遼寧工業(yè)大學基于NCP3065驅(qū)動電路畢業(yè)論文終結(jié)版

1、本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要LED（Light Emitting Diode）即發(fā)光二極管，是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能并具有二級管特性的電子器件。LED 具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)牢固、使用壽命長、體積小、發(fā)光效率高、顯色性高、工作電壓低、功耗低等優(yōu)點。LED照明現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品。但是原始電源有各種形式，無論哪種電源，一般都不能直接給LED供電。因此，要用LED作為照明光源就要解決電源變換的問題。本文內(nèi)容是基于NCP3065的大功率LED驅(qū)動電路的設(shè)計，目的就是把常用電源轉(zhuǎn)換成適合LED的電源。整個系統(tǒng)為純硬件電路，包括開關(guān)電源部分和NCP3065芯片控制部分。開關(guān)電源

2、為基于UC3842的單端反激式開關(guān)電源，實現(xiàn)的是交流85V265V /50HZ寬范圍輸入，輸出電壓24V最大電流5A。開關(guān)電源主要由四大部分組成：交流輸入EMI防電磁干擾電源濾波器、二極管整流與電容濾波、DC/ DC 功率變換電路、 PWM控制電路。NCP3065控制部分將前級開關(guān)電源輸出的穩(wěn)定的直流電源信號經(jīng)過輸入取樣電路的取樣比較，然后加到升、降壓斬波電路上，通過斬波電路將經(jīng)過調(diào)節(jié)的電信號加到LED負載上，使LED正常發(fā)光。另外可以通過改變控制信號的占空比來控制NCP3065的工作與待機時間的比例，相對改變送到LED的平均功率，來調(diào)節(jié)LED的亮度。本次設(shè)計的LED驅(qū)動電路具有比較高的可靠性

3、，基本達到了設(shè)計要求。并且具有體積小、成本低、工作穩(wěn)定，調(diào)試與維護都便的特點。關(guān)鍵詞：LED；NCP3065；開關(guān)電源；DC/DC變換電路VIAbstractLED (Light Emitting Diode), light-emitting diode, is a kind of electronic device which can transform electric energy into light

4、0;energy and have the diode characteristics.  LED has the advantage of energy saving, environmental protection, firm structure, long service life, small volume, high luminous 

5、efficiency, high color, low operating voltage and low power consumption. LED lighting has become a high-tech product which has the prospect development and influence. Although 

6、;the original power has a variety of forms, no matter what kind of power, are generally not directly to the LED power supply, therefore, the use LED as a l

7、ight source will solve the problem.This paper is the design of high power NCP3065 drive circuit based on LED, the purpose is to turn the usual power into power&

8、#160;for LED. The whole system is pure hardware circuit, which divided into switching power supply and NCP3065 control chip. The power of the design is single-ended forwa

9、rd switching power supply based on UC3842,.the input of AC will reach as wide as 85V265V /50HZ,the output of voltage is 24V and the current  is 5A. There a

10、re four main parts: the AC input EMI electromagnetic interference power filter, a diode rectifier with capacitor filter, DC/ DC power converter circuit, PWM control circuit.&#

11、160;The NCP3065 control part of the stable DC power supply competed with the input sampling circuit, and then to rise, Buck chopper circuit, chopper circuit after adjusti

12、ng by the electrical signal to the LED, which will make the LED into the state of normal luminescence. At the same time we can change the control signal an

13、noying accounted for work and standby time to control the NCP3065 air ratio, change the average power to the LED relatively, to adjust the brightness of LED.The desi

14、gn of the LED drive circuit has a relatively high reliability, meet the design requirements. And has the advantage of small volume, low cost, stable operation, debugging&

15、#160;and maintenance characteristics.Keywords: LED；NCP3065；Switching power supply；DC-DC inverter目 錄第1章 緒 論11.1 課題研究的背景和意義11.2 LED驅(qū)動電路的發(fā)展狀況及趨勢11.3 本文的主要工作3第2章 LED驅(qū)動原理52.1 LED的特點52.2 LED驅(qū)動電源的分類72.3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路三種拓撲結(jié)構(gòu)82.3.1 降壓型(Buck)變換器92.3.2 升壓型(Boost)變換器102.3.3 升降壓型(Buck-Boost)變換器122.4 DC-DC轉(zhuǎn)換

16、電路的兩種反饋控制模式132.4.1 電壓控制模式142.4.2 電流反饋控制模式152.5 小結(jié)17第3章 總體方案設(shè)計193.1 LED驅(qū)動電路的功能要求193.2 總體方案設(shè)計及論證193.3 小結(jié)21第4章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計224.1 NCP3065 簡介224.1.1 NCP3065的內(nèi)部工作原理224.1.2 NCP3065的性能分析274.2 開關(guān)電源的設(shè)計314.2.1 UC3842的簡介314.2.2 開關(guān)電源電路設(shè)計354.3 升、降壓型LED驅(qū)動電路的設(shè)計374.3.1 升壓電路分析374.3.2 參數(shù)計算394.3.3 調(diào)光電路404.4 小結(jié)40第5章 結(jié)論41參考

17、文獻42致謝44附錄45附錄54附錄55第1章 緒 論1.1 課題研究的背景和意義近幾年，我國政府在新能源開發(fā)、環(huán)境保護和資源節(jié)約方面相繼出臺了一系列方針政策和法律法規(guī)，實施了“金太陽”、“綠色照明”等一批重點工程，收到了較大成效。LED 由于光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，屬于典型的綠色照明光源，采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明產(chǎn)品，可以提高人們的工作、學習、生活的條件與質(zhì)量。也因如此，LED照明現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品。全球能源緊張，提高電器的效率是行之有效的方法。照明用電占據(jù)全球21%的總用電量，如果能提高照明用電的效率，可以有效緩解能源緊

18、張。如何提高照明系統(tǒng)的能源利用率，延長照明系統(tǒng)的壽命，并且是綠色無污染的？取代白熾燈，熒光燈，節(jié)能燈的第四代照明燈具是什么？業(yè)界給出的答案就是LED照明燈。LED照明每瓦流明數(shù)可達到120lm。遠高于白熾燈和日光燈，此外LED燈珠壽命可長達十萬小時，并且綠色無污染。LED照明具備的這些優(yōu)點決定了其應(yīng)用前景是非常廣闊的。LED照明應(yīng)用上的限制在于LED有固定的正向壓降，電流也有上限（工作電流是影響LED壽命的主要因素）。白光LED上的正向壓降一般為3-4V，LED光源不能像一般的光源一樣可以直接使用公用電網(wǎng)電壓，它必須配有專用電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)動LED的額定電壓和電流，才能使LED正常

19、工作，也就是所謂的LED專用驅(qū)動電源。但是由于各種不同規(guī)格的LED驅(qū)動電源的性能和轉(zhuǎn)換效率各不相同，所以選擇合適、高效的LED驅(qū)動電源，才能真正展現(xiàn)出LED光源高效能的特性。選擇合適的驅(qū)動電源驅(qū)動LED是這次課題選擇的主要目的和意義。1.2 LED驅(qū)動電路的發(fā)展狀況及趨勢1本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）近幾年，LED的發(fā)光效率提高了100倍，成本下降了90%。在LED光源及市場開發(fā)中，極具發(fā)展與應(yīng)用前景的是白光LED。LED用作固體照明器件的經(jīng)濟性顯著，且有利于環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈，世界增長率在20%以上，美、日、歐、中國（包括臺灣和香港地區(qū)）均推出了半導體照明計劃。LED產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、

20、新產(chǎn)品、新應(yīng)用，呈現(xiàn)了朝陽工業(yè)欣欣向榮的景象。目前許多色別的LED都達到了燭光級水平，相信隨著器件結(jié)構(gòu)的改進和發(fā)展效率的提高，今后LED發(fā)展的主流是LED照明光源。白光LED上的正向壓降一般為3-4V，LED光源不能像一般的光源一樣可以直接使用公用電網(wǎng)電壓，它必須配有專用電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)動LED的額定電壓和電流，才能使LED正常工作，也就是所謂的LED專用驅(qū)動電源。要發(fā)展LED必須發(fā)展LED的配套的設(shè)施，驅(qū)動電源就是最主要的。用原始電源給LED供電有4種情況：低電壓驅(qū)動、過渡電壓驅(qū)動、高電壓驅(qū)動、市電驅(qū)動。不同的情況在電源變換器技術(shù)的實現(xiàn)上有不同的方案。下面簡要地介紹上述幾種電源驅(qū)

21、動LED的方法。1低電壓驅(qū)動LED 低電壓驅(qū)動就是指用低于LED正向?qū)▔航档碾妷候?qū)動LED，如用一節(jié)普通干電池或鎳鉻鎳氫電池驅(qū)動LED，其正常供電電壓在0.81.65V之間。用低電壓驅(qū)動LED時需要把電壓升高到足以使LED導通的電壓值，對于LED這樣的低功耗照明器件，低電壓驅(qū)動法是一種常見的使用情況，如LED手電筒、LED應(yīng)急燈、節(jié)能臺燈等。由于受單節(jié)電池容量的限制，低電壓驅(qū)動電源一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比較高的變換效率，考慮到有時有可能需配合一節(jié)5號電池工作，故還要其有最小的體積。最佳技術(shù)方案是選用電容式升壓變換器。2過渡電壓驅(qū)動LED過渡電壓驅(qū)動是指給LED供電的電源的電

22、壓值在LED壓降附近變動，這個電壓有時可能略高于LED的壓降，有時可能略低于LED的壓降。如由一節(jié)鋰電池或兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸電池構(gòu)成的電源，電池充滿電時其電壓在4V以上，電池放電快結(jié)束時電壓在3V以下，典型應(yīng)用為LED礦燈。過渡電壓驅(qū)動LED的電源變換電路既要解決升壓問題，還要解決降壓問題，為了配合一節(jié)鋰電池工作，也需要有盡可能小的體積和盡量低的成本。一般情況下其功率也不大，最高性價比的電路結(jié)構(gòu)是電感式升、降壓變換器。3高電壓驅(qū)動LED高電壓驅(qū)動是指給LED供電的電源的電壓值始終高于LED的壓降，常見的電源有6V、12V、24V蓄電池。該方法的典型應(yīng)用如太陽能草坪燈、太陽能庭院燈、機動車的燈光系統(tǒng)

23、等。高電壓驅(qū)動LED要解決降壓問題，由于高電壓驅(qū)動時一般是由普通蓄電池供電的，會用到比較大的功率，如機動車照明和信號燈光，因此應(yīng)該有盡量低的成本。變換器的最佳電路結(jié)構(gòu)是電感式降壓變換器。4市電驅(qū)動LED采用市電驅(qū)動LED是最有實用價值的驅(qū)動方式，也是推廣LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用必須要解決好的問題。用市電驅(qū)動LED要解決降壓和整流問題，還要有比較高的變換效率，有較小的體積和較低的成本，還應(yīng)該解決安全隔離問題?？紤]到它對電網(wǎng)的影響，還要解決好電磁干擾和功率因數(shù)問題。對中、小功率的LED而言，其最佳電路結(jié)構(gòu)是隔離式單端反激變換器：對于大功率的應(yīng)用場合，應(yīng)該使用橋式變換電路近年來各大公司和研究機構(gòu)對LE

24、D電源和驅(qū)動電路的研究方興未艾。與熒光燈的電子鎮(zhèn)流器不同，LED驅(qū)動電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。隨著硅集成電路電源電壓的直線下降，LED 工作電壓越來越多地處于電源輸出電壓的最佳區(qū)間，大多數(shù)為低電壓 IC 供電的技術(shù)也都適用于為LED。目前LED驅(qū)動電路發(fā)展的主要趨勢有：1. 針對LED的特點開發(fā)一系列恒壓恒流控制電子電路，利用集成電路技術(shù)將每顆LED的輸入電流控制在最佳電流值，使得LED能獲得穩(wěn)定的電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。LED驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制LED電流的大小。2. LED驅(qū)動電路具有智能控

25、制功能，使LED的負載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預(yù)先設(shè)計的水平上。當負載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時，初級控制IC可以通過控制開關(guān)使負載電流回到初始設(shè)計值上。3. 在控制電路電路設(shè)計方面，要向集中控制，標準模塊化，系統(tǒng)可擴展性三方面發(fā)展。1.3 本文的主要工作本文設(shè)計的是基于NCP3065大功率LED驅(qū)動電路，要求設(shè)計成高效升壓電路模式。它以恒定電流驅(qū)動多個串并聯(lián)的大功率LED(每顆350mA,1w),可以應(yīng)用在路燈和室內(nèi)臺燈照明等場合。本文主要工作是設(shè)計一種高效的LED驅(qū)動電路將市電交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。輸入DC 220V電壓經(jīng)過UC3842控

26、制的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換成直流穩(wěn)壓電源，輸入到NCP3065控制的LED驅(qū)動電路中，通過輸入濾波電容濾波和輸入電流取樣之后，再通過升/將壓斬波電路的調(diào)節(jié)將輸入的直流電變?yōu)榱硪环N固定可調(diào)的直流電，加載到負載LED上，來滿足本設(shè)計的需求。然后再在ON/OFF端輸入信號幅度為5V、頻率為300Hz的脈沖寬度可調(diào)的矩形波信號，通過改變控制信號的占空比控制NCP3065的工作與待機時間的比例，調(diào)節(jié)用來調(diào)節(jié)LED燈的亮度，使整個驅(qū)動電路具有較低的自身功耗， LED 的系統(tǒng)效率保持在較高水平。第2章 LED驅(qū)動原理2.1 LED的特點1. LED的優(yōu)點隨著LED效率的迅速提高，成本的不斷下降，LED市

27、場正在由手機的背光源和汽車儀表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景觀照明領(lǐng)域向普通白光照明領(lǐng)域擴展。大功率LED照明光源與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈照明光源相比,有如下優(yōu)點：（1）節(jié)能。LED具有電壓低、電流小、亮度高的特性。其發(fā)光效率比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%90%。預(yù)計幾年后，白光LED的發(fā)光效率有可能達到150200 lm遠遠超過了現(xiàn)在其它照明光源的發(fā)光效率。（2） 環(huán)保。 LED為冷光源，眩光小，無輻射，使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì)。LED的環(huán)保效益好，光譜中沒有紫外線和紅外線，而且廢棄物可回收，不含汞元素，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。（3） 壽命長。 LED單管壽命為10萬小時，光源壽命在2萬

28、小時以上，按每天工作12h計算，壽命也在5年以上。而普通白熾燈的壽命約為1000h，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命也不超過10000h。（4） 結(jié)構(gòu)牢固。 LED利用固態(tài)半導體芯片將電能轉(zhuǎn)化為光能，外加環(huán)氧樹脂封裝，體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉淀、光衰等缺點，可承受高強度機械沖擊。（5） 光色單純，種類多。 LED的光譜窄，單色性好，幾乎所有發(fā)出的光都可以利用，而且無需過濾直接發(fā)出色光。LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術(shù)的控制下使3種顏色具有256級灰度并任意混合，可產(chǎn)生256x256x256（即16777216）種顏色，形成不同光色的組合。LED組合的光色變化多

29、端，可實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。（6） 安全可靠。 LED光源使用低電壓驅(qū)動，發(fā)光穩(wěn)定，沒有采用50HZ交流電供電時的頻閃現(xiàn)象，沒有紫外線B波段，Ra值接近100，色溫為5000K，接近太陽的色溫5500K。LED的發(fā)熱量低，并能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和。（7） 快速響應(yīng)。 LED的響應(yīng)時間很短，能按要求保證多個光源之間或一個光源不同區(qū)域之間的工作切換。采用專用電源給LED光源供電時，達到最大照度的時間小于10ms。綜上所述，LED是一種符合綠色照明要求的光源。所謂“綠色照明”的概念就是指通過科學的照明設(shè)計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明產(chǎn)品，可以提高人們的工作、

30、學習、生活的條件與質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個高效、舒適、安全、經(jīng)濟、有益的環(huán)境。2. LED的伏安特性I-V特性：LED的中文名字就是發(fā)光二極管，所以它本身就是一個二極管。它的伏安特性和一般的二極管伏安特性非常相似。只不過通常曲線很陡。發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖2-1表示。在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由I-V曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10A以下。假如用干電池或蓄電池供電，那么因為LED伏安特性的非線性，很小的電壓變化就會引起很大的電流變化，LED很快就會被

31、燒壞。從伏安特性上可以看出，電源電壓的10%的變化，就會引起正向電流的3.5倍的變化。圖 2-1 LED的I-V特性曲線根據(jù)LED的正向伏安特性，使用LED時要注意：1. 小功率LED，不宜直接并聯(lián)使用。一定要并聯(lián)使用時，每一支路一定要加適當?shù)碾娮琛?. 小功率LED，在很小的電流下（3mA以下）使用時，在嚴格細分VF的情況下，可以直接并聯(lián)。 VF差必須以0.05V以下分檔。  3. 大功率LED，不要直接并聯(lián)使用。也不要通過串聯(lián)電阻來并聯(lián)，否則電阻損耗太大。若用串聯(lián)電 阻分壓，電阻的功率較大，價格、體積都不是好的選擇。  4. 若通

32、過細分VF來直接并聯(lián)，一般封裝廠家的機臺分辨率為0.05V，這樣還可能會帶來幾十毫安的電流差異。若LED損壞，損失的結(jié)果，還不如當初增加使用適當?shù)目刂齐娐贰?#160;5. 由于VF的差異，LED直接并聯(lián)、或即使每支路有串聯(lián)電阻下使用，也容易產(chǎn)生亮度不均現(xiàn)象。2.2 LED驅(qū)動電源的分類1、按驅(qū)動方式可分為兩大類：（1）恒流式:a、 恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高；b、 恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。c、 恒流驅(qū)動電路驅(qū)動LED是較為理想的，但相對而言價格較

33、高。d、 應(yīng)注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數(shù)量；（2）穩(wěn)壓式：a、 當穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化；b、 穩(wěn)壓電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。c、 以穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)動LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均；d、 亮度會受整流而來的電壓變化影響。 2、按電路結(jié)構(gòu)方式分類（1）電阻、電容降壓方式：通過電容降壓，在閃動使用時，由于充放電的作用，通過LED的瞬間電流極大，容易損壞芯片。易受電網(wǎng)電壓波動的影響，電源效率低、可靠性低。（2）電阻降壓方式：通過電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，不容易做成

34、穩(wěn)壓電源，降壓電阻要消耗很大部分的能量，所以這種供電方式電源效率很低，而且系統(tǒng)的可靠也較低。（3）常規(guī)變壓器降壓方式：電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%60%，所以一般很少用，可靠性不高。（4）電子變壓器降壓方式：電源效率較低，電壓范圍也不寬，一般180240V，波紋干擾大。（5）RCC降壓方式開關(guān)電源：穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可以做到70%80%，應(yīng)用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開關(guān)頻率不容易控制，負載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負載適應(yīng)性差。（6）PWM控制方式開關(guān)電源：主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩(wěn)壓控制部分、開

35、關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開關(guān)穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件導通的脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應(yīng)穩(wěn)壓電源或恒流電源）。電源效率極高，一般可以做到80%90%，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。從以上介紹可以看出PWM控制方式設(shè)計的LED電源是比較理想的LED電源，經(jīng)用戶使用反映效果很好。2.3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路三種拓撲結(jié)構(gòu)DC-DC轉(zhuǎn)換電路有三種基本拓撲結(jié)構(gòu)，即降壓型(Buck)變換器、升壓型(Boost)變換器和升降壓型(Buck-Bo

36、ost)變換器，其它變換器類型都是由Buck變換器和Boost變換器組合演變而成。這三種DC-DC轉(zhuǎn)換電路可以采用電流反饋模式和電壓反饋模式兩種反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)，各種轉(zhuǎn)換電路的控制方式根據(jù)電路要求和實際應(yīng)用要求可選取PWM、PFM和PWM-PFM三種控制方式。在DC-DC轉(zhuǎn)換電路中，即使輸入電壓與負載有變動，但變換器的直流輸出電壓可通過內(nèi)部電路控制為所期望的電壓。開關(guān)型DC-DC變換器是采用一個或多個功率開關(guān)管把一種直流電壓變換為另一種直流電壓。如果變換器的輸入直流電壓給定，則可以通過控制開關(guān)管的開關(guān)時間(或占空比)來控制直流輸出電壓。開關(guān)型DC-DC變換器的基本電路及波形圖如圖2.2所示。圖2.

37、2中，和分別為開關(guān)的導通和關(guān)斷時間，輸出的平均電壓Vo大小取決于通斷時間（和)。圖2.2開關(guān)型DC-DC變換器的基本電路及波形圖2.3.1 降壓型(Buck)變換器降壓型變換器又稱為串聯(lián)開關(guān)(即晶體管T與DC電源Vs串聯(lián))穩(wěn)壓電源，或稱為三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器。Buck變換器典型原理圖如圖2.3所示：圖2.3 Buck變換器電路原理圖當圖2.3中晶體管T導通時，在電感線圈未飽和前，電源給電感持續(xù)充電，電流線性增加，即有di/dt=/L。當電感電流(等于電源電流)大于輸出負載電流時，電源通過電感給電容充電，此時二極管承受反向電壓。當圖2.3中晶體管T關(guān)斷后，電感線圈L兩端的電壓極性反相，以保持其電

38、流不變，負載R兩端電壓仍是上正下負。當<時，電容向負載放電，以保持、的相位和大小不變。這時二極管D承受正向偏壓為電流構(gòu)成通路，故稱D為續(xù)流二極管。由圖2.3可知=+，因此變換器輸出電壓小于電源電壓，故為降壓變換器。晶體管導通時輸入電流>0，而晶體管關(guān)斷時=0，故是脈動的，但輸出電流在L、D、C作用下卻是連續(xù)、平穩(wěn)的。圖2.4為在電感電流連續(xù)和不連續(xù)兩種模式下Buck變換器電路各點的波形圖，電感電流為晶體管和二極管的電流之和。(a)電感電流連續(xù)(b)電感電流不連續(xù)圖2.4 Buck變換器兩種工作模式下波形圖2.3.2 升壓型(Boost)變換器升壓型(Boost)變換器又稱為并聯(lián)型（

39、晶體管與電源并聯(lián)）開關(guān)電路，或稱為三端開關(guān)型升壓穩(wěn)壓器。Boost變換器電路典型的原理圖如圖2.5所示：圖2.5 Boost變換器電路原理圖當圖2.5中晶體管導通時，電源給電感線圈L充電，在電感線圈未飽和之前電流線性增加，電能以磁能形式儲存在電感線圈L中。由于開關(guān)管導通，二極管陽極與負極相連，二極管承受反向電壓，此時電容C向負載R放電。當圖2.5中晶體管關(guān)斷時，由于線圈L中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性以保持不變，這樣線圈L的磁能轉(zhuǎn)化成的電壓與電源串聯(lián)，以高于的電壓向電容C負載R供電。高于時，電感向電容充電；等于時，充電電流為零；當有降低趨勢時，電容向負載R放電，維持不變。由于+向負載R供電

40、時，高于，故稱為升壓變換器。工作中輸入電流=是連續(xù)的，但流經(jīng)二極管電流是脈動的。由于有C的存在，負載R上仍具有穩(wěn)定連續(xù)的負載電流。圖2.6為在電感電流連續(xù)和不連續(xù)兩種模式下Boost變換器電路各點的波形。電感電流連續(xù)模式下，電感儲存的能量在晶體管關(guān)斷后并未完全釋放給負載，電感兩端電壓為電源電壓與輸出電壓之差；而電感電流不連續(xù)模式下，電感儲存的能量在晶體管關(guān)斷后完全釋放傳遞到負載，當電感的能量釋放完后，電感兩端的電壓變?yōu)榱?。圖2.6 Boost變換器兩種工作模式下波形圖2.3.3 升降壓型(Buck-Boost)變換器升降壓型(Buck-Boost)變換器又稱為反號變換器，它是在Buck變換器后

41、串接一個Boost變換器再簡化而成。將圖2.7的Buck-Boost與圖2.5的Boost比較，就會發(fā)現(xiàn)兩圖中開關(guān)管和電感換了位置，且二極管的連接方式也相反。當圖2.7中晶體管T導通時，電源向電感充電，由于L上電壓等于電源電壓恒定，所以電感充電電流關(guān)系式為diL/dt=vs/L，L儲存能量，二極管D陰極電壓為 (假設(shè)T導通壓降為零,且此時C電壓為某一負值)，二極管反偏截止。經(jīng)過導通時間Ton,電感L的電流達到Ip=Ton*/L。當晶體管T關(guān)斷時，IL有減少趨勢，電感線圈產(chǎn)生方向為下正上負的自感電勢，所以關(guān)斷瞬間，與T關(guān)斷時相同的電流IP流過C和D，電感向負載放電電流關(guān)系式為d/dt=/L，二極

42、管D受正向偏壓而導通，負載上輸出電壓，電容C充電儲能，以備晶體管T導通時向負載放電維持不變。圖2.7 Buck-Boost變換器電路原理圖圖2.8是在連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式下的升降壓型(Buck-Boost)變換器電路各點的波形如圖2.8所示：圖2.8 Buck-Boost變換器兩種工作模式下波形圖上述三種DC-DC變換器，有一個共同特點：輸入輸出的一根線是共用的，因此也稱為三端開關(guān)式穩(wěn)壓器。通過上面的原理分析,可得如下幾個基本概念： (1)在DC-DC變換器中，其電氣特性與電感電流的模式有極密切關(guān)系。凡周期中電感電流有零值的稱不連續(xù)模式，此時能量完全傳遞；凡電感電流常大于零的稱連續(xù)模式，此

43、時能量并不完全傳遞。(2)開關(guān)電源電感與電容起能量儲存與釋放的作用，其接線形式一定為低通濾波器形式。因為變換器有關(guān)元件必定使得電壓波形成脈波狀，欲得直流輸出，一定要有某種形式的低通濾波器。(3)DC-DC變換器中降壓(Buck)和升壓(Boost)是最基本的，其它變換器都是由這兩種派生出的。(4)在所有實際應(yīng)用中，就電氣特性而言，沒有哪一個DC-DC變換器是最佳的，不同的應(yīng)用應(yīng)選取不同的最合適的變換器。2.4 DC-DC轉(zhuǎn)換電路的兩種反饋控制模式開關(guān)電源電路根據(jù)不同的反饋取樣控制信號，電路中的輸入電壓、輸出電壓、開關(guān)器件電流、電感電流均可作為取樣控制信號，從而有電壓模式、電流模式(也為峰值電流

44、模式)、平均電流模式、滯環(huán)電流模式和相加模式五種反饋控制模式，其中電壓模式和電流模式為最常用的兩種反饋控制模式。本論文的電路屬于電流模式。電壓模式是將輸出電壓分壓后反饋到PWM比較器，從而輸出PWM信號控制功率開關(guān)管。電壓模式是一個單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，即只有一個反饋環(huán)路，系統(tǒng)響應(yīng)慢，很難達到較高的線性調(diào)整率精度。而電流反饋環(huán)路，系統(tǒng)響應(yīng)慢，很難達到較高的線性調(diào)整率精度。而電流模式除了具有電壓模式的輸出電壓反饋控制以外，還具有一個電流反饋控制，再進行比較輸出PWM信號控制功率開關(guān)管。即電流模式是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一個是檢測輸出電壓的電壓外環(huán)，一個是檢測開關(guān)管電流或電感電流且具有逐周期

45、限流功能的電流內(nèi)環(huán)。電壓模式是在輸出電壓改變時控制脈沖寬度使輸出電壓改變。電流模式是在輸出電壓改變時控制電感或開關(guān)管的電流使其跟蹤輸出電壓的改變。電流控制模式較電壓控制模式具有不可比擬的優(yōu)點。在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，也是本文所設(shè)計電路采用的方法。磁通平衡等電路的設(shè)計，減少了元器件的數(shù)量和成本，這對提高開關(guān)電源的功率密度，實現(xiàn)小型化和模塊化具有重要的意義。硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350kHz以下；軟開關(guān)技術(shù)是應(yīng)用諧振原理，使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，這種應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的變換器綜合了PWM

46、變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點，接近理想的特性，如低開關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負載范圍，但是此項技術(shù)主要應(yīng)用于大功率電源，中小功率電源中仍以PWM技術(shù)為主。2.4.1 電壓控制模式電壓模式控制只有一個電壓反饋閉環(huán)，采用脈沖寬度調(diào)制法，即將電壓誤差放大器采樣放大的慢變化的直流信號與恒定頻率的三角波上斜坡相比較，通過脈沖寬度調(diào)制原理，得到當時的脈沖寬度。最初開關(guān)電源的控制電路采用電壓控制型。圖2.9為典型的電壓模式PWM控制電路原理圖，誤差放大器直接檢測輸出電壓，只有當輸出電流變化引起輸出電壓變化時才進行調(diào)整。晶體管導通時間為鋸齒波電壓高于電壓的時間段。在圖2.9中,輸

47、出反饋電壓和參考電壓通過電壓誤差放大器比較并輸出誤差電壓，再通過PWM比較器與鋸齒波進行比較，輸出反饋電壓輸入到誤差放大器的同相端,當輸出電壓上升時,誤差放大器的輸出上升。在PWM比較器中，鋸齒波輸入到同相端而輸入到反相端，在電壓小于鋸齒波電壓的時段，PWM比較器輸出高電平，所以PWM比較器輸出一個脈寬可變的正脈沖,再經(jīng)過邏輯電路和驅(qū)動電路輸出一個控制功率管的脈寬調(diào)制信號。如果直流輸出電壓上升，也上升,則將會上升，導致負脈沖寬度增加，則正脈沖寬度減小，這個正脈沖寬度就是晶體管的導通時間，通過負反饋環(huán)減小晶體管導通時間可以減小輸出電壓。圖2.9電壓反饋控制模式原理圖電壓模式控制器具有如下優(yōu)點:(

48、1)PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量；(2)占空比調(diào)節(jié)不受限制；(3)對于多路輸出電源，他們之間的交互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好；(4)單一反饋電壓閉環(huán)設(shè)計、調(diào)試比較容易；(5)對輸出負載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)。但它也具有如下缺點:(1)對輸入電壓的變化動態(tài)響應(yīng)較慢；(2)補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計本來就較為復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化使其更為復(fù)雜；(3)輸出LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點，需進行零點補償或?qū)⒅鳂O點低頻衰減；(4)在傳感及控制磁芯飽和故障狀態(tài)方面較為復(fù)雜。2.4.2 電流反饋控制模式由于電壓模式是單環(huán)控制系統(tǒng)，控制過程中電源電路內(nèi)的電流值并未參與，因而存在上述的諸多缺點。為了克服

49、電壓模式的缺點，電流模式應(yīng)運而生。峰值電流模式控制簡稱電流模式控制，它的工作原理就是在脈寬比較器的輸入端直接用檢測到的輸出電感電流信號或功率管電流信號與誤差放大器的輸出信號進行比較，從而控制輸出脈沖的占空比，以此達到調(diào)節(jié)輸出電感的峰值電流跟隨誤差電壓變化。它并不是用電壓誤差信號直接控制PWM脈沖寬度，而是直接控制輸出一側(cè)的電感電流或功率管電流大小，然后間接地控制PWM脈沖寬度。它是一種固定時鐘開啟、峰值電流關(guān)斷的控制方法。(峰值)電流模式控制是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)，電流內(nèi)環(huán)是瞬時快速按照逐個脈沖工作的。功率級是由電流內(nèi)環(huán)控制的電流源，而電壓外環(huán)控制此功率級電流源。在該雙環(huán)控制中

50、，電流內(nèi)環(huán)只負責輸出電感的動態(tài)變化，因而電壓外環(huán)僅需控制輸出電容,不必控制LC儲能電路。由于這些原因，(峰值)電流模式控制PWM具有比電壓模式控制大得多的帶寬。圖2.10是典型的電流模式PWM控制電路原理圖，晶體管在時鐘脈沖前沿開始導通，電流檢測電阻上的電壓等于電壓誤差放大器輸出電壓時，導通結(jié)束。圖2.10電流反饋控制模式原理圖從圖2.10可以看到有兩個反饋環(huán)，這是與電壓控制模式最大的區(qū)別。一個是由接收輸出電壓采樣信號的誤差放大器構(gòu)成的電壓外環(huán)和一個是由接收初級峰值電流采樣信號的PWM比較器構(gòu)成的電流內(nèi)環(huán)。電流采樣電阻Rcs將開關(guān)管階梯斜坡電流轉(zhuǎn)換成階梯斜坡電壓。輸入電壓變化和負載變化的調(diào)整是

51、通過改變晶體管導通時間來實現(xiàn)的"導通時間由誤差放大器的輸出電壓與電流采樣信號轉(zhuǎn)換成的階梯斜坡電壓信號通過PWM比較器確定。開關(guān)功率管的電流波形具有階梯斜坡形狀，是由于輸出電感的作用。內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生恒頻時鐘脈，振蕩周期由外圍元件和決定。每次出現(xiàn)時鐘脈沖，RS觸發(fā)器就置位，使其輸出為高電平,高電平的經(jīng)過邏輯門與驅(qū)動電路后的高電平驅(qū)動功率管導通,使電源回路的電流增大。高電平寬度就是功率管的導通時間。當通過采樣電阻采樣的功率管電流轉(zhuǎn)換成的電壓幅度達到時，PWM比較器輸出為高，RS觸發(fā)器復(fù)位，輸出由高變低，使功率管關(guān)斷。PWM比較器輸出由高變低的時刻就是導通時間結(jié)束的時刻。這樣通過逐個檢測和調(diào)

52、節(jié)電流脈沖，可以達到控制電源輸出的目的。電流控制型與電壓控制型的本質(zhì)區(qū)別在于電流控制型電路可等效成一個電壓控制型電流源，而電壓控制型乃是一個受控的電壓源。電流模式控制較電壓模式控制有如下優(yōu)點:(1)暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化瞬態(tài)響應(yīng)均塊；(2)逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會因過流而使開關(guān)管損壞，大大減小過載與短路的保護；(3)優(yōu)良的電流電壓調(diào)整率；(4)環(huán)路穩(wěn)定易補償；(5)紋波比電壓控制型小得多；(6)整個反饋電路變成了一階電路，由于反饋信號電路與電壓型相比，減少了一階，因此誤差放大器的控制環(huán)補償網(wǎng)絡(luò)得以簡化，穩(wěn)定度得以提高且改善了頻響；(7)簡化了反饋控制補

53、償網(wǎng)絡(luò)，負載限流；(8)逐個檢測電流脈沖的幅度，自動平衡變壓器中的磁通量；當然,電流模式控制也有它的缺點，如下:(1)占空比大于50%的開環(huán)不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差；(2)閉環(huán)響應(yīng)不如平均電流模式控制理想；(3)容易發(fā)生次諧波振蕩，即使占空比小于50%，也有發(fā)生高頻次諧波振蕩的可能性，因而需要斜坡補償；(4)對噪聲敏感，抗噪聲性，因為電感處于連續(xù)儲能電流狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流電平相比較，開關(guān)器件的電流信號的上斜坡通常較小，電流信號上較小的噪聲就很容易使得開關(guān)器件改變關(guān)斷時刻，使系統(tǒng)進入次諧波振蕩； (6)對多路輸出電源的交互調(diào)節(jié)性能不好。2.5 小結(jié) 本章首先介

54、紹了LED的各種優(yōu)點以及LED驅(qū)動電源的不同分類方法，使讀者對LED驅(qū)動電源有了大致上的了解。然后詳細介紹了DC-DC變換器常用的三種拓撲結(jié)構(gòu)：降壓型(buck)變換器、升壓型(boost)變換器以及升降壓型(buck- boost)變換器。當輸入電壓較高而不需要那么高的輸出電壓時，通常用降壓型變換器；若輸入電壓較小又需要高的輸出電壓時，此時用升壓變換器；升降壓型變換器可得到負電壓,并且可獲得大于輸入電壓的負電壓,用升降壓型變換器組成的負電壓可輸出較大的電流。最后介紹了開關(guān)電源電路兩種常用的反饋控制模式，一種是電壓反饋模式，只有一個電壓反饋環(huán)路，主要優(yōu)點在于調(diào)節(jié)占空比不受限制并且設(shè)計和調(diào)試反饋

55、環(huán)路比較容易；另一種是電流反饋模式，具有電壓和電流兩個反饋環(huán)路，它的主要優(yōu)點是逐周期電流限制減小過載與短路的保護、環(huán)路穩(wěn)定、易補償且紋波較電壓型小。第3章 總體方案設(shè)計LED燈是照明技術(shù)發(fā)展的一次重大突破，在能效、節(jié)約成本及照明方面均有無可比擬的優(yōu)勢，深受廣大群眾的喜愛。但LED等由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，需要專門的LED驅(qū)動器。它必須提供一個恒流輸出才能保證LED發(fā)光不會忽明忽暗，以及不會發(fā)生LED色偏現(xiàn)象。在目前的LED驅(qū)動電路中MC34063以其功能齊全、價格低廉的特點而得到廣泛應(yīng)用，然而MC34063畢竟是三十多年前的技術(shù)產(chǎn)物，在如今電力電子元器件的性能得到了極大的飛躍后，MC34063的一

56、些性能顯得有些不足，因而需要一種既像MC34063那樣價格低廉同時性能又得到飛躍性提高的單芯片DC/DC變換器和HB LED驅(qū)動芯片。本次設(shè)計所應(yīng)用的NCP3065就是MC34063的升級版芯片，在價格上與MC34063基本相同，但性能有顯著地提高。3.1 LED驅(qū)動電路的功能要求根據(jù)題目的要求，本文設(shè)計的驅(qū)動電路的具體功能要求如下：（1）將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。（2）一是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發(fā)生±15的變動時，仍應(yīng)能保持輸出電流在±10的范圍內(nèi)變動。（3）二是驅(qū)動電路應(yīng)保持較低的自身功耗，這樣才能使LED 的系統(tǒng)效率保

57、持在較高水平。（4）LED驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制LED電流的大小，不然LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化。 3.2 總體方案設(shè)計及論證在LED驅(qū)動電路的設(shè)計過程中，控制芯片的選擇至關(guān)重要，他的選擇直接影響到驅(qū)動電路的工作性能和效率。MC34063、NCP3063、NCP3065都是常用的LED控制芯片。它們作為HB LED驅(qū)動電路是完全可以滿足要求的。但是在實現(xiàn)HB LED驅(qū)動過程中可能會因為電源電壓與HB LED工作電壓的相互關(guān)系使得單純的降壓型、升壓型變換器電路拓撲不能適用，需要選用輸出端電流檢測技術(shù)，這需要芯片中的電流比較器以外的另一個

58、比較器，在MC34063、NCP3063芯片內(nèi)部的電流比較器之外的另一個比較器的同相端的偏置電壓為1.25V，這個電壓對于輸出電壓反饋是很適合的，但是用在輸出電流反饋則顯得電壓比較高。如果能夠?qū)⑦@個電壓降低到0.3V甚至更低就是一個比較理想的解決方案，這就是ON Semi公司在NCP3063、NCP3064基礎(chǔ)上推出的NCP3065和NCP3066。通過以上比較，本設(shè)計選擇采用控制器NCP3065作為本系統(tǒng)的核心，NCP3065是一款單片式開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計用于驅(qū)動高亮度LED提供恒定電流。該裝置具有235毫伏的內(nèi)置基準電壓（標稱值），這是一個非常低的反饋電壓用于調(diào)節(jié)LED串的平均電流。此外，本N

59、CP3065具有寬輸入電壓高達40 V，可以被配置成控制器拓撲結(jié)構(gòu)另外一個外部晶體管，支持更高的LED電流超過1.5 A額定開關(guān)電流的內(nèi)部晶體管。該NCP3065開關(guān)穩(wěn)壓器可配置在降壓，升壓拓撲結(jié)構(gòu)的最低數(shù)量的外部元件。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求和系統(tǒng)構(gòu)成的需要來設(shè)計LED驅(qū)動電路，其總體設(shè)計方案如圖3.1所示。本設(shè)計分為七大部分：以NCP3065作為主控制器，再加上電源電路、輸入取樣電路、升/降壓斬波電路、輸出取樣電路、調(diào)光電路以及LED陣列。實現(xiàn)此功能總體思路如下：輸入DC 220V電壓經(jīng)過UC3842控制的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換成直流穩(wěn)壓電源，然后經(jīng)過電容濾波和輸入電流取樣電阻取樣加到升/降

60、壓斬波電路上，取樣電阻很小，同時起到保護電路的功能，升/將壓斬波電路功能是將輸入的直流電變?yōu)榱硪环N固定可調(diào)的直流電，來滿足本設(shè)計的需求，也稱為直流-直流變換器。LED的亮度由調(diào)光電路完成，本文采用的是“脈沖寬度調(diào)制”方法來完成的。輸出取樣電路主要作用是檢測輸出電壓的大小以及保證電路電流的恒定，保護電路。 UC3842開關(guān)電源輸入采樣電路升降壓斬波電路輸出取樣電路NCP3065控制電路調(diào)光電路LED陣列3.1系統(tǒng)框圖3.3 小結(jié)本章根據(jù)大功率LED驅(qū)動電路的功能要求和性價比，對驅(qū)動電路進行了總體方案的設(shè)計。由于時間上的關(guān)系，本設(shè)計的技術(shù)參數(shù)和很多相關(guān)的標準并沒有通過具體實驗的有力驗證。只能在理論

61、上給以論證和說明。本論文絕大多數(shù)的設(shè)計思想和方法都是在現(xiàn)有的、成熟的理論支持下進行的，可靠性和可行性都很高，符合LED驅(qū)動電路在各方面的設(shè)計要求。第4章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計本章詳細介紹硬件電路的設(shè)計。硬件電路包括七部分：以NCP3065作為主控制器，再加上電源電路、輸入取樣電路、升/降壓斬波電路、輸出取樣電路、調(diào)光電路以及LED陣列。詳細闡明芯片的選擇比較，所選用芯片內(nèi)部組成、功能特點、外圍電路及其接口電路，并設(shè)計出具體的硬件電路。4.1 NCP3065 簡介MC34063僅能工作于100kHz或以下的頻率，而NCP3065則可以工作在150kHz，這樣可以有效地減小濾波元件的參數(shù)和體積。這對于30年前的電力電子用的磁性材料技術(shù)和電容器制造技術(shù)，將頻率提高到100kHz以上可能找不出合適的質(zhì)優(yōu)價廉的電力電子用的磁性材料和電容器。時至今日，電力電子用的磁性材料得到飛躍性進步，電容器的技術(shù)進步也是令人矚目的，這時再維持100kHz的固有觀念