探究大功率LED路灯开关电源的研究

探究大功率LED路灯开关电源的研究

王斌

杭州宇中高虹照明电器有限公司浙江省杭州市311307

摘要：LED因其环保、长寿、高光电效率等众多优点成为照明领域关注的焦点。本文围绕LED开关电源进行了深入阐述，主要工作内容如下：论文首先全面介绍了LED的发展现状及应用前景，深刻分析了国内外LED开关电源的研究现状，确定了论文的主体方向。其次系统地介绍了LED驱动电源的拓扑结构、调制方式、控制类型等基础知识。应用AP法设计了变压器，并结合实例设计了EMI滤波器、DC-DC转换电路以及功率因数校正电路。

关键词：LED恒流功率；开关电源；控制

半导体照明（LED）作为一种新型光源，由于具有低温、省电、长寿命、无污染等特点，LED已成为一个新兴产业的制高点，LED灯素有绿色照明能源之称，产品不含国际标准限制的六种有害物质，在同样亮度下，耗电仅为普通白炽灯的1/10，已成为世界上第四代节能产品的代表。当今社会，随着环境和能源问题日益突出，节能减排工作陆续开展，发展LED照明十分必要。在没有开发替代能源的大前提下，如何对现有能源进行更加有效的利用是解决能源短缺问题的有效途径。因为LED灯具备高效节能的优点，LED产业已成为国家、地区与相关行业企业关注和发展的热点，被广泛应用于建筑物外观照明、景观照明、标志与指示性照明、室内空间展示照明、视屏屏幕等。

1、LED开关电源的基本理论

开关电源利用电力电子技术，控制开关管的导通与关断，最终实现输出电压的稳定。一般而言，开关电源包括MOSFET和脉冲宽度调节（PWM）控制芯片，具有效率高、体积小、重量轻等特点。开关电源技术随着电力电子技术的发展而不断创新，并成为当今社会必不可少的电源方式。20世纪90年代末开始，开关电源的集成化技术逐渐成为研究热点，反映了未来开关电源技术发展的方向。不同的开关电源系统具有不同的拓扑结构，不同的拓扑结构各有其优缺点，研制开关电源需要了解各种拓扑结构的原理及特性，根据设计目标选择合适的结构。

1.1开关电源的拓扑结构

开关电源的主回路是功率电流流经的通路，一般包含开关电源中的开关器件、储能器件、变压器、滤波器、输出整流器、供电输入端和负载端等器件。开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

1.1.1非隔离型开关电源变换器

BUCK变换器、BOOST变换器、BUCK-BOOST变换器、CUK变换器等均属于非隔离型开关变化器。由BUCK变换器和BOOST变换器可以演变出后面两种变换器，下面介绍BUCK变换器和BOOST变换器的工作原理。BUCK变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源或三端开关型降压稳压电源，是最简单的开关驱动电路，应用于负载电压不高于约85%的输入电压的场合。85%的限制是由控制系统开关延迟造成的。工作原理图如图2.1所示，开关管S处于导通状态时，输入电压Ui经电感L平波、电容C滤波后为负载提供电流；开关管S处于关断状态时，电感L通过二极管续流来保持负载的电流连续。输入电压与输出电压的关系为：Uo/Ui=?，其中，?为导通时间占空比。

升压变换器简称BOOST变换器，改变降压变换器中元件的位置就可把它变成6大功率LED路灯开关电源的研究升压变换器，如图2.2所示。BOOST变换器常应用于LED串的电压比输入电压高时，尤其在输出电压的最小值大约是输入电压的1.5倍时最为常见。在该电路中，开关管与负载并联。开关管S处于导通导通状态时，输入电压对电感L进行充电；开关管S处于关断状态时，电感L向负载和电源放电，输出电压为Ui+Uo，电路起升压作用。输入电压与输出电压的关系为：Uo/Ui=1/（1-?），其中，?为导通时间占空比。

图2.5PWM调制原理

目前，PWM方式在开关电源设计中应用最为广泛。它具有以下优点：低噪声、小纹波、工作频率稳定、控制简单易实现、滤波简单、在满负载时工作效率高而且能在连续导电模式下工作。但是也存在一些缺点，如频率特性比较差，轻负载时效率明显下降，而且对输入电压的调制能力也较弱。

1.2.2脉冲频率调制方式

脉冲频率调制方式[10，11]是指导通脉冲宽度保持恒定不变，根据输出电压的反馈改变开关工作频率来改变占空比以达到稳定电压目的的方式。比较负载端的反馈信号与基准信号得到输出误差信号，利用输出误差信号调节工作频率，输出一路控制开关管的恒宽变频方波信号，随着负载的实时状况调节开关的导通，从而实现输出电压的稳定。

在开关电源中，PFM控制方式较为常见，该方式的优点是：轻负载时效率高、频率特性较好、高频工作以及电压调整效率高，适用于电压或者电流控制模式。存在以下缺点：滤波成本高，负载可调范围较窄。在未达到峰值效率时，PFM的效率远高于PWM。而且，PFM的响应速度也比较快。因此广泛应用于开关电源。

1.2.3脉冲跨周期调制方式

PSM（PulseSkippingMode）调制方式称为脉冲跨周调制，是开关电源的一种新的控制方式。脉冲跨周调制是将负载端反馈信号转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平来决定是否在该时钟周期内工作，调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。脉冲跨周调制方式应用于开关电源具有轻负载效率高、频率特性好、工作频率高等优点，存在如下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱。

1.2.4混合调制

混合调制方式的导通脉冲宽度和开关工作频率均可变，是PWM和PFM两种调制方式的混合。它具备了两者的优点，即当频率有微小变化时，输出电压有非常大的可调范围，故适合制作用于实验室的宽范围调节输出电压的电源。但它也存在不足之处，如电路复杂、需要控制器、电路实现比前面两种调制方式复杂等。

1.3开关电源的控制类型

开关电源有两类控制方式：电压控制模式（VoltageModeControl）和电流控制模式（CurrentModeControl）。

2、小结

了解开关电源的基础知识是制作开关电源的前提。本章介绍了LED开关电源

的基本理论知识，如拓扑结构、调制方式、控制模式、LED的特性及其连接方式。

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