摘 要

随着社会的发展，LED灯越来越多地被应用于我们的生活中。由于LED具有绿色节能、寿命长、效率高等优点，将其应用于照明系统对于缓解当前能源短缺和环境恶化的问题具有重大意义。LED驱动电源是为LED供电、保障LED正常工作的核心部分，因此，研究并使用高效、可靠性高的LED驱动电源具有一定的理论与现实意义。

本文在阐述LED及其驱动器基本原理并深入研究的基础上，设计了一100W路灯驱动电源，其由三个部分组成：第一部分为功率因数校正电路，该部分采用平均电流模式进行设计，实现了提高功率因数、改善输入电流的功能。第二部分为单端反激电路，该部分利用光耦形成反馈电路，进行直流降压，实现了DC-DC间的电能转换。第三部分为恒流调光电路，在为LED提供稳定电流的同时加入了调光的功能，使其输出电流占空比可调。

本设计利用saber软件分别进行了各部分电路的仿真，并对各电路的输出结果进行分析。在此基础上，利用saber对整个LED路灯驱动电源的输出功率、调光功能、电路效率进行测量，结果显示各性能均满足设计要求，验证了设计的合理性。

关键词：LED驱动电源；有源功率因数逆变；单端反激电路；恒流；调光；saber

Abstract

With the development of society, LED lights are increasingly being used in our lives. Because LED has the advantages of energy saving, high efficiency, long life and so on, it is of great significance to apply it to lighting system to alleviate the current energy shortage and environmental degradation. LED driving power supply is the core part of controlling LED, therefore, research and use efficient The highly reliable LED driving power supply has certain theoretical and practical significance.

Based on the basic principle of LED and its driver and in-depth study, this paper designs a 100W street lamp driving power supply, which consists of three parts: The first part is power factor correction circuit, which is designed by average current mode. Improve power factor and improve input current. The second part is a single-ended flyback circuit. This part uses the optocoupler to form a feedback circuit to perform DC step-down, which realizes the power conversion between DC and DC. The third part is the constant current dimming circuit. It adds dimming function while providing stable current to the LED, and its output current duty cycle is adjustable.

This design uses the Saber Software to simulate each part of the circuit separately, and analyzes the output results of each circuit. On this basis, the output power, dimming function and circuit efficiency of the entire LED street lamp driving power supply were measured by a sabre. The results showed that all the performances met the design requirements and verified the rationality of the design.

Key words: LED driver power ; APFC; single-ended flyback ; constant current; dimming;saber

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 LED及其驱动电源介绍 2

1.2.1 LED介绍 2

1.2.1.1 LED伏安特性 2

1.2.1.2 LED发光原理 3

1.2.2 LED驱动电源介绍 3

1.3 国内外研究现状 4

1.4 本设计采用的方案 5

1.5 论文的主要研究内容 6

第2章 有源功率因数校正电路 7

2.1 功率因数校正技术 7

2.1.1 功率因数技术原理 7

2.1.2 功率因数校正分类 8

2.2 有源功率因数校正技术 9

2.3 基于UC3854的功率因数校正器的设计 12

2.3.1 UC3854芯片介绍 12

2.3.2 电路设计 13

2.3.2.1 电路图 13

2.3.2.2 主电路的设计 14

2.3.2.3 控制电路的设计 16

2.4 APFC电路的测试与分析 20

2.5 本章小结 24

第3章 单端反激变换电路 25

3.1 单端反激变换电路原理 25

3.2 单端反激变换电路设计 26

3.2.1 UC3842简介 26

3.2.2 电路图 26

3.2.3 电路参数设计 27

3.3 电路的测试与分析 29

3.4 本章小结 30

第4章 恒流调光电路 31

4.1 恒流电路的设计 31

4.1.1 TSM101芯片介绍 31

4.1.2 恒流电路设计 32

4.2 调光电路的设计 33

4.2.1 调光方式 33

4.2.2 基于555芯片的多谐振荡电路设计 35

4.3 恒流调光电路仿真结果 36

4.4 本章小结 38

第5章 LED驱动器仿真结果与分析 39

5.1 输出功率 39

5.2 调光性能 39

5.3 电路效率 40

第6章 总结与展望 42

6.1 总结 42

6.2 展望 42

致谢 43

参考文献 44

附录 45

绪论

课题研究的背景及意义

随着近几年经济的迅速发展，诸如全球变暖、煤炭和石油等资源短缺的环境问题日益加重，全世界面临着能源短缺和能源危机的问题^[1,2]。在这种严峻的形势下，开发新能源、提高能源的利用效率已经变得刻不容缓，研发、应用及推广低功耗、节能的产品已经成为社会发展的必然选择。

近几年，照明已经成为人类能源消耗的主要方面，其消耗的能量已达到世界总能耗的19%^[3]。其中，作为世界各国城市照明的主体，路灯的消耗在照明耗电量中占有很大部分，且其耗电总量持续增长。我国从2004年到2015年，城市道路照明灯数量已经由1053.15万盏增长至2422.5万盏，并在2016年达到了2620万盏，对比每年的照明灯数量，可发现其正保持年均10%到20%的速度持续增长。由此可见，采用高效节能、安全环保的照明路灯对提高我国的能源利用率和缓解能源危机具有重大的意义。

LED灯作为一种固态冷光源型的半导体器件，具有体积小、节能长寿、安全环保、耐冲击、效率高、热量低等显著特点，被称为“第四代节能环保型照明光源”^[1]。将LED作为路灯应用于照明系统中，不仅提高了光照效率，而且相比于传统的高压钠灯光效强、显色性高、维护成本低，同时可进行电脑调光，从而根据时间、光线、温度进行控制，节能效果十分显著。目前，由于大力发展LED路灯产业可以很大程度上提高照明用电效率，各个国家政府均制定出台了一系列的LED路灯推广使用政策——在日本，政府早已推出了“21世纪照明计划”，使LED照明产业发展迅速，预计2020年占照明市场比重可达25%；美国则于2000年开始实施国家半导体照明研究计划，也叫“下一代照明计划”，共投资了5亿用于支持计划的施行；欧盟也为了推广LED灯的应用，在2007年启动了“彩虹计划”；2009年，我国科技部推出了“十城万盏”的方案，该方案旨在建造半导体照明应用示范城市，其中覆盖了北京、深圳、武汉、石家庄等21个国内发达城市^[4]。以武汉市为例，其三年内利用政府补贴和市场化两种运营模式，在新建的应用示范项目中总共安装了36000盏LED灯，在市区内的街道、社区等推广使用绿色节能的LED照明产品，大大推进了LED灯的使用。

LED灯的驱动电源对LED能起到绿色环保的功能发挥了重要的作用。其发展历史可以分为三个阶段：最初，由于LED只能由市场上传统的工业电源为其供电，使得灯的效率和寿命均达不到设计要求，无法体现LED节能绿色环保的优势；随后，人们对电力电子知识不断地深入了解，研究出采用AC/DC恒压和DC/DC恒流分开驱动LED的方式，提高了电源整体的效率，同时在LED灯的使用寿命和散热上有了大幅度的提高，从而使得LED灯的使用得到了社会一致的认可。近几年来，LED灯驱动电源的生产厂家不断以提升电源整体效率为目标，在恒流限压输出的基础上更好地实现节能，同时加入调光等新功能。如今，设计并使用、推广一个可提供大功率、具有恒流功能、功率因数高的驱动电源，有利于降低LED路灯的能耗，提高照明电能的利用效率。同时延长LED路灯的使用寿命，提高整个电路的可靠性，有利于降低能耗减小电能污染，带来巨大的社会效益和经济效益^[5]。

LED及其驱动电源介绍

• • 1. LED介绍

LED是发光二极管，即半导体二极管的一种，因此具有单向导电性和非线性的特性。其与普通二极管一样由一个PN结构成，利用电子与空穴复合时辐射出的可见光把电能转化为光能。

• • • 1. LED伏安特性

LED是一种利用化合物制作成PN结的光电器件，它具有PN结型器件的电学特性，即伏安特性、光学特性和C-V特性^[6]。考虑到本设计要求设计出100W的LED路灯驱动电源，因此主要关注的是LED灯的伏安（I-V）特性和光学特性。

LED的伏安（I-V）特性曲线反映了流过LED中的PN结电流随着PN结两端上电压变化的变化趋势。PN结的伏安特性是衡量其性能是否良好的重要参数，也是PN结的制作是否优劣的重要标准。LED的伏安特性曲线图如图1所示。

图1.1 LED的伏安特性图

LED的伏安特性图与普通二极管的I-V特性曲线相似，可分为四个不同的区间：（1）正向死区（OA段）：为开启电压，当时，LED电阻很大，相当于断路，LED不会发光；不同颜色的LED灯开启电压也不同，绿色（蓝色）LED的开启电压相比于红色（黄色）LED的开启电压较高。（2）工作区（AB段）：当时，电路正向导通，LED发光，此时通过LED的电流与其两端的电压关系为：

（1.1）

可见随着电压增加电流呈指数形式增长，从而LED也跟着变亮。（3）反向死区（OC段）：当反向电压较小时，LED是不发光的，但是会产生很小的反向电流。（4）反向击穿区（CD段）：发光二极管的反向电压一般不要超过10V，最大不能超过15V；如果超过这个反向电压，LED就会出现反向击穿的现象，无法使用。

• • • 1. LED发光原理

LED的发光原理如图1.2所示，其由三部分组成：正向电压下注入载流子、复合辐射和光能传输。在为LED加上合适大小的正向电压后，PN结内部的载流子发生运动，带负电的电子注入P区，与P区的空穴复合产生光子从而发光，而空穴则注入结区，实现了电能到光能的转化。当空穴和电子之间进行复合时，两者之间的能量（带隙）越大，产生的光子能量也随之越高。反之光子的能量也与光的颜色相对应，在可见光的频谱范围中，紫色光、蓝色光携带的能量比红色光、橘色光携带的能量要多很多，不同的材料具有不同的能量（带隙），因此可以发出不同颜色的光。

图1.2 LED发光原理

• • 1. LED驱动电源介绍

LED驱动电源是指能为LED正常供电使其发光或使LED模块组件正常工作的电源器件。由发光二极管的伏安特性可知，为保证LED正常工作，其正向电压和通过的电流的变化范围十分小，偏离一点就会无法使LED发光，同时严重降低发光效率，甚至缩短使用寿命、烧毁芯片。如今的工频电源和生活中常用的电池电源均不适合直接供电给LED，LED驱动电源就是这种用于驱使LED、为其提供最佳的正向工作电压，从而使LED正常工作的电子器件。

LED的一些特性决定了LED驱动器的特点。由图1.1LED的伏安特性曲线可知：当为LED加上合适大小的正向电压正常工作时，若电压发生变化，通过LED的电流的波动将会非常大，LED为电流型器件，电流的波动严重影响了LED的亮度，使得其在实际应用中会发生闪烁、十分不稳定；而当为LED加上反向电压时，LED无法发光，若反向电压过大甚至会产生极大的反向电流，烧毁LED，这对电路和LED本身都是十分危险的。因此，LED的伏安特性决定了LED驱动电源输出应为恒流限压模式。一些LED还需有调光功能，这就需要在LED驱动电源中加入相应的电路进行控制，使LED在可以正常工作的范围内，通过改变提供给LED的电流大小从而调节LED的亮度。另外，考虑到电网的用电规则和从尽可能保护电路的角度出发，LED驱动电源还应具有高效率、高功率因数、高可靠性、保护功能等特性^[7]。

国内外研究现状

目前，为了提高驱动电源的效率和寿命，国内许多学者针对驱动电源的改进不断研究。刘沅玲等人提出了双环式降压LED驱动电源的设计，为了提升驱动电源的稳定性，采用峰值电流控制，并将设计中采样电阻两端的电压信号采集后进行积分形成电流环，从而避免采用电压反馈时与LED负温度效应相互影响降低使用寿命；同时为了解决谐波振荡，在电路的积分环节加入斜坡信号，实现了对PWM比较器的控制，提高了电路的效率；但是该电路需提供低压直流电源，若应用到实际中反而使驱动电源的设计变得复杂^[8]。李圣乾等人提出了一种多路输出大功率LED恒流驱动电路，该设计在基本的buck-boost电路的基础上，利用开关电容的充放电实现单输入多输出模式，在保证S1和S2导通周期相同的条件下可达到恒流输出；该设计实现了多路输出，降低了成本，但应用时需注意控制各开关器件的占空比和相位差^[9]。另外，国内研究不断向数字化发展，芯片的研发与应用不断提高。梁真等人提出了大功率无线可调式LED驱动电源的设计，其系统设计的核心为单片机处理器，采用STC8F8AS2芯片；输入模块为无线接受模块和按键输入模块，分别通过远程遥控器和手动按键为单片机提供输入信号；单片机根据输入信号和相应的程序输出PWM信号至大功率LED驱动模块，为LED提供驱动电流。该设计可通过无线遥控和手动两种方式控制LED灯的亮度，操作简单便捷，并且选取合适的芯片可用来驱动大功率的LED，充分实现了恒流输出、输入输出隔离的要求^[10]。

在国外，众多学者也未曾停下对LED灯驱动电源的研究，不断提高LED驱动器的效率和功率因数。Jongbuk Baek和Suyong Chae提出了一种基于降压拓扑结构的新型离线式LED驱动器，通过阈值电压控制多个开关的串联LED段，使LED按照一定顺序导通，所提出的驱动器可以控制LED的自适应正向电压，提供了高电压以提高效率，同时利用续流二极管和电感降低电流纹波和开关损耗。同时，国外学者也重视发展多功能的LED灯，如可调光LED灯驱动器的研究，Namratha Pai等人提出了一种可应用于普通照明系统的可调光LED驱动器。驱动电路为一个带有降压拓扑结构的闭环驱动器：在一个Buck电路中，利用SG3524芯片对MOSFET进行PWM控制，调整脉冲宽度从而调整LED串联段的控制电流，改变其亮度，并将输出利用PI控制器进行反馈，形成闭环，减少了稳态误差，增强了LED灯的功能。

本设计采用的方案

本设计要求设计出一款功率为100W的LED路灯驱动电源系统，输入为交流195V~265V/50HZ，可实现稳定的恒流输出，开路状态下具有限压保护功能，具有较高的功率因数及效率。设计采用方案的整体框图如图1.3所示。由设计要求可知：整个电路需进行AC-DC的变换，由195V~265V/50HZ的交流电输入LED路灯驱动电源，经过设计的拓扑结构后进行电力变换，使得输出为恒流恒压直流电，并可为100W的LED供电。因此电路由三个部分组成：首先，输入的交流电经整流器桥电路变为直流，再通过设计的有源功率因数校正器电路，实现输入端电流谐波失真，并具有较高的功率因数，从而输出较稳定的400V直流。然后，通过反激变换器进行降压，提供50V的直流电。最后，由于LED需要由稳定的电流控制，因此还需设置相应的恒流输出电路，保证LED路灯稳态恒流限压运行，同时还在恒流电路中加入调光电路。总之，驱动电源整体进行了一次AC-DC-DC的电力变换。

图1.3 LED驱动电源设计框图

论文的主要研究内容

本论文针对设计要求，介绍了设计100W LED驱动电源的一些知识，研究的主要内容包括：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：