LED路燈電源的四種設計方案

LED路燈是LED照明中一個很重要應用。在節能省電的前提下，LED路燈取代傳統路燈的趨勢越來越明顯。市面上，LED路燈電源的設計有很多種。早期的設計比較重視低成本的追求；到近期，共識漸漸形成，高效率及高可靠性才是最重要的。

立锜科技近年來推出了一系列LED照明的驅動IC，也一直關注LED路燈的發展。本文主要是針對幾種不同LED路燈的應用，提出了適合的架構，并對其優缺點進行分析，以便讓讀者能根據具體狀況和設計的路燈種類，找到最合適的方案。

方案一：直接AC輸入，對6串

LED分別做恒流控制

在本文介紹的幾種方案之中，這一種方案應該是目前效率最高、電路成本最低的方案(圖1)。直接用光電耦合器對初級側電路進行回溯控制，調節輸出電壓。相對于其它傳統方案，該方案的開關損耗少。將CS的電壓固定在0.25V，對6串LED分別做恒流控制。IC會偵測FB的位置，將電壓最低那串LED固定在0.5V。此時由于各串LED的Vf值的總和不同，產生的壓降會落在MOS管上，導致一些損耗。如果是一般對Vf分BIN篩選過后的LED，損耗應該可以控制在2%以內，少于一般的開關損耗。

該方案的優點是效率高、成本低，缺點是AC輸入、需要較多的研發成本。該方案適用于可以用AC直接輸入的路燈。

方案二：DC或電池輸入，對6串LED分別做恒流控制

它采用多串的升壓結構設計，LED驅動的方式與前一種類似，差別在于由AC輸入改為DC或是由電池輸入(圖2)。低壓側傳感的設計只要選擇適當的MOS管，LED可以串相當多的顆數。相對于AC輸入的方案，其設計較為簡單。但由于多了一次升壓的開關，效率相對較低。

該方案的優點是設計簡單、電路成本低，缺點是效率較低。它適合太陽能電池或通過適配器輸入的路燈。

方案三：單串降壓結構

有些廠商仍喜歡用單串的設計，優點是維修容易，而且可以做模塊化設計。不同功率的路燈可以使用相同的燈條，只要更換面板，插上不同數目的燈條，就可以組合出各種不同功率的路燈。但它的缺點是每一串都需要獨立的電源模塊，成本較高，而降壓的結構會讓LED的數目受限于IC的耐壓。在圖3所示的例子中，LED最多串到

14顆，如果要設計20W的燈條，就需要使用700mA的LED。為了使效率達到最高，必需針對LED的數目來調節輸入電壓，也就是適配器的輸出電壓。以10顆LED為例，如果要達到最高效率，就必須把輸入電壓調到約42V左右。

該方案的優點是降壓結構效率較高、單串設計、配置較為靈活，缺點是電路成本較高、LED串聯數目受限于IC耐壓。它適合通過適配器輸入的路燈

方案四：單串升壓結構

同樣的單串設計，升壓結構(圖4)會較降壓結構的效率低，但是LED串聯的數目不再受限于IC的耐壓，而是由MOS來決定，因而可以串聯較多的LED。由于大多數的太陽能電池的輸出電壓都不高，因此太陽能路燈較適合使用升壓結構。而選用電流模式的恒流設計，可以讓輸出電流較不受輸入電壓變化的影響，在電池滿載以及快沒電時，都能讓路燈維持相同的亮度。

該方案的優點是串聯LED數目不受IC耐壓限制，缺點是電路成本較高，效率較降壓結構稍低。它適合太陽能路燈。

下表對LED路燈四種電源設計方案的優勢進行了比較并排序。

（文章轉載于網絡，作者：廖光彬

資深項目經理

立锜科技）

篇2：雙電源自投方案設計

　　雙電源自投方案設計

　　隨著工農業生產水平的提高，各單位對供電的可靠性的要求也越來越高，而雙電源設備自投即為解決此問題而采取的有效措施之一。目前常用的雙電源自投大致可分為高壓自投和低壓自投及微機自投三類，這幾種自投方案各有優缺點，現加以分析研究比較，以便合理選用。

　　1、高壓自投

　　采用單母線接線方式，1號、2號電源互為備用，真空斷路器為ZN28系列，配CT8彈簧操作機構，該裝置的交流操作電源引自1TV、2TV，采用交流110V小型接觸器構成交流操作電源的自投，這是高壓自投裝置的重要組成部分。這樣，無論哪一路電壓互感器也能為該自投裝置提供交流操作電源。

　　為防止TV一、二次側一相斷線而引起誤動作，分別采用了三個低電壓繼電器的常閉接點串聯使用，同時在合閘回路及分閘回路也分別串入了閉鎖接點1QF、2QF，使兩組斷路器不能同時處于合閘狀態，防止一路停電時，另一路倒送電，有效地保證了自投裝置動作的可靠性;正常運行時1QF、2QF兩側隔離開關均在合閘狀態，假定1#電源供電，2#電源備用，若1#電源突然停電，由于1QF、2QF接點處于閉合狀態，故斷路器1QF跳閘回路接通，1QF斷路器跳閘，同時啟動時間繼電器，延時后啟動中間繼電器，接通2QF的合閘回路，2QF合閘，改為2#電源供電，1#電源備用。2#電源停電時亦如此，整個過程僅需2s(可調)即可完成，從而有效地保證了供電的連續性。

　　該高壓自投方案具有動作可靠、迅速，適合較大容量變壓器，可帶負荷進行雙電源切換等優點，但一次投資較大，僅高壓斷路器設備就達8萬元左右。另外，為保證自投可靠運行，每年要對該裝置進行預防性調整試驗，保護定值校驗、輔助開關調整、自投整組傳動試驗等。

　　2、低壓自投

　　低壓自投是通過交流接觸器來實現雙電源自投的，當主變壓器失壓后，主變壓器的接觸器失壓跳閘，備用變壓器的接觸器即投入運行，備用變壓器轉為主變壓器運行，而原主變壓器則自動轉為備用變壓器，依次類推。

　　低壓自投方案具有動作可靠、投資小、見效快、易調試、運行方式靈活等優點，整個工程設備投資僅1萬元左右(不包括變壓器)。另外，根據需要，依據此原理還可實現三電源自投，但此種方案僅適用于小容量變壓器，且切換負荷較小的用戶，而且此種方案的問題是，在正常運行時，兩臺變壓器均需投入運行，這無形中增加了線損，不利于變壓器降損節能的需要。

　　3、微機自投

　　微機自投適用于10kV及以上對供電可靠性要求較高的用戶，它具有動作可靠、靈敏準確、易維護等優點，適合較大容量變壓器，可帶負荷進行雙電源切換。

　　以上就是目前常用的自投方案設計，幾種方案各有優缺點，用戶在選擇自投方案時，可根據實際情況，綜合安全、可靠、經濟等因素進行選擇。

篇3：25V至20V可調直流穩壓電源設計方案

直流穩定電源設計

制作人:某某

題目：直流穩定電源的設計

一、任務：設計并制作交流變換為直流的穩定電源。

二、要求：

1．基本要求

（1）穩壓電源

在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍＋15%～－20%條件下：

a．輸出電壓可調范圍為+9V～+12V

b．最大輸出電流為1.5A

c．電壓調整率≤0.2%（輸入電壓220V變化范圍＋15%～－20%下，空載到滿載）

d．負載調整率≤1%（最低輸入電壓下，滿載）

e．紋波電壓（峰-峰值）≤5mV（最低輸入電壓下，滿載）

f．效率≥40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）

g．具有過流及短路保護功能

（2）穩流電源

在輸入電壓固定為＋12V的條件下：

a．輸出電流：4～20mA可調

b．負載調整率≤1%（輸入電壓＋12V、負載電阻由200Ω～300Ω變化時，輸出電流為20mA時的相對變化率）

（3）DC-DC變換器

在輸入電壓為+9V～+12V條件下：

a．輸出電壓為+100V，輸出電流為10mA

b．電壓調整率≤1%（輸入電壓變化范圍+9V～+12V）

c．負載調整率≤1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）

d．紋波電壓（峰-峰值）≤100mV

（輸入電壓+9V下，滿載）

2．發揮部分

（1）擴充功能

a．排除短路故障后，自動恢復為正常狀態

b．過熱保護

c．防止開、關機時產生的“過沖”

（2）提高穩壓電源的技術指標

a．提高電壓調整率和負載調整率

b．擴大輸出電壓調節范圍和提高最大輸出電流值

（3）改善DC-DC變換器

a．提高效率（在100V、100mA下）

b．提高輸出電壓

（4）用數字顯示輸出電壓和輸出電流.

三，穩壓電源的研究背景

本電源在市場上很有應用前景，可以作為收音機或掌機的外接電源，也可以用作手機電池的充電器，功率高點的還作為小型電視或其他家用電器的電源。

直流穩壓電源是電子技術常用的儀器之一，它現在廣泛的應用在學校教學，科學研究等領域，是電子設計人員進行實驗操作和科學研究必不可少的電子儀器。在日常的電子電路中，供電電源常常要用到穩壓直流電源。所以，穩壓直流電源具有非常重要的研究意義。

在日常生活中，很多家用電器或者IT產品都要用到穩壓直流電源供電。但是在實際生活中，我們的家庭用電都是用到220V的交流電網。這就需要通過變壓，整流，濾波，穩壓電路來將交流電轉換成穩壓的直流電，供家用電器使用。變壓器可以將220V的交流電轉換成適合用電器的低壓交流電。整流器由二極管組成，用于濾去整流輸出電壓中的紋波。

四、課題的設計

（1）.

電源的輸出控制

本系統利用lm317的穩壓及其電壓可調的功能，通過旋轉接在調整腳的電位器，實現輸出電壓在1.25-20V內連續可調，調整精度較高。LM317的電壓調整電路圖如圖1所示。

圖1

lm317的電壓調整原理電路圖

如圖1所示，通過調整可調電阻RV1的阻值，就可以調整輸出電壓Vo的大小。所以，如果希望調整的精度高，可調電阻RV1的調整精度也要高。

（2）.方案的設計思路：

a．輸出電壓調節范圍的制定（經小組協商確定其調節范圍為1.25至20v）。

利用lm317集成穩壓芯片為核心，通過變壓器之后整流濾波再穩壓輸出穩定的直流電。再用數字顯示電壓表頭（內含ICL7107芯片），表頭的供電也是用lm317制作+5V的穩壓電源提供。方案系統框圖如圖3所示。

輸出

LM317穩壓電路

變壓器

220AC輸入

電壓表頭

圖3

方案三系統框圖

a．1

LM317芯片的選擇理由

Lm317是可調節三端正電穩壓器，在輸出電壓的范圍是1.25V-37V的時候能夠提供超過1.5A的電流，此穩壓器非常容易使用，只要兩個外部電阻來設置輸出電壓。此外，還使用內部限流，熱關斷和安全工作區補償從而使之能防止燒斷保險絲。

Lm317是應用很廣泛的集成電路之一。它不僅能構成三端穩壓電路的最簡單形式，同時輸出電壓具有可調的功能。此外，它還有眾多的優點，例如，調壓范圍寬，穩壓性能好，噪聲低，紋波抑制比高。它的主要性能參數如下：

輸出電壓：1.25-37V

DC；

輸出電流：5mA-1.5A；

保護電路：芯片內部有過熱，過流，短路保護電路；

最大輸入輸出電壓差：40V

DC；

最小輸入輸出電壓差：3V

DC

b．整流，濾波，穩壓，保護，DC-DC變換，穩流，表頭供電等電路的設計

（b.1）整流電路

整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要是靠二極管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率整流電路中，常見的集中整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設計采用單相橋式整流電路。

單相橋式整流電路是工程上最常用的單相整流電路。在工作時，電路中的四只二極管都是作為開關運用，當正半周時，二極管V1、V3導通（V2、V4截止），在負載電阻上得到正弦波的正半周；當負半周時，二極管V2、V4導通（V1、V3截止），在負載電阻上得到正弦波的負半周。在負載電阻上正、負半周經過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。橋式整流電路原理圖如圖6所示。

圖6

橋式整流電路原理圖

選擇二極管要依據二極管的反向耐壓VRM和正向電流IF。由于濾波電容的容量愈大，二極管導通角愈小，通過二極管脈沖電流的幅度愈大，因此，整流管的幅值電流必須加以考慮。流過整流管的平均電流：

式中Ii

為穩壓器的輸入電流，IR1、IR2、Iadj

分別為流過R1、R2，以及調整端的電流，則：

考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的2～3

倍。二極管最大反向電壓：

式中U2為電源變壓器次級電壓有效值，Ui為整流輸出電壓(即穩壓器輸入電壓)。為了保證穩壓器LM317穩定運行，輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在5～15V范圍，取Ui-U0=10V，得：

設計時可考慮一定的余量。根據計算，1N4007的二極管符合設計要求，可以用作整流橋。

（b.2）濾波電路

采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲存能量的作用，并聯的電容器在電源供給的電壓升高時，能夠把部分能量儲存起來，而當電源電壓減低的時候，就能把能量釋放出來，是負載電壓比較平滑穩定，也就是電容也有平波的作用。電容濾波電路比較簡單，而且負載直流電壓比較高，紋波也比較少，適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合，也減輕了電路設計和實際焊接的工作。電容濾波電路原理圖如圖9所示。

圖9

電容濾波電路

經過濾波，電路的電壓、電流波形如圖10所示。濾波電解電容C的選擇原則是：取其放電時間常數RLC大于充電周期的3～5

倍，其耐壓值必須大于脈動電壓峰值。對于橋式整流電路來說，脈動電壓峰值為2U2，C的充電周期等于交流電源周期T的一半，即C≥(3~5)

T2RL，式中RL為整流后的等效負載電阻，經過考慮，本設計取C為2200uF。

設電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時接通電路，輸入電壓U2為正半周，當U由零上升時，V1、V3導

通，C被充電，同時電流經V1、V3向負載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內阻，電容充電時間常數近似為零，因此Uo=Uc≈U2，在u2達到最大值時，Uc也達到最大值，然后U2下降，此時，Uc>U2，V1、V3截止，電容

C向負載電阻RL放電，由于放電時間常數τ=RLC一般較大，電容電壓Uc按

指數規律緩慢下降，當下降到|U2|>Uc時，V2、V4導通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復上述充放電

過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓，使負載電壓的波動大為減小.

（b.3）穩壓電路

穩壓電路是整個設計之中一個很重要的組成部分，幾乎所有的電子設備都需要穩定的直流電源供電才能正常工作。所以，研究和熟悉穩壓電路的組成和設計具有非常重要的意義。

穩壓電路主要用于提供更加穩定的直流帶能源?？紤]到整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還是有相當的距離，主要是存在兩方面的問題：第一方面，但負載電流變化的時候，因為整流濾波電路存在一定的內阻，所以輸出的直流電壓將有可能隨之發生變化。第二方面，由于電網電壓并不穩定，當電網電壓發生波動時，整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓有關，因此輸出直流電壓也相應的發生變化。因此，在設計中，采用三端集成穩壓器lm317來實現穩定電壓的功能。

其中，調整管接在輸入端和輸出端之間。當電網電壓或負載電流波動時，調整自身的集-射壓降使輸出電壓基本保持不變。放大短路將基準電壓與從輸出端得到的采樣電壓進行比較，然后再放大并送到調整管的基極。放大倍數越大，則穩定性能越好。由于三端集成穩壓器是串聯型直流穩壓電路的一種，而串聯型直流穩壓電路的輸出電壓和基準電壓成正比，因此，基準電壓的穩定性將直接影響穩壓電路的輸出電壓的穩定性。采樣電路由兩個分壓電阻組成，它將輸出電壓變化量的一步份送到放大電路的輸入端。啟動電路的作用是在剛接通電流輸入電壓的時候，是調整管、放大電路和基準電源等建立各自的工作電路，而當穩壓電路正常工作是啟動電路被斷開，影響穩壓電路的性能。保護電路主要起到限流保護，過熱保護和過壓保護的作用。

穩壓部分的電路原理圖如圖11所示。

圖11

穩壓電路原理圖

穩壓電源的輸出電壓可用下式計算：

僅僅從公式本身看，R3、R2的電阻值可以隨意設定。然而作為穩壓電源的輸出電壓計算公式，R3和R2的阻值是不能隨意設定的。1，2腳之間為1.25V電壓基準。為保證穩壓器的輸出性能，R3應小于240歐姆。改變R2阻值即可調整穩壓電壓值。D5，D6用于保護LM317。

首先317穩壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—37V（高輸出電壓的317穩壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R3的比值范圍只能是0—28.6。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好。LM317內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。

LM317屬于深度負反饋的穩壓電路，其功耗比較大，所以有必要討論一下LM317穩壓模塊的散熱問題。

穩壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結溫TJM,當T

表示從結到器件外殼的熱阻，Rθ2

表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻，RθA

表示從結到散熱片表面的熱阻，則RθA=Rθ1+Rθ2。若令Rθd

表示散熱片到周圍空氣的熱阻，Rθ’表示加散熱片后結到空氣的總熱阻，則Rθ’=RθA+Rθd。設集成穩壓器的最高允許結溫為TJM，最高環境溫度為TAM，加散熱器后器件的功耗為PD，則有關系式：

所以器件的最大功耗必須滿足PDM≤PD。

(b.4)過流保護

電路的過流保護原理圖如圖12所示。

圖12

過流保護電路原理圖

R6為取樣小電阻。當電源工作時，穩壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機開始啟動。由于直流電機啟動瞬時電流iout較大(約為額定電流的8～10倍)，iout流過小電阻R6，并經R5對C4充電。通過設定R6、C4的值，使充電時間τ大于電機啟動時間δ，Q1(9013)處于截止狀態，電機啟動到穩定狀態后，電流恢復到工作電流。一旦電機發生短路或堵轉，使電容C4兩端電壓達到Q1的導通電壓，則Q1導通，強制穩壓器的輸出電壓降為基準電壓1.25V。

電機啟動時必須滿足充電時間τ大于啟動時間δ，Q1不導通，電機才能正常啟動。由于啟動電流很大，一般是額定電流的4~7倍，可看成不變，設為I=5I0。根據圖15，可得以下公式：

由于R4R5，所以iR5iR5因此i約等于iR5。此時為一階零狀態輸入響應，求解得：

假設電容C4的電壓達到0.7V為充電時間，得：

設電機負荷在額定狀態下運行，電機電流I0已經穩定。電機短路或堵轉后，電流突然增大到短路電流IS，電容C4開始充電?？紤]一定的設計余量，取保護電流設定值IG

(0+)=I0iR5,強制分量uc4

(∞)=IGR5,求解得：

假設增大到V2導通電壓0.7的充電時間為’,則’必須小于允許短路時間t,即：

要使保護起到作用，uc4

(∞)必須大于0.7V，即：

（b.5）表頭供電電路

用LM317集成穩壓模塊制作一個+5V的電源，然后用一只NPN三極管，兩只電阻，一個電感來進行信號放大，把芯片38腳的振蕩信號串接一個20K－56K的電阻連接到三極管“B”極，在三極管“C”極串接一個電阻（為了保護）和一個電感（提高交流放大倍數），在正常工作時，三極管的“C”極電壓為2.4V－2.8V為最好。這樣，在三極管的“C”極有放大的交流信號，把這個信號通過2只4u7電容和2支1N4148二極管，構成倍壓整流電路，可以得到負電壓供給ICL7107的26腳使用。

表頭正負5v供電電路

（b.6）穩流電路

本電路的穩流模塊采用了LM317集成穩壓電源構成的可調式穩流電路，將上一級產生的12v穩定電壓轉化成輸出端的4——20MA的穩定電流，有穩壓源供電，利用三極管的輸出特性設計，R4，D6，D7組成三極管T的偏置穩壓電路，利用二極管的穩壓作用，三極管T可得到穩定偏置電流Ib，T就有穩定的集電極電流Ic=Io=βIb，Ic的大小不受輸入電壓和負載電阻變化的影響，實現穩定輸出可調電流的題目要求。

穩流電路原理圖

（b.7）DC-DC變化電路

五：擴充部分：

（1）

擴大輸出電壓調節范圍為1.5至20v；

（2）

過熱不保護，在LM317上加有散熱片；

（3）

用數字顯示輸出電壓

六：整體電路原理圖

七：實物圖