（电路与系统专业论文）70w+led防爆灯驱动电源设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着绿色照明的发展趋势及国家对井下作业安全的重视，节能环保的矿用灯 具备受人们的青睐。l e d 防爆灯具是市场上热销的矿用灯具的一种，它采用l e d 作为光源，与传统灯具相比有节能、环保、寿命长等优势，目前l e d 防爆灯照 明在煤矿生产中的应用领域越来越广泛，并发挥了不可替代的作用。 虽然l e d 的优势很多，但是l e d 的光性能对电流要求高，流过l e d 的电 流大小决定l e d 的发光强度，电流过强长时间会引起l e d 光通量的衰减，电流 过弱会造成l e d 发光亮度不够。l e d 防爆灯要安装在环境恶劣的场所，灯寿命 和安全性要求严格，而l e d 的驱动电源是影响灯寿命和安全的重要因素，因此 研究一款效率好、功率因数高、稳定性、防水防尘都达标的l e d 防爆灯驱动电 源具有重要的现实意义。 本文论述了l e d 防爆灯驱动电源课题的背景和研究意义，提出了l e d 防爆 灯驱动电源的设计难点，介绍了有源功率因数校正，反激式变换器，可靠性设计 等关键技术原理。在分析l e d 防爆灯驱动电源的设计要求基础之上，给出了一 款7 0 wl e d 防爆灯驱动电源的整体设计。文中采用功率因数校正和直流直流变 换器的两级方案。由于升压型临界模式功率因数校正具有比较简单的控制电路， 适合应用在中小功率的电源驱动产品中，因此第一级选用临界导通模式实现对功 率因数的校正，减小谐波分量，为后级提供稳定电压；又根据设计功率大小的要 求，第二级选用反激式变换器实现所要达到的直流输出，采用l m 3 2 1 来限压恒 流实现对电流的反馈。文章首先对l e d 的发光原理、发展历程和趋势及l e d 防 爆灯驱动电源的发展现状和趋势进行了介绍；其次论述了功率因数校正技术，给 出了三种不同模式下的有源功率因数校正的原理及优缺点比较，随后提出了单级 式变换器和两级式变换器技术的应用场合及其优缺点对比；再次分析了反激式变 换器的工作原理及总结。在上述的理论基础之上，设计了一款7 0 wl e d 防爆灯 驱动电源的两级式电路即前级基于n c p l 6 0 8 芯片的临界导通模式的有源功率因 数变换器的设计，后级基于t o p 2 5 8 e n 芯片的反激式变换器的设计；并对两级 式变换器的主电路和控制电路的参数进行了详细的设计；总结了调试时遇到的问 题和解决方法并对l e d 防爆灯驱动电源的可靠性进行了分析，提出了主要的改 善方法。 本文最后对研制的7 0 w l e d 防爆灯驱动电源样机的关键点的波形做出了采 集和分析。测试结果表明：输出电压4 7 v ，输出电流1 5 a ，驱动电源整机效率 达到0 8 7 ，功率因数0 9 5 以上，电路简单，成本低，电源工作稳定可靠，实验 杭州电子科技大学硕士学位论文 结果证明该方案具有可行性。 关键词：l e d 防爆灯，驱动电路，功率因数校正，反激变换器，反馈控制 l l 杭州电子科技人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do fg r e e nl i g h t i n ga n dn a t i o n a la t t e n t i o nf o rt h e u n d e r g r o u n dw o r k ，e n e r g ys a v i n gl a m pi sm o r ea n dm o r ef a v o r e d l e di sas o l i dc o l d l i g h ts o u r c e ，i th a sa d v a n t a g et h a ts a v i n ge n e r g y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，l o n gl i f e a n ds oo n t h u sl e d l i g h t i n gi sw i d e l yu s e di nc o a lm i n ea p p l i c a t i o nf i e l da n d p l a y e da ni r r e p l a c e a b l er o l e l e dh a v em a n ya d v a n t a g e s ，b u tl e d l i g h th a sh i g hr e q u i r e m e n t sf o rc u r r e n t ， l e dl u m i n o u si sd e t e r m i n e db yc u r r e n tw h i c hi s f l o w i n gi t ，i ft h ec u r r e n ti st o o s t r o n gf o ral o n gt i m e ，i tw i l lc a u s el e dl u m i n o u sd e c r e a s e ，c o n v e r s e l y ，t h ec u r r e n t i st o ow e a k ，i tw i l lc a u s el e db r i g h t n e s si sn o tm e e tr e q u i r e m e n t a st h el e d l u m i n o u sp e r f o r m a n c eb yt h ed r i v ep o w e ra n de n v i r o n m e n t a lc o n s t r a i n t sa n df l a m e s a f e t yl a m pi n s t a l li nb a de n v i r o n m e n tp l a c e s ，t h el a m pl i f ea n ds a f e t ym u s tb eb e t t e r w 1 l i l el e dd r i v e ri sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c ef a c t o r sf o rt h el a m pl i f e l e dl a m pd r i v e p o w e r s t i l lh a v em a n yt r o u b l e st h a te f f i c i e n c yi sl o w , p o w e rf a c t o ri st o os m a l l ，o u t p u t c u r r e n ti sn o ts t a b i l i t y , t h el i f ei sn o tl o n ga n ds oo n ，a l lt h e s ew e a k n e s s e sh a v em a k e ap r o b l e mw h i c hl i m i t e dl e dl i g h t i n gd e v i c e st o a p p l i c a t i o nf u t u r em o r e s o r e s e a r c h i n gas t a b i l i t y , e f f i c i e n c y , p o w e rf a c t o r , w a t e r p r o o f ，d u s t p r o o fa n ds t a n d a r d l e dd r i v e rd e s i g nh a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e sp a p e ri n t r o d u c et h et o p i c sb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ef o r1 1 j 曲 p o w e rl e dd r i v ep o w e r ，i n d i c a t et h ed i f f i c u l tp o i n t sf o rl e dd r i v ep o w e rd e s i g n i n g , g i v em a i nt e c h n o l o g ys u c hl i k ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，f l y b a c kc o n v e r t e r o n t h ea n a l y s i so ft h el e d d r i v e r ，d e s i g n i n ga7 0 wl e dp o w e rs u p p l yw h i c hi sm a i n l y i n v o l v e st h ee m if i l t e rd e s i g n ，f l y b a c kc o n v e r t e r , a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ， r e l i a b i l i t yd e s i g na n ds oo n t h i sp a p e ra d o p t st w ol e v e l so ft h es c h e m et h a ti n v o l v e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o na n dd c - d cc o n v e r t e r b e c a u s et h eb o o s tp o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nt e c h n i q u eh a v em a n ya d v a n t a g e s ，i t sc o n t r o lc i r c u i ti s s i m p l y ，t h ef i r s t l e v e lu s i n ga c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt or e a l i z et h ec a l i b r a t i o n ，i ti su s e dt o p r o v i d es t a b i l i t yv o l t a g ef o rl a t e rl e v e l ，t oi m p r o v et h eh a r m o n i ci n t e r f e r e n c ea b i l i t y , h a v eas t a b l eo u t p u tv o l t a g e ，t h es e c o n d a r yl e v e li sa d o p t e df l y b a c kc o n v e r t e rt o r e a l i z e l i m i t e dp r e s s u r ec o n s t a n tc u r r e n tf e e d b a c kp a r t a d o p t sl m 3 2 1t oa t t a i n c u r r e n tf e e d b a c k t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt r e n do f 1 1 1 杭州电子科技人学硕士学位论文 l e d ，a tt h es a m et i m e d i s c u s st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fl e dd r i v e rp o w e rd e v e l o p m e n t s e c o n d l ya n a l y s i st h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o np r i n c i p l e ，f l yb a c kc o n v e r t e rw o r k i n g t h e o r y , t h eo r i g i n a le d g ec o n t r o lw a yf o rc h i p f e e d b a c ka n ds e c o n d r a r yf e e d b a c k d e s i g n o nt h eb a s eo f t h e s et h e o r y ，t h e ni n t r o d u c e sa7 0 wl e dd r i v ep o w e rd e s i g n w i t ht h et w os t a g ec i r c u i t o n ei sa c t i v ep o w e rf a c t o rd e s i g nw h i c hi sb a s e do nt h e n c p l6 0 8c h i p ，a n o t h e ri sf l y b a c kc o n v e r td e s i g nw h i c hi sb a s e do nt o p 2 5 8 e nc h i p g i v i n gt h ed e t a i l e dp a r a m e t e r sd e s i g nf o rt w oc o n v e r t e r sa n dc o n c l u d i n gt h ed e b u g p r o b l e m s f i n a l l ya n a l y s i st h ed r i v e rp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t yo fe x p l o s i o n - p r o o fl e d l a m pa n dp r o p o s e ds o l u t i o n s t h i sp a p e rt e s tt h e7 0 wl e dl a m pd r i v ep o w e rp r o t o t y p e ，a tt h es a m et i m eg i v e t h ek e yp o i n tw a v ea n dm a k ea n a l y s i s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a td r i v e rs u p p l yc a n w o r kn o r m a l l yi naw i d er a n g eo fi n p u tv o l t a g e ，t e s tr e s u l ts h o wo u tc h a r a c t e ri s4 7 v 1 5 a ，t h ep fv a l u ei s0 9 5 ，e f f i c i e n c yc a na r r i v e8 7p e r c e n t ，c i r c u i th a ss i m p l e p e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n dp o w e rs u p p l yc a nw o r ks t a b l y ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o g r a mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：l e dd r i v e rc i r c u i t ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，f l y b a c kc o n v e r t e r , e l e c t r o n i ci n t e r f e r e n c e i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 2 0 0 8 年北京奥运会和2 0 1 0 年世博会掀起了l e d 照明应用的热潮，可以说 这两次大型盛会也是l e d 产业的盛会。从奥运中心轴大道到特殊设计的场馆水 立方、鸟巢，在奥运会的各个比赛场地中，可以说无处不彰显l e d 技术的应用。 这说明了l e d 时代已经走进了我们的生活中。l e d 半导体照明属于2 1 世纪的 绿色照明技术，它的温度稳定、耐振动、防爆、抗震。能宽电压范围下驱动灯亮， 实现从纯白色到接近日光色的色温，发光效率可达到1 0 0 1 m w 以上，比白炽灯节 电9 0 ，在同等功率下l e d 灯比普通日光灯发光强度高4 0 以上。这些优点使 得它在当今节能环保的要求环境下成为了一个非常吸引人的选择。 随着国家节能减排的呼声，石油、化工、电力、铁路等产业的飞速发展，照 明节能技术在这些领域的推广和应用产生了不可估量的社会效益及经济效益i l j 。 目前井下作业安全问题频频发生，矿用灯具受到国家的密切关注。防爆灯为矿用 领域的灯具，有很好的市场发展前景。传统的防爆灯的光源是节能灯，功耗大， 发光效率低。l e d 防爆灯是新型灯具，采用l e d 冷光源，它具有高效、节能、 环保等一系列的优势，如今在煤矿领域中，l e d 照明灯具已经被广泛的应用。 虽然l e d 的优点很多，但是l e d 的发光性能受到驱动电源性能和使用环境 的制约，且防爆灯要安装在环境恶劣的场所( 有易燃烧、爆炸性气体或粉尘的危 险环境) ，这对使用在这些场所的照明灯具及其他电器的热量控制、防爆性能等 提出了特殊要求。由于l e d 防爆灯要在封闭的防爆腔中工作，再加上矿井下的 恶劣环境，灯的寿命和安全性一定要有所保证【2 】。一般l e d 光源的寿命很长， 最影响寿命的就是驱动电源，驱动电源里的电解电容的寿命决定了整个灯具的寿 命，驱动电源的恒流能力的好坏决定l e d 的光衰程度及光效高低。因此研究出 效率、功率因数、防水防尘等设计都满足要求的驱动电源具有很现实的意义。 1 2l e d 介绍 1 2 1l e d 的发光原理 二极管为半导体材料，它能产生光线的原理早在1 9 6 0 年就被人们发现和使 用。l e d 是发光二极管，它的核心部分是由n 型半导体和p 型半导体构成的晶 片，n 型半导体和p 型半导体之问的形成的过渡层称为p n 结1 3 】。当少数载流子 与多数载流子在p n 结中复合时，就会释放出能量，这些能量以光子或部分以光 子的形式释放出来，最终实现了能量的转换，因此l e d 是一种能量转换的器件 杭州电子科技大学硕+ 学位论文 ( 将电能转化为光能的半导体器件) 。它的发光原理是当l e d 两端处于正向工作 状态时，电流从l e d 的阳极流向l e d 的阴极，此时满足单向导电的条件，半导 体晶体就发出不同颜色的光线( 从紫外到红外的范围) 。产生的光子的能量由电 子和空穴之间的带隙决定，带隙越大发出的能量就会越高。由于不同的材料具有 不同的带隙，不同光的颜色对应不同的光子能量，从而不同颜色的光就会被释放 出来【4 】o 1 2 2l e d 的电气性能 l e d 是通过半导体材料掺杂制作而成的，它的制作工艺与普通的二极管相 类似。由于l e d 与普通二极管结构相同，因此也具有单向导电性，即当l e d 两 端的正向电压超过阈值电压时，l e d 才会导通发光。当l e d 导通时，它的正向 电压会不断增加，与此同时l e d 的正向电流跟随着增加，相应的l e d 的亮度也 会不断的增大。由于l e d 两端的电压具有负温度特性的特点，当温度不断上升 时，它反而会不断地降低，反之同理。一般来说，大功率白光l e d 正常工作时 的导通压降为3 4 v 。图1 1 为l e d 伏安特性曲线。 3 5 0 3 鼍2 5 0 蠢2 - e oi j 0 厦1 0 0 肖5 0 o j l | | i ， uu ，i ，ui ，2 0z ， j u了，4 u 正向电压v 图1 1l e d 伏安特性曲线 由图1 1 可以看出正向导通压降( v ) 和正向电流( i ) 的关系曲线是非线性 的。从图中可知，当正向电压超过某个闽值之后，电压的微小变化就会引起较大 的电流变化，i 随着v 的上升而急剧上升；而电流的急剧增加是导致温度上升过 快的主要原因，l e d 的光输出量会不断地下降，缩短使用寿命。此外如果不严 格控制导通电流的大小，l e d 的温升将使发光的主波长发生偏移，因此要根据 l e d 的伏安特性曲线来设计它的工作参数。此外，从图中还可以观察到l e d 光 特性与l e d 电流之间的关系，这是由于l e d 的发光强度受流过l e d 的电流大 小的影响，它的光特性是电流( i ) 的函数，过强的电流长时间会导致l e d 的光 通量的衰减，过弱的电流达不到想要的发光强度。 1 3l e d 防爆灯 防爆灯是用在有可燃性气体和粉尘存在的危险场所的灯具，它的功能是能避 免灯的内部可能产生的火花，或者在高温情况时，预防周围环境里的可燃性气体 2 杭州电子科技人学硕士学位论文 和粉尘发生爆炸。防爆灯具根据不同的方式可进行分类，按照光源来分有防爆的 白炽灯、防爆的高压汞灯等；按照结构型式来分有隔爆型的、增安型的、复合型 的等；按照使用的方式来分有固定式的灯具和携带式的灯具；按防触电保护型式 可分为i 、i i 、i i i 类【5 1 。i 类的要求是在达到基本的绝缘基础上，将容易触碰的 不带电的可导电的器件连结到保护接地的导体上。i i 类的要求是要有双重绝缘或 加强绝缘的安全保护措施，不具有接地保护。i l i 类的要求是使用有效值电压不 超过5 0 v 。因此要根据不同的要求来设计防爆灯具而不是随意的设计和安装。 l e d 防爆灯顾名思义就是防爆灯的一种，它的原理同防爆灯相同，只是它 用的光源是l e d 芯片光源，这种灯具的目的就是为了防止点燃周围爆炸性混合 物。由于l e d 属于固态冷光源，具有高的电光转换效率、发热量少、使用寿命 长等一系列优点，所以大功率白光l e d 成为防爆灯具，尤其是可携带式防爆灯 具的一种优先选择的电光源。l e d 防爆灯是一种特种行业中的用电气设备，它 的整体结构由灯壳、灯罩、内部的发光体等组成。发光体为大功率l e d 的模组， 灯的内部放有驱动电路；电源模组与l e d 模组封粘在一起。输入驱动电路是利 用恒流芯片加各种保护电路、控制电路来完成输出目标功能的，l e d 光源芯片 可以是集成芯片，也可以是单颗芯片固定在散热壳体上，可以根据发光亮度和成 本的要求选择使用哪种l e d 光源。l e d 防爆灯具在煤矿、石油、铁路、防汛等 多种行业都有好的照明效果。 1 3 1l e d 防爆灯驱动电源 不管是大功率还是小功率的l e d 照明应用，一般都是由l e d 驱动器、l e d 光源、透镜和基板几部分构成的，l e d 防爆灯也不例外，它的关键组成部分是 l e d 驱动器。l e d 受电流的影响很大，细微的电流变化都会影响l e d 发光量的 变化。因为l e d 的光性能对电流要求高，流过l e d 的电流大小决定l e d 的发 光强度，电流过强长时间会引起l e d 光通量的衰减，电流过弱会造成l e d 发光 亮度不够。能否达到所需要的光通量值，要看驱动电源的输出是否为恒定的电流 值。因此，要满足l e d 恒流特性的要求，驱动电源设计要含有许多的变换电路 来保证恒流输出【6 】。l e d 驱动电源是开关电源的一种，不同的设计要求需要选 择不同的拓扑形式。开关电源主要的非隔离拓扑形式包括b u c k ，b o o s t ， b o o s t b u c k 。隔离式的有反激，正激，推挽，半桥，全桥拓扑等【7 j 。其中隔离式 拓扑形式是由非隔离式演变过来的。图1 2 为典型拓扑的简易电路图： 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 v i v t 窿咄 y i 降腿升压式 反撤式升压式 图1 2 为典型拓扑的简易电路图 b u c k 拓扑的特点是非隔离拓扑形式，电感位置在后边，最大的特点是输出 电压总是比输入电压小，用于需要降压的模块中。电路结构简单，效率也容易做 高，缺点是非隔离不安全。 b o o s t 拓扑与b u c k 型拓扑基本相似，也是非隔离拓扑结构，只是电感、开 关管和二极管互调了位置，b o o s t 电路最大的特点是输出电压总是高于输入电压， 用于需要升压的模块中，效率容易做高，缺点是非隔离不安全。 b u c k - b o o s t 拓扑的特点是输出电压灵活可变，输出电压可以比输入高也可以 比输入低。应用在l e d 驱动方面是通过控制l e d 的峰值电流及其导通占空比 来调节l e d 平均电流，最终达到l e d 亮度调节的目的【踟。 反激式拓扑是由变压器和开关管组成的隔离式电路，隔离安全，通过变压器 匝比可变，可以调节输出电压，是隔离式拓扑中最简单的拓扑结构。 正激式拓扑电路输出电压特性较好，负载能力强，没有反激式变换电路的漏 感损耗问题，主要应用于功率较大的场合，但是需要一个较大的输出滤波电感， 保证开关管关闭时能持续向负载供电。正激式变换电路的变压器存在磁性偏移问 题，所以需要在变压器上要加磁复位绕组。 推挽式电路的电压输出特性很好，效率高，驱动电路也比较简单，但是推挽 电路的两个开关管上的电压应力是输入电压的两倍，开关管需要很高的耐压值， 所以这类电路一般应用于低压大电流输入情况的场合。 半桥式电路的输出功率很大，两个开关管的耐压值要求较低，可以应用于市 电输入的应用场合，且半桥式电路的初级线圈只有一个绕组。半桥的缺点是电源 利用率较低，不适用于低压大电流的场合，而且还有上下两管同时导通烧坏开关 管的可能性。 全桥式电路相当于增强型的半桥电路，它应用在功率很大的场合，具有半桥 电路的所有优点，且开关管的耐压值可以更加低，适用于低压输入的情况，但是 全桥需要4 个开关管，成本较高。 4 杭州电子科技人学硕士学位论文 可以说电源的拓扑结构是电路设计的主干，通过上述拓扑的特点，根据不同 的设计要求选择隔离或非隔离的驱动方案，综合考虑怎样选择恰当的电源系统拓 扑架构、驱动电路拓扑结构等实现产品的性能是很重要的。对于l e d 驱动器来 说，不同的功率输出要选择不同的拓扑结构，选择好拓扑结构后，根据想要达到 的设计目标来计算满足l e d 发光强度需多大的l e d 输入功率值。当设计大电流 驱动电路时，由于大电流容易产生大的损耗，所以效率指标很难做，这时要采用 准确调节电流的方式，否则将会有大量的未转化成光的功率被转化成无用的热量 消耗掉。但是也不能盲目的为了追求高的光通量而将l e d 输出电流过度增大， 这样不但会导致l e d 光学特性衰减，还会缩短l e d 的使用寿命，因此在设计驱 动电路时要有一系列的保护电路如短路保护电路、反相保护电路、过压保护电路、 过流保护电路等，以免发生过流、过热、短路等现象【9 1 。由于大功率l e d 光源 不断地呈现，所以相配套的驱动电源也要求要不断地被设计出来。 1 3 2l e d 防爆灯驱动电源的发展现状及趋势 目前市场上展现出来的l e d 防爆灯产品有很多，不论是在外形方面还是在功 能方面。实际上大功率l e d 防爆灯不但要处理好性能指标，还要保证灯具的长寿 命。一般情况下l e d 光源寿命较长，最影响灯具寿命的是防爆灯的驱动电源，它 的效率的好坏影响到是否节能，它的功率因数做的好坏影响到对电网的污染程 度。目前根据驱动方式的不同，l e d 驱动电源有两种驱动方式：恒压式驱动电源 和恒流式驱动电源【l o l 。采用恒流方式驱动l e d 有两方面的优势：一是可防止l e d 工作电流不超过最大额定工作电流，满足l e d 的可靠性要求；二是可以较好地 将l e d 的色度和亮度保持一致。 l e d 防爆灯驱动电源是驱动l e d 组成的阵列。这就需要考虑设计的l e d 驱动 电源的输出参数和l e d 阵列是否匹配，只有完全匹配才能保证l e d 灯的正常使 用。l e d 阵列一般有串联连接方式、并联连接方式、串并联连接方式三种方式。 串联连接方式要求l e d 驱动电源输出电压较高。通过每颗l e d 的电流完全相同， l e d 的亮度一致。当某一颗l e d 短路时，剩余的l e d 两端电压将升高，驱动电源 输出电流将增大，容易损坏余下所有l e d ；并联连接l e d 的正向电压范围是 3 0 - 3 4 v ，如果阵列中l e d 差异性较大，每颗l e d 上的电流相差较大，l e d 的亮 度就会不一致，由于l e d 是负温度特性，导致亮度高的越亮，这样会使超额工作 的l e d 的光通量逐渐衰减。当某一颗l e d 短路时，整个l e d 阵列短路，导致电源 不工作甚至烧坏；当某一颗l e d 开路时，只有它不工作，其余l e d 还是继续工作。 大功率封装的l e d 做并联负载时，l e d 阵列是大电流、低电压的，这样会影响l e d 驱动电源的效率，所以一般不采用并联方式组成的l e d 阵列。在现实应用中，如 果是大功率的灯具则需要较多颗l e d ，一般采用串并联方式如图1 3 所示。串并 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 联方式中也会存在前面两种方式的问题，只是通过这种串并联方式可以减少l e d 器件离散性对整个阵列的影响。所以要采用同一批次的l e d 作为负载，保证l e d 存在的差异性小，相应地降低发生故障的可能性。由于l e d 的光性能对电流的要 求高】，因此l e d 灯具产品中主要使用恒流驱动电源，这是由l e d 光源要持续 可靠的工作必须要恒流决定的。 静静静静 图1 3 l e d 串并联连接方式 目前l e d 恒流驱动电源设计方案有很多种可以实现，最常使用的是用d c d c 稳压器与反馈电路联合实现恒流驱动。d c d c 稳压器的外围电路有不同的形式， 最普遍采用的两种为：电感型l e d 驱动电源和开关电容型l e d 驱动电源。由于电 感型升压驱动电源有输出较大电流的能力，而且l e d 两端的电压较低、这样产生 的功率损耗不大，效率指标会做的好，此种方案适合驱动多颗l e d 灯珠的场合中 t 2 1 。开关电容型l e d 驱动电源方案适合用在大功率l e d 灯具设计中，大功率l e d 两端有较高的电压而且流过的电流较大，这样可以产生良好的发光效果，但是随 着l e d 产品的不断创新要求，现在比较有优势的是能调节灯具亮度的l e d 防爆 灯，这会让节约能源的效果更加明显，更加满足矿井下不同地域环境的真实需要。 针对大功率l e d 矿用防爆灯具来讲，目前很多厂商都能达到恒流的水平，但是他 们过于节省成本而不断地精简电路，这样的电路设计会使上电启动时刻产生很高 的初始峰值电压，很容易产生l e d 击穿或断开现象，所以在使用环境要求严格的 情况下，l e d 防爆灯具的驱动电源的电路设计一定要妥善处理好下边的几个方 面： ( 1 ) l e d 防爆灯的驱动电源一定要满足效率兼顾可靠性的要求，有良好的功 率因数，因为l e d 防爆灯在恶劣环境下不断地使用，维修困难，所以良好的可 靠性一定要具备l l 引。 ( 2 ) l e d 防爆灯的驱动电源要有宽的输入电压范围，因为矿下作业的电压有 较大地波动性，l e d 防爆灯具一定要能在8 5 2 6 5 v 输入电压范围内工作正常， 同时驱动电路要有抑制浪涌产生的保护电路。因为随着天气环境的变化，特别是 在夏天会遇到雷击的发生，电网系统会进入许多浪涌，而l e d 本身的缺点就是 抑制浪涌的能力很差，尤其是抑制反向电压方面更差，因此为了保护l e d 不被 损坏，相关的保护电路方面的设计是很重要的。在达到基本的保护功能下，最好 6 杭州电子科技人学硕士学位论文 能在输出电路中增加一个温度反馈电路，避免l e d 高温工作。 ( 3 ) l e d 防爆灯驱动电源要各有其他的特殊要求，因为它应用在较差的环境 领域，因此防水和防潮必须要满足国家相关标准。 ( 4 ) 驱动电源设计完成后要进行相关技术指标的测试，效率、功率因数、寿 命、可靠性等及安规认证标准。要充分考虑好其外壳结构的特殊设计，良好的 l e d 防爆灯驱动电源设计要不断地进行优化。 1 3 37 0 wl e d 防爆灯驱动电源的提出 目前我国市场上的矿灯大多数都是铅酸电池矿灯，至今已延续很长时间，在 技术上没有很大的突破，传统矿灯的最大缺点是蓄电池很容易和矿灯头碰撞，电 缆皮破或扯断等现象引起电火花，最终导致悲惨的瓦斯爆炸事故发生。l e d 作为 新型发光器件，具有光效高、寿命长、功耗低、耐冲击、免维护的优点，克服了 传统灯具的缺点。由于l e d 器件的恒流特性要求，在设计驱动电源方案时，要 充分的考虑所要实现的目标，以及怎样设计相关的电路【1 4 1 。目前l e d 防爆灯产 品的种类很多，基本上是外型上的干变万化，但是既能满足国家各种要求又能达 到好的技术指标的灯具产品不是很多。l e d 本身对电流恒定性的要求很高，长时 间的电流不稳定会导致灯珠发出的光通量衰减，这就对驱动电源提出了更高的要 求，因此防爆灯驱动电源设计的好坏在实际应用中有着重要的意义。 1 3 47 0 wl e d 防爆灯驱动电源的设计难点 一款成熟的开关电源不但在外形方面要有小的体积，它的相关技术参数也要 做得好并且要符合各个国家的安全规范标准、电磁兼容要求，环保要求等。 7 0 w l e d 防爆灯的驱动电源设计难点是：高功率因数，高效率，可靠性等。具 体的方面是： ( 1 ) l e d 防爆灯驱动电源一定要有恒流和恒压输出的性能，即当l e d 电 源带有负载工作时电源的输出要保证为恒流状态，当l e d 电源带有空载时，电 路输出要保证为恒压状态【1 5 1 。电路为了保证输出有恒压、恒流的输出性能，大 多数l e d 防爆灯电源的控制环都带有电压环和电流环。 ( 2 ) l e d 防爆灯驱动电源需要在空载、轻载和重载时均能保持高功率因数 和高效率，以符合现在环保节能的要求。 ( 3 ) 7 0 wl e d 防爆灯驱动电源不仅要满足性能指标，还要满足可靠性，安 规认证标准，防水防尘等指标要求。 1 4 本课题研究的主要内容及意义 1 4 1 本课题研究的主要内容 本课题以l e d 防爆灯驱动电源为研究对象，通过分析l e d 的工作原理及电 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 学特性，根据7 0 w l e d 防爆灯驱动电源的设计要求选择合理的驱动方案，设计 一台能在宽范围市电输入电压下，各种技术指标都合格的7 0 w l e d 防爆灯驱动 电源。 主要研究内容包括以下几个方面： 第一章介绍了l e d 的发光原理、l e d 发展现状与趋势、l e d 防爆灯驱动电 源发展现状与趋势等，为后面的l e d 防爆灯驱动电源的设计提供背景支持。 第二章给出了功率因数校正技术，论述了无源功率因数校正和有源功率因数 校正的原理及二者的优缺点，在此基础上分析了单级式变换器和两级式变换器的 原理及应用的范围讨论，为l e d 防爆灯驱动电源的设计提供了理论基础。 第三章根据课题功率大小的要求选用反激式变换器，分析了反激式变换器的 工作原理及其优缺点。 第四章基于前几章的理论基础给出了7 0 wl e d 防爆灯驱动电源的详细设 计，包括主要电路和控制电路的参数设计及调试时遇到的问题及总结。 第五章主要探讨了l e d 防爆灯驱动电源的可靠性设计，分析了电源可靠性 的重要意义及改善方法。 第六章给出了整体样机的原理图、p c b 板图以及实物图等，指出了主要的 实验结果和结论，并对关键点的波形进行了测试与分析。 第七章对课题的整体研究工作进行了总结，指出了工作的进程和设计上的不 足等。 1 4 2 本课题研究的意义 本课题研究的是7 0 wl e d 防爆灯驱动电源的设计，电源驱动现在处于一个 备受关注的热潮中。课题的研究将为更大功率的l e d 驱动电源的研究打下理论 基础。 8 杭州电子科技火学硕士学位论文 第2 章功率因数校正 2 1 功率因数的提出 对于纯电阻性负载电路，输入电压和输入电流之间没有相位差，功率因数为 1 ，但是由于整流和滤波电路中的非线性元件存在，负载电阻的特性就发生了变 化，有的表现为容性有的表现为感性。负载特性的改变将输入电流的相位滞后或 超前输入电压。对于输入为桥式整流器接电容滤波器的开关电源，输入电网电流 是上升和下降很陡的窄脉冲。这些电流脉冲的有效值很高，而平均值很小，电流 谐波分量大，造成电流波形畸变，使功率因数降低，所以市电电网输入的功率大， 负载吸收的功率却较小【1 6 1 。通常的无源电容滤波，二极管整流电路的输入端功率 因数只能达到0 6 5 左右，为了减小开关电源市电输入整流电路输入端谐波电流 造成的噪声和对市电电网的供电质量，提高市电电网的可靠性，提高开关电源输 入端的功率因数，达到节能的效果，国家对功率因数和谐波电流提出了强制性的 要求，如何消除和抑制谐波对电网的污染，提高功率因数已成为当今国内外电源 界研究的重要课题。 2 2 功率因数校正定义 功率因数( p o w e rf a c t o r ) 英文缩写为p f ，是交流输入有功功率( p ) 与输 入视在功率( s ) 的比值，可用下式计算【l7 】： p f = 旦= 生生型= 上c o s 矽= y c o s 矽 ( 2 1 ) s v l i 螂i 棚 。 式( 2 1 ) 中，为输入交流市电基波电流的有效值；乙。为输入交流市电电 流的有效值；7 = i i ，。为输入交流市电电流的波形失真系数；c o s g o 为输入交流 市电基波电压和基波电流的相移因数。由于在整流电路的输入端使用了滤波元件 滤波会产生相位的漂移，相位的漂移是由于负载不是纯阻性导致的，如图2 2 ( a ) 所示为简单的整流滤波电路图。由于这些非线性元件( 呈感性或呈容性) 的存在 将所接的负载的纯电阻属性改变，导致交流输入市电电流波形发生失真或者与输 入电压波形出现相位不同步，最终导致功率因数降低【1 8 】。图2 2 ( b ) 交流输入 市电电压和电流相移缈时的电压和电流波形。实际上功率因数低的本质原因是由 于输入后的滤波电容的存在将整流二极管的导通角变小，二极管导通角小于1 8 0 。 导致产生大量的谐波成分，输入电流波形也跟随着失真，最终功率因数降低。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 一 一 一 o l 一l u c 2 = 一l l r爪刃n v 一 ( a ) 电路图( b ) 工作波形 图2 2 ( a ) 整流滤波电路图( b ) 输入电压电流波形 2 3 功率因数校正技术 功率因数校正的目的就是消除窄而陡的电网电流脉冲，可以通过去掉桥式整 流器后边的滤波大电容，从而保证整流器输出电压按正弦波曲线上升和下降。功 率因数校正电路将正弦半波输入电压转换成恒定的直流输出电压，并通过监控输 入电网电流使其成为正弦波并与瞬时输入网压成比例。常用的改善功率因数的措 施是在负载端并联一个性质相反的电抗元件；若电网呈感性，则采用电容来补偿， 反之若电网呈容性则采用电感来补偿。目前改善功率因数有两种校正方式，一种 是无源功率因数校正，一种是有源功率因数校正，二者都有各自的应用技术瓶颈， 下边将详细讲解一下两种技术的应用。 2 3 1 无源功率因数校正 无源功率因数校正电路只采用电感、电容、电阻和二极管等无源元件组成， 它是对输入电流波形进行相移和整形来实现p f c 功能【1 9 】。由于无源滤波器需要 大电感和电容来滤波，所以体积较重。它的工作性能与频率、负载变化和输入电 压变化有关，电感和电容之间的充放电电流较大。但是对谐波成分绝对值较小的 小功率电源来说是很适合选用的，结构简单，成本低、e m i 小、可靠性高。一般 功率因数可以达到o 8 0 9 之间。典型的无源功率因数校正电路填谷式功率 因数校正电路，图2 3 所示，此电路可使功率因数达到0 9 以上，但是电路的电 流总谐波在8 0 左右，不能达到i e c 6 1 0 0 0 3 2c l a s sc 标准，所以无源功率因数 校正电路一般在2 5 w 以下的功率级别广泛使用。在中大功率的应用场合，都采 用有源功率因数校正技术【2 0 l 。通过以前的试验结果知道，无源滤波器的9 次、 1 1 次谐波高。滤波器的阶数越多，输入电流波形越接近正弦波。 l o 杭州电子科技人学硕士学位论文 图2 3 逐沉功率因数校正典型电路 2 3 2 有源功率因数校正 有源功率因数校正技术( a p f c ) 它直接采用有源开关或a c d c 变换技术， 将一个变换器串入整流滤波与d c d c 变换器之间，通过特殊的控制，强迫输入 电流跟随输入电压，反馈输出电压使之稳定，并将输入电流与电网电压同相位。 通过这种控制方式的电流波形在工频段的包络为正弦。有源功率因数校正技术能 将输入功率因数提高到o 9 7 0 9 9 ，市电电网输入电流的总谐波小，体积小重量轻。 在调节输入电流波形的同时，利用电流反馈技术，可以保持输出电压基本恒定不 变。由于需要控制器电路，有源功率因数校正电路结构较为复杂，设计比较复杂， 成本较高，效率略有下降，但是在中大功率场合用无源功率因数技术无法实现的 对电流总谐波的抑制，采用有源功率因数校正技术有更多的优势，它的输入电压 范围宽、输出电压稳定，总谐波小等一系列优点使其在a c d c 开关电源、交流 不问断电源等领域广泛被应用【2 1 1 。 2 3 2 1 有源功率因数校正技术的分类 常用的a c d c 开关变换器实现a p f c 的方法有两类：一是乘法器控制，二 是电压跟踪控制。乘法器控制有三种基本方式，即电流峰值控制、电流滞环控制 及平均电流控制1 2 2 j ： ( 1 ) 电流峰值控制型 这种控制方式