开关电源设计方案范文

导语：如何才能写好一篇开关电源设计方案，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

常规设计方案中励磁装置的调节器等工作电源采用厂用电与直流电分别给开关电源供电，然后在开关电源输出侧隔离，通过二极管阻塞反向电压，再将同电压等级的输出电源并接在一起给调节器或其它设备供电，其供电模式为双电源热备，如图1所示。这样的设计方案虽然简单，有较高的可靠性，但是存在以下缺点：没有相应声光指示工作电源状态。四个开关电源中如有损坏时或直流系统或厂用电中的某一路供电出现故障后，这时励磁装置虽然能正常工作，但此时运行人员可能在较长时间不能及时发现问题。若此时再发生供电系统异常或开关电源损坏，就会造成发电机失磁的重大故障。工作电源出现故障后无法准确判断出是哪路电源出了故障，就无法在不停机的状态下更换开关电源，需停机检修更换，这样会对用户造成不必要的经济损失。

2改进后的设计方案

2．1系统原理

针对现有的设计方案暴露出的缺点，我们在2013年4月提出设计变更方案，进行了大量的试验工作，对新增的电源监测装置进行了长时间的烤机，最终于2013年6月完成成品。

2．2电源监测装置原理

开送电源监测装置的电路结构如图3。第一分压电路9包括串联连接的电阻R1和电阻R2，其的一端与基准电压（例如＋9V）连接，另一端接地，电阻R1和电阻R2的节点作为输出端输出第一参考电压至运放IC1D和运放IC1B的反相输入端。所述第二分压电路10包括串联连接的电阻R4和电阻R5，第二分压电路10的一端与基准电压（例如＋9V）连接，另一端接地，电阻R4和电阻R5的节点作为输出端输出第二考电压至运放IC1C和运放IC1A的同相输入端。运放IC1D的同相输入端和运放IC1C的反相输入端分别通过电阻R3接入电源1，运放IC1B的同相输入端和运放IC1A的反相输入端分别通过电阻R6接入电源2。运放IC1D、运放IC1C、运放IC1B、运放IC1A的输出端分别通过电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14与发光二极管LED1、LED2、LED3、LED4的阳极连接。这样，由运放IC1C、IC1D等元件组成具有迟滞特性的电压比较电路，检测＋5V（Ⅰ）（即电源1）电压是否正常，假设＋5V电压升高至＋5．5V或降低至＋4．7V电压时，运放IC1C或IC1D输出高电平，驱动发光二极管LED1、LED2发出警示。＋5V（Ⅱ）（电源2）的电压检测由运放IC1A、IC1B等元件组成，原理同上。本装置还包括分别与电源3、电源4、电源5、电源6、电源7、电源8连接的光耦OC1A、OC1B、OC2A、OC2B、OC3A、OC3B，每一光耦的输入端与待测电源连接，光耦接收端的集电极接上拉电阻，发射极接地，所述上拉电阻的一端接直流电压，另一端与发光二极管的阳极连接。以光耦OC1A为例，光耦OC1A的输入端通过电阻R23接入电源3，光耦OC1A接收端的集电极通过上拉电阻R15接入直流电压（＋12V），光耦OC1A接收端的发电极接地，上拉电阻R15的另一端与发光二极管LED5的阳极连接。在上述电源3的电压正常时，光耦OC1A的集电极电平是零，若电源3的电压消失时，光耦OC1A的集电极输出高电平，发光二极管LED5亦被点亮。其它光耦的连接方式和工作原理与前述相同，在此不再赘述。发光二极管LED1～LED10的阴极与开关管T1的控制端连接，开关管T1的第一端通过继电器J1线圈接入直流电压（＋12V），二极管D5连接在线圈的两端，开关管T1的第二端接地。开关管T1为NPN三极管。由发光二极管LED1～LED10构成或门电路，任何一个发光二极管被点亮后其阴极均可输出高电平，开关管T1的控制端（即NPN三极管的基极）在得到高电平后导通，继电器J1动作，其动作接点输出故障信号。开关管T1的第一端与直流电压之间还连接一发光二极管LED11，用于总故障报警。电源检测单元内部工作电源：由双路＋24V（Ⅰ）、＋24V（Ⅱ）经D3、D4隔离后并联给DC－DC直流变换器P1供电，P1输出＋12V电压。电路中工作电源的＋12V亦由＋12V（Ⅰ）、＋12V（Ⅱ）经D1、D2隔离后并联提供。这样整个电路的工作电源就有四路电源共同供电，可提高本电路工作的可靠性。

2．3新方案实施后的效果

通过大量的模拟故障试验与长时间烤机试验后，证明该电源设计方案稳定可靠，并且在任意开关电源不正常时均可对外发出信号警示，由此得出新方案比传统方案更智能化、安全化，能使现场调试人员及运行人员及时发现故障问题，从而及时消除其故障，避免造成更大的损失。

3结论

篇2

【关键词】全桥软开关电源；负载-效率最佳工作点；电源休眠；绿色；节能；创新

1.解决损耗的办法

1.1变硬开关为软开关

在众多损耗中，最重要的损耗是开关电源在开关过程中由于电流和电压的交叉导通产生的热损耗，所以改变电源的工作状态，即变硬开关电源为软开关电源是根本解决办法。

1.2提高电源的负载

从图1可以看出：开关电源在40%额定电流输出区间以下，整流器的效率是比较低的，而且输出电流越小效率越低。但整流器的持续工作电流过大一旦达到或者超过额定工作电流，其工作稳定性要受到影响，因此，从提高整流器的工作效率来讲，我们有必要采取措施确保开关整流器工作在40%-80%的负载区间内。

综上所述，现有开关电源系统的缺陷是：开关整流器没有得到合理的利用，工作效率低，热损耗大，浪费资源。有必要采取合理的技术措施，避免多个整流器工作在效率较低的负载率区间内，提升整个开关电源系统的工作效率，降低热损耗，达到节能的目的。

2.解决电源损耗带来的问题

2.2可靠性的问题

电源的可靠度是时间和负载的函数，时间越长，可靠度下降，负载越大可靠度越低，本来电源是并联工作在小负载状态，当认为提高负载后电源的可靠度下降，故可靠性设计重要的一个方面是负载率的设计，根据元器件的特性及实践经验，元器件的在小负载率下工作时，电源系统的可靠性较高的。

2.2电源冗余设计的问题

冗余电源是用于服务器中的一种电源，是由两个完全一样的电源组成，由芯片控制电源进行负载均衡，当一个电源出现故障时，另一个电源马上可以接管其工作，在更换电源后，又是两个电源协同工作。冗余电源是为了实现服务器系统的高可用性。除了服务器之外，磁盘阵列系统应用也非常广泛。电源冗余一般可以采取的方案有容量冗余、冗余冷备份、并联均流的N+1备份、冗余热备份等方式。容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载，这对提高可靠性意义不大。冗余冷备份是指电源由多个功能相同的模块组成，正常时由其中一个供电，当其故障时，备份模块立刻启动投入工作。这种方式的缺点是电源切换存在时间间隔，容易造成电压豁口。并联均流的N+1备份方式是指电源由多个相同单元组成，各单元通过或门二极管并联在一起，由各单元同时向设备供电。这种方案在1个电源故障时不会影响负载供电，但负载端短路时容易波及所有单元。冗余热备份是指电源由多个单元组成，并且同时工作，但只由其中一个向设备供电，其他空载。主电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很小。对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统，如基站通信设备、*设备、服务器等，往往需要高可靠的电源供应。冗余电源设计是其中的关键部分，在高可用系统中起着重要作用。冗余电源一般配置2个以上电源。当1个电源出现故障时，其他电源可以立刻投入，不中断设备的正常运行。这类似于UPS电源的工作原理：当市电断电时由电池顶替供电。冗余电源与UPS的区别主要是由不同的电源同时供电，而UPS则是一个电源供电另一个则随时备用，有需要时自动切换。传统的冗余电源设计方案是由2个或多个电源通过分别连接二极管阳极，以“或门”的方式并联输出至电源总线上。如图1所示。可以让1个电源单独工作，也可以让多个电源同时工作。当其中1个电源出现故障时，由于二极管的单向导通特性，不会影响电源总线的输出。

3.两全其美的解决办法

3.1软件办法的电源休眠技术

从2009年开始，国内各开关电源厂家陆续推出了结合自身电源产品的软件休眠节能技术，其普遍的技术原理是：厂家根据自身的开关整流器的负载-效率特性，预设一个合理的负载率区间，通过电源系统监控单元实时采集整流器输出电流与总负载电流，计算判断需要工作的整流器数量，然后通过整流器遥控开/关机命令实现对整流器的软关机和开机，达到休眠节能的目的。

3.2硬件办法的电源轮流工作技术

节能控制器不依赖于开关电源监控单元，而是独立实现对整流器输出电流总和各模块工作状态的检测，通过预先设定的整流器工作效率区间，判断当前负载情况下需要工作的整流器数量，然后控制加装在整流器交流输入前端的继电器，控制整流器的市电输入通断，通过冷备份方式来达到休眠节能的目的。

4.结束语

采用电源休眠技术控制的开关电源，不仅可以提高整个电源系统的工作效率，减少能源损耗，还可以对电源输出状况进行监控，有效实现了“该干活时就抡起膀子大干，该休闲时就安静的休闲”的工作模式杜绝了“干也不好好干，休也休不好”的工作模式，减少了因电源闲置和怠工产生的浪费和损失。

参考文献：

[1] 王兆安， 黄俊. 电力电子技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2008.

[2] 王增福， 李昶， 魏永明. 软开关电源原理与应用[M]. 北京： 电子工业出版社， 2006.

[3] 倪海东， 蒋玉萍. 开关电源专用电路设计与应用[M]. 北京： 中国电力出版社， 2008.

[4] 谢自美. 电子线路设计实验测试. 武汉： 华中科内蒙古大学学报[J]， 2006.

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关键词：线性稳压器；开关稳压器；电源

中图分类号：TP303+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）11-2656-04

Abstract： Analyzes the basic principles and characteristics of the DC-DC regulator， analyzes and compares the performance and structure of the principle of linear regulator and switching regulator， and provides a variety of important factors in the actual situation of the DC-DC design. Describes to the basic method of power chip selection， and provides a reference for the DC power circuit design.

Key words： linear regulator； switching regulator； power supply

电源的应用无处不在，所有的电子系统都需要恒压电源或者恒流电源的支持。输出直流称为直流电源，由前端直流转后端直流的称为DC-DC变换器，而直流转交流的变换器称为逆变器。所以，DC-DC变换器是用于提供DC电源的电路或模块。

1 DC-DC变换器的主要分类

1.1 线性型（Linear）

线性型变换器：可以从电源向负载连续输送功率的DC-DC变换器。线性型变换器通过在线性区域内运行的晶体管或场效应晶体管（Field Effect Transistor或FET），电路的输入电压中减去超额电压，调节从电源至负载的电流流动，从而产生经过调节的输出电压。

1.2 开关电源型（Switcher）

开关电源型变换器：以脉宽方波的形式从电源向负载输送功率。其特点是开关器件的周期性开通和关断（定频型、变频型、定变混合型）。将原直流电通过脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation）或脉冲频率调制PFM（Pulse Frequency Modulation）来控制有效的直流输出。PWM调制稳定电压的方式是，在开关频率不变化的前提下，依靠脉冲宽度的增大或缩小改变占空比例，进而调节电压达到稳定，它核心部件是脉宽调制器。在PFM调制方式运作的时候，脉冲宽度是固定的，开关频率的增加或减少控制了占空比，使得电压保持稳定，脉频调制器是它的核心部件[1]。

2 线性稳压器（Linear Regulator）

线性稳压器如78XX系列三端稳压器等，是一种无需使用开关元件而能提供恒定电压恒定电流输出的DC-DC转换器。

2.1 线性稳压器的工作原理

线性稳压器和输出阻抗形成了一个分压网络。线性稳压器等效于受控的可变电阻器，可根据输出负载自行调解以保持一个稳定的输出。输出电压通过连接到误差放大器反相输入端的分压电阻采样，误差放大器的同相输入端连接到一个参考电压Vref。误差放大器试图使其两端输入相等2.2 线性稳压器的类型

线性稳压器中的元件是双极型晶体管或场效应管MOSFET。双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输入电压并拥有更好的瞬态响应。MOSFET低压差线性稳压器LDO（Low Dropout Regulator）能支持非常低的压降，低静态电流，改善噪声性能和低电源抑制。为使线性稳压器处在正常工作状态之下，Vin和Vout之间最小压差称为压降电压（Drop-out Voltage），不同的稳压器结构会产生不同的压降电压，这也是几种线性稳压器的最大区别。如LM340和LM317这些稳压器使用NPN达林顿管，称其为NPN 稳压器（NPN Regulator）。然而低压差（Low-dropout）稳压器（LDO）和准LDO稳压器（Quasi-LDO）为新型电源设计提供了更高性能[2]。

2.3 LDO的应用选择

开关稳压器是一种采用开关组件与能量存贮部件（电容器和感应器）一起输送功率的DC-DC转换器，它提高了电源转换效率和设计灵活性。开关稳压器主要分为以下两类：电感储能开关稳压器和无电感型开关稳压器（充电泵）。

3.1 电感储能开关稳压器的工作原理

电感用于储存能量及向负载释放储能，电感在开关管开通状态下从Vg获得能量。

4 DC-DC变换器的应用选择

5 结论

通过分析比较最常见的两类三种直流稳压电源，了解了直流稳压电源的结构及构成原理，提出了电源电路环路控制的设计方案，为直流稳压电路正确合理的设计提供了参考方案。根据不同的实际设计需要和参数选用不同类型直流稳压电源，有利于整个系统平稳安全的工作。

参考文献：

[1] 杨建伟.谈开关电源的原理和发展趋势[J].科技与企业，2012（22）：359.

[2] Tulte D.Low-V in buck regulator toggles fast-switching/very low-dropout modes[J]. Electronic Design，2005，53（21）：27.

[3] Oliver N. Charge pump versus boost converter the great battle between white LED driver solutions[J].Global Electronics China.2005（9）：49-50.

[4] 王学智.开关电源的原理和发展趋势[J].黑龙江科技信息，2007（11）：21.

[5] 严惠琼，都思丹.新型National系列半导体电源芯片分析综述[J].南京大学学报，2007（43）：35-46.

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关键词 LED 驱动电源 LED灯 发展趋势

中图分类号：TM923 文献标识码：A

1 LED驱动电源定义

LED驱动电源把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下，LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。LED电源核心元件包括开关控制器、电感器、开关元器件（MOSfet）、反馈电阻、输入滤波器件、输出滤波器件等等。根据不同场合要求，还要有输入过压保护电路、输入欠压保护电路，LED开路保护、过流保护等电路。

2 LED驱动电源研究现状

从LED驱动器供电可以将其分成DC/DC和AC/DC两类。DC/DC驱动器一般由电池、电瓶或稳压电源供电，主要用于便携式电子产品、矿灯、汽车等用电设备。AC/DC驱动器直接由市电供电，现阶段主要用于装饰，景观照明的LED灯。当前，DC/DC驱动器主要有两种设计方案：电容式电荷泵电路和电感式DC/DC电路。AC/DC驱动器有工频变压降压，电容降压，buck降压电路以及单片开关电路几个设计方案。

3 LED灯照明的优点

与现行照明设备比较，LED照明有众多突出优点。①发光效率高，耗能少，LED的光效预计可达到200lm/W以上，而且光的单色性好、光谱窄。在同样的照明效果下，LED的耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。②使用寿命长，LED的使用寿命可以长达近十万小时，而白炽灯一般为1000～2000小时，荧光灯为6000～8000小时。③安全环保，LED为全固态发光体，耐震、耐冲击，而且发热量低，无热辐射，无污染。④启动时间短，LED的响应时间只有几十纳秒，因此适合用在一些需要快速响应的场合。⑤体积小，LED具有小型化、平面化、可设计性强的特点，可以使我们从传统的点、线光源局限中解放出来，实现照明的随意布置。

4 LED电源和驱动电路主要技术概况

4.1电压变换技术

电源是影响LED光源可靠性和适应性的一个重要组成部分，必须作重点考虑。目前我国的市电是220V的交流电，而LED光源属半导体光源，通常是用直流低电压供电，这就要求在这些灯具中或外部设置AC-DC转换电路，以适应LED电流驱动的特征。目前电源选择的途径有开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等多种，根据电流稳定性，瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。

4.2电源与驱动电路的寿命与成本

LED寿命方面，虽然单颗LED本身的寿命长达10万小时，但其应用时必须搭配电源转换电路，故LED照明器具整体寿命必须从光电整合应用加以考虑。但对照明用LED，为达到匹配要求，电源与驱动电路的寿命必须超过10万小时，使其不再成为LED照明系统的瓶颈因素。在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本，电源与驱动电路的寿命与成本的通常不宜超过照明系统总成本的三分之一，在LED照明灯具产品发展的初期，必须平衡好电源与驱动电路的寿命与成本的关系。

4.3驱动程序的可编程技术

LED用作光源的一个显著特点就是在低驱动电流条件下仍能维持其流明效率，同时对于R.G.B.多晶型混光而形成白光来说，通过开发一种针对LED的数字RGB混合控制系统，使用户能够在很大范围内对LED的亮度，颜色和色调进行任意调节，给人以一种全新的视觉享受。在城市景观亮化应用方面，LED光源可在微处理器控制下可以按不同模式加以变化，形成夜晚的多姿百态的动态效果，在这方面将体现LED相对于其它光源所具有的独特的竞争优势。

4.4电源与驱动电路的效率

LED电源与驱动电路，既要有一定的供LED所需的接近恒流的正向电流输出，又要有较高的转换效率，电光转化效率是led照明的一个重要因素，否则就会失去LED节能的优点，目前商业化的开关电源其效率约为80%左右，作为led照明用电源，其转换效率仍须进一步提升。

5 LED驱动电源发展趋势

LED由于在经济环保、寿命时间长、光电转化效率高等众多优点，今年来在各行各业的应用得以快速发展和研究，LED的驱动电源也成了最近的关注热点。但由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，使得LED灯极易损坏。未来LED驱动电源的发展方向为先恒压，再线性恒流整合方式。

参考文献

[1] 蒋天堂.LED的特性及驱动电源的发展趋势[J].照明工程学报，2011，22（3）.

[2] 陈鹏.大功率全彩色LED驱动电路的研制[D].江西师范大学，2009.

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【关键词】同步降压；降压控制器；场效应管

【Abstract】A low voltage， high current Buck DC/ DC switching power supply with a synchronous buck controller LM5119 core and a low loss MOSFET and a forward topology is designed. It is composed of a filter circuit， a synchronous control circuit and a DC/DC Buck circuit. The filter circuit uses the parallel capacitor to reduce the ripple voltage. After testing， the efficiency of the power supply is greater than 92%， the ripple factor 0.063%-0.238%， the load effect of 0.0889%， the source effect 0.0056%-0.011%. The performance indicators are better than the marketed product level.

【Key words】Synchronous Buck； Buck Controller； FET

0 引言

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量日益增长，并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而不断促进了开关电源技术的发展。

1 研究目的

现在，市场上的高精密开关电源普遍价格较高，一般均在数百及千元以上，而且性能指标并不算很高，且性能指标更高的价格昂贵。我们希望可以设计出一款成本较低、各方面性能可以和市场性能较高的产品相媲美的一款稳压电源，以借此机会来锻炼一下自己的动手能力，将自己所学到的知识运用到生产实践中。

2 方案论证

2.1 PWM控制方案

方案一：采用单片机产生PWM

单片机编程产生的方波信号，易于调节、纹波小、抗干扰能力强。但在完成相应要求的同时，因51单片机资源有限，在控制中需要用到PWM调制和A/D采样，用51单片机产生高频的PWM比较困难，而且会造成程序不稳定，况且A/D转换还需要外部器件，成本也较高。

方案二：采用TL494产生PWM

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调节电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。但电路较复杂，搭建困难。

方案三：采用LM5119炔康缏凡生PWM

LM5119 是一款双同步降压控制器，适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用。其控制方法基于采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿的功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。LM5119 的工作频率可以在 50 kHz 至 750 kHz 范围内设定。LM5119 可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边 NMOS 功率开关管。用户可选的二极管仿真模式可实现非连续模式操作，提高轻负载条件下的效率。具有自动切换外部偏压功能的高电压偏置稳压器可进一步提高效率。其他功能包括热关断、频率同步、打嗝 （hiccup） 模式电流限制和可调输入欠压锁定。该器件采用有芯片连接焊盘的功率增强型无引线 LLP-32 封装，以帮助散热[1]。

采用LM5119内部电路产生PWM的优点是电路稳定性强，定时电阻Rt和AGND引脚之间连接的外部电阻可设定LM5119的开关频率，Rt可同步内部振荡器至外部时钟，使振荡器产生相应的PWM波。

通过比较上述三种方案及结合设计要求，可以看出方案三明显优于其他方案，所以采用方案三进行设计制作。

2.2 主回路拓扑方案

DC/DC主回路拓扑采用半桥Buck电路，通过LM5119的HO和LO端输出的PWM控制2个MOS管实现交替导通，通过电感Lo和电容Chb的充放电实现降压。减小了原边开关管的电压压力，电路结构简单，可适用较高频率电路。

3 产品（作品）设计与制作

3.1 输入输出电压设定

输入电压范围设定为12-20V，中心工作电压16V。输出设计为两路：一路输出9V、5A；另一路输出5V、9A。通过对芯片使能端的设置，可以实现任一路输出，也可以同时输出，并且两路可以各自独立工作，互不干扰。

3.2 滤波电容选用

（1）输入电容Cin：经过不断实验尝试，我们选择了6个2.2uF的陶瓷电容并联，实现梯级滤波。

（2） VIN滤波器Cvin：考虑到需防止注入到VIN引脚的高频开关噪声引起电源故障，我们选用了0.47uF的陶瓷电容。

（3） UVLO分压器Cft：考虑到为分压器提供滤波，我们选用100pF的陶瓷电容。

（4） VCC电容Cvcc：考虑到需要为HO驱动器和自举二极管提供峰值瞬态电流，并为VCC稳压器提供稳定性，我们采用了0.47uF的电解电容。

（5）输出电容Co：考虑到输出电容器需平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波，并在瞬态负载条件下提供充电电源，我们选用了两个220uF的电解电容作为主输出电容，并加入两个22uF电容，进一步降低输出电压纹波和尖峰。

3.3 开关管选用

开关管一般采用IGBT或MOSFET，IGBT的优点是耐压高，但导通内阻大，损耗大；MOSFET优点是导通内阻极小，但耐压不高，但考虑到输入输出电压均不高，且要求损耗小、体积小，所以选用贴片式低损耗MOSFET[2]。

3.4 输出电感制作

进口贴片电感价格太高、采购耗时长，而且参数不可改变，所以我们采用自制电感，可以很方便通过改变电感线圈匝数而改变电感参数。

3.5 电路原理图设计

根据设计方案和芯片使用说明，我们自主设计了工作原图，由于在制作期间，需要多次调整参数，所以画的原理图未标出参数的具体数值，以便随时调整元件参数。原理图是使用ALTIUM DESIGNER软件设计的。原理图见图1。

3.6 PCB设计

为了使控制芯片元件布局紧凑且达到良好效果，PCB板采用四层设计，让电源和接地各占一层，并进行分区，避免信号地和模拟地之间的串扰。由于电源线、接地线不再占用顶层和底层板面资源，所以可以将元器件布置得更紧凑，芯片工作状态更好，可以获得极佳效果，PCB板图见图2

3.7 产品制作

根据设计要求，我们通过反复论证确定了元件参数、型号和数量，并选购所需材料。然后精心制作，虽然绝大部分元器件采用贴片封装，但我们都采取了手工焊接，实践证明效果很不错，作品实物图见图3。

4 总结

4.1 本产品（作品）的性能

本产品制作成本约为100元左右，而市场精密电源售价一般在数百甚或千元以上，我们的产品成本远远低于市场同类产品的价格，与我们同等价格的产品测出的性能指标比我们的产品性能指标相差一个数量级。纹波测试见图4

从表1可以看出，我们产品的成本低、效率高，性能要远远高于市场水平，具有较大的发展前景。

4.2 本产品（作品）的创新点

（1）采用四层PCB板设计、元器件布局紧凑合理，电源工作状态良好。

（2）自制电感线圈，替代了进口产品，不仅使电源综合成本降低20%以上，而且感参数可以自行调整。

（3）本产品制造成本低，而性能指标高（见表1），主要指标均高于市售产品水平。

（4）极高的效率，对于满载输出45-90W的电源（单路输出45W，双路输出90W）达到92.3%的效率，已差不多到了极限。

（5）采用节能设计，轻载时可以启用二极管仿真模式，可以实现高效输出；重载时，禁用二极管仿真模式，增强带负载能力。

【参考文献】

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【关键词】全电动注塑机交流伺服驱动器；TMS320F2812；智能功率模块；矢量控制；开关电源

1.引言

传统液压型注塑机存在功耗大、噪音大、污染较大及控制精度不够精确等问题，开发节能环保、高速高效、低噪声以及高度自动化的全电动注塑机成为注塑行业的趋势和热点。

全电动注塑机的性能在很大程度上依赖于其运动控制系统的精密性和稳定性，因此好的动态响应性、大扭矩输出、高精度闭环控制、良好的制动性能等是设计控制系统方案时需要考虑的因素。全电动注塑机是高端注塑机绿色技术的代表，目前已被广泛应用于精密光学、生物医药、汽车电子、精密齿轮、数码电子、食品包装和微型连接器等中高端注塑行业中[1]。

永磁同步电动机（PMSM）具有动态响应性好、输出扭矩大、闭环控制精度高、制动性能好等性能特点[2]，能够很好地满足全电动注塑机的性能需求。为此，全电动注塑机的注射、锁模、计量和顶针部分的驱动控制通常都采用了交流伺服驱动器。

本文介绍基于DSP的全电动注塑机交流伺服驱动器的控制原理、硬件组成和软件设计，并给出了实验结果。

2.全电动注塑机伺服驱动器的应用结构

全电动注塑机伺服电动控制系统主要是在注塑机的注射、锁模、计量和顶针等四个单元采用交流伺服驱动器控制[3]，其结构如图1所示。

各个驱动单元通过串行数据方式将位置信号反馈到注塑机控制系统，同时通过模拟量输出接口将转矩和速度信息反馈到注塑机控制系统；注塑机控制系统根据驱动单元的反馈信息和注塑工艺的需求，进行位置和压力控制得到速度和转矩指令，通过模拟量输出接口输出到具体的驱动单元，驱动单元将按照给定指令实现电机的实时控制。同时各个驱动单元还将电源和驱动单元故障信息反馈给注塑机系统，实现系统的可靠控制。

3.永磁同步电机的控制原理

永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性的系统，为了对其进行深入了解，需要引入坐标变换[4]，通过永磁同步电机的数学模型经过坐标变换，我们可以得到以下在坐标系的数学模型：

定子电压方程为：

（1）

定子磁链方程为：

（2）

电磁转矩表达式改写为：

（3）

式中、为坐标系下的两相电压；、为坐标系下的两相电流；、为坐标系下的定子磁链；为电磁转矩；为定子电阻；、为两相定子电感；为两相电流、合成的电流矢量；为两相电流、合成的电流矢量；为电流矢量与轴的夹角；为永磁体的磁链；为电机磁极对数。

永磁同步电机矢量控制方案如图2所示，速度指令与实际速度的偏差经过速度调节器产生相应的轴电流给定，电机相电流经坐标变换后转换到坐标系上，坐标系上的给定电流和实际电流分别进行电流调节器的结果经过PARK逆变换后得到相应的参考电压，再通过SVPWM调制产生PWM信号驱动智能功率模块（IPM），从而控制电机的转矩、速度。位置检测采用17位绝对式编码器，根据位置变化算出电机的实际速度。

4.伺服控制器的硬件系统实现

硬件电路主要包括主电源电路、控制板电路和功率板电路三部分，主电源主要提供稳定的直流母线电压，控制板电路主要包括DSP和FPGA，功率板电路主要包括IPM和开关电源，其原理框图见图3。

4.1 主电源电路硬件设计

主电源单元的输入电源分为控制电源和功率电源，控制电源使用220V，功率电源使用380V。主电源电路在自检正常后，由注塑机系统控制380V输入功率电源的断开和吸合。输入功率电源经整流滤波后得到直流母线电压，直流母线电压作为后级各个功率电路的母线电压输入。主电源的报警检测电路对输入功率电源进行欠压、过压和缺相实时检测，同时对直流母线电压进行欠压、过压制动实时检测，一旦检测到异常状况，将产生报警，同时控制电路的报警检测电路将能检测到主电源电路异常。

4.2 控制电路硬件设计

控制电路硬件设计采用DSP+FPGA的架构。DSP是整个伺服控制系统的核心，实现电机控制的矢量控制算法。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F2812芯片，该芯片最高时钟频率可达到150MHz，具有丰富的外设接口：捕捉单元CAP、光电编码盘接口QEP、12位的模数ADC，脉宽信号输出PWM、串行通信接口SCI、串行外设接口SPI、增强型局域网络控制器eCAN等，这些特点使得这款芯片非常适合于伺服驱动器的设计[5]。

电机相电流检测是通过采用采样电阻将功率电路中的霍尔电流传感器感应到的电流信号转换为电压信号，再经过调理运放电路的处理后，得到一个0～3V的电压值，然后由DSP的ADC模拟输入口进行电流检测。

对于外部输入开关信号，采用光耦进行隔离处理，然后进行电平转换，再输入到DSP的IO端口。

为了让DSP有更多的时间资源来实现电机控制算法，设计中采用了FPGA来做相应的数据通信和数据采集。在FPGA内部实现了双口RAM，用来与DSP之间通过总线实现数据传输。

FPGA主要完成转速和转矩指令输入检测，实际转速和转矩反馈输出、17位绝对式编码器位置数据读取和存储，LED按键显示控制，主电源和功率电路报警检测处理，同时还通过串行总线将位置信号反馈给系统。

4.3 功率电路硬件设计

根据不同的功率需求选择不同的功率模块，这里以三菱公司的第5代智能功率模块IPM（PM50RLA120）为例。模块PM50RLA120内部采用1200V、50A的IGBT功率管，将7只IGBT功率管封装在一起，组成三相逆变电路，及制动电路，同时内部集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路。控制电路输出的6路PWM信号经过快速光耦隔离驱动IPM模块。

功率电路设计了IPM故障保护环节，故障保护信号由硬件实时检测，一旦出现控制板的DSP检测到故障保护信号，将在DSP中通过报警信号软件程序处理，DSP立刻禁止PWM驱动信号输出，同时伺服驱动器将发出报警信息。电流采样电路采用霍尔电流传感器，实时检测电机UW两相电流的瞬时值，然后将检测到电流值传送到控制电路处理，接入到DSP的A/D模拟通道。

控制电源采用开关电源方案，选用PI公司的TOP255功率开关器件，这样的电源电路可以满足体积小，可靠性高，交流输入范围宽，同时电源纹波小的要求。

5.伺服控制器的软件实现

伺服控制器软件采用C语言编写，每个算法都采用模块化的设计思想，使得整个软件结构紧凑、模块接口清晰。伺服软件包括主程序、PWM中断服务程序。

主程序主要完成初始化工作，其中DSP外设（系统时钟、SPI、ADC、CAN、SCI、IO、事件管理器）及中断设置的初始化、伺服参数计算，同时在主循环中还负责完成实时性要求不高的系统处理任务。

PWM中断服务程序完成实时性要求比较高的电机矢量控制算法，控制周期为100us。它主要完成通过总线读取从FPGA发送过来的数据（绝对式编码器数据、转速和转矩指令）、Iu和Iw两相电流采样及电流环PID调节、Clark变换、Park变换、Park逆变换、SVPWM空间矢量算法，PWM信号生成。同时每10次PWM定时中断后，完成一次速度计算、速度环PID调节等。其控制流程如图4所示。

6.实验结果

为了验证设计的可行性和有效性，对基于上述设计方案的伺服驱动器进行了实验验证。采用了广州数控设备有限公司生产的130SJT型电机进行了实验研究，电机参数如表1所示。

采用转矩测试平台进行实验，电机通过联轴器和磁粉振荡器给电机进行加载，它们的转动惯量和为4.05*10-3kg・m2。信号采集采用的是泰克TDS2024示波器，对伺服驱动器输出的速度模拟输出信号进行采集得到速度波形，同时对UW两相电流进行检测。

本实验采用空载进行实验，得到了速度阶越响应和两相电流响应曲线，图5是电机从静止到额定转速1500rpm的速度响应，图6是两相电流的阶跃响应波形，上半部曲线是U相电流响应曲线，下半部曲线是W相电流响应曲线。

实验结果表明系统具有较好的动态响应、控制精度高，能够较好地满足对全电动注塑机控制精度和稳定性的要求。

7.结论

介绍了一种基于DSP的全电动注塑机交流伺服驱动器的控制原理、硬件组成和软件设计。设计方案采用TMS32F2812+FPGA的控制电路方案，设计中FPGA完成相应的数据通信和数据采集，因而DSP有更多的时间资源来实现电机控制算法。软件算法都采用模块化的设计思想，使得整个软件结构紧凑、模块接口清晰，充分优化软件结构，提高软件算法的可靠性。

相比液压或混合驱动的注塑机，使用交流伺服驱动器的全电动注塑机具有更加优越的控制精度和重复定位精度，从而大大提高了产品的质量，同时具有节能环保的作用。基于该设计思路的全电动注塑机交流驱动器已经应用到实际生产中。

参考文献

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[4]李崇坚.交流同步电机调速系统[M].北京：科学出版社，2006.

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【关键词】LED照明；驱动电源设计

随着全球性的资源短缺和环保问题，半导体照明受到世界各国及产业届的关注。LED给人类带来了一次光源的革命，其寿命长、环保、节能、可靠性高，受到了用户的青睐。随着外部市场环境，政府的推动以及LED整体价格的下降，传统的白炽灯泡将逐步会被这种新型能源所取代。

当然，作为一个新生事物，LED照明也受到了一些挑战。目前，LED灯具在价格方面还是相对较高，这样也就要求LED灯具在寿命上需有所保证。我们知道，LED灯珠的寿命一般都能保证在50，000小时以上，而驱动的好坏将直接决定着LED整灯的寿命，怎样设计出一款合适可靠的LED驱动，也就是LED照明需要关注的问题。

工业开关电源在国内已经发展有二三十年的历史了，相对比较成熟。而LED作为一个新兴的产业，其电源驱动部分相对显得较晚，但大体设计方案还是源于工业开关电源。因室内照明目前市场化运作较为成熟，现针对室内照明来分析电源驱动的设计。

室内LED照明灯具大致有以下几种类型：平板灯，球泡灯，GX53，筒灯，T8& T5管灯，MR16，玉米灯，蜡烛灯等。

选择一款合适的驱动以保证整个灯具的价格和性能有一定优势，也将对这些灯具在市场上的推广及应用起着事半功倍的效果，我们通过对以上照明灯具的细分来对电源部分作一个分类及总结：

一、平板灯

市场上常见的平板灯的尺寸大小为300*300，300*1200，600*600，600*1200，150*1200，其体积一般较大，我们可采用外置恒压电源+LED恒流的模式来进行设计，将后级的LED恒流部分直接设计在LED灯板上，前级的LED恒压电源，可采用传统的工业电源，因工业恒压电源在国内已有一定的历史与规模，性能及价格相对比较有优势。这样，整灯的价格及性能都能得到相应的保证。

二、球泡灯&筒灯

这两种类型的灯具在外形上虽然不一样，在LED驱动方案的选择上，大体可保持共用，以最合理的方式来保证整灯的性价比。

从整灯的功率部分来看，市场上球泡灯一般从3W～12W左右，而筒灯在8W～20W左右，这样可按功率将驱动做成3W，6W，12W，20W。因筒灯在国内市场上是需要3C认证的，在国际市场上CE，UL等也将其纳入检测范围，所以在设计之初必须考虑产品的安全性。一般该驱动电源以隔离型为主，这样将有助于安规检测以及机构件上的优化。这种隔离型电源大体可分为以下两种模式：

1.低成本，无频闪

在小功率部分，如10W以下，可将开关MOS集成在芯片内部，采用原边反馈模式，这样将有助于降低产品成本，减少产品体积。

该方案在前级加入了大的电解电容，可以使输出电流纹波减少，保证了产品无频闪，起到了保护视力的作用。但其PF值相对较低，在小功率、对PF值无太大要求的情况下，此方案有较大优势。

原理图如图1。

2.高PF值

出于对电网的保护，有些市场对整灯的PF值是有一定要求的，这样我们可以采用带主动PFC的芯片，大致原理图如图2。

因前级去掉了大的电解电容，而芯片自带PFC功能，这样保证了整灯的PF值〉0.92，有助于对电网的保护，节省国家电力。

隔离型LED驱动方案大体上可分上述两种，其他类型灯具开发可在此基础上作为设计平台开发.

三、T8&T5管灯

T8管灯在目前市场上是比较常用的一种灯具，其主要用于工程及商业化照明.从长度上可分为0.6m，1.2m，1.5m，该驱动设计在市场上目前分为两种方案：

（一）非隔离型方案：此方案以东南亚国家为主，其优点是价格低，在此拓朴结构下，又大体分两种方案：

1.一种是以被动式即填谷电路为主的降压型驱动方案，其输出电流纹波小，无频闪。但为了保证整灯的寿命，其电容需用高可靠性，成本相对较高，如图3。

2.一种是以主动式PFC的驱动方案，其可省掉前端大电容，同时不需额外增将元器件，即可保证高PF值，成本相对较低，但其输出端纹波电流较大如图4。

（二）隔离方案：此方案大多用于欧洲市场，其对价格不太敏感，对安全性要求较高。

其方案类似于前面提及的球泡灯及筒灯驱动方案。

上述方案是室内照明在驱动设计上的大体方向，但为了保证驱动电源的高寿命，在设计上，我们还需要考虑以下方面：我们知道，灯具散热一直是业界研究的课题，这样对于驱动电源来讲，其工作环境温度相对很高，拿10W的球泡灯举例，市场上的球泡灯内部工作环境温度达到了80℃，而在此高温环境下，电解电容的电解液容易再高温环境下被烤干，易损坏，所以在该电解电容的选择上就要格外注意，以保证整灯的寿命。一般应选在105℃，10，000小时以上。

为了提高产品的可靠性以及市场的认知度，我们除了在方案选择上需作全方面的考虑外，在安规及相关认证上也需要做相应的考虑，目前常用的认证有CE，3C，UL，TUV等。针对目前市场上常用的认证做如下统计，详见表1。

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【关键词】LED驱动电源；功率因数校正；半桥LLC谐振变换器；PLC810PG

Design of A High Power Factor and High-Power

Power Supply to Drive LED Lights

SHI Hong-wei Zhu Zheng-yu Shejie

（Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214433，Jiangsu，China）

Abstract：With the development status of LED power supply，this article introduces a programme in the case of high power for LED lights.The article introduces a design of half-bridge LLC resonant based on PLC810PG for LED lights switching power supply.This design realizes factor correction and improved work efficiency by soft switching.In the article，the main circuit and control circuit are designed in theory and the related circuit parameters are estimated.Finally experimental studies show that the system design is feasible and the basic performance to meet design requirements.

Key words：LED power supply；power factor correction；half-bridge LLC resonant circuits；PLC810PG

引言

LED（light emitting diode）具有发光效率高、功耗小、寿命长、光污染小、光线质量高等优点，已在各个领域得到广泛应用。近些年随着大功率的LED发光技术的升级，大功率的白光LED越来越多的被应用于通用照明领域。可以说，作为新一代光源，LED的应用已经成为照明的发展方向。目前LED应用的热点之一是LED的道路照明。

LED路灯的电源控制和驱动系统是保证其功能和高效的重要基础。文章结合大功率LED驱动电源的发展现状，提出了一款基于PLC810PG的半桥LLC谐振式的LED路灯开关电源的设计方案，把输入分压与半桥两个开关各自形成一路Boost电路，实现了功率因数校正作用，后级采用LLC谐振负载网络，实现了软开关，提高了工作效率。

1.系统结构

由于LED路灯功率较高，LED路灯电源不宜再沿用单开关反激式电路，而必须采用支持相应功率的电路拓扑，例如半桥LLC谐振拓扑结构。如图1所示，Q1和Q2是半桥开关管（MOSFET），半桥谐振网络中选用的是LLC结构，Cr、Lr和变压器T1初级绕组线圈Lm组成LLC谐振网络。Lb1、Q1、Dds2、Cb组成一路boost电路，Lb2、Q2、Dds1、Cb组成另一路boost电路，两个boost电路工作在断续模式下，作为天然的功率因数校正器。其中Lr为变压器的漏感，Lm为变压器的励磁电感。

2.输入EMI滤波电路和桥式整流电路

从频率的角度看，EMI滤波器属于低通滤波器。它能毫无衰减地把直流电和工频交流电传输到开关电源，不但可以大大地衰减从电网引入的外部电磁干扰，还可以避免开关电源设备本身向外部发出噪声干扰，以免影响其他电子设备的正常工作。本设计中采用的EMI滤波器基本结构如图2所示。

市电交流220V输入后，经由电容C1、C2、C3、C4、C5、C6和共模电感器L1、L2组成的输入EMI滤波器滤波，R1～R3在交流电源切断时为电容放电提供通路。热敏电阻RT1用来在电源系统启动时限制浪涌电流。当电路正常工作后，继电器RL1将RT1旁路，RT1中几乎无电流流过，不再有功率损耗，从而使电源效率提高1%～1.5%。BR1为桥式整流器，C7是滤波电容。

3.半桥LLC谐振电路

半桥双电感加单电容（LLC）谐振转换器能提供较大的输出功率，保证半桥MOSFET的零电压开关（ZVS），具有较高的效率，基本结构如图1所示。在图1中，Q1和Q2是半桥开关（MOSFET），Cr、Lr和变压器T1初级绕组线圈LM组成LLC谐振变换器。

本文设计的LED路灯照明用驱动电源（图3）中，Q1，Q2为半桥功率开关管（MOSFET）。C39为谐振电容，变压器T1的初级绕组与其构成LLC谐振回路（通常将图1中的Lr结合进变压器初级之中，对于图3所示的电路拓扑，仍称作LLC谐振结构，而不称其为LC谐振拓扑）。T1的次级输出经全波整流二极管、C37、C38整流滤波后产生52V直流电压输出，作为LED路灯模块的电源驱动。

3.1 电路主要元器件参数设计

系统的额定输出功率100W，输出电压为52V，两个boost电感的值可由表达式（1）计算得到：

由于输出功率P0=ηPin，效率值为90%，一般母线电压为1.2倍峰值输入，由此可求出系统的两个boost电感值。我们在当系统工作在fr的频率下来进行分析，此时LLC电路的电压增益为1，即可求出变压器的匝比为

图（3）中C39不仅起电容隔直的作用，也为负半周的谐振提供能量。且C39两端最大电压满足

其中fmax表示最大的开关频率，由表达式（3）可求出C39的值。由于系统工作频率，我们将fr取100kHz，则可求出系统中的Lr的值。

而由表达式（4）也可求出系统的励磁电感取值。

最终取值为：

Lb1=Lb2=400μH，Lr=112μH，Lm=600μH，C39=22nF，

T1匝比为n=4。

3.2 LLC的变压器T1的设计

变压器T1使用ETD39磁心和18引脚骨架。先绕次级绕组，次级绕组使用175股40AWG（Φ为0.08mm）李兹线（即绞合线），从引脚10到引脚12，再从引脚11到引脚13各绕9匝，并覆盖2层聚酯膜。初级绕组使用75股40AWG（Φ为0.08mm）绞合线，从7引脚开始到9引脚结束，绕36匝，再绕2层聚酯膜。其电感量是820μH（±10%），漏感是100μH(±10%)。将分成两部分的磁心插入骨架中对接在一起，在磁心外面用10mm宽的铜皮绕一层，用焊锡将接缝焊牢，再在铜皮与引脚2之间焊接一段Φ为0.5mm的铜线。在铜皮外部用聚酯膜覆盖起来。

3.3 基于PLC810PG的LLC控制电路

PLC810PG的CCM PFC控制器只有4个引脚（除接地端外），是目前引脚最少的CCM PFC控制器。这种PFC控制器主要是由运算跨导放大器（OTA）、分立电压可编程放大器（DVGA）和低通滤波器（LPF）、PWM电路、PFC MOSFET驱动器（在引脚GATEP上输出）及保护电路组成的。PFC控制器有两个输入引脚，即引脚ISP（3）和FBP（23）。FBP引脚是PFC升压变换器输出DC升压电压的反馈端，连接OTA的同相输入端。OTA输出可视为是PFC控制器等效乘法器的一个输入。OTA在引脚VCOMP（1）上的输出，连接频率补偿元件。反馈环路的作用是执行PFC输出DC电压调节和过电压及电压过低保护。IC引脚FBP的内部参考电压VFBPREF=2.2V。如果引脚FBP上的电压VFBP＞VOVN=1.05×2.2V=2.31V，IC则提供过电压（OV）保护，在引脚GATEP上的输出阻断。如果电压不足使VFBP＜VIN(L)=0.23×2.2V=0.506V，PFC电路则被禁止。如果VFBP＜VSD(L)=0.64×2.2V=1.408V，LLC级将关闭。PLC810PG的ISP引脚是PFC电流传感输入，用作PFC算法控制并提供过电流（OC）保护。PFC在ISP引脚上的过电流保护（OCP）解扣电平是-480mV。

设计的电路中52V的输出由R67、R66采样，经稳压器U3，光电耦合器U2及R54、D16、R53等反馈到U1的FBL引脚，来执行输出电压调节和过电压保护。流入引脚FBL的电流越大，LLC级开关频率也就越高。最高开关频率由U1引脚FMAX与VREF之间的电阻R52设定。R49、R51、R53设置下限频率。C27是LLC级软启动电容，软启动时间由C27和R49，R51共同设定。

R59是T1初级电流感测电阻。R59上的电流感测信号经R47、C35滤波输入到U1的ISL引脚，以提供过电流保护。

偏置电压VCC经R37、R38分别加至U1的VCC和VCCL引脚，将U1模拟电源和数字电源分开。R55和铁氧体磁珠L7，在PFC与LLC地之间提供隔离。U1内半桥高端驱动器由自举二极管D8、电容C23和电阻R42供电。Q10和Q11散热器经C78连接到初级地（B-）。

4.PFC功率因数校正电路

L4、PFC开关（MOSFET）Q3、升压二极管D2和输出电容C9等组成PFC升压变换器主电路。在140～265VAC输入电压范围内，输出电压稳定在385VDC（B+与B-之间），并在BR1输入端产生正弦AC电流，使系统呈现纯电阻性负载，线路功率因数（PF）几乎等于1。晶体管Q4、Q5等组成Q3的缓冲级。R6和R8是PFC级电流传感电阻，二极管D3、D4在浪涌期间箝位R6和R8上的电压（即两个二极管上的正向压降）。

4.1 PFC升压电感器的设计

PFC升压电感器L4使用PQ32/20磁心和12引脚骨架，L4主绕组使用#20AWG（美国线规，约＜0.8mm）绝缘磁导线，从引脚1开始到引脚6终止，绕35匝，电感量是580μH(±10%)。在主绕组外面绕一层作绝缘用的聚酯膜。偏置绕组使用#28AWG(＜0.3mm)绝缘导线从引脚8开始绕2匝，到引脚7结束。在该绕组线圈外面绕3层聚酯膜。在磁心上包裹一层铜箔，并用＜0.5mm铜线将铜箔与9引脚焊接起来，作为屏蔽层。在铜箔外面再绕3层聚酯膜。

4.2 基于PLC810PG的PFC控制电路的设计

U1引脚GATEP上的PWM信号驱动PFC开关Q3。R6和R8上的电流传感信号经R45，C73滤波输入到U1引脚ISP，来执行PFC算法控制，并提供过电流保护。PFC输出电压VB+经R39～41、R43、R46和R50取样，并经C25滤除噪声，输入到U1引脚FBP，来执行PFC输出电压调节和过电压以及电压过低保护。U1引脚VCOMP外部R48，C26，C28为频率补偿元件。当引脚VCOMP上的信号较大时，Q20导通，将C26旁路，可使PFC控制环路能够快速响应。

5.实验研究

在本文以上分析设计的基础上，试制了一台100W/100kHz（2A/52V）大功率LED驱动电源的样机。实验电路参数如下：单相输入电压Uin=220V（50Hz），输出功率Po=100W，工作频率fr=100kHz，负载为欧司朗公司1W高亮LED，共分4路，每路25只LED。

图4所示为中点电压Vds2与副边二极管Dr2的电流波形，由图可知如图4（a），很明显在二极管关断前其电流已经到零，则二极管工作在ZCS状态，此时工作频率为90kHz；图4（b）为在二极管关断时，二极管电流恰好为零，此时系统工作在fr的工作频率上，fr为100kHz；图4（c）为在二极管关断前，二极管电流并不为零，此时副边的二极管失去了其ZCS特性，系统工作频率为125kHz。

图5所示为半桥开关管Q1的电压、电流波形，由图可知开关管工作在ZVS状态。

图6为100W样机测试波形，当其由45%～100%负载变化时，其PF大于0.96；THD在10%以内，满足IEEE519以及IEC61000－3－2标准；效率在87.2%～91.1%间变化，当系统满载时，其效率高达91.1%，母线电压由490V变为375V，满载时，母线电压为375V，纹波电压为5V，纹波频率为100Hz，由于输入为交流220V，则其交流输入电压峰值为311V，母线电压只略高于输入，不会达到二倍峰值输入，系统输出电压为52V，满载时纹波为1V。

结束语

本文结合当前大功率LED驱动电源的发展现状，提出一种适用于LED路灯的驱动电源。由于LLC的应用使系统能够工作在软开关状态下，提高了系统的工作效率。经测试，系统在满载时功率因数达0.992，THD为6.5%，效率高达91.1%。最后试制了样机，验证了设计方案的可行性和正确性。

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篇9

关键词 LED 照明 研制

中图分类号：TP273 文献标识码：A

1产品技术指标

1.1产品介绍

由于LED灯具有诸多优点，如：（1）光效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到80%-90%。而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。（2）光线质量高：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。（3）能耗小：单体功率一般在0.05-1w，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。以其作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/8-1/10。（4）寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时。一个半导体LED灯正常情况下可以使用50年。（5）可靠耐用：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小，维护费用极为低廉。（6）应用灵活：体积小，可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。（7）安全：单位工作电压大致在1.5-5V之间，工作电流在20-70mA之间。（8）绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯一样含有汞成分。（9）响应时间短：适应频繁开关以及高频运作的场合。

LED-025日光灯正是基于LED灯的各种特性研制开发，成为新型办公、厂房照明灯具。该产品具有安全性好、亮度高、功耗小、工作温度低、使用电压范围宽等众多优点，是办公照明的一个发展趋势，彻底解决了老式日光灯工作温度高、频繁更换灯管、功耗较大、启动电压高、环境污染严重等问题。该产品采用专用电源控制电路，实现了发光器件与电源模块一体化的设计。

1.2产品技术指标

额定输入电压：AC 220V 50Hz （AC170～220V均可正常使用）

额定功率：15W/11W/8W

LED光源灯电流：240mA

工作环境温度：-20℃～+60℃

发光角度：120。0

光通量：1440lm（透光）/860lm（磨砂）。

2设计方案及确定

2.1设计思路

由于LED灯管，无需起辉器，启动快，功率小，无频闪，不容易视觉疲劳。它不但超强节能且更为环保，是国家绿色节能照明工程重点开发的产品之一，是目前取代传统日光灯最理想的产品。

LED使用的是直流电压，并且电流有一定要求，为了提供恒定的电流，所以需要将AC 220V电压转换为DC电压并且恒流才能实现LED的正常点亮。

为了保持与传统灯管的兼容性，该LED-025产品需要实现在日光灯灯管上的直接安装，同时达到相同的照明效果，针对这两个方面，在设计时产品外形选择了T8日光灯外罩尺寸，同时，灯脚选取与T8灯脚兼容的尺寸，使该产品与实际的日光灯外形完全相似，通用性更好。在长短尺寸方面，严格按照标准执行，适用于各种日光灯架。

LED-025日光灯安装比较简单，它分电源内置和外置两种，该产品为电源内置的LED日光灯。安装时，将原有的日光灯取下换上LED日光灯，并将起辉器去掉，让220V交流市电直接加到LED日光灯管两端即可。因此该产品适用于传统的T8日光灯架（长度分别为1.2m/0.9m/0.6m）。

2.2设计方案

该产品是采用LED发光器件为光源的照明灯具。主要由铝型材灯体、电源板、多个大功率LED发光管、PC灯罩等组成。当接通电源后，电源板会按照设定的工作电压以恒流方式直接驱动LED发光。

该产品电路工作原理是将AC220V交流输入电压经输入滤波、桥式整流，经变压器进行降压，达到LED的工作电压，同时经电流采样，反馈采样信号，经UC2843控制芯片控制TOP227工作关与断，从而控制变压器的工作模式，达到恒流的效果。

为了实现此性能，该产品采用具有多种保护功能的节能PWM控制器来实现，同时在电压输出方面采用非隔离设计，能最大限度的给负载提供工作电压。为了使产品的通用性更好，在光源板的设计上采用拼接方式，通过光源板的不同拼接方式，满足了日光灯不同尺寸的需求。

2.3关键元器件选用

开关电源的性能主要取决于变压器的设计是否合理。因此确定变压器的参数是该产品设计的关键所在，同时选用控制芯片也是决定该产品主要性能的关键，在PWM控制芯片的驱动方面，对驱动电流有一定的要求，需要在限流电阻方面注意。

关键器件特性如下：

UC2843/UC3843控制芯片都是专门设计用于离线或直流――直流变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供使用最少元件的高性能价格比的解决方案。这些集成电路有可微调的振荡器，能进行更精确的占空比计算、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动MOSFET的理想器件。是专为低压应用设计的，低压锁定门限为8.5V（通）（下转第149页）（上接第141页）和7.6V（断）。UC2843控制芯片特性如下：微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比；电流工作模式到500千赫；自动前馈补偿；锁存脉宽调制，可逐周限流；大电流图腾柱式输出；欠压锁定，带滞后；低启动和工作电流。而UC2843和UC3843控制芯片又有不同之处，参考两种元件之间的差异，结合该产品的工作环境和特点，最终选择UC2843作为该产品的电流模块控制器。

TOP227开关电源芯片是新型高频开关电源芯片，它内部集成有PWM控制器、功率开关MOSFET以及多种保护电路，所以，采用该芯片设计出的开关电源具有体积小、重量轻、成本低、电路简单、效率及可靠性高等特点，它又包括：控制电压源；带隙基准电压源；振荡器；并联调整器/误差放大器；脉宽调制器；门驱动级和输出级；过电流保护电路；过热保护及上电复位电路；关断/自动重启电路；高压电源等特性。因此将它作为开关电源芯片的首选。

在变压器设计方面，本产品主要考虑效率与小型化的设计思路，通过对不同型号的变压器参数对比，经过大量的试验，最终选择了EPC13铁氧体磁芯变压器，该变压器在满足产品工作效率的同时，可以尽可能的做到表贴工艺，使整个产品达到体积的小型化。

3研制过程

3.1电路及设计

LED-025照明灯的工作原理是主要通过桥堆将220V交流电整流成直流电，通过变压器将直流电降压至所需工作电压，而UC2843控制芯片和光耦通过输出电压的变化控制TOP227的工作状态，最终控制变压器的通断，达到稳压的作用。

输出的反馈电压加在光耦发光二极管的正极上，电阻R15组成基准电压源，为光耦提供基准电压，这样光耦中的二极管的发光强度是由输出电压控制的，经光耦耦合到UC2843的控制端，从而控制TOP227的控制端，实现脉宽的可控，达到稳压的目的。

3.2结构设计

为了提高产品的散热效率，该产品在设计中采用铝材料进行散热处理，使产品的热量尽可能地通过铝材释放，使产品的可靠性得到提高。该产品采用铝外壳和PC罩组合成型，装配方式简单易行，适合批量生产。

3.3技术攻关及问题解决

在样件试制时，根据事先确定的变压器参数进行试样，发现该产品的技术参数无法满足预先设计的技术要求，经过对不同尺寸磁芯的试验。发现变压器的磁芯尺寸影响产品参数，最后通过计算和不断调整磁芯尺寸和线圈匝数，并进行了大量的试验确定了变压器的磁芯尺寸和线圈匝数，该问题得到解决，产品技术参数满足了设计和使用要求。

篇10

随着电子设备对电源系统要求的日益提高，研究廉价的具有监视、管理供电电源功能的开关电源愈来愈显得必要。本文在综合考虑电源各种技术性能和对自身的安全要求以及开关电源性能的基础上，设计出了一种新型实用的带有过电压检测和保护装置的智能化电源。它具有以下几个特点：

（1）实际了对过电压的检测，并能记录每次过电压的瞬时值和峰值，可启动备用电源供电，实现对电子电路的保护作用。

（2）具有抗冲击能力强、使用寿命长、带液晶屏数字监视的特点，同时通过RS485通信接口与管理计算机通讯能实现“透明”电源的工作和保护等功能。

（3）能实时显示输出电压、电流的大小，过电压的次数、大小以及必要的参数设置信息。

（4）通过接口与后台或远端PC机实现数据传送。

智能化电源的核心由显示板、CPU板、通信板、备用电源板、过电压检测板、键盘、通信转接板组成。装置的关键是实现电压的峰值检测，尤其是过电压的检测。本文提出了一种基于单片机的过电压检测和峰值电压检测方法，实验证明它满足了对检测的快速性和精确性的要求。

2系统硬件设计

系统硬件框架如图1所示。在正常的情况下，220V的交流输入电压经过整流、滤波、DC/DC变换、稳压电路后可得到一个稳定的输出电压，基本上是一个开关电源；当有过电压时，过电压信号经过过电压检测电路检测和峰值电压保持电路保持，控制电源回路，断开正常工作的交流电路，同时通过计算机启动备用电源工作，以及完成对过电压的瞬时值和峰值的测量。

2.1过电压检测电路

过电压对于电源来说是一个非常有害的信号，雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块，烧坏元器件（IC）。典型过电压形成的冲击电压脉冲如图2所示。

过电压保护的基本原理是在瞬态过程电压发生的时侯（微称或纳秒级），通过过电压检测电路对这个信号进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。这就是压敏电阻的电压箝位作用。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。

过电压检测电路原理图如图3所示。当有过电压信号产生时，压敏电阻被击穿，呈现低阻值甚至接近短路状态，这样在电流互感器的原级产生一个大电流，通过线圈互感作用在副级产生一个小电流，再通过精密电阻把电流信号转变为电压信号；这个信号输入到电压比较器LM393后，电压比较器LM393输出高电平，经过非门A输出的控制脉冲1控制电源回路，断开开关电源电路，启动备用电源。控制脉冲2送到单片机的中断中，单片机控制回咱启动A/D转换，采样过电压的瞬时值。

2.2峰值电压采样保持电路

峰值电压采样保持电路如图4所示。峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片LF398和一块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输入电压通过LM311进行比较，当Vi>V0时，LM311输出高电平，送到LF398的逻辑控制端8脚，使LF398处于采样状态；当Vi达到峰值而下降时，Vi<V0，电压比较器LM311输出低电平，LF398的逻辑控制端置低电平，使LF398处于保持状态。由于LM311采用集电极开路输出，故需接上拉电阻。由过电压检测电路输出端送来的脉冲控制电路开关的导通，没有过电时采样电容放电，否则采样电路一直跟踪峰值的变化。

2.3单片机控制回路

单片机控制回路如图5所示。它的主要功能是完成对过电压的瞬时值和峰值的检测、过电压次数的检测、电源输出电压和电流的检测，并通过键盘的操作显示出各个检测值的大小；同时通过485接口和上位机实现通讯，在有过电压的时候通过控制回路启动备用电源，实现对电源本身的保护。

3软件设计

系统软件主要由主程序、键盘扫描子程序、显示子程序和通信子程序等组成。图6是主程序流程图。

主程序由初始化、看门狗置位、键盘扫描子程序、中断子程序组成。主程序主要进行分配内存单元、设置串行口等器件的工作方式和参数，为系统正常工作创造条件。在主程序运行的过程中，通过按键可以显示检测的各个量的值；同时在系统过电压和干扰信号产生时，液晶显示屏会显示提示信息，使电源实现“透明”，便于电源的管理。在本系统中，键盘采用的是由P1口组成的3×3行列矩阵式键盘。由于键盘程序的技术已经相当成熟，所以具体过程不做介绍。

图5