大功率LED照明驱动电源的设计开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着全球人口的不断增长,能源短缺问题日益凸显,各国纷纷积极寻求各种节能办法以应对能源危机。电能的合理利用是节约能源的重要途径,而照明作为电能的重要消耗方式,具有巨大的技术发掘潜力。随着半导体发光技术的发展,基于led的固态照明应运而生。相比于传统电气照明,led照明具有体积小、寿命长、能耗低等特点,因而被公认为绿色安全的优质光源,得到越来越广泛的应用。由此可见,大力推广led照明具有重要的现实意义。led灯具由led光源、散热器和驱动电源组成。作为led灯具的重要组成部分,led驱动电源的功率因数、控制方式和效率将直接影响整个照明系统的性能。目前led驱动电源的发展面临着诸多挑战,相比于发展得较为成熟的小功率led驱动电源,大功率led驱动电源由于在照明性能和技术上要求更高,因此面临更多困难,驱动电源技术成为目前限制大功率led推广应用的瓶颈之一。因而,对大功率led驱动电源的研究紧迫而有意义。

led照明技术的起源可追溯到上世纪六十年代。1962年,ge、monsanto、ibm的联合实验室开发出发红光的磷砷化镓半导体化合物,从此可见光发光二极管步入商业化发展进程;1993年,当时的日亚化工职员中村修二发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓和铟氮化稼的蓝光led,这类led在1990年代后期得到广泛应用;2006年,美国cree公司推出冷白光led “xp.g”,被称为“业界最亮且具有最高效率的照明级led”,该公司在2013年推出光效为276 lm/w的白光功率型led,再度刷新行业最高纪录。我国led照明产业起步相对较晚,目前技术暂落后于欧日美,但发展势头迅猛:2010年,由清华大学集成光电学国家重点实验室与江苏北极皓天科技公司合作开发的大功率led生产项目在江苏宜兴开工建设,首次突破国外半导体照明专利垄断;2012年,浙江德胜新能源公司与科研院校合作,成功突破了大功率led照明的散热技术难题,使led路灯、隧道灯等大功率照明达到5年光亮度基本不减。

led驱动电源技术的不断进步与led照明技术的飞速发展息息相关。由于需要对驱动电源的输出电压进行控制,因而在led驱动电源中dc/dc变换电路必不可少。传统的led驱动电源电路是变压器降压电路,交流电经过变压器降压之后,经过整流及滤波后直接为led供电。依据这一原理,东营加文光电与浪潮华光于2010年联合研发出新型交流驱动ac-led技术,在led灯具低成本、小型化、可靠性和延长寿命等领域取得了较大成功,填补了大陆在这一研究领域的空白。但这一技术却不太适合大功率led驱动电源,由于led为电流驱动元件,为了控制流过led的电流大小,必须给led串联限流电阻,限流电阻发热将产生较大损耗而影响电源效率。随着市场对大功率led驱动电源效率的要求不断提高,研究人员开始尝试其他的拓扑结构,boost、buck和buck-boost拓扑开始应用于dc/dc变换器中,美国的pam公司于2008年推出适用于太阳能供电的高功率led驱动器pam2842,可以工作于升压、降压、升降压三种工作方式,最大输出功率为30w。以上三种拓扑都属于非隔离型拓扑结构,使用元器件较少,成本较低,但由于led灯与交流电源直接相连而无变压器隔离,将大大增加触电几率。为消除这一安全隐患,包括正激式、反激式、推挽式和谐振式在内的隔离型拓扑结构被推广使用,安森美半导体公司在2015年4月推出了一款输出为60w的单端反激式驱动结构的led驱动电源,可将输出电流纹波控制在2%以内。反激式变换器的技术虽较为成熟,但其输出功率和实现的驱动电源效率均较低,无法满足大功率led的要求,谐振式变换器则很好地解决了这两个问题,其中,llc谐振变换器更以其优异的性能逐渐受到大家的青睐。近年来,随着集成电路技术愈渐成熟,llc利用单片机编程实现的控制策略逐渐被日益兴起的控制芯片集成技术取代,研究人员将pwm波集成到芯片中,从而极大地简化了设计过程,例如st公司生产的l6599芯片,ti公司推出的控制芯片ucc25600,以及power integration公司生产的hiperlcs系列控制芯片。目前在大功率led驱动电源领域,许多国家都取得了较为突出的研究成果,并陆续推出可满足不同用户需求的产品:欧洲integrated system technologies公司于2007年推出输出功率为210w的三通道大功率led驱动器idrive 1000,其功率密度非常高,并可通过脉冲幅度调制驱动技术和colourcool散热管理系统来确保最优化led输出和寿命;同年,日本rohm株式会社开发出大功率led驱动器模块,即将驱动电源的控制电路、开关元件、变压器和恒流电路封装成一个完整的模块,并使用电流检测电路以减少损耗。美国在大功率led驱动电源的产业技术开发上一直处于领先地位,美国国家半导体公司于2007年推出共阳电流模式大功率led驱动器lm3433,可通过输出负恒流使led的阳极直接连接接地参考底盘,以提高散热器的散热能力,其dc/dc变换部分采用较短固定导通时间结构的降压恒流稳压器,因而无需加设输出电容器;2011年,美国ti公司推出双极多串llc拓扑架构,相比传统的大功率led驱动架构,省掉了昂贵的多串高压dc/dc降压器,改为多个变压器串联的llc谐振电路,使元器件数量大幅减少,效率提升至92%。在中国,大功率led驱动电源行业正处于蓬勃发展的状态,2008年,英飞特公司发布应用于led照明领域的ewv系列ac-dc驱动电源,可提供超过150w的稳定输出功率,电源效率最高达到95%。

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2. 研究的基本内容与方案

设计的基本内容主要是在对于大功率led驱动电源的结构原理研究分析的基础上,结合用户的实际需求设计一款输出功率为350w的led照明驱动电源,要求如下:输入电压为交流85~264v/50hz,控制模式为恒定电流/恒定电压,具有0.9以上的功率因数及0.9以上的工作效率。针对设计要求确定该电源电路拓扑结构和控制策略,完成系统硬件电路设计及参数选择,并利用仿真软件验证设计的正确性。

在分析设计的具体要求、查阅相关文献资料及调研的基础上,拟采取的设计方案如图1所示:

图1 大功率led驱动电路电源设计框图

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3. 研究计划与安排

第1周 大量查阅论文书籍,撰写并完成开题报告初稿;

第2周 修改、完善开题报告,进行开题答辩;

第3周 撰写毕业设计论文目录,需要获得指导老师认可,并翻译外文文献;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]来清民.led照明驱动电路设计应用实例[m].北京:中国电力出版社,2015:1-1.

[2]沙占友,沙江等.led驱动电源设计入门[m].北京:中国电力出版社,2017:14-16.

[3]lele zuo,et al.design and implementation of llc half-bridge led driver based onncp1396[c].international conference on electrical amp; control engineering.ieee,2011:4424-4426.

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