摘 要

LED 照明是一种新型冷光源，其节能价值和高效率领其成为了近些年来火爆的研究对象，LED技术中的驱动电源技术逐渐成为热点问题，本文主要内容就是一种全桥式LED驱动电源的设计。

本文首先对LED进行了介绍，而后对LED驱动电源现状与前景进行了分析。本文提出的研究方向是一种特殊的开关电源，选用了软开关技术，最终确定设计的基础为移相全桥软开关电路。接着对主变换电路拓扑结构进行详细的分析，结合理论分析与性能指标，进行了参数设计。移相控制与驱动选用特定集成芯片的方法，结合绘制的原理图对其功能进行了详细的描述，在芯片实现的功能基础上，设计了保护电路。而后利用Matlab仿真软件，选用合适的器件模型，对该电路的核心移相功能进行了仿真，并设计了PI反馈环，利用PI环节稳定了输出电压。

本设计的LED驱动电源的技术参数为：输入电压，输出电压,输出电流，转换效率达到。

最后经过仿真验证，得到了与理论相符的输出波形，达到了设计参数要求。

关键词：LED；驱动电源；移相全桥；软开关

Abstract

LED lighting is an up-and-coming type of cold light source, and its energy-saving value and high efficiency have made it a hot research object in recent years. The LED drive power technology has become a popular topic lately. The main content of this article is a full-bridge LED drive power.

This article introdUCes the LED first, and then analyzes the current status and outlook of the LED drive power. The research direction put foward in this paper is a special switching power. Soft switching technology is selected, and the basis of the final design is the phase-shifted full-bridge soft switching circuit. Then I analyzed the topological strUCture of the main conversion circuit combined with theoretical analysis The phase-shifting control and driving method is selected with a specific integrated chip, and its function is described in detail in conjunction with the drawn schematic diagram. Based on the function of the chip, a protection circuit is designed. Then use Matlab to simulate the core phase shift function of the circuit, and design the PI feedback loop, use the PI link to stabilize the output voltage.

Technical parameters of this design:The input voltage:.The output voltage:. The output current:. Conversion efficiency:.

Finally, after simulation verification, the output waveform consistent with the theory is obtained, which meets the design parameter requirements.

Key Words： LED;Drive Power;Phase-shifted Full-bridge;Soft Switch

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3本文研究的主要内容 2

第2章 LED驱动电源系统方案设计 4

2.1 LED驱动电源基本组成电路 4

2.2 LED驱动电源系统设计 4

2.3 本章小结 5

第3章 开关电源模块分析 6

3.1 移相全桥工作原理分析 6

3.2 移相全桥工作过程分析 7

3.3 移相全桥开关电源模块存在的问题分析 12

3.4 本章小结 12

第4章 主变换电路设计 13

4.1 主回路拓扑整体设计 13

4.2 输入不可控整流桥的设计 13

4.3 输入滤波电容的设计 14

4.4 高频变压器的设计 15

4.5全桥主功率开关管的选型 16

4.6 输出滤波电感的计算 17

4.7 输出滤波电容的设计 17

4.8 本章小结 17

第5章 控制电路设计 18

5.1 控制芯片功能原理 18

5.2 基于UC3875的控制电路设计 19

5.2.1输入过流保护电路设计 20

5.2.2输入欠压、过压和输出过压保护电路设计 21

5.2.3输出电压反馈电路设计 23

5.3本章小结 24

第6章 系统仿真及效率分析 25

6.1 仿真电路整体图 25

6.2控制模块仿真 25

6.3 仿真波形图 26

6.4效率分析 28

6.5本章小结 29

第7章 总结与展望 30

7.1 总结 30

7.2 展望 30

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

LED照明，即发光二极管照明，是一种新型、节能的半导体发光器件，它在国内外备受好评，几乎适用于所有需要照明的场合，是享誉世界的新型环保绿色照明。发光二极管照明在功耗、辐射、光效等发面远胜于传统的照明设备，比如较为常用的白炽灯。LED的发明与问世改变了整个世界的照明格局，被认为是照明历史上一次真正的革命 ^[1]。

LED的优势有如下几个方面：

1. 节能。LED的光电转换效率很高，其耗电量仅为白炽灯的，荧光灯的。
2. 寿命周期长。发光二极管在不间断工作的情况下，可长期工作达到十年以上，且稳定性极高。
3. 小型化。发光二极管的体积很小，质量也很小，相比于其他传统光源，LED的设计自由度大大提升。
4. 快速响应。发光二极管内开关时间间隔非常短，延迟很低，便于进行个性化设计。
5. 高效化。白炽灯和荧光灯等传统光源电能消耗大部分转换为热能损耗掉。而LED发热很少，转换效率较传统光源大为提升。
6. 节能环保。发光二极管是典型的冷光源、绿色光源，器件可回收利用，无污染。

在人类社会科学向前发展的条件下，社会越来越追求环保与清洁能源，节能产品的诞生是历史车轮向前滚动的大势所趋，能源的消耗与浪费将不可避免地导致新的节能品。即使不是LED，但也会有类似性质的产品出现在人类的社会生活中。LED驱动电源是发光二极管的驱动之源，其发展影响着LED在世界上的发展和在社会生活中的普及。如何让发光二极管照明降低成本，走进千家万户，是所有LED人一直面临着的重要话题，既是机遇也是挑战^[2]。LED是一种特殊的二极管，不能直接接在交流市电或直流电源上，这是因为工作电流的一个小的波动都会导致LED的工作电压超 出其额定范围，无法直接给它供电发光，为了获得提供稳定电压电流的电源，以开关电源拓扑为基础的LED驱动电源被人们生产出来。

1.2 国内外研究现状

发光二极管行业已经在中国经历了几十年的发展过程，中国的发光二极管芯片制备、LED芯片封装等产业已经初具规模，发光二极管产品在人民生活中的应用也已经十分普遍。

在产业化方面，国内外小公司得不到有效的发展，像飞利浦主要的大厂占据了品牌、技术、渠道等多方面的优势。近年来，我国LED产业发展也呈上升态势，发光二极管照明产业占比虽然也在整体提升，但仍与国外有显著的差距。

LED驱动电源是发光二极管各技术领域中关键的一环，其中LED照明对驱动控制技术要求最高。LED驱动电源的发展，既是机遇，也是挑战。发光二极管产品正以一种火爆的态势在全球市场发展，而与之相匹配的LED驱动电源产业也面临许多极富挑战性的问题：（1）驱动电源的寿命问题。特别是驱动电源的寿命直接受到电容寿命的影响。（2）驱动电源的稳定性问题。目前驱动电源的应用面还有些狭窄，无法满足在各种极端工作环境以及特殊电压输入下的稳定性问题。（3）驱动电源的效率问题。驱动电源的转换效率是核心关注的环节，现阶段的LED驱动电源已经达到了较高的效率，但仍不能满足市场的需求。减少热量损耗，提升转换效率，仍是更进一步的挑战。（4）驱动电源的成本问题。在某些应用场合如功率较小的场合，驱动电源成本过高，已经影响了在市场的正常运作与推广^[3]。

LED驱动电源的品质对LED照明产品的性能起着举足轻重的作用，电源的质量直接决定了LED灯具的稳定性、寿命等核心属性，可以说LED驱动电源是发光二极管灯具的命脉所在。截止日前，在国内外发光二极管灯具的发展过程中，驱动电源仍然是影响LED大规模普及的瓶颈因素，在某种程度上使得LED产业的发展速度减缓。可见，研究获得一个能与先进的发光二极管相匹配的LED驱动电源是至关重要的，这正是此课题的重要意义所在。

1.3本文研究的主要内容

第一章对LED驱动电源设计课题的研究背景做了介绍，描述了LED的发展历史、LED驱动电源的种类及其发展，并得出了此课题的重要意义。

第二章根据LED驱动电源的基本运行原理和基本组成电路，进行了系统整体框架的设计，指明了了此课题的设计方向，明确了各个模块实现的功能，为后续具体模块的设计打下了良好的基础。

第三章提出了对LED驱动电源的设计，实际上就是设计一种特定的开关电源来驱动LED灯，对开关电源进行了介绍，进而选择了移相全桥软开关技术进行本课题的设计。绘制了移相全桥的拓扑结构，对其工作过程进行了详细分析。

第四章在前文的基础上，结合课题要求的性能指标，对主变换电路的各个环节进行具体的器件选型与参数计算工作。

第五章选择了UC3875芯片作为控制芯片并加以介绍，结合原理图描述了该芯片的工作过程，并设计出其外围电路。以其内部功能为基础设计了保护电路、反馈电路。

第六章在Matlab软件中对UC3875芯片的核心移相功能进行了建模仿真，观察输出电压电流等波形，检验设计参数的合理性，对设计进行整体验证。

第七章为总结与展望。

第2章 LED驱动电源系统方案设计

2.1 LED驱动电源基本组成电路

LED驱动电源其根本是开关电源，开关电源是在现代电力电子技术的基础上发展起来的，通过对开关管的通断时间进行控制，从而在开关电源的输出端稳定地维持电压的输出^[4]。

LED驱动电源电路结构主要由主功率变换电路、开关管控制驱动电路、输入与输出整流滤波电路，加上一些辅助和保护电路如过流保护、过压保护、输出电压反馈电路等等，在主电路和辅助电路共同工作下，达到为LED正常工作提供稳定的直流电源的需求。

2.2 LED驱动电源系统设计

由于LED自身的伏安特性及温度特性，使得LED对电流的敏感度要高于对电压的敏感度^[5]，这就要求用专门的电源来驱动LED。本文设计了一种全桥变换器件控制的驱动方案。

系统框图如图所示。市电输入后经过整流、滤波消除干扰，得到一高压直流电，然后经过由芯片控制驱动的开关电路变为一高频交流电压信号，通过变压器向副边传递能量，最后，对降压直流电源的高频交流部分进行滤波，以获得驱动LED照明所需的纯低压直流电源

图2.1 全桥式LED驱动电源设计框图

由框图所示，本文设计的全桥式LED驱动电源主要分为以下几个部分:

1. 输入整流滤波：输入滤波电路可以为市电滤波，消除一些杂波的干扰。在突发断电情况时，电容可以继续为开关电源提供能量。整流电路将输入交流电转换为直流电，提供给开关电路。
2. 全桥变换器及变压器：由4 个Mosfet、高频变压器组成。它是开关电源最主要的部分，把高压直流电转换成矩形方波交流电，再经高频变压器进行隔离输出。同时向副边传递能量，本课题中效率要求为。
3. 控制及驱动电路：由控制芯片及其外围电路、晶体管和变压器组成。控制芯片为UC3875，控制全桥变换器开关管的开通与关断，同时芯片可以提供过压保护和过流保护功能。
4. 输出整流滤波:与输入整流滤波电路原理类似，将变压器输出的高频交流电整流滤波获得稳定的输出。
5. 反馈电路：此部分将输出电压、电流信号采样传送给控制芯片，利用芯片内部的误差放大器形成一个PI调节器，可使传送回的电压信号与参考值进行对比，进而控制输出电压，实现稳压输出。采样的电流信号也可通过控制芯片实现过流保护功能。
6. 显示电路：对电路输出的电压、电流进行实时监控和显示。

开关电源模块是此LED驱动电源设计的核心。本设计采用了软开关技术，可以大幅降低开关损耗，后续章节将对此进行详细的分析。在软开关技术的基础上，选用Mosfet作为开关器件，设计了一种移相全桥软开关电路为此LED驱动电源的核心部分，并选用了UC3875芯片作为开关电路的驱动控制芯片，实现了近似ZVS。

2.3 本章小结