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    基于SEPIC变换器的LED驱动电源设计毕业设计

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    本科毕业设计(论文)附件 题目: 基于 SEPIC 变换器的 LED 驱动电源设计 院 (系): 专 业: 班 级: 学 生: 学 号: 指导教师: 2012 年 06 月 本科毕业设计(论文)附件 题目: 基于 SEPIC 变换器的 LED 驱动电源设计 院 (系): 专 业: 班 级: 学 生: 学 号: 指导教师: 2012 年 06 月 目录 1 西安工业大学毕业设计(论文) 开题报告 2 西安工业大学毕业设计(论文) 开题报告检查表 3 西安工业大学毕业设计(论文) 中期报告 4 西安工业大学毕业设计(论文) 中期检查表 5 西安工业大学毕业设计(论文) 指导教师评分表 6 西安工业大学毕业设计(论文) 评阅教师评分表 7 西安工业大学毕业设计(论文) 答辩暨综合评分表 毕业设计(论文)开题报告 题目: 基于 SEPIC 变换器的 LED 驱动电源设计 院(系) 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 3 月 1 日 1.题目背景和意义: 随着全球经济发展和生产水平的提高, 人类对能源需求越来越大。 以煤、 油、天然气、 核能等人类赖于生存的能源具有不可再生性, 人类面对着巨大的能源危机。 能源的大量消耗同时也造成了生态环境的急剧恶化。 为了解决这些问题不仅要开发新的可替代清洁能源, 还要大大提高能源的利用效率。 人们日常消耗的能源中 80%是电能, 各种照明用电则是电能的重要组成部分, 大约占全球 19% 的电力。 如果能提高照明用电的效率, 可以有效缓解能源紧张。 如何提高照明系统的能源利用率, 延长照明系统的寿命, 并且是绿色无污染的? 取代白炽灯, 荧光灯, 节能灯的第四代 照明灯具是什么? 业界给出的答案就是 LED 灯照明。 随着电力电子技术的发展, 作为一种冷光源, LED 具有很多传统光源所不能比拟的优势。 (1) 不需要充气, 不需要玻璃外壳, 抗冲击性好, 抗震性好, 不易破碎, 便于运输。 (2) 灯源单元较小, 使得布灯更为灵活, 而且能够更好地实现夜景照明。 (3) 能够较好地控制发光光谱组成, 从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明。 (4) 光源中不添加汞, 有利于保护环境。 (5) LED 发光具有很强的方向性。 (6) 使用低压直流电, 具有负载小、 干扰弱的优点。 LED 由于环保、 寿命长、 光电效率高等众多优点, 近年来在各行业应用得以快速发展, 同时, 由于近年来的开关电源在电子电器各行业中占了非常重要的位置, 由此驱动 LED 的开关电源就成了关注热点。 2.国内外相关研究情况: 科技部建议, 在将半导体照明产业纳入国家重点发展的高新技术产业的同时, 以 2008 年北京奥运会和 2010 年上海世博会为契机, 推动半导体灯在城市景观照明 中的应用。 国家计划先从 863 计划和攻关计划中拿出 8000 元作为引导经费, 安排 一些急需上马的项目。 2003 年 3 月, 随着大连方大集团“大功率高亮度半导体芯片” 等我国“十五” 科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发” 重大项目的正式立项, 国家半导体照明工程已进入实质性推进阶段。 2003 年 6 月 17 日, “国家半导体照明工程” 协调领导小组召开了第一次电视 电话会议。 这一会议的举行, 表明“国家半导体照明工程” 正式启动。 2004 年 3 月 22 日协调领导小组又同中国照明协会中国照明电器协会联合主办了 “2004 年中国(上海) 国际半导体照明论坛” 。 接着又批准建立上海、 厦门、大连、 南昌四个半导体照明基地。 国家科技部确定厦门、 上海、 大连和南昌为首批 4 个国家半导体照明产业基地。 2010 年深圳 LED 产值已超过 50 亿元, 有些企业的产值也达到 10 亿元, 分布在上中下游产业链 上的企业有 300 多家。 到 2004 年全国已有 LED 各类企业约 3500 余家, 从业人员 50 余万人, LED 器件 产量 400 亿只/年以上(LED 应用产品的产量与规模则无法统计) , 年市场规模大于 300 亿人民币。 国内近年许多高校、 研究所和企业在发光材料器件结构封装方式等方面做了大 量的研究开发工作, 目前功率 LED 器件光通量已能达到 25-30lm/瓦。 内地众多封装企业中, 国内较有基础的有佛山光电、 宁波升谱光电、 厦门华联等企业。 台 湾 LED 封装产能在迅速的膨胀已成为世界上最大的 LED 生产基地, 目前主要有光宝、 亿光等企业。 据有关资料, 我国针对国外发展趋势和国内的实际情况, 去年正式实施了国家 半导体照明工程, 政策鼓励企业研究开发半导体照明工程, 尽快实现产业化, 推动 传统照明工程转型。 全球有近 200 家公司和 300 多所大学以及研究机构从事氮化镓基 LED 的 材料 生长、 器件制作工艺和相关装备制造的研究和开发工作, 居于领先水平的公司 主要有日本的 Nichia、 Toyota Gosei、 索尼、 三洋、 美国的 Cree Lumileds, 欧洲 的 Osram、 菲利普、 中国台湾的芯片厂家主要有国联、 晶元、 光磊、 广镓、灿元、 连威等, 封装方面主要有亿光电子、 鼎元光电等。 这些跨国大公司多有原创性的专利, 引领技术潮流, 占有绝大多数的市场份额, 其中日本的日亚公司是全世界研究和生产 LED 的"顶尖"单位, 十余年来其氮化 镓基 LED 的研究和开发水平一直领先其它单位 2-3 年。 自 2000 年起投资 5 亿美元实施"国家半导体照明 计划"。 美国能源部预测, 到 2010 年前后, 美国将有 55%的白炽灯和荧光灯被半导 体照明所替代, 目前, 世界上掌握半导体照明技术的半导体公司,都已经纷纷和老牌灯泡制造商结盟, 以策略联盟共同占据有利市场地位。 , 我国已成为重要封装基地, 海内外企业纷纷投资抢占国内巨大市场自 2003 年 买行半导体照明工程以来, 我国 LED 产业已进入快速发展时期, 我国下游封装已实 现了大批量生产, 正在成为世界重要的中低端 LED 封装基地。 受国内下游应用产品 巨大的制造能力及市场消费的吸引, 除积极介入的民营资本外, 台湾地区、香港、 韩国及日本的众多投资者都已在我国投资, 在提高我国的半导体照明产业技术水平 和产业国际竞争力同时, 也加剧了国内市场的抢夺大战。 行业发展关键驱动因素: (1) 新兴市场不断形成, 持续推动产业规模增长随着 LED 发光效率与性能的持续提 升与改善, LED 已从指示灯、 手机背光、 显示屏、 交通信号灯等成熟应用领域, 正 逐步向中大尺寸 LCD 背光、 汽车、 照明等新兴应用市场渗透应用。 从市场发展情况 看, 中大尺寸液晶背光和汽车灯用 LED 正在成为增长最快的应用市场, 预计未来几 年高亮 LED 的市场仍将以 14%的速度增长,2009 年高亮度 LED 市场将达到 72 亿美 元。 (2) 技术创新步伐明显加快, 推动 L 印熙明实用化进程面对巨大的市场机会, 世界主要公司的新技术不断取得突破性进展, 半导体照明技术创新的步伐正在不断加快。 3.设计(论文) 的主要内容: 在整个本科毕业设计论文期间的具体要求如下:(1) 大量查阅相关文献资料,了解技术的最新发展动态, 掌握和吸收现有成果。(2) 掌握 SEPIC 拓扑的基本原理, 设计控制电路, 计算磁性器件和主要功率器件的参数。(3) 设计相应的硬件平台, 实现项目要求的功能, 并达到技术指标。 技术指标: (1) 适应电压范围:176~265V AC;(2) 电流相对不稳定度(%): <±5;(3) 电源变换效率(%): ≥85(4) 功率因数(%): ≥92; (5) 安全性适应性及 EMI 强度符合国际《IEC- 6134722213》 标准(6) 工作温度: –30℃~50℃; (7) 额定功率: 65w.. 4 实施方案及研究方法: LED 具有类似二极管的正向 V—1 特性, 在低于 LED 开启阀值时, 通过该LED 的电流非常小, 在高于该阀值时, 电流以正向电压形式指数倍数增长, 所以保证 LED 正常工作, 需将民用交流电转变为直流电, 其次, LED 的发光强度与通过其自身的电流大小成正比, 为保证其发光质量和使用寿命, 转换输出的直流电应具有恒定特性, 再次, 为更加充分的利用电能, 必须充分提高电源变换效率和功率因数, 最后, LED 的亮度与强度在使用中会发生变化, 需要转换输出的电压和电流具有自动控制控制功能。 1.分析了 LED 特性, 研究了多种电路拓扑以及工作原理, 并选择 SEPIC 结构作为 LED 驱动电源主拓扑。 2 设计基于 SEPIC 拓扑结构的 LED 驱动电源, 再临界电流模式下用淡季变换电路实现了功率因数校正(PFC) 功能。 3 针对 LED 特性, 设计了反馈控制回路, 使电源可对L E D 恒流供电, 保证了 LED 稳定发光, 同时具有过压 过流保护功能。 5.本课题研究的重点及难点, 前期已展开工作: 重点: 基于 SEPIC 变换器的单级拓扑结构 难点: 驱动电路中各元器件参数的相关计算 前期开展的工作: 查找和阅读了相关资料, 确定研究方案, 绘制了系统框图, 并对主要元件进行了选型。 6. 完成本课题的工作方案及进度安排(含起始时间、 设计地点): 设计自 2011 年 12 月开始, 未央校区进行, 具体安排如下: 1~2 周: 知识储备阶段。 广泛查阅相关资料, 对半导体光源技术进行深入的学习;阅读涉及的的技术资料, 对选用的控制芯片进行深入的学习和实验。 3~5 周: 总体方案制定阶段。 6~8 周: 系统硬件电路设计阶段。 包括控制电路、 电压/电流采样电路、 驱动电路、 保护电路的设计等部分。 9~14 周: 硬件制作和调试阶段。 设计硬件平台、 局部调试工作完成后进行联调、分析试验数据、 调整参数, 使系统在联调过程中达到设计要求水平。 15~18 周: 撰写论文, 准备答辩。 参考文献: [1]周志敏, 周纪海, 纪爱华.LED 驱动电路设计与应用实例.北京.人民邮电出版社.2009.16-20 [2]徐德鸿 沈旭 杨成林等, 开关电源设计指南.北京: 机械工业出版社, 2004.35-37 [3]路秋生.功率因数校正技术与应用.北京: 机械工业出版社, 2006.20-22 [4]张洋.基于 SEPIC 变换器的功率因数校正技术的研究.南京:南京航空航天大学硕士论文,2004.79-82 [5] 王兆安黄俊, 电力电子技术(第四版)[M], 北京:机械工业出版社, 2000.124-130 [6] 周太明.半导体照明的曙光[M].照明工程学报》 2004.15(2), 1-69(a) [7] 李金伴, 李捷辉, 李捷明 .开关电 源技术[M].北 京: 化学工业出 版社,2006.39-47[8] 张占松, 蔡宣三.开关电源的原理和设计(修订版)[M].北京:电子工业出版社, 2004.99-103 [9] 何希才.新型开关电源设计与应用[M].北京:科学技术出版社, 2001.164-172 [10] 周志敏. LED 驱动电路设计实例[M]. 电子工业出版社, 2008. 237-245 [11] 杨旭. 开关电源技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004. 323-345 [12] Steve Winder. Power Supplies for led driving 2009.10.1.127-132 [13] Robert F.Pierret. Physics of Semiconductor Devices 2007.3.801-807 [14]Chihchiang H..Two-level switching pattern deadbeat DSP controlled PWMinverter.IEEE Trans.on Power Electronics.2001.10.667-680 [15] 王兆安,黄俊.电力电子技术.第四版.北京:机械工业出版社,2000.224.231 毕业设计(论文) 中期报告 题目: 基于 SEPIC 变换器的 LED 驱动电源设计 院(系) 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 5 月 4 日 一. 设计(论文) 进展状况 1.分析研究 LED 特性, 得出 LED 驱动电源需具有: 恒流驱动源, 并具有过压保护功能: 高可靠性: 高功率因数: 有完善的保护电路等功能。 2.综合分析各种有源功率因数校正电路, 主要拓扑结构通常有升压型(BOOST),降压型(Buck)、 升压-降压型(Buck-Boost)、 反激式(Flyback)、 SEPIC。 (1) 升压型(Boost): 电路如图 1 电源LVDS开关C负载 图 1 升压型电路拓扑 升压型电路只能升压不能降压, 输出与输入同极性, 输入电流脉动小, 输出电流脉动大, 不能空载工作, 结构简单。 (2) 降压型: 电路如图 2 电源LVDS开关C负载 图 2 降压型电路拓扑 降压型电路只能降压不能升压, 输入与输出同极性, 输入电流脉动大, 输出电流脉动小, 结构简单。 (3) 升降压型: 电路如图 3 电源LVDS开关C负载 图 3 升降压型电路拓扑 升降压型电路能升压能降压, 输出与输入极性相反, 输入输出电流脉动大, 不能空载工作, 结构简单。。 (4) 反激式: 电路如图 4 电源VDS开关2C负载1C 图 4 反激式电路拓扑 反激式电路非常简单, 成本很低, 可靠性高, 驱动电路简单, 但是难以达到较大的功率, 变压器单向励磁, 利用率低, 主要应用于小功率和消费电子设备,计算机设备开关电源 (5) SEPIC: 电路如图 电源VDS开关2C负载1 L2L1C 图 5 SEPIC 电路拓扑 SEPIC 电路能升压能降压, 输出与输入同极性, 输入电流脉动小, 输出电流脉动大, 不能空载工作, 结构简单。 表 1 表 1 列出了几种拓扑形式的各种性能。 通过表 1 可以看出, SEPIC 电路效率不是最高的, 但其功率因数校正性能很好, 而且输出既可以实现升压也可以实现降压, 输入输出电压比的范围宽, SEPIC 由两个松耦合的电感代替了传统拓扑结构的单一电感, 在适当的匝数比的情况下, 可以在理论上实现输入电流纹波电流降为零, 进而大大的消减输入的电磁干扰。 相对反激变换器, SEPIC 变换器的输入电流是连续的, 用于滤波的输入电感可以比较小, 可以减小电源的尺寸, 以利于电源的共性设计。所以选择 SEPIC 电路作为新型 LED 电源驱动电路的主拓扑。 3. 设计了总体框图。 其中设计了基于 SEPIC 拓扑结构的驱动电源, 实现了功率因 数校正功能, 设计了反馈控制回路, 使电源可对 LED 恒流供电, 保证了 LED 稳定发光, 同时具有过压过流保护功能。 电源整流滤波压电流控制因数校正电功率SEPIC电流检测输出电压负载1 L2L1C2C3CVDR反馈 图 6 4. 主拓扑 SEPIC 原理 inC1L1QsC2 L1DoutCVinVo 图 7 SEPIC 原理图 SPEIC 原理图如图 7, 在 SPEIC 设计中, 图 7 所示的 SPEIC 使用两个电感1L 和2 L , 这两个电感可以绕在同一个磁芯上, 因为在整个开关周期内加在它们上面的电压是一样的, 另外使用耦合电感比起使用两个独立的电感可以节省 PCB 的空间并且可以降低成本。 电容sC 把输出和输入进行绝缘并且为负载短路提供保护,在分析过程中1Li ,2Li 分别为电感1L 、2 L 上的电流, 开关 Q1 是由方波电压控制驱动,yD 表示占空比,sT 表示开关周期,onT 、offT 分别表示开关导通和关短时间。 假设sC 很大, 在工作时sC 的电压基本保持不变, 因为在一个完整的开关周期中电感1L 、2 L 的平均电压为零, 可以得到 011yocsinyinLDVVVDVV 012yoycsLDVDVV yyinoDDVV1 csinVV  可以得到 SEPIC 电路的输出电压可以高于输入电压, 也可以低于输入电压,即可实现升压输出也可实现降压输出, 只要改变开关管 Q1 的占空比即可; 另外有电容sC 的电压等于输入电压。 设计的 SEPIC 功率因数校正电路: 图 8 5 . 反馈电路 由设计目标知道, 需使输出电流恒定, 输出电压不超出额定值, 具有过压、过流保护功能, 所以反馈回路必须能够同时实现对输出电流和电压采样并输出控制信号, 为了能够完成上述任务, 选择 TMS101 芯片, 该芯片不仅可以采集输出电流信号而且可以采集输出电压信号, 通过内部的两个或运算放大器输出反馈信号, 之后将反馈信号放大转换输出到 L6562 的 FB(反馈输入引脚) 脚, 使 L6562输出占空比改变, 从而达到使输出电流恒定, 控制输出电压。 INV1COMP2MULT3CS4ZCD5GND6GD7VCC8U1L6562474C1210nFC15120KR148.2KR151.2MegR71.2MegR2270KR3270KR882R112KR656nFC447uFC8Pri+6Pri-1Sec1+10Sec1-11Sec2+8Sec2-9T1Coupled InductorsR4221.1/4WR91.1/4WR10470nFC168uFC2D5A1K2D41N5245BG1DS23M1STP9NK70D1STTH208D2R5C61011RR11104C912_VCC12输出负载整流滤波输出反馈信号输入 Vref1Csen2Crref3GND4Crin5Output6Vrin7+Vcc8U2TSM101AC104C13104C1412KR162KR1960KR18Res2150KC17R17105C1630PF33KR20475C18A1K2C4E3U32.7KR211KR2362KR22104C19CapBOTTAP2TOP131KRV2BOTRV12TOP1TAP31KVCCVCC60KR12G1DSM123STP9NK70D1STTH208D2R5C61011.1/4WR91.1/4WR10470nFC168uFC21RR1110KR1312VCCPFC控制输出反馈信号输入 图 9 6. 整流电路和自供电电路 整流电路由二极管整流桥和电容10C (SEPIC 原理图中的inC ) 组成, 以完成对输入交流电的整流和初步滤波, 在10C 能够完成稳压滤波功能的同时还应该尽量的小, 因为若10C (inC ) 选择的电容值较大, 则会造成10C 在放电过程中放电慢,剩余电量多, 电压大, 导致输入交流市电在使整流桥导通时的电压高, 使整流输出电压波在零值附近产生不连续, 会使电路产生更多的高频分量, 所以本电路选择nFCCin1010; 整流管应根据输出整流电压和电流来选择, 一般在低输出电压的情况下, 可采用肖特基二极管, 而输出电压相对较高时, 则需要采用快恢复二 极 管 ,当 开 关 频 率 较 高 时 ,应 采 用 超 快 恢 复 二 极 管 做 整 流 管 , 设计的电路图如图 10 10nFC10K4CD32A1C3Bridge1NTC1F11A1212交流电源整流滤波输出 图 10 整流部分 自供电电路, 因为电路中使用的芯片和光电耦合器在工作过程中需要供电,为使用方便, 不外接电池等其他电源, 所以需要设计自供电电路。 自供电电路采用耦合电感1L 、2 L 上的整流电压波, 并进行滤波稳压后向芯片和光电耦合器供电。电阻、 电容和稳压二级管的选择不仅能够满足输出稳定电压的要求而且必须能够正常工作。 设计的电路图如图 11 82R156nFC447uFC8Pri+6Pri-1Sec1+10Sec1-11Sec2+8Sec2-Coupled Inductors9T1D5A1K2D41N5245B104C9_VCC自供电输出 图 11 自供电部分 工作过程分析如下: 接入交流市电经过整流电路, 对输入电压进行整流和初步滤波后, 进入主变换电路, 在 PFC 芯片的控制下, 通过控制开关管的通断, 完成功率因数校正。 输出电压和电流经过采样, 将采样信号集合到反馈芯片 TMS101 上, 该芯片将同时输出电流校准和电压限制信号并驱动光电耦合器, 通过光电耦合器, 将输出的反馈信号转换放大并输入到 L6562 的 FB 端, 进而使 L6562 的输出占空比变化, 最终达到电流恒定输出而电压不超出限定值。 此外该电路采用自供电方式, 电路中的有源器件和芯片不需要外部供电, 因此该驱动电源使用更加方便容易。 7. 完成相关英文论文翻译一篇。 二. 存在问题及解决措施 在设计电路论文的过程中遇到的问题, 一部分通过查阅资料和请教老师和同学得到解决。 但 PFC 控制芯片 L6562 和反馈回路芯片 TMS101 的性能和外部电路的元器件计算了解不够还需进一步研究计算。 三. 后期工作安排 1. 完成驱动电路中的各元器件参数计算。 2. 确定详细的系统方案, 绘制电气原理图。 3. 设计论文撰写阶段。 对自己的整个设计论文的资料进行整理, 对毕业论文进行修改、 整理, 准备论文答辩。

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