LED照明系统直流开关电源设计

LED照明系统直流开关电源设计发表时间：2019-12-06T09:21:32.037Z 来源：《基层建设》2019年第25期作者：赵国璋[导读] 摘要：今年，垃圾分类的活动在国内掀起了一场绿色环保风暴，现如今地球的资源变得越来越少，环境污染方面的问题一天比一天严重了，怎么样才能做到节能减排、绿色环保是现今人类需要面对的一个比较紧急的课题。

江苏海伦石化有限公司江苏 214444摘要：今年，垃圾分类的活动在国内掀起了一场绿色环保风暴，现如今地球的资源变得越来越少，环境污染方面的问题一天比一天严重了，怎么样才能做到节能减排、绿色环保是现今人类需要面对的一个比较紧急的课题。

当下LED灯是一个节能的效果特别明显的照明用具，因为它在很多方面的优势比较明显，传统的照明方式逐渐在被其取代。

但是LED灯在照明的时候对于散热、寿命等方面会有相当严格的要求。

所以需要一个对其散热、寿命等要求进行恒流控制，所以对于探讨LED灯的直流开关电源电路应该如何设计以及怎么设计效用最大是非常有必要的。

本次设计预期要求：输入电压3.0V～3.6V；我们可以假设输出电流有100和150以及200mA三档，输出的最高的电压应该在10V以上，输出的最低电压就是0V（此时输出处于短路状态）；我们范围必需要保持在规定的输出的输出电压和输入电压之间，输出电流的误差尽可能要保持在10%以内；如果出现等效直流负载电阻特别大的情况，输出电压限幅值不可以高于10.5V；当输出电流等于200mA，输出电压等于10V时，效率不应该低于70%。

关键词：LED；直流开关电源；电源电路设计。

引言因为城市现代化和经济化的脚步加快，能源的消耗越来越多了，由于许多能源的不可再生性、局限性，所以能源危机就诞生了。

与此同时，二氧化碳的排放量日益增加这导致了全球变暖。

现如今，如何节能减排已经是一个国际社会的热点话题了。

照明一直占着能源消耗的大头，世界上的总的能源的消耗中照明就占据了五分之一左右，所以提高照明的效率对节约能源有着非常重要的作用。

照明系统的效率究竟该怎么提升，照明用具如何做到绿色环保，照明系统的寿命如何能够得到延长，答案就是LED照明系统。

LED照明系统和我们传统的照明以及其他的照明对比之下有以下这些优点：第一，LED照明在节能方面的效果和传统的照明方式来比较更加具有高效性。

比如说，传统的白炽灯能够达到的真正的光效也只能达到百分之二十，就连节能灯最多也只能待达到百分之五十左右的光效，这大大损耗了电能，与此同时，这些灯光线中还存在大量的光辐射。

但是LED的光效是这些普通照明光效的二至四倍，而且它的功耗非常低，相比于传统光源节约了近百分之八十的电能。

第二，LED照明系统的寿命更加长一些。

因为LED属于固体冷光源，所以灯丝可能会发光发热甚至极易出现燃烧、热沉积或者光衰等其他照明系统会出现的缺点是不会存在于LED照明中的，使用的寿命可以达到6万小时甚至10万小时，至少是传统照明光源的寿命的十倍。

所以LED的超长寿命和经久耐用性，就大大地减少了维护和更换的费用，随之成本也降低了。

第三，LED光源更加绿色环保。

比如说现在仍然在广泛被使用的荧光灯，它的光源里面存在着汞元素，这种元素长期使用会对于人体的伤害特别大，况且这种荧光灯不仅仅在于发光过程中有危害，甚至在被废弃以后对于环境也造成了特别大的破坏。

而LED因为使用冷光源是零辐射的，在使用的过程中就不会产生有害的物质，并且其在光谱中并不会产生紫外线和红外线。

综上述三点论述得出LED光源具备的这些优点决定了其的应用前景和市场是非常广阔的，是能够成为照明领域的最受欢迎的照明系统。

然而，如何应用好LED照明，还需要设计一套合适的电源开关设计。

单从理论上来说，一个LED照明用具可以使用的时长最少能够达到6万小时，但是在我们现实的生活的使用中，因为很多关于开关电源的设计不当以及并不合适的驱动方式，LED照明用具忽明忽暗，大大降低了它的使用寿命。

现在很多生产LED灯的生产商对于LED灯供电所采用的方法基本上都是阻容降压，其实这样的技术方法是没有什么效率的。

在生产LED产品的时候必须要根据当前产品的需求以及它能够应用的场合，设计合理的直流电开关电源，这样LED照明灯具的效率才会变高，才会更加可靠，LED照明系统的优势才会更加突出。

1 直流开关电源相关概念1.1 内涵直流开关电源就是用通过电路控制开关管让交流电源经过变压器之后转化为高频的直流电源的一种开关电源，这样就能够产生一组更甚至多组的电压。

之所以可以实现高频交直流电压之间的转化的原因是变压器在变压电路中的效率超出了常规效率，所以变压器的面积可以做到最小化，在运行的时候热量并不会散发出很多，相对来说成本也是比较低的。

1.2 电源组成（1）输入滤波器：它的作用就是有效的过滤掉电网里面存在的杂波，与此同时也要阻止本机的杂波进入到公共电网。

（2）整流与滤波：它的作用就是把电网里面的交流电源转化成直流电源，为了下一级能够变换提供了条件。

（3）逆变：它的作用就是把上一步整流以后的直流电再进一步转化为高频交电流，这对于开关电源来说是最为核心的一个部分，逆变的频率越高就代表着体积、重量和输出功率之间的比值就会越来越小。

（4）输出整流与滤波：它的作用是基于负载的基础上，提供安全、稳定、可靠的直流电源。

2 LED的直流开关电源的设计2.1 LED直流开关电源的主电路设计根据LED照明系统需要设计的直流开关电源的要求，本文设计出了如图3-1的直流开关电源的主电路框架图，虚线以上为开关电源的主电路，虚线以下为开关电源的控制回路。

图3-1 直流开关电源的主电路框图本电源采用PWM 拓扑，原边加箝位二极管，三相交流输入整流后，加LC滤波，以提高输入功率因数，主功率管选用IGBT，控制电路采用UC3875移相控制专用集成芯片，电流电压双闭环控制。

2.2 LED直流开关电源中的降压斩波电路的设计Buck型开关调整器也称降压斩波电路。

它的存在就是为了来解决关于线性调整器在运行过程中会出现的一些问题。

降压斩波电路不需要串接输出晶体管，只要能够在输入和输出之间放置一个高速开关切换的开关管，将输入的直流电压斩成方波，并通过调节PWM脉冲的占空比来调节方波的参数，然后通过一个低通输出功率滤波器来得到相对稳定的直流输出电压。

因为降压斩波电路的组成结构特别简单，不需要特别复杂或者相对来说特别大的元件等等，所以相对应的电源的体积也不会特别大，因此这种方式可以被大规模的推广以及使用的。

开关管通常工作在饱和区或截止区，导通压降小，损耗也很小，所以对于提高向率方面优势很大，最好的效果甚至可以达到达到80%～95%。

系统还引入了负反馈，通过将输出电压的变化反馈到PWM脉冲产生芯片SG3524，来调节PWM脉冲的导通占空比，从而使输出电压保持相对稳定。

如下图3-2所示，功率管开通时，电源给负载供电同时给电感充电，电感起储存电能的作用。

功率管关断时，电感储存的能量通过续流二极管形成闭合回路，为负载供电。

图3-2 降压斩波电路我所设计的LED照明系统所用的降压斩波电路如下图3-3所示。

电路中需要确定参数的元器件有功率管、电感、电容、续流二极管、负载电阻值的确定，其参数确定如下：（1）负载电阻：因为当输出电压为14V时，输出电流为0～0.2A。

所以由欧姆定律可得负载电阻值在70Ω以上，因此负载电阻值取70Ω。

（2）功率管：当功率管截止时，回路通过二极管续流，此时功率管两端承受最大正压为14V；而当α=1时，电流值最大为0.2A。

故需选择漏极最大连续电流>0.2A，最大漏源电压>14V的功率管。

选择功率管的型号为IRF9540。

（3）二极管当：α=1时，其承受最大反压14V；其承受最大电流趋近于0.2A，故需选择≥14V，≥0.2A的二极管。

因此选择续流二极管的型号为SS54。

（4）电感：为了避免电流断续根据经验选择大电感L为100μH。

（5）电容：加在电容两端的最大电压为14V，故选择470μF，耐压值为25V的电容。

图3-3 系统降压斩波电路由上图一可以知道，负载电压的平均值为为功率管在关断状态的时间；为功率管在导通状态的时间；T为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。

由公式1可以得出，负载上的电压平均值最大为E，若将占空比减小，则负载上的电压平均值也会随着减小。

2.3 输入整流滤波电路设计本设计采用的整流桥的工作频率是50赫兹，电压是380伏特，那么整流桥的最大输出电压就是456伏特，整流二极管的峰级电压就是640伏特，此时还应该取百分之五十的裕量就为960伏特，根据实际电压等级，本设计采用的是1200伏芙蓉整流桥。

与此同时我们假设LED系统的最大效率为80%，那么整流桥的电源输出率是1375瓦，交流电压最多输出304瓦，最大输入线电流即为2.61安，此时的输入整流电容是410V。

2.4 LED直流开关电路的安装调试在本设计里面，直流开关电源的安装调试是非常重要的，这能够能够更为直观的感受到本课题所设计的电路是否会取得预期。

在测试直流开关电源电路时我们所采取的工具就万用表，用表针轻轻接触元件的引脚，防止电路短路引起的线路板被烧坏等一系列问题。

在调试的过程中前期的开关电源的功率非常大，，但是在正负端有一瞬间的短路之后功率就变得正常了，但是当把LED照明用具连接上去的时候电源的电压一下子就下降了，电源输出的电流也是非常小，这个时候我才发现是控制芯片损坏了，换了一个新的芯片以后，电源输出的功率还是很低，很有可能是其他元件有损毁。

在直流开关电源里面，电感气到了滤波的作用，因为线圈中通过电流的时候会产生磁场，周围会有磁力线，磁力线会在线圈两端产生感应电势，继而产生感应电流，这会阻止到磁力线的变化。

所以从客观事实方面而言，电感线圈有阻止电流变化的特性。

但是如果电感被损坏了，经过它的直流电示数就会急剧下降，所以控制芯片上所能输出的电流也会很小，所以从理论上来分析应该是电感被损坏了，果然换了一个新的电感之后，电路运行正常。

3 结论总之，经过多次检验上述的过程之后，此次的毕业设计从理论上来说相对还是比较成功的，设计的效果和设计的要求是比较贴近的，也具有一定的实际运用意义。

除了实际技能方面受到了锤炼之外，我对于书本上的理论方面的知识也有了更加深刻的理解，这不仅仅是对于书本固有知识的实践，也包含了一些技术方面的创新，我能够慢慢的从整体方面系统地来思考相关问题了。

唯一让我觉比较遗憾的是在时间方面和我所能够使用到的工具方面等的条件是有限的，使得我没有办法更加深入了解，这次的毕业设计让我对直流开关电源的原理、工作条件和性能等等了解更加加深。

参考文献：[1]吴年祥.LED闪光灯电源的研究与设计[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2016，01：86-98.[2]王帅.无电解电容器AC/DC LED驱动电源的研究与设计[D].华东交通大学，2018.[3]姜忠龄，宋婧婧，孙晓智.LED的特性及驱动电源的发展趋势初探[J].科技风，2018（22）：182.。