一种大功率led灯驱动电源设计(附件)
大功率LED(Light emitting diode)灯在如今的现实生活中已经越来越受欢迎，被广泛应用在家庭、道路照明等领域。本课题的主要工作是设计一种用于驱动大功率LED灯的新型驱动电源电源。本文的主要内容包括一下几个方面一、对课题背景以及大功率LED灯驱动电源的发展现状做了简单介绍，对目前压电陶瓷变压器和磁环变压器进行阐述和对比，给出本驱动电源的电路构架。二、分析了LED灯的电气特性，在此基础上分析了LED驱动电源的设计要求。三、通过Pspice软件进行仿真设计，展示了本驱动电源的调试过程，并对全文进行了总结。关键词 大功率LED，驱动，电气特性，压电陶瓷变压器
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 LED驱动电源发展现状 1
1.3 论文的研究内容及结构 3
2 LED驱动电源 3
2.1 LED电气特性 3
2.2 LED驱动电源的设计要求 5
3 有源功率因数校正 6
3.1 功率因数的定义 6
3.2 功率因数校正技术 6
4 压电式陶瓷变压器和磁环变压器的对比分析 7
4.1 压电式陶瓷变压器 8
4.2 磁环变压器 9
4.3 压电式陶瓷变压器和磁环变压器的优缺点分析 9
5 驱动电源具体设计与调试 10
5.1 整体设计流程图 10
5.2 驱动电源主电路设计及仿真 11
5.3 驱动电源各模块的电路设计及分析 12
5.4 驱动电源技术指标 19
5.5 实物调试与分析 19
结论 22
致谢 23
参考文献24 1 引言
1．1 研究背景和意义
进入二十一世纪，面临能源消耗的日益严重和全球环境的加快恶化，节约能源和保护环境已成为当今社会发展的主流。开辟利用没有污染的工业产品已在世界各国不同部门展开[5]。
就目前而言，用于照明的能耗约占全球总能耗的20%，同时在我国用于照明的用电量年年都在3000亿千瓦 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
时以上，这个数值占总用电量的12%左右。猛增的照明用电和发电能源消耗的加重，会让我国的供电形式以及环境与生态维护的形势愈加趋于严重。若是无限制地设置水力发电措施，就会毁坏自然生态环境；若是连续增加火力发电站，这又会更加加快现在已有的能源危机。如此看来，目前需要可持续发展的科学方法，一是增加可再生能源的应用，提高潮汐能、风能、核能、太阳能等各类发电技术的使用率；另一种是提升不仅节能而且高效的光源以及灯具的钻研能力、运用能力与成长能力。但是以前用的照明光源，好比钨丝灯、日光灯、金卤灯之类的光源，不仅仅能源消耗很高而且转化效率也低下，浪费了巨量的电能。如果可以用能源消耗低、使用时间长、无污染的照明LED代替如今损耗多、效率低的常用照明光源，不可否认这会引发一场全球性的照明改革，这让中国的可持续发展战略更具备严峻考验。
有关部门统计，如果用照明LED代替全数钨丝灯或一部分的日光灯，我国每一年便可节省出近三分之一的照明用电，换句话说就约等于节约了三峡工程一年的总发电量，这不但能够减缓我国电能需求的严峻情势，还能够减少燃煤的使用（当前我国近70%发电量是依赖燃煤得到），可以大大控制对环境的破坏。基于以上背景，本论文目的就是设计一种大功率LED灯的新型开关线性电源和恒流电源，追求设计出低功耗、高品质因数、高可靠性、长使用寿命（达到5万小时以上）的LED灯激励电源。
虽然LED具备诸多的好处，但现在尚未大面积的应用于各大领域，首要原因是因为它的发光效率低、使用时长不稳定及电源的成本价位高等缘故。但是，LED的性能正在不断改善，成本也是越来越低，在不远的未来普及LED灯将是大势所趋。
1．2 LED驱动电源发展现状
LED驱动电源是LED照明系统中的重要组成部分，LED系统市场的兴起也带动了其必不可少的驱动电源市场迅速崛起。 中国驱动电源市场当前阶段正飞速发展，行业之间的竞争也异常激烈。大部分在室内使用的LED驱动电源都是小型功率或中型功率，这类驱动电源的需求量十分庞大，然而因为这两种功率的驱动电源所涉及到的经验技巧相对于其余种类较少，所以有大量企业出产，行业之间价位竞争十分剧烈，其中许多公司的毛利率已跌到大约16%。大功率LED驱动电源之所以在市场上占据重要地位，是因为其需要具备相对高的技术要求、品牌要求和产品认证要求。现在，中国大陆企业中主生产LED驱动电源的，主要有北方慧华、茂硕电源、上海鸣志、飞旭电子、广州凯盛电子、崧盛电子等。
就国外的发展近况而言，可以概括为进行了三代改进：第一批的驱动电源重点采取彻底分离的设计方式，体系效率相对低，一般在82％～86％上下，而且本钱高、使用时间短、不够可靠；第二阶段LED驱动电源就改为应用恒压源以及恒流源两部分综合研究，这种方式下整体的效率就有了很大的进步，能够在86％～91％左右，使用时间和安全性也有了很大进步，成本显著降低;在第三次改进中，电能转换分为两个阶段，主电路采用一种新的拓扑结构和一种新的设计方式，系统效率再次得到了飞跃，可以到达94％～96％左右，使用时间和安全性飞跃上升，电源耗能比上一代多降低了30％～50％，相比之下成本再次减少。
根据市场发展，2016年10月以后钨丝灯就会逐步退出照明市场，如此一来LED的发展将不可阻挡。伴随现代环保理念深入人心，LED照明始终会迎来更辽阔的前景。LED驱动电源将面向高功率因数、高安全性、长使用时间、便捷式的方向发展。在此趋势下，提升功率因数与便携式是设计与钻研的重要方向。在LED灯的发展过程当中，各行各业都开始从利用传统照明灯变为安装LED照明灯，像普通家用照明灯具，车辆上所用大灯、车尾灯等。由于LED灯不存在红外线和紫外线的缘故，博物馆常安装一些LED照明产品，避免使用传统灯破坏文物。
图1 LED灯的应用
1.3论文的研究内容及结构
本文的内容是设计一种大功率LED灯驱动电源，要求LED灯珠支持3W正常工作，功率效率至少大于80%。重点采取压电式陶瓷变压器和磁环变压器进行对比，最终本文采用压电式陶瓷变压器进行设计。
本文具体的章节安排如下：
第二章对驱动电源设计要求作出诠释，主要列出了LED的电气特性。电气特性图中给出对应的电流与电压的相对关系，同时探讨了LED反向偏置的方式。
第三章主要阐释有源功率因数校正的定义及相关技术，确定了功率因数校正的电路架构，并交代了相关参数的设计过程。
第四章将压电式陶瓷变压器和磁环变压器进行详细对比，分析各参数的利弊，确定驱动电源采用压电式陶瓷变压器。
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1 引言 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 LED驱动电源发展现状 1
1.3 论文的研究内容及结构 3
2 LED驱动电源 3
2.1 LED电气特性 3
2.2 LED驱动电源的设计要求 5
3 有源功率因数校正 6
3.1 功率因数的定义 6
3.2 功率因数校正技术 6
4 压电式陶瓷变压器和磁环变压器的对比分析 7
4.1 压电式陶瓷变压器 8
4.2 磁环变压器 9
4.3 压电式陶瓷变压器和磁环变压器的优缺点分析 9
5 驱动电源具体设计与调试 10
5.1 整体设计流程图 10
5.2 驱动电源主电路设计及仿真 11
5.3 驱动电源各模块的电路设计及分析 12
5.4 驱动电源技术指标 19
5.5 实物调试与分析 19
结论 22
致谢 23
参考文献24 1 引言
1．1 研究背景和意义
进入二十一世纪，面临能源消耗的日益严重和全球环境的加快恶化，节约能源和保护环境已成为当今社会发展的主流。开辟利用没有污染的工业产品已在世界各国不同部门展开[5]。
就目前而言，用于照明的能耗约占全球总能耗的20%，同时在我国用于照明的用电量年年都在3000亿千瓦 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
时以上，这个数值占总用电量的12%左右。猛增的照明用电和发电能源消耗的加重，会让我国的供电形式以及环境与生态维护的形势愈加趋于严重。若是无限制地设置水力发电措施，就会毁坏自然生态环境；若是连续增加火力发电站，这又会更加加快现在已有的能源危机。如此看来，目前需要可持续发展的科学方法，一是增加可再生能源的应用，提高潮汐能、风能、核能、太阳能等各类发电技术的使用率；另一种是提升不仅节能而且高效的光源以及灯具的钻研能力、运用能力与成长能力。但是以前用的照明光源，好比钨丝灯、日光灯、金卤灯之类的光源，不仅仅能源消耗很高而且转化效率也低下，浪费了巨量的电能。如果可以用能源消耗低、使用时间长、无污染的照明LED代替如今损耗多、效率低的常用照明光源，不可否认这会引发一场全球性的照明改革，这让中国的可持续发展战略更具备严峻考验。
有关部门统计，如果用照明LED代替全数钨丝灯或一部分的日光灯，我国每一年便可节省出近三分之一的照明用电，换句话说就约等于节约了三峡工程一年的总发电量，这不但能够减缓我国电能需求的严峻情势，还能够减少燃煤的使用（当前我国近70%发电量是依赖燃煤得到），可以大大控制对环境的破坏。基于以上背景，本论文目的就是设计一种大功率LED灯的新型开关线性电源和恒流电源，追求设计出低功耗、高品质因数、高可靠性、长使用寿命（达到5万小时以上）的LED灯激励电源。
虽然LED具备诸多的好处，但现在尚未大面积的应用于各大领域，首要原因是因为它的发光效率低、使用时长不稳定及电源的成本价位高等缘故。但是，LED的性能正在不断改善，成本也是越来越低，在不远的未来普及LED灯将是大势所趋。
1．2 LED驱动电源发展现状
LED驱动电源是LED照明系统中的重要组成部分，LED系统市场的兴起也带动了其必不可少的驱动电源市场迅速崛起。 中国驱动电源市场当前阶段正飞速发展，行业之间的竞争也异常激烈。大部分在室内使用的LED驱动电源都是小型功率或中型功率，这类驱动电源的需求量十分庞大，然而因为这两种功率的驱动电源所涉及到的经验技巧相对于其余种类较少，所以有大量企业出产，行业之间价位竞争十分剧烈，其中许多公司的毛利率已跌到大约16%。大功率LED驱动电源之所以在市场上占据重要地位，是因为其需要具备相对高的技术要求、品牌要求和产品认证要求。现在，中国大陆企业中主生产LED驱动电源的，主要有北方慧华、茂硕电源、上海鸣志、飞旭电子、广州凯盛电子、崧盛电子等。
就国外的发展近况而言，可以概括为进行了三代改进：第一批的驱动电源重点采取彻底分离的设计方式，体系效率相对低，一般在82％～86％上下，而且本钱高、使用时间短、不够可靠；第二阶段LED驱动电源就改为应用恒压源以及恒流源两部分综合研究，这种方式下整体的效率就有了很大的进步，能够在86％～91％左右，使用时间和安全性也有了很大进步，成本显著降低;在第三次改进中，电能转换分为两个阶段，主电路采用一种新的拓扑结构和一种新的设计方式，系统效率再次得到了飞跃，可以到达94％～96％左右，使用时间和安全性飞跃上升，电源耗能比上一代多降低了30％～50％，相比之下成本再次减少。
根据市场发展，2016年10月以后钨丝灯就会逐步退出照明市场，如此一来LED的发展将不可阻挡。伴随现代环保理念深入人心，LED照明始终会迎来更辽阔的前景。LED驱动电源将面向高功率因数、高安全性、长使用时间、便捷式的方向发展。在此趋势下，提升功率因数与便携式是设计与钻研的重要方向。在LED灯的发展过程当中，各行各业都开始从利用传统照明灯变为安装LED照明灯，像普通家用照明灯具，车辆上所用大灯、车尾灯等。由于LED灯不存在红外线和紫外线的缘故，博物馆常安装一些LED照明产品，避免使用传统灯破坏文物。
图1 LED灯的应用
1.3论文的研究内容及结构
本文的内容是设计一种大功率LED灯驱动电源，要求LED灯珠支持3W正常工作，功率效率至少大于80%。重点采取压电式陶瓷变压器和磁环变压器进行对比，最终本文采用压电式陶瓷变压器进行设计。
本文具体的章节安排如下：
第二章对驱动电源设计要求作出诠释，主要列出了LED的电气特性。电气特性图中给出对应的电流与电压的相对关系，同时探讨了LED反向偏置的方式。
第三章主要阐释有源功率因数校正的定义及相关技术，确定了功率因数校正的电路架构，并交代了相关参数的设计过程。
第四章将压电式陶瓷变压器和磁环变压器进行详细对比，分析各参数的利弊，确定驱动电源采用压电式陶瓷变压器。
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