開關電源設計方案范文

導語：如何才能寫好一篇開關電源設計方案，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

常規設計方案中勵磁裝置的調節器等工作電源采用廠用電與直流電分別給開關電源供電，然后在開關電源輸出側隔離，通過二極管阻塞反向電壓，再將同電壓等級的輸出電源并接在一起給調節器或其它設備供電，其供電模式為雙電源熱備，如圖1所示。這樣的設計方案雖然簡單，有較高的可靠性，但是存在以下缺點：沒有相應聲光指示工作電源狀態。四個開關電源中如有損壞時或直流系統或廠用電中的某一路供電出現故障后，這時勵磁裝置雖然能正常工作，但此時運行人員可能在較長時間不能及時發現問題。若此時再發生供電系統異常或開關電源損壞，就會造成發電機失磁的重大故障。工作電源出現故障后無法準確判斷出是哪路電源出了故障，就無法在不停機的狀態下更換開關電源，需停機檢修更換，這樣會對用戶造成不必要的經濟損失。

2改進后的設計方案

2．1系統原理

針對現有的設計方案暴露出的缺點，我們在2013年4月提出設計變更方案，進行了大量的試驗工作，對新增的電源監測裝置進行了長時間的烤機，最終于2013年6月完成成品。

2．2電源監測裝置原理

開送電源監測裝置的電路結構如圖3。第一分壓電路9包括串聯連接的電阻R1和電阻R2，其的一端與基準電壓（例如＋9V）連接，另一端接地，電阻R1和電阻R2的節點作為輸出端輸出第一參考電壓至運放IC1D和運放IC1B的反相輸入端。所述第二分壓電路10包括串聯連接的電阻R4和電阻R5，第二分壓電路10的一端與基準電壓（例如＋9V）連接，另一端接地，電阻R4和電阻R5的節點作為輸出端輸出第二考電壓至運放IC1C和運放IC1A的同相輸入端。運放IC1D的同相輸入端和運放IC1C的反相輸入端分別通過電阻R3接入電源1，運放IC1B的同相輸入端和運放IC1A的反相輸入端分別通過電阻R6接入電源2。運放IC1D、運放IC1C、運放IC1B、運放IC1A的輸出端分別通過電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14與發光二極管LED1、LED2、LED3、LED4的陽極連接。這樣，由運放IC1C、IC1D等元件組成具有遲滯特性的電壓比較電路，檢測＋5V（Ⅰ）（即電源1）電壓是否正常，假設＋5V電壓升高至＋5．5V或降低至＋4．7V電壓時，運放IC1C或IC1D輸出高電平，驅動發光二極管LED1、LED2發出警示。＋5V（Ⅱ）（電源2）的電壓檢測由運放IC1A、IC1B等元件組成，原理同上。本裝置還包括分別與電源3、電源4、電源5、電源6、電源7、電源8連接的光耦OC1A、OC1B、OC2A、OC2B、OC3A、OC3B，每一光耦的輸入端與待測電源連接，光耦接收端的集電極接上拉電阻，發射極接地，所述上拉電阻的一端接直流電壓，另一端與發光二極管的陽極連接。以光耦OC1A為例，光耦OC1A的輸入端通過電阻R23接入電源3，光耦OC1A接收端的集電極通過上拉電阻R15接入直流電壓（＋12V），光耦OC1A接收端的發電極接地，上拉電阻R15的另一端與發光二極管LED5的陽極連接。在上述電源3的電壓正常時，光耦OC1A的集電極電平是零，若電源3的電壓消失時，光耦OC1A的集電極輸出高電平，發光二極管LED5亦被點亮。其它光耦的連接方式和工作原理與前述相同，在此不再贅述。發光二極管LED1～LED10的陰極與開關管T1的控制端連接，開關管T1的第一端通過繼電器J1線圈接入直流電壓（＋12V），二極管D5連接在線圈的兩端，開關管T1的第二端接地。開關管T1為NPN三極管。由發光二極管LED1～LED10構成或門電路，任何一個發光二極管被點亮后其陰極均可輸出高電平，開關管T1的控制端（即NPN三極管的基極）在得到高電平后導通，繼電器J1動作，其動作接點輸出故障信號。開關管T1的第一端與直流電壓之間還連接一發光二極管LED11，用于總故障報警。電源檢測單元內部工作電源：由雙路＋24V（Ⅰ）、＋24V（Ⅱ）經D3、D4隔離后并聯給DC－DC直流變換器P1供電，P1輸出＋12V電壓。電路中工作電源的＋12V亦由＋12V（Ⅰ）、＋12V（Ⅱ）經D1、D2隔離后并聯提供。這樣整個電路的工作電源就有四路電源共同供電，可提高本電路工作的可靠性。

2．3新方案實施后的效果

通過大量的模擬故障試驗與長時間烤機試驗后，證明該電源設計方案穩定可靠，并且在任意開關電源不正常時均可對外發出信號警示，由此得出新方案比傳統方案更智能化、安全化，能使現場調試人員及運行人員及時發現故障問題，從而及時消除其故障，避免造成更大的損失。

3結論

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【關鍵詞】全橋軟開關電源；負載-效率最佳工作點；電源休眠；綠色；節能；創新

1.解決損耗的辦法

1.1變硬開關為軟開關

在眾多損耗中，最重要的損耗是開關電源在開關過程中由于電流和電壓的交叉導通產生的熱損耗，所以改變電源的工作狀態，即變硬開關電源為軟開關電源是根本解決辦法。

1.2提高電源的負載

從圖1可以看出：開關電源在40%額定電流輸出區間以下，整流器的效率是比較低的，而且輸出電流越小效率越低。但整流器的持續工作電流過大一旦達到或者超過額定工作電流，其工作穩定性要受到影響，因此，從提高整流器的工作效率來講，我們有必要采取措施確保開關整流器工作在40%-80%的負載區間內。

綜上所述，現有開關電源系統的缺陷是：開關整流器沒有得到合理的利用，工作效率低，熱損耗大，浪費資源。有必要采取合理的技術措施，避免多個整流器工作在效率較低的負載率區間內，提升整個開關電源系統的工作效率，降低熱損耗，達到節能的目的。

2.解決電源損耗帶來的問題

2.2可靠性的問題

電源的可靠度是時間和負載的函數，時間越長，可靠度下降，負載越大可靠度越低，本來電源是并聯工作在小負載狀態，當認為提高負載后電源的可靠度下降，故可靠性設計重要的一個方面是負載率的設計，根據元器件的特性及實踐經驗，元器件的在小負載率下工作時，電源系統的可靠性較高的。

2.2電源冗余設計的問題

冗余電源是用于服務器中的一種電源，是由兩個完全一樣的電源組成，由芯片控制電源進行負載均衡，當一個電源出現故障時，另一個電源馬上可以接管其工作，在更換電源后，又是兩個電源協同工作。冗余電源是為了實現服務器系統的高可用性。除了服務器之外，磁盤陣列系統應用也非常廣泛。電源冗余一般可以采取的方案有容量冗余、冗余冷備份、并聯均流的N+1備份、冗余熱備份等方式。容量冗余是指電源的最大負載能力大于實際負載，這對提高可靠性意義不大。冗余冷備份是指電源由多個功能相同的模塊組成，正常時由其中一個供電，當其故障時，備份模塊立刻啟動投入工作。這種方式的缺點是電源切換存在時間間隔，容易造成電壓豁口。并聯均流的N+1備份方式是指電源由多個相同單元組成，各單元通過或門二極管并聯在一起，由各單元同時向設備供電。這種方案在1個電源故障時不會影響負載供電，但負載端短路時容易波及所有單元。冗余熱備份是指電源由多個單元組成，并且同時工作，但只由其中一個向設備供電，其他空載。主電源故障時備份電源可以立即投入，輸出電壓波動很小。對于一些需要長時間不間斷操作、高可靠的系統，如基站通信設備、*設備、服務器等，往往需要高可靠的電源供應。冗余電源設計是其中的關鍵部分，在高可用系統中起著重要作用。冗余電源一般配置2個以上電源。當1個電源出現故障時，其他電源可以立刻投入，不中斷設備的正常運行。這類似于UPS電源的工作原理：當市電斷電時由電池頂替供電。冗余電源與UPS的區別主要是由不同的電源同時供電，而UPS則是一個電源供電另一個則隨時備用，有需要時自動切換。傳統的冗余電源設計方案是由2個或多個電源通過分別連接二極管陽極，以“或門”的方式并聯輸出至電源總線上。如圖1所示。可以讓1個電源單獨工作，也可以讓多個電源同時工作。當其中1個電源出現故障時，由于二極管的單向導通特性，不會影響電源總線的輸出。

3.兩全其美的解決辦法

3.1軟件辦法的電源休眠技術

從2009年開始，國內各開關電源廠家陸續推出了結合自身電源產品的軟件休眠節能技術，其普遍的技術原理是：廠家根據自身的開關整流器的負載-效率特性，預設一個合理的負載率區間，通過電源系統監控單元實時采集整流器輸出電流與總負載電流，計算判斷需要工作的整流器數量，然后通過整流器遙控開/關機命令實現對整流器的軟關機和開機，達到休眠節能的目的。

3.2硬件辦法的電源輪流工作技術

節能控制器不依賴于開關電源監控單元，而是獨立實現對整流器輸出電流總和各模塊工作狀態的檢測，通過預先設定的整流器工作效率區間，判斷當前負載情況下需要工作的整流器數量，然后控制加裝在整流器交流輸入前端的繼電器，控制整流器的市電輸入通斷，通過冷備份方式來達到休眠節能的目的。

4.結束語

采用電源休眠技術控制的開關電源，不僅可以提高整個電源系統的工作效率，減少能源損耗，還可以對電源輸出狀況進行監控，有效實現了“該干活時就掄起膀子大干，該休閑時就安靜的休閑”的工作模式杜絕了“干也不好好干，休也休不好”的工作模式，減少了因電源閑置和怠工產生的浪費和損失。

參考文獻：

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[4] 謝自美. 電子線路設計實驗測試. 武漢： 華中科內蒙古大學學報[J]， 2006.

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關鍵詞：線性穩壓器；開關穩壓器；電源

中圖分類號：TP303+.3 文獻標識碼：A 文章編號：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

電源的應用無處不在，所有的電子系統都需要恒壓電源或者恒流電源的支持。輸出直流稱為直流電源，由前端直流轉后端直流的稱為DC-DC變換器，而直流轉交流的變換器稱為逆變器。所以，DC-DC變換器是用于提供DC電源的電路或模塊。

1 DC-DC變換器的主要分類

1.1 線性型（Linear）

線性型變換器：可以從電源向負載連續輸送功率的DC-DC變換器。線性型變換器通過在線性區域內運行的晶體管或場效應晶體管（Field Effect Transistor或FET），電路的輸入電壓中減去超額電壓，調節從電源至負載的電流流動，從而產生經過調節的輸出電壓。

1.2 開關電源型（Switcher）

開關電源型變換器：以脈寬方波的形式從電源向負載輸送功率。其特點是開關器件的周期性開通和關斷（定頻型、變頻型、定變混合型）。將原直流電通過脈沖寬度調制PWM（Pulse Width Modulation）或脈沖頻率調制PFM（Pulse Frequency Modulation）來控制有效的直流輸出。PWM調制穩定電壓的方式是，在開關頻率不變化的前提下，依靠脈沖寬度的增大或縮小改變占空比例，進而調節電壓達到穩定，它核心部件是脈寬調制器。在PFM調制方式運作的時候，脈沖寬度是固定的，開關頻率的增加或減少控制了占空比，使得電壓保持穩定，脈頻調制器是它的核心部件[1]。

2 線性穩壓器（Linear Regulator）

線性穩壓器如78XX系列三端穩壓器等，是一種無需使用開關元件而能提供恒定電壓恒定電流輸出的DC-DC轉換器。

2.1 線性穩壓器的工作原理

線性穩壓器和輸出阻抗形成了一個分壓網絡。線性穩壓器等效于受控的可變電阻器，可根據輸出負載自行調解以保持一個穩定的輸出。輸出電壓通過連接到誤差放大器反相輸入端的分壓電阻采樣，誤差放大器的同相輸入端連接到一個參考電壓Vref。誤差放大器試圖使其兩端輸入相等2.2 線性穩壓器的類型

線性穩壓器中的元件是雙極型晶體管或場效應管MOSFET。雙極型線性穩壓器具有較高的壓降電壓，并能支持較高的輸入電壓并擁有更好的瞬態響應。MOSFET低壓差線性穩壓器LDO（Low Dropout Regulator）能支持非常低的壓降，低靜態電流，改善噪聲性能和低電源抑制。為使線性穩壓器處在正常工作狀態之下，Vin和Vout之間最小壓差稱為壓降電壓（Drop-out Voltage），不同的穩壓器結構會產生不同的壓降電壓，這也是幾種線性穩壓器的最大區別。如LM340和LM317這些穩壓器使用NPN達林頓管，稱其為NPN 穩壓器（NPN Regulator）。然而低壓差（Low-dropout）穩壓器（LDO）和準LDO穩壓器（Quasi-LDO）為新型電源設計提供了更高性能[2]。

2.3 LDO的應用選擇

開關穩壓器是一種采用開關組件與能量存貯部件（電容器和感應器）一起輸送功率的DC-DC轉換器，它提高了電源轉換效率和設計靈活性。開關穩壓器主要分為以下兩類：電感儲能開關穩壓器和無電感型開關穩壓器（充電泵）。

3.1 電感儲能開關穩壓器的工作原理

電感用于儲存能量及向負載釋放儲能，電感在開關管開通狀態下從Vg獲得能量。

4 DC-DC變換器的應用選擇

5 結論

通過分析比較最常見的兩類三種直流穩壓電源，了解了直流穩壓電源的結構及構成原理，提出了電源電路環路控制的設計方案，為直流穩壓電路正確合理的設計提供了參考方案。根據不同的實際設計需要和參數選用不同類型直流穩壓電源，有利于整個系統平穩安全的工作。

參考文獻：

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[5] 嚴惠瓊，都思丹.新型National系列半導體電源芯片分析綜述[J].南京大學學報，2007（43）：35-46.

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關鍵詞 LED 驅動電源 LED燈 發展趨勢

中圖分類號：TM923 文獻標識碼：A

1 LED驅動電源定義

LED驅動電源把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發光的電壓轉換器，通常情況下，LED驅動電源的輸入包括高壓工頻交流（即市電）、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流（如電子變壓器的輸出）等。而LED驅動電源的輸出則大多數為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。LED電源核心元件包括開關控制器、電感器、開關元器件（MOSfet）、反饋電阻、輸入濾波器件、輸出濾波器件等等。根據不同場合要求，還要有輸入過壓保護電路、輸入欠壓保護電路，LED開路保護、過流保護等電路。

2 LED驅動電源研究現狀

從LED驅動器供電可以將其分成DC/DC和AC/DC兩類。DC/DC驅動器一般由電池、電瓶或穩壓電源供電，主要用于便攜式電子產品、礦燈、汽車等用電設備。AC/DC驅動器直接由市電供電，現階段主要用于裝飾，景觀照明的LED燈。當前，DC/DC驅動器主要有兩種設計方案：電容式電荷泵電路和電感式DC/DC電路。AC/DC驅動器有工頻變壓降壓，電容降壓，buck降壓電路以及單片開關電路幾個設計方案。

3 LED燈照明的優點

與現行照明設備比較，LED照明有眾多突出優點。①發光效率高，耗能少，LED的光效預計可達到200lm/W以上，而且光的單色性好、光譜窄。在同樣的照明效果下，LED的耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一。②使用壽命長，LED的使用壽命可以長達近十萬小時，而白熾燈一般為1000～2000小時，熒光燈為6000～8000小時。③安全環保，LED為全固態發光體，耐震、耐沖擊，而且發熱量低，無熱輻射，無污染。④啟動時間短，LED的響應時間只有幾十納秒，因此適合用在一些需要快速響應的場合。⑤體積小，LED具有小型化、平面化、可設計性強的特點，可以使我們從傳統的點、線光源局限中解放出來，實現照明的隨意布置。

4 LED電源和驅動電路主要技術概況

4.1電壓變換技術

電源是影響LED光源可靠性和適應性的一個重要組成部分，必須作重點考慮。目前我國的市電是220V的交流電，而LED光源屬半導體光源，通常是用直流低電壓供電，這就要求在這些燈具中或外部設置AC-DC轉換電路，以適應LED電流驅動的特征。目前電源選擇的途徑有開關電源、高頻電源、電容降壓后整流電源等多種，根據電流穩定性，瞬態過沖以及安全性、可靠性的不同要求作不同選擇。

4.2電源與驅動電路的壽命與成本

LED壽命方面，雖然單顆LED本身的壽命長達10萬小時，但其應用時必須搭配電源轉換電路，故LED照明器具整體壽命必須從光電整合應用加以考慮。但對照明用LED，為達到匹配要求，電源與驅動電路的壽命必須超過10萬小時，使其不再成為LED照明系統的瓶頸因素。在考慮長壽命的同時又不能增加太多的成本，電源與驅動電路的壽命與成本的通常不宜超過照明系統總成本的三分之一，在LED照明燈具產品發展的初期，必須平衡好電源與驅動電路的壽命與成本的關系。

4.3驅動程序的可編程技術

LED用作光源的一個顯著特點就是在低驅動電流條件下仍能維持其流明效率，同時對于R.G.B.多晶型混光而形成白光來說，通過開發一種針對LED的數字RGB混合控制系統，使用戶能夠在很大范圍內對LED的亮度，顏色和色調進行任意調節，給人以一種全新的視覺享受。在城市景觀亮化應用方面，LED光源可在微處理器控制下可以按不同模式加以變化，形成夜晚的多姿百態的動態效果，在這方面將體現LED相對于其它光源所具有的獨特的競爭優勢。

4.4電源與驅動電路的效率

LED電源與驅動電路，既要有一定的供LED所需的接近恒流的正向電流輸出，又要有較高的轉換效率，電光轉化效率是led照明的一個重要因素，否則就會失去LED節能的優點，目前商業化的開關電源其效率約為80%左右，作為led照明用電源，其轉換效率仍須進一步提升。

5 LED驅動電源發展趨勢

LED由于在經濟環保、壽命時間長、光電轉化效率高等眾多優點，今年來在各行各業的應用得以快速發展和研究，LED的驅動電源也成了最近的關注熱點。但由于驅動電源的設計及驅動方式選擇不當，使得LED燈極易損壞。未來LED驅動電源的發展方向為先恒壓，再線性恒流整合方式。

參考文獻

[1] 蔣天堂.LED的特性及驅動電源的發展趨勢[J].照明工程學報，2011，22（3）.

[2] 陳鵬.大功率全彩色LED驅動電路的研制[D].江西師范大學，2009.

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【關鍵詞】同步降壓；降壓控制器；場效應管

【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

隨著開關電源在計算機、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應用，人們對其需求量日益增長，并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關電源以其效率高、體積小、重量輕等優勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的線性電源。隨著電力電子技術的發展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發展，將開關電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩定性和高性價比等特性。開關電源技術的主要用途之一是為信息產業服務。信息技術的發展對電源技術又提出了更高的要求，從而不斷促進了開關電源技術的發展。

1 研究目的

現在，市場上的高精密開關電源普遍價格較高，一般均在數百及千元以上，而且性能指標并不算很高，且性能指標更高的價格昂貴。我們希望可以設計出一款成本較低、各方面性能可以和市場性能較高的產品相媲美的一款穩壓電源，以借此機會來鍛煉一下自己的動手能力，將自己所學到的知識運用到生產實踐中。

2 方案論證

2.1 PWM控制方案

方案一：采用單片機產生PWM

單片機編程產生的方波信號，易于調節、紋波小、抗干擾能力強。但在完成相應要求的同時，因51單片機資源有限，在控制中需要用到PWM調制和A/D采樣，用51單片機產生高頻的PWM比較困難，而且會造成程序不穩定，況且A/D轉換還需要外部器件，成本也較高。

方案二：采用TL494產生PWM

TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調節電路，內置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調節。但電路較復雜，搭建困難。

方案三：采用LM5119炔康緶凡生PWM

LM5119 是一款雙同步降壓控制器，適用于高電壓或各種輸入電源的降壓型穩壓器應用。其控制方法基于采用仿真電流斜坡的電流模式控制。電流模式控制具有固有的輸入電壓前饋、逐周期電流限制和簡化環路補償的功能。使用仿真控制斜坡可降低脈寬調制電路對噪聲的敏感度，有助于實現高輸入電壓應用所必需的極小占空比的可靠控制。LM5119 的工作頻率可以在 50 kHz 至 750 kHz 范圍內設定。LM5119 可利用自適應死區時間控制來驅動外部高邊和低邊 NMOS 功率開關管。用戶可選的二極管仿真模式可實現非連續模式操作，提高輕負載條件下的效率。具有自動切換外部偏壓功能的高電壓偏置穩壓器可進一步提高效率。其他功能包括熱關斷、頻率同步、打嗝 （hiccup） 模式電流限制和可調輸入欠壓鎖定。該器件采用有芯片連接焊盤的功率增強型無引線 LLP-32 封裝，以幫助散熱[1]。

采用LM5119內部電路產生PWM的優點是電路穩定性強，定時電阻Rt和AGND引腳之間連接的外部電阻可設定LM5119的開關頻率，Rt可同步內部振蕩器至外部時鐘，使振蕩器產生相應的PWM波。

通過比較上述三種方案及結合設計要求，可以看出方案三明顯優于其他方案，所以采用方案三進行設計制作。

2.2 主回路拓撲方案

DC/DC主回路拓撲采用半橋Buck電路，通過LM5119的HO和LO端輸出的PWM控制2個MOS管實現交替導通，通過電感Lo和電容Chb的充放電實現降壓。減小了原邊開關管的電壓壓力，電路結構簡單，可適用較高頻率電路。

3 產品（作品）設計與制作

3.1 輸入輸出電壓設定

輸入電壓范圍設定為12-20V，中心工作電壓16V。輸出設計為兩路：一路輸出9V、5A；另一路輸出5V、9A。通過對芯片使能端的設置，可以實現任一路輸出，也可以同時輸出，并且兩路可以各自獨立工作，互不干擾。

3.2 濾波電容選用

（1）輸入電容Cin：經過不斷實驗嘗試，我們選擇了6個2.2uF的陶瓷電容并聯，實現梯級濾波。

（2） VIN濾波器Cvin：考慮到需防止注入到VIN引腳的高頻開關噪聲引起電源故障，我們選用了0.47uF的陶瓷電容。

（3） UVLO分壓器Cft：考慮到為分壓器提供濾波，我們選用100pF的陶瓷電容。

（4） VCC電容Cvcc：考慮到需要為HO驅動器和自舉二極管提供峰值瞬態電流，并為VCC穩壓器提供穩定性，我們采用了0.47uF的電解電容。

（5）輸出電容Co：考慮到輸出電容器需平滑電感紋波電流引起的輸出電壓紋波，并在瞬態負載條件下提供充電電源，我們選用了兩個220uF的電解電容作為主輸出電容，并加入兩個22uF電容，進一步降低輸出電壓紋波和尖峰。

3.3 開關管選用

開關管一般采用IGBT或MOSFET，IGBT的優點是耐壓高，但導通內阻大，損耗大；MOSFET優點是導通內阻極小，但耐壓不高，但考慮到輸入輸出電壓均不高，且要求損耗小、體積小，所以選用貼片式低損耗MOSFET[2]。

3.4 輸出電感制作

進口貼片電感價格太高、采購耗時長，而且參數不可改變，所以我們采用自制電感，可以很方便通過改變電感線圈匝數而改變電感參數。

3.5 電路原理圖設計

根據設計方案和芯片使用說明，我們自主設計了工作原圖，由于在制作期間，需要多次調整參數，所以畫的原理圖未標出參數的具體數值，以便隨時調整元件參數。原理圖是使用ALTIUM DESIGNER軟件設計的。原理圖見圖1。

3.6 PCB設計

為了使控制芯片元件布局緊湊且達到良好效果，PCB板采用四層設計，讓電源和接地各占一層，并進行分區，避免信號地和模擬地之間的串擾。由于電源線、接地線不再占用頂層和底層板面資源，所以可以將元器件布置得更緊湊，芯片工作狀態更好，可以獲得極佳效果，PCB板圖見圖2

3.7 產品制作

根據設計要求，我們通過反復論證確定了元件參數、型號和數量，并選購所需材料。然后精心制作，雖然絕大部分元器件采用貼片封裝，但我們都采取了手工焊接，實踐證明效果很不錯，作品實物圖見圖3。

4 總結

4.1 本產品（作品）的性能

本產品制作成本約為100元左右，而市場精密電源售價一般在數百甚或千元以上，我們的產品成本遠遠低于市場同類產品的價格，與我們同等價格的產品測出的性能指標比我們的產品性能指標相差一個數量級。紋波測試見圖4

從表1可以看出，我們產品的成本低、效率高，性能要遠遠高于市場水平，具有較大的發展前景。

4.2 本產品（作品）的創新點

（1）采用四層PCB板設計、元器件布局緊湊合理，電源工作狀態良好。

（2）自制電感線圈，替代了進口產品，不僅使電源綜合成本降低20%以上，而且感參數可以自行調整。

（3）本產品制造成本低，而性能指標高（見表1），主要指標均高于市售產品水平。

（4）極高的效率，對于滿載輸出45-90W的電源（單路輸出45W，雙路輸出90W）達到92.3%的效率，已差不多到了極限。

（5）采用節能設計，輕載時可以啟用二極管仿真模式，可以實現高效輸出；重載時，禁用二極管仿真模式，增強帶負載能力。

【參考文獻】

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【關鍵詞】全電動注塑機交流伺服驅動器；TMS320F2812；智能功率模塊；矢量控制；開關電源

1.引言

傳統液壓型注塑機存在功耗大、噪音大、污染較大及控制精度不夠精確等問題，開發節能環保、高速高效、低噪聲以及高度自動化的全電動注塑機成為注塑行業的趨勢和熱點。

全電動注塑機的性能在很大程度上依賴于其運動控制系統的精密性和穩定性，因此好的動態響應性、大扭矩輸出、高精度閉環控制、良好的制動性能等是設計控制系統方案時需要考慮的因素。全電動注塑機是高端注塑機綠色技術的代表，目前已被廣泛應用于精密光學、生物醫藥、汽車電子、精密齒輪、數碼電子、食品包裝和微型連接器等中高端注塑行業中[1]。

永磁同步電動機（PMSM）具有動態響應性好、輸出扭矩大、閉環控制精度高、制動性能好等性能特點[2]，能夠很好地滿足全電動注塑機的性能需求。為此，全電動注塑機的注射、鎖模、計量和頂針部分的驅動控制通常都采用了交流伺服驅動器。

本文介紹基于DSP的全電動注塑機交流伺服驅動器的控制原理、硬件組成和軟件設計，并給出了實驗結果。

2.全電動注塑機伺服驅動器的應用結構

全電動注塑機伺服電動控制系統主要是在注塑機的注射、鎖模、計量和頂針等四個單元采用交流伺服驅動器控制[3]，其結構如圖1所示。

各個驅動單元通過串行數據方式將位置信號反饋到注塑機控制系統，同時通過模擬量輸出接口將轉矩和速度信息反饋到注塑機控制系統；注塑機控制系統根據驅動單元的反饋信息和注塑工藝的需求，進行位置和壓力控制得到速度和轉矩指令，通過模擬量輸出接口輸出到具體的驅動單元，驅動單元將按照給定指令實現電機的實時控制。同時各個驅動單元還將電源和驅動單元故障信息反饋給注塑機系統，實現系統的可靠控制。

3.永磁同步電機的控制原理

永磁同步電機是一個多變量、強耦合、非線性的系統，為了對其進行深入了解，需要引入坐標變換[4]，通過永磁同步電機的數學模型經過坐標變換，我們可以得到以下在坐標系的數學模型：

定子電壓方程為：

（1）

定子磁鏈方程為：

（2）

電磁轉矩表達式改寫為：

（3）

式中、為坐標系下的兩相電壓；、為坐標系下的兩相電流；、為坐標系下的定子磁鏈；為電磁轉矩；為定子電阻；、為兩相定子電感；為兩相電流、合成的電流矢量；為兩相電流、合成的電流矢量；為電流矢量與軸的夾角；為永磁體的磁鏈；為電機磁極對數。

永磁同步電機矢量控制方案如圖2所示，速度指令與實際速度的偏差經過速度調節器產生相應的軸電流給定，電機相電流經坐標變換后轉換到坐標系上，坐標系上的給定電流和實際電流分別進行電流調節器的結果經過PARK逆變換后得到相應的參考電壓，再通過SVPWM調制產生PWM信號驅動智能功率模塊（IPM），從而控制電機的轉矩、速度。位置檢測采用17位絕對式編碼器，根據位置變化算出電機的實際速度。

4.伺服控制器的硬件系統實現

硬件電路主要包括主電源電路、控制板電路和功率板電路三部分，主電源主要提供穩定的直流母線電壓，控制板電路主要包括DSP和FPGA，功率板電路主要包括IPM和開關電源，其原理框圖見圖3。

4.1 主電源電路硬件設計

主電源單元的輸入電源分為控制電源和功率電源，控制電源使用220V，功率電源使用380V。主電源電路在自檢正常后，由注塑機系統控制380V輸入功率電源的斷開和吸合。輸入功率電源經整流濾波后得到直流母線電壓，直流母線電壓作為后級各個功率電路的母線電壓輸入。主電源的報警檢測電路對輸入功率電源進行欠壓、過壓和缺相實時檢測，同時對直流母線電壓進行欠壓、過壓制動實時檢測，一旦檢測到異常狀況，將產生報警，同時控制電路的報警檢測電路將能檢測到主電源電路異常。

4.2 控制電路硬件設計

控制電路硬件設計采用DSP+FPGA的架構。DSP是整個伺服控制系統的核心，實現電機控制的矢量控制算法。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F2812芯片，該芯片最高時鐘頻率可達到150MHz，具有豐富的外設接口：捕捉單元CAP、光電編碼盤接口QEP、12位的模數ADC，脈寬信號輸出PWM、串行通信接口SCI、串行外設接口SPI、增強型局域網絡控制器eCAN等，這些特點使得這款芯片非常適合于伺服驅動器的設計[5]。

電機相電流檢測是通過采用采樣電阻將功率電路中的霍爾電流傳感器感應到的電流信號轉換為電壓信號，再經過調理運放電路的處理后，得到一個0～3V的電壓值，然后由DSP的ADC模擬輸入口進行電流檢測。

對于外部輸入開關信號，采用光耦進行隔離處理，然后進行電平轉換，再輸入到DSP的IO端口。

為了讓DSP有更多的時間資源來實現電機控制算法，設計中采用了FPGA來做相應的數據通信和數據采集。在FPGA內部實現了雙口RAM，用來與DSP之間通過總線實現數據傳輸。

FPGA主要完成轉速和轉矩指令輸入檢測，實際轉速和轉矩反饋輸出、17位絕對式編碼器位置數據讀取和存儲，LED按鍵顯示控制，主電源和功率電路報警檢測處理，同時還通過串行總線將位置信號反饋給系統。

4.3 功率電路硬件設計

根據不同的功率需求選擇不同的功率模塊，這里以三菱公司的第5代智能功率模塊IPM（PM50RLA120）為例。模塊PM50RLA120內部采用1200V、50A的IGBT功率管，將7只IGBT功率管封裝在一起，組成三相逆變電路，及制動電路，同時內部集成了驅動電路，并設計有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路?？刂齐娐份敵龅?路PWM信號經過快速光耦隔離驅動IPM模塊。

功率電路設計了IPM故障保護環節，故障保護信號由硬件實時檢測，一旦出現控制板的DSP檢測到故障保護信號，將在DSP中通過報警信號軟件程序處理，DSP立刻禁止PWM驅動信號輸出，同時伺服驅動器將發出報警信息。電流采樣電路采用霍爾電流傳感器，實時檢測電機UW兩相電流的瞬時值，然后將檢測到電流值傳送到控制電路處理，接入到DSP的A/D模擬通道。

控制電源采用開關電源方案，選用PI公司的TOP255功率開關器件，這樣的電源電路可以滿足體積小，可靠性高，交流輸入范圍寬，同時電源紋波小的要求。

5.伺服控制器的軟件實現

伺服控制器軟件采用C語言編寫，每個算法都采用模塊化的設計思想，使得整個軟件結構緊湊、模塊接口清晰。伺服軟件包括主程序、PWM中斷服務程序。

主程序主要完成初始化工作，其中DSP外設（系統時鐘、SPI、ADC、CAN、SCI、IO、事件管理器）及中斷設置的初始化、伺服參數計算，同時在主循環中還負責完成實時性要求不高的系統處理任務。

PWM中斷服務程序完成實時性要求比較高的電機矢量控制算法，控制周期為100us。它主要完成通過總線讀取從FPGA發送過來的數據（絕對式編碼器數據、轉速和轉矩指令）、Iu和Iw兩相電流采樣及電流環PID調節、Clark變換、Park變換、Park逆變換、SVPWM空間矢量算法，PWM信號生成。同時每10次PWM定時中斷后，完成一次速度計算、速度環PID調節等。其控制流程如圖4所示。

6.實驗結果

為了驗證設計的可行性和有效性，對基于上述設計方案的伺服驅動器進行了實驗驗證。采用了廣州數控設備有限公司生產的130SJT型電機進行了實驗研究，電機參數如表1所示。

采用轉矩測試平臺進行實驗，電機通過聯軸器和磁粉振蕩器給電機進行加載，它們的轉動慣量和為4.05*10-3kg?m2。信號采集采用的是泰克TDS2024示波器，對伺服驅動器輸出的速度模擬輸出信號進行采集得到速度波形，同時對UW兩相電流進行檢測。

本實驗采用空載進行實驗，得到了速度階越響應和兩相電流響應曲線，圖5是電機從靜止到額定轉速1500rpm的速度響應，圖6是兩相電流的階躍響應波形，上半部曲線是U相電流響應曲線，下半部曲線是W相電流響應曲線。

實驗結果表明系統具有較好的動態響應、控制精度高，能夠較好地滿足對全電動注塑機控制精度和穩定性的要求。

7.結論

介紹了一種基于DSP的全電動注塑機交流伺服驅動器的控制原理、硬件組成和軟件設計。設計方案采用TMS32F2812+FPGA的控制電路方案，設計中FPGA完成相應的數據通信和數據采集，因而DSP有更多的時間資源來實現電機控制算法。軟件算法都采用模塊化的設計思想，使得整個軟件結構緊湊、模塊接口清晰，充分優化軟件結構，提高軟件算法的可靠性。

相比液壓或混合驅動的注塑機，使用交流伺服驅動器的全電動注塑機具有更加優越的控制精度和重復定位精度，從而大大提高了產品的質量，同時具有節能環保的作用?；谠撛O計思路的全電動注塑機交流驅動器已經應用到實際生產中。

參考文獻

[1]張友根.全電動注塑機伺服動力驅動系統的運動學和力學的計算理論及應用的研究（上）[J].橡塑技術與裝備，2012（5）：1-13.

[2]寧建榮，朱成實，鄢利群.基于永磁同步電動機的全電動注塑機控制系統設計[J].工程塑料應用，2008（1）：65-68.

[3]杜旭，姜重然，張明強，李麗.注塑機伺服電動控制系統的研究與設計.佳木斯大學學報（自然科學版）[J].2012（2）：229-231.

[4]李崇堅.交流同步電機調速系統[M].北京：科學出版社，2006.

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【關鍵詞】LED照明；驅動電源設計

隨著全球性的資源短缺和環保問題，半導體照明受到世界各國及產業屆的關注。LED給人類帶來了一次光源的革命，其壽命長、環保、節能、可靠性高，受到了用戶的青睞。隨著外部市場環境，政府的推動以及LED整體價格的下降，傳統的白熾燈泡將逐步會被這種新型能源所取代。

當然，作為一個新生事物，LED照明也受到了一些挑戰。目前，LED燈具在價格方面還是相對較高，這樣也就要求LED燈具在壽命上需有所保證。我們知道，LED燈珠的壽命一般都能保證在50，000小時以上，而驅動的好壞將直接決定著LED整燈的壽命，怎樣設計出一款合適可靠的LED驅動，也就是LED照明需要關注的問題。

工業開關電源在國內已經發展有二三十年的歷史了，相對比較成熟。而LED作為一個新興的產業，其電源驅動部分相對顯得較晚，但大體設計方案還是源于工業開關電源。因室內照明目前市場化運作較為成熟，現針對室內照明來分析電源驅動的設計。

室內LED照明燈具大致有以下幾種類型：平板燈，球泡燈，GX53，筒燈，T8& T5管燈，MR16，玉米燈，蠟燭燈等。

選擇一款合適的驅動以保證整個燈具的價格和性能有一定優勢，也將對這些燈具在市場上的推廣及應用起著事半功倍的效果，我們通過對以上照明燈具的細分來對電源部分作一個分類及總結：

一、平板燈

市場上常見的平板燈的尺寸大小為300*300，300*1200，600*600，600*1200，150*1200，其體積一般較大，我們可采用外置恒壓電源+LED恒流的模式來進行設計，將后級的LED恒流部分直接設計在LED燈板上，前級的LED恒壓電源，可采用傳統的工業電源，因工業恒壓電源在國內已有一定的歷史與規模，性能及價格相對比較有優勢。這樣，整燈的價格及性能都能得到相應的保證。

二、球泡燈&筒燈

這兩種類型的燈具在外形上雖然不一樣，在LED驅動方案的選擇上，大體可保持共用，以最合理的方式來保證整燈的性價比。

從整燈的功率部分來看，市場上球泡燈一般從3W～12W左右，而筒燈在8W～20W左右，這樣可按功率將驅動做成3W，6W，12W，20W。因筒燈在國內市場上是需要3C認證的，在國際市場上CE，UL等也將其納入檢測范圍，所以在設計之初必須考慮產品的安全性。一般該驅動電源以隔離型為主，這樣將有助于安規檢測以及機構件上的優化。這種隔離型電源大體可分為以下兩種模式：

1.低成本，無頻閃

在小功率部分，如10W以下，可將開關MOS集成在芯片內部，采用原邊反饋模式，這樣將有助于降低產品成本，減少產品體積。

該方案在前級加入了大的電解電容，可以使輸出電流紋波減少，保證了產品無頻閃，起到了保護視力的作用。但其PF值相對較低，在小功率、對PF值無太大要求的情況下，此方案有較大優勢。

原理圖如圖1。

2.高PF值

出于對電網的保護，有些市場對整燈的PF值是有一定要求的，這樣我們可以采用帶主動PFC的芯片，大致原理圖如圖2。

因前級去掉了大的電解電容，而芯片自帶PFC功能，這樣保證了整燈的PF值〉0.92，有助于對電網的保護，節省國家電力。

隔離型LED驅動方案大體上可分上述兩種，其他類型燈具開發可在此基礎上作為設計平臺開發.

三、T8&T5管燈

T8管燈在目前市場上是比較常用的一種燈具，其主要用于工程及商業化照明.從長度上可分為0.6m，1.2m，1.5m，該驅動設計在市場上目前分為兩種方案：

（一）非隔離型方案：此方案以東南亞國家為主，其優點是價格低，在此拓樸結構下，又大體分兩種方案：

1.一種是以被動式即填谷電路為主的降壓型驅動方案，其輸出電流紋波小，無頻閃。但為了保證整燈的壽命，其電容需用高可靠性，成本相對較高，如圖3。

2.一種是以主動式PFC的驅動方案，其可省掉前端大電容，同時不需額外增將元器件，即可保證高PF值，成本相對較低，但其輸出端紋波電流較大如圖4。

（二）隔離方案：此方案大多用于歐洲市場，其對價格不太敏感，對安全性要求較高。

其方案類似于前面提及的球泡燈及筒燈驅動方案。

上述方案是室內照明在驅動設計上的大體方向，但為了保證驅動電源的高壽命，在設計上，我們還需要考慮以下方面：我們知道，燈具散熱一直是業界研究的課題，這樣對于驅動電源來講，其工作環境溫度相對很高，拿10W的球泡燈舉例，市場上的球泡燈內部工作環境溫度達到了80℃，而在此高溫環境下，電解電容的電解液容易再高溫環境下被烤干，易損壞，所以在該電解電容的選擇上就要格外注意，以保證整燈的壽命。一般應選在105℃，10，000小時以上。

為了提高產品的可靠性以及市場的認知度，我們除了在方案選擇上需作全方面的考慮外，在安規及相關認證上也需要做相應的考慮，目前常用的認證有CE，3C，UL，TUV等。針對目前市場上常用的認證做如下統計，詳見表1。

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【關鍵詞】LED驅動電源；功率因數校正；半橋LLC諧振變換器；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）具有發光效率高、功耗小、壽命長、光污染小、光線質量高等優點，已在各個領域得到廣泛應用。近些年隨著大功率的LED發光技術的升級，大功率的白光LED越來越多的被應用于通用照明領域。可以說，作為新一代光源，LED的應用已經成為照明的發展方向。目前LED應用的熱點之一是LED的道路照明。

LED路燈的電源控制和驅動系統是保證其功能和高效的重要基礎。文章結合大功率LED驅動電源的發展現狀，提出了一款基于PLC810PG的半橋LLC諧振式的LED路燈開關電源的設計方案，把輸入分壓與半橋兩個開關各自形成一路Boost電路，實現了功率因數校正作用，后級采用LLC諧振負載網絡，實現了軟開關，提高了工作效率。

1.系統結構

由于LED路燈功率較高，LED路燈電源不宜再沿用單開關反激式電路，而必須采用支持相應功率的電路拓撲，例如半橋LLC諧振拓撲結構。如圖1所示，Q1和Q2是半橋開關管（MOSFET），半橋諧振網絡中選用的是LLC結構，Cr、Lr和變壓器T1初級繞組線圈Lm組成LLC諧振網絡。Lb1、Q1、Dds2、Cb組成一路boost電路，Lb2、Q2、Dds1、Cb組成另一路boost電路，兩個boost電路工作在斷續模式下，作為天然的功率因數校正器。其中Lr為變壓器的漏感，Lm為變壓器的勵磁電感。

2.輸入EMI濾波電路和橋式整流電路

從頻率的角度看，EMI濾波器屬于低通濾波器。它能毫無衰減地把直流電和工頻交流電傳輸到開關電源，不但可以大大地衰減從電網引入的外部電磁干擾，還可以避免開關電源設備本身向外部發出噪聲干擾，以免影響其他電子設備的正常工作。本設計中采用的EMI濾波器基本結構如圖2所示。

市電交流220V輸入后，經由電容C1、C2、C3、C4、C5、C6和共模電感器L1、L2組成的輸入EMI濾波器濾波，R1～R3在交流電源切斷時為電容放電提供通路。熱敏電阻RT1用來在電源系統啟動時限制浪涌電流。當電路正常工作后，繼電器RL1將RT1旁路，RT1中幾乎無電流流過，不再有功率損耗，從而使電源效率提高1%～1.5%。BR1為橋式整流器，C7是濾波電容。

3.半橋LLC諧振電路

半橋雙電感加單電容（LLC）諧振轉換器能提供較大的輸出功率，保證半橋MOSFET的零電壓開關（ZVS），具有較高的效率，基本結構如圖1所示。在圖1中，Q1和Q2是半橋開關（MOSFET），Cr、Lr和變壓器T1初級繞組線圈LM組成LLC諧振變換器。

本文設計的LED路燈照明用驅動電源（圖3）中，Q1，Q2為半橋功率開關管（MOSFET）。C39為諧振電容，變壓器T1的初級繞組與其構成LLC諧振回路（通常將圖1中的Lr結合進變壓器初級之中，對于圖3所示的電路拓撲，仍稱作LLC諧振結構，而不稱其為LC諧振拓撲）。T1的次級輸出經全波整流二極管、C37、C38整流濾波后產生52V直流電壓輸出，作為LED路燈模塊的電源驅動。

3.1 電路主要元器件參數設計

系統的額定輸出功率100W，輸出電壓為52V，兩個boost電感的值可由表達式（1）計算得到：

由于輸出功率P0=ηPin，效率值為90%，一般母線電壓為1.2倍峰值輸入，由此可求出系統的兩個boost電感值。我們在當系統工作在fr的頻率下來進行分析，此時LLC電路的電壓增益為1，即可求出變壓器的匝比為

圖（3）中C39不僅起電容隔直的作用，也為負半周的諧振提供能量。且C39兩端最大電壓滿足

其中fmax表示最大的開關頻率，由表達式（3）可求出C39的值。由于系統工作頻率，我們將fr取100kHz，則可求出系統中的Lr的值。

而由表達式（4）也可求出系統的勵磁電感取值。

最終取值為：

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

T1匝比為n=4。

3.2 LLC的變壓器T1的設計

變壓器T1使用ETD39磁心和18引腳骨架。先繞次級繞組，次級繞組使用175股40AWG（Φ為0.08mm）李茲線（即絞合線），從引腳10到引腳12，再從引腳11到引腳13各繞9匝，并覆蓋2層聚酯膜。初級繞組使用75股40AWG（Φ為0.08mm）絞合線，從7引腳開始到9引腳結束，繞36匝，再繞2層聚酯膜。其電感量是820μH（±10%），漏感是100μH(±10%)。將分成兩部分的磁心插入骨架中對接在一起，在磁心外面用10mm寬的銅皮繞一層，用焊錫將接縫焊牢，再在銅皮與引腳2之間焊接一段Φ為0.5mm的銅線。在銅皮外部用聚酯膜覆蓋起來。

3.3 基于PLC810PG的LLC控制電路

PLC810PG的CCM PFC控制器只有4個引腳（除接地端外），是目前引腳最少的CCM PFC控制器。這種PFC控制器主要是由運算跨導放大器（OTA）、分立電壓可編程放大器（DVGA）和低通濾波器（LPF）、PWM電路、PFC MOSFET驅動器（在引腳GATEP上輸出）及保護電路組成的。PFC控制器有兩個輸入引腳，即引腳ISP（3）和FBP（23）。FBP引腳是PFC升壓變換器輸出DC升壓電壓的反饋端，連接OTA的同相輸入端。OTA輸出可視為是PFC控制器等效乘法器的一個輸入。OTA在引腳VCOMP（1）上的輸出，連接頻率補償元件。反饋環路的作用是執行PFC輸出DC電壓調節和過電壓及電壓過低保護。IC引腳FBP的內部參考電壓VFBPREF=2.2V。如果引腳FBP上的電壓VFBP＞VOVN=1.05×2.2V=2.31V，IC則提供過電壓（OV）保護，在引腳GATEP上的輸出阻斷。如果電壓不足使VFBP＜VIN(L)=0.23×2.2V=0.506V，PFC電路則被禁止。如果VFBP＜VSD(L)=0.64×2.2V=1.408V，LLC級將關閉。PLC810PG的ISP引腳是PFC電流傳感輸入，用作PFC算法控制并提供過電流（OC）保護。PFC在ISP引腳上的過電流保護（OCP）解扣電平是-480mV。

設計的電路中52V的輸出由R67、R66采樣，經穩壓器U3，光電耦合器U2及R54、D16、R53等反饋到U1的FBL引腳，來執行輸出電壓調節和過電壓保護。流入引腳FBL的電流越大，LLC級開關頻率也就越高。最高開關頻率由U1引腳FMAX與VREF之間的電阻R52設定。R49、R51、R53設置下限頻率。C27是LLC級軟啟動電容，軟啟動時間由C27和R49，R51共同設定。

R59是T1初級電流感測電阻。R59上的電流感測信號經R47、C35濾波輸入到U1的ISL引腳，以提供過電流保護。

偏置電壓VCC經R37、R38分別加至U1的VCC和VCCL引腳，將U1模擬電源和數字電源分開。R55和鐵氧體磁珠L7，在PFC與LLC地之間提供隔離。U1內半橋高端驅動器由自舉二極管D8、電容C23和電阻R42供電。Q10和Q11散熱器經C78連接到初級地（B-）。

4.PFC功率因數校正電路

L4、PFC開關（MOSFET）Q3、升壓二極管D2和輸出電容C9等組成PFC升壓變換器主電路。在140～265VAC輸入電壓范圍內，輸出電壓穩定在385VDC（B+與B-之間），并在BR1輸入端產生正弦AC電流，使系統呈現純電阻性負載，線路功率因數（PF）幾乎等于1。晶體管Q4、Q5等組成Q3的緩沖級。R6和R8是PFC級電流傳感電阻，二極管D3、D4在浪涌期間箝位R6和R8上的電壓（即兩個二極管上的正向壓降）。

4.1 PFC升壓電感器的設計

PFC升壓電感器L4使用PQ32/20磁心和12引腳骨架，L4主繞組使用#20AWG（美國線規，約＜0.8mm）絕緣磁導線，從引腳1開始到引腳6終止，繞35匝，電感量是580μH(±10%)。在主繞組外面繞一層作絕緣用的聚酯膜。偏置繞組使用#28AWG(＜0.3mm)絕緣導線從引腳8開始繞2匝，到引腳7結束。在該繞組線圈外面繞3層聚酯膜。在磁心上包裹一層銅箔，并用＜0.5mm銅線將銅箔與9引腳焊接起來，作為屏蔽層。在銅箔外面再繞3層聚酯膜。

4.2 基于PLC810PG的PFC控制電路的設計

U1引腳GATEP上的PWM信號驅動PFC開關Q3。R6和R8上的電流傳感信號經R45，C73濾波輸入到U1引腳ISP，來執行PFC算法控制，并提供過電流保護。PFC輸出電壓VB+經R39～41、R43、R46和R50取樣，并經C25濾除噪聲，輸入到U1引腳FBP，來執行PFC輸出電壓調節和過電壓以及電壓過低保護。U1引腳VCOMP外部R48，C26，C28為頻率補償元件。當引腳VCOMP上的信號較大時，Q20導通，將C26旁路，可使PFC控制環路能夠快速響應。

5.實驗研究

在本文以上分析設計的基礎上，試制了一臺100W/100kHz（2A/52V）大功率LED驅動電源的樣機。實驗電路參數如下：單相輸入電壓Uin=220V（50Hz），輸出功率Po=100W，工作頻率fr=100kHz，負載為歐司朗公司1W高亮LED，共分4路，每路25只LED。

圖4所示為中點電壓Vds2與副邊二極管Dr2的電流波形，由圖可知如圖4（a），很明顯在二極管關斷前其電流已經到零，則二極管工作在ZCS狀態，此時工作頻率為90kHz；圖4（b）為在二極管關斷時，二極管電流恰好為零，此時系統工作在fr的工作頻率上，fr為100kHz；圖4（c）為在二極管關斷前，二極管電流并不為零，此時副邊的二極管失去了其ZCS特性，系統工作頻率為125kHz。

圖5所示為半橋開關管Q1的電壓、電流波形，由圖可知開關管工作在ZVS狀態。

圖6為100W樣機測試波形，當其由45%～100%負載變化時，其PF大于0.96；THD在10%以內，滿足IEEE519以及IEC61000－3－2標準；效率在87.2%～91.1%間變化，當系統滿載時，其效率高達91.1%，母線電壓由490V變為375V，滿載時，母線電壓為375V，紋波電壓為5V，紋波頻率為100Hz，由于輸入為交流220V，則其交流輸入電壓峰值為311V，母線電壓只略高于輸入，不會達到二倍峰值輸入，系統輸出電壓為52V，滿載時紋波為1V。

結束語

本文結合當前大功率LED驅動電源的發展現狀，提出一種適用于LED路燈的驅動電源。由于LLC的應用使系統能夠工作在軟開關狀態下，提高了系統的工作效率。經測試，系統在滿載時功率因數達0.992，THD為6.5%，效率高達91.1%。最后試制了樣機，驗證了設計方案的可行性和正確性。

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篇9

關鍵詞 LED 照明 研制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1產品技術指標

1.1產品介紹

由于LED燈具有諸多優點，如：（1）光效率高：光譜幾乎全部集中于可見光頻率，效率可以達到80%-90%。而光效差不多的白熾燈可見光效率僅為10%-20%。（2）光線質量高：由于光譜中沒有紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射，屬于典型的綠色照明光源。（3）能耗小：單體功率一般在0.05-1w，通過集群方式可以量體裁衣地滿足不同的需要，浪費很少。以其作為光源，在同樣亮度下耗電量僅為普通白熾燈的1/8-1/10。（4）壽命長：光通量衰減到70%的標準壽命是10萬小時。一個半導體LED燈正常情況下可以使用50年。（5）可靠耐用：沒有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，非正常報廢率很小，維護費用極為低廉。（6）應用靈活：體積小，可以平面封裝，易開發成輕薄短小的產品，做成點、線、面各種形式的具體應用產品。（7）安全：單位工作電壓大致在1.5-5V之間，工作電流在20-70mA之間。（8）綠色環保：廢棄物可回收，沒有污染，不像熒光燈一樣含有汞成分。（9）響應時間短：適應頻繁開關以及高頻運作的場合。

LED-025日光燈正是基于LED燈的各種特性研制開發，成為新型辦公、廠房照明燈具。該產品具有安全性好、亮度高、功耗小、工作溫度低、使用電壓范圍寬等眾多優點，是辦公照明的一個發展趨勢，徹底解決了老式日光燈工作溫度高、頻繁更換燈管、功耗較大、啟動電壓高、環境污染嚴重等問題。該產品采用專用電源控制電路，實現了發光器件與電源模塊一體化的設計。

1.2產品技術指標

額定輸入電壓：AC 220V 50Hz （AC170～220V均可正常使用）

額定功率：15W/11W/8W

LED光源燈電流：240mA

工作環境溫度：-20℃～+60℃

發光角度：120。0

光通量：1440lm（透光）/860lm（磨砂）。

2設計方案及確定

2.1設計思路

由于LED燈管，無需起輝器，啟動快，功率小，無頻閃，不容易視覺疲勞。它不但超強節能且更為環保，是國家綠色節能照明工程重點開發的產品之一，是目前取代傳統日光燈最理想的產品。

LED使用的是直流電壓，并且電流有一定要求，為了提供恒定的電流，所以需要將AC 220V電壓轉換為DC電壓并且恒流才能實現LED的正常點亮。

為了保持與傳統燈管的兼容性，該LED-025產品需要實現在日光燈燈管上的直接安裝，同時達到相同的照明效果，針對這兩個方面，在設計時產品外形選擇了T8日光燈外罩尺寸，同時，燈腳選取與T8燈腳兼容的尺寸，使該產品與實際的日光燈外形完全相似，通用性更好。在長短尺寸方面，嚴格按照標準執行，適用于各種日光燈架。

LED-025日光燈安裝比較簡單，它分電源內置和外置兩種，該產品為電源內置的LED日光燈。安裝時，將原有的日光燈取下換上LED日光燈，并將起輝器去掉，讓220V交流市電直接加到LED日光燈管兩端即可。因此該產品適用于傳統的T8日光燈架（長度分別為1.2m/0.9m/0.6m）。

2.2設計方案

該產品是采用LED發光器件為光源的照明燈具。主要由鋁型材燈體、電源板、多個大功率LED發光管、PC燈罩等組成。當接通電源后，電源板會按照設定的工作電壓以恒流方式直接驅動LED發光。

該產品電路工作原理是將AC220V交流輸入電壓經輸入濾波、橋式整流，經變壓器進行降壓，達到LED的工作電壓，同時經電流采樣，反饋采樣信號，經UC2843控制芯片控制TOP227工作關與斷，從而控制變壓器的工作模式，達到恒流的效果。

為了實現此性能，該產品采用具有多種保護功能的節能PWM控制器來實現，同時在電壓輸出方面采用非隔離設計，能最大限度的給負載提供工作電壓。為了使產品的通用性更好，在光源板的設計上采用拼接方式，通過光源板的不同拼接方式，滿足了日光燈不同尺寸的需求。

2.3關鍵元器件選用

開關電源的性能主要取決于變壓器的設計是否合理。因此確定變壓器的參數是該產品設計的關鍵所在，同時選用控制芯片也是決定該產品主要性能的關鍵，在PWM控制芯片的驅動方面，對驅動電流有一定的要求，需要在限流電阻方面注意。

關鍵器件特性如下：

UC2843/UC3843控制芯片都是專門設計用于離線或直流――直流變換器應用的高性能、固定頻率、電流模式控制器，為設計者提供使用最少元件的高性能價格比的解決方案。這些集成電路有可微調的振蕩器，能進行更精確的占空比計算、溫度補償的參考、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅動MOSFET的理想器件。是專為低壓應用設計的，低壓鎖定門限為8.5V（通）（下轉第149頁）（上接第141頁）和7.6V（斷）。UC2843控制芯片特性如下：微調的振蕩器放電電流，可精確控制占空比；電流工作模式到500千赫；自動前饋補償；鎖存脈寬調制，可逐周限流；大電流圖騰柱式輸出；欠壓鎖定，帶滯后；低啟動和工作電流。而UC2843和UC3843控制芯片又有不同之處，參考兩種元件之間的差異，結合該產品的工作環境和特點，最終選擇UC2843作為該產品的電流模塊控制器。

TOP227開關電源芯片是新型高頻開關電源芯片，它內部集成有PWM控制器、功率開關MOSFET以及多種保護電路，所以，采用該芯片設計出的開關電源具有體積小、重量輕、成本低、電路簡單、效率及可靠性高等特點，它又包括：控制電壓源；帶隙基準電壓源；振蕩器；并聯調整器/誤差放大器；脈寬調制器；門驅動級和輸出級；過電流保護電路；過熱保護及上電復位電路；關斷/自動重啟電路；高壓電源等特性。因此將它作為開關電源芯片的首選。

在變壓器設計方面，本產品主要考慮效率與小型化的設計思路，通過對不同型號的變壓器參數對比，經過大量的試驗，最終選擇了EPC13鐵氧體磁芯變壓器，該變壓器在滿足產品工作效率的同時，可以盡可能的做到表貼工藝，使整個產品達到體積的小型化。

3研制過程

3.1電路及設計

LED-025照明燈的工作原理是主要通過橋堆將220V交流電整流成直流電，通過變壓器將直流電降壓至所需工作電壓，而UC2843控制芯片和光耦通過輸出電壓的變化控制TOP227的工作狀態，最終控制變壓器的通斷，達到穩壓的作用。

輸出的反饋電壓加在光耦發光二極管的正極上，電阻R15組成基準電壓源，為光耦提供基準電壓，這樣光耦中的二極管的發光強度是由輸出電壓控制的，經光耦耦合到UC2843的控制端，從而控制TOP227的控制端，實現脈寬的可控，達到穩壓的目的。

3.2結構設計

為了提高產品的散熱效率，該產品在設計中采用鋁材料進行散熱處理，使產品的熱量盡可能地通過鋁材釋放，使產品的可靠性得到提高。該產品采用鋁外殼和PC罩組合成型，裝配方式簡單易行，適合批量生產。

3.3技術攻關及問題解決

在樣件試制時，根據事先確定的變壓器參數進行試樣，發現該產品的技術參數無法滿足預先設計的技術要求，經過對不同尺寸磁芯的試驗。發現變壓器的磁芯尺寸影響產品參數，最后通過計算和不斷調整磁芯尺寸和線圈匝數，并進行了大量的試驗確定了變壓器的磁芯尺寸和線圈匝數，該問題得到解決，產品技術參數滿足了設計和使用要求。

篇10

隨著電子設備對電源系統要求的日益提高，研究廉價的具有監視、管理供電電源功能的開關電源愈來愈顯得必要。本文在綜合考慮電源各種技術性能和對自身的安全要求以及開關電源性能的基礎上，設計出了一種新型實用的帶有過電壓檢測和保護裝置的智能化電源。它具有以下幾個特點：

（1）實際了對過電壓的檢測，并能記錄每次過電壓的瞬時值和峰值，可啟動備用電源供電，實現對電子電路的保護作用。

（2）具有抗沖擊能力強、使用壽命長、帶液晶屏數字監視的特點，同時通過RS485通信接口與管理計算機通訊能實現“透明”電源的工作和保護等功能。

（3）能實時顯示輸出電壓、電流的大小，過電壓的次數、大小以及必要的參數設置信息。

（4）通過接口與后臺或遠端PC機實現數據傳送。

智能化電源的核心由顯示板、CPU板、通信板、備用電源板、過電壓檢測板、鍵盤、通信轉接板組成。裝置的關鍵是實現電壓的峰值檢測，尤其是過電壓的檢測。本文提出了一種基于單片機的過電壓檢測和峰值電壓檢測方法，實驗證明它滿足了對檢測的快速性和精確性的要求。

2系統硬件設計

系統硬件框架如圖1所示。在正常的情況下，220V的交流輸入電壓經過整流、濾波、DC/DC變換、穩壓電路后可得到一個穩定的輸出電壓，基本上是一個開關電源；當有過電壓時，過電壓信號經過過電壓檢測電路檢測和峰值電壓保持電路保持，控制電源回路，斷開正常工作的交流電路，同時通過計算機啟動備用電源工作，以及完成對過電壓的瞬時值和峰值的測量。

2.1過電壓檢測電路

過電壓對于電源來說是一個非常有害的信號，雷電等引起的瞬時高電壓如果不加遏制，直接由電源引入RTU（遠程終端設備）則會影響其電源模塊的正常工作，使各功能模塊的工作電壓升高而工作不正常，嚴重時會損壞模塊，燒壞元器件（IC）。典型過電壓形成的沖擊電壓脈沖如圖2所示。

過電壓保護的基本原理是在瞬態過程電壓發生的時侯（微稱或納秒級），通過過電壓檢測電路對這個信號進行檢測。過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當于很多串并聯在一起的雙向抑制二極管。電壓超過箝位電壓時，壓敏電阻導通；電壓低于箝位電壓時，壓敏電阻截止。這就是壓敏電阻的電壓箝位作用。壓敏電阻工作極為迅速，響應時間在納秒級。

過電壓檢測電路原理圖如圖3所示。當有過電壓信號產生時，壓敏電阻被擊穿，呈現低阻值甚至接近短路狀態，這樣在電流互感器的原級產生一個大電流，通過線圈互感作用在副級產生一個小電流，再通過精密電阻把電流信號轉變為電壓信號；這個信號輸入到電壓比較器LM393后，電壓比較器LM393輸出高電平，經過非門A輸出的控制脈沖1控制電源回路，斷開開關電源電路，啟動備用電源。控制脈沖2送到單片機的中斷中，單片機控制回咱啟動A/D轉換，采樣過電壓的瞬時值。

2.2峰值電壓采樣保持電路

峰值電壓采樣保持電路如圖4所示。峰值電壓采樣保持電路由一片采樣保持器芯片LF398和一塊電壓比較器LM311構成。LF398的輸出電壓和輸入電壓通過LM311進行比較，當Vi>V0時，LM311輸出高電平，送到LF398的邏輯控制端8腳，使LF398處于采樣狀態；當Vi達到峰值而下降時，Vi<V0，電壓比較器LM311輸出低電平，LF398的邏輯控制端置低電平，使LF398處于保持狀態。由于LM311采用集電極開路輸出，故需接上拉電阻。由過電壓檢測電路輸出端送來的脈沖控制電路開關的導通，沒有過電時采樣電容放電，否則采樣電路一直跟蹤峰值的變化。

2.3單片機控制回路

單片機控制回路如圖5所示。它的主要功能是完成對過電壓的瞬時值和峰值的檢測、過電壓次數的檢測、電源輸出電壓和電流的檢測，并通過鍵盤的操作顯示出各個檢測值的大小；同時通過485接口和上位機實現通訊，在有過電壓的時候通過控制回路啟動備用電源，實現對電源本身的保護。

3軟件設計

系統軟件主要由主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序和通信子程序等組成。圖6是主程序流程圖。

主程序由初始化、看門狗置位、鍵盤掃描子程序、中斷子程序組成。主程序主要進行分配內存單元、設置串行口等器件的工作方式和參數，為系統正常工作創造條件。在主程序運行的過程中，通過按鍵可以顯示檢測的各個量的值；同時在系統過電壓和干擾信號產生時，液晶顯示屏會顯示提示信息，使電源實現“透明”，便于電源的管理。在本系統中，鍵盤采用的是由P1口組成的3×3行列矩陣式鍵盤。由于鍵盤程序的技術已經相當成熟，所以具體過程不做介紹。

圖5