组等）的极性不能接反。2、 安装顺序：a 高压侧先焊接好除开关变压器T和U1（可以焊好DIP8插座）外的所有元件，特别注意二极管和电解电容的极性，D14为1N4007，D5为FR107，D6为1N4148。焊接完成后，通电检测310V直流电压是否正常。b 低压侧焊接完成后用实验电源加18V直流电压，检查工作是否正常。c 统调焊接变压器，用隔离变压器加110V交流电压，在正常工作后再改为220V交流电压。3、 开关变压器制作工艺及同名端问题；四、 时间安排：1、 星期一上午，讲解；2、 星期一星期四，自己设计、制图制板；五楼519、545实验室开放。424、4313、 星期四、五，在539实验室领元件；4、 星期一三，焊装，调试；5、 星期四，双峰电子参观；6、 星期五，电视台参观。参观的确切时间地点另行通知。五、 Xx