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毕业设计(论文)-经济型LED节能灯驱动电路的设计.doc

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毕业设计(论文)-经济型LED节能灯驱动电路的设计.doc

学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□,在_________年解密后适用本授权书。2、不保密□。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名年月日导师签名年月日目录摘要(1)关键词(1)前言(2)1LED的原理、结构及特性(3)11LED的发光原理(3)12LED的基本结构(3)13LED的电气特性(3)14LED的关键参数(5)2电容降压式LED驱动电路研究(6)21电容降压原理(6)22电容降压LED驱动电路的组成(6)23电容降压电路的PSPICE建模分析(7)3输出功率为60W的LED驱动电路设计(10)31驱动电路结构概述(10)32输入EMI滤波器设计(10)33输入整流滤波电路设计(11)34高频变压器设计(12)341变压器指标参数(12)342确定磁芯型号尺寸(12)343计算初级次级绕组匝数(12)344漆包线线径确定(13)345变压器示意图及配置参数(13)35PWM控制电路设计(13)351CR6850芯片简介(13)352CR6850启动模式及启动时间(14)353相应工作模式和定义电流波形参数KP(16)354启动电阻RIN上最大损耗(16)355正常工作频率(17)356FB脚输入端(17)357异常保护功能(18)358PWM控制电路原理图(18)36反馈电路设计(18)37输出整流管及电容的选择(21)38样机制作及实验结果(22)4总结(24)致谢(25)参考文献(25)附录(26)1经济型LED节能灯驱动电路的设计学生田海青指导老师罗志会三峡大学理学院摘要随着全球能源紧缺、环境恶化,人们对健康、环保、节能的要求日益提高。在照明领域白炽灯正在逐步被淘汰,LED(发光二极管)由于环保,寿命长,节能等优点已经成为照明领域的研究热点,显示出极大的潜力和良好的前景。理论上LED的寿命可以达到10万小时以上,目前LED节能灯技术已经基本成熟,但是居高不下的电源成本使LED在照明领域的推广受到极大限制。本文主要通过对LED光电特性,节能灯驱动原理进行研究,运用开关电源知识,设计一个恒流的LED节能灯驱动电源。选择高性价比的解决方案开发出适用于经济型LED节能灯的驱动电源,以达到设计要求。本文第一部分将对LED的发光机理以及光电特性参数进行了介绍;第二部分将对阻容式降压驱动电路进行PSPICE建模分析;第三部分运用开关电源技术,设计了输出功率为60W的LED节能灯驱动电路。这部分对驱动电路各功能模块进行了详细的分析,最后对所设计电路进行了实验验证。论文最后对设计的驱动电路存在的不足进行了分析,并对LED驱动技术的未来发展做出了展望。ABSTRACTTHEDEMANDSFORHEALTH,ENVIRONMENTALPROTECTIONANDENERGYEFFICIENCYHAVEBEENINCREASEDASARESULTOFTHESHORTAGEOFGLOBALENERGYANDTHEENVIRONMENTALDEGRADATIONTHEINCANDESCENTLAMBISGRADUALLYBEINGELIMINATEDINTHELIGHTINGAREA,WHILELEDLIGHTEMITTINGDIODEWITHITSADVANTAGESSUCHASENVIRONMENTALPROTECTION,LONGLIFE,ENERGYEFFICIENCYHASBECOMEAHOTRESEARCHTOPICINTHELIGHTINGFIELD,SHOWINGGREATPOTENTIALANDGOODPROSPECTSTHEORETICALLY,THELIFEOFLEDCANBEUPTO100THOUSANDHOURSTHETECHNOLOGYOFTHEENERGYEFFICIENTLEDLAMPISMATUREDBASICALLY,BUTTHEPROMOTIONOFLEDWASEXTREMELYRESTRICTEDDUETOTHEHIGHCOSTOFPOWERINTHELIGHTINGAREATHISPAPERDESIGNSACONSTANTCURRENTDRIVINGPOWERFORLEDENERGYSAVINGLAMPSBYSTUDYINGTHELEDOPTICALANDELECTRICALPROPERTIESANDTHEDRIVINGPRINCIPLEOFENERGYEFFICENTLAMPSANDWITHTHEKNOWLEDGEOFSWITCHINGPOWERTHEDRIVINGPOWERFORTHEECONOMICENERGYSAVINGLEDLAMPCANBEDEVELOPEDWITHCOSTEFFECTIVESOLUTIONSTOMEETTHEDESIGNREQUIREMENTSTHEFIRSTPARTINTRODUCESTHELUMINESCENCEMECHANISMANDTHEPARAMETERSOFPHOTOELECTRICCHARACTERISTICSFORLED,THESECONDPARTWILLDOPSPICEMODELINGFORANDANALYZETHERCBUCKDRIVECIRCUIT,THETHIRDPARTDESIGNESTHEDRIVECIRCUITFORLEDENERGYSAVINGLAMPWITHTHEOUTPUTPOWEROF60WBYTHESWITCHINGPOWERTECHNOLOGYTHISPARTANALYZESTHEFUNCTIONALMODULESOFTHEDRIVECIRCUITINDETAILANDFINALLYVERIFIESTHEDESIGNEDCIRCUITBYEXPERIMENTSATLAST,THEPAPERANALYZESTHESHORTCOMINGSOFTHEDESIGNEDDRIVECIRCUIT,ANDMAKESTHEFORECASTFORTHEDEVELOPMENTOFTHELEDDRIVETECHNOLOGYINFUTURE关键词LED节能灯,开关电源,恒流驱动KEYWORDSLEDLAMP,SWITCHINGPOWERSUPPLY,CONSTANTCURRENTDRIVE2前言以电力电子学为核心的电源技术与上世纪60年代开始发展。能源危机,温室效应以及生态环境恶化等问题越来越多的引起人类的注意,节能环保已经成为共识。在照明领域人们积极寻找新的替代光源。半导体照明于上世纪末开始发展。LED(发光二极管)由于其环保,节能,,发光效率高,寿命长等优点已成为照明领域的研究热点。因其与传统光源相比具有理论和现实的优越性1,受到广大工程师的青睐,它的出现将照明行业带入了一个全新的技术领域,同时也为节能照明提供了更多的解决方案。这将是人类历史上继白炽灯,荧光灯之后新的照明革命。2011年,国际两大LED巨头欧司朗与CREE公司签署了一项全球性的LED专利交叉许可协议,涵盖的专利技术包括双方的蓝光LED芯片技术、白光LED和萤光粉技术、封装、LED灯具与灯以及LED照明控制系统。这种专利授权所造成的专利壁垒,积极的影响大过于消极的影响,因为这将促进中国LED企业投入更多的资金和精力进行技术的研发。LED照明具有较多优势,必将成为未来照明市场的主流。由于LED照明的巨大发展空间,MELEXIS、LNFINTON英飞凌、LIENEARTECHNOLOGY凌力尔特、SUPENEXINC、ANALOGDEVICESADI、通嘉科技LEADTREND、安茂微电子AME,等国际知名IC公司先后推出了LED照明专用驱动IC,极大地推动了LED照明驱动电源的发展。总体来看,国内LED照明产业仍处于起步阶段。但是在国家相关政策的推动下,国内半导体照明发展迅猛。科技部副秘书长、国家半导体照明工程领导小组组长李健说“我国发展半导体照明产业有巨大机遇。”他认为,中国有的优势一是中国拥有巨大的照明工业和照明市场,这使照明工业在我国有着巨大的发展空间;二是我国已具备一定技术和产业基础,通过“863”等科技计划的支持,我国已初步形成比较完整的产业链。虽然LED照明具有较多优势,但也有其自身的不足。LED没有红外及紫外辐射,其耗能除了转换成光能,其余全部以热能释放,所以对于其配套设施的散热要求较高;LED照明成本极高,虽然它寿命长的优势可以弥补这一劣势,但是从总体上来看其成本还是比其他光源高;目前驱动电源转换效率和恒流精度还不高;电源寿命与LED寿命的不匹配,驱动电源中由于电解电容等一些元件的影响,实际寿命不足20000小时,从而使LED节能灯的寿命大大减小。LED驱动电源市场火热,技术水平良莠不齐,随着LED照明产业的发展,相关技术规范,标准相继出台,这将对LED照明产业的发展起到积极地推动作用。LED驱动电源的发展必须克服转换效率低,电源寿命不匹配,恒流精度不高以及散热等不足,同时在电源设计中要兼顾成本控制,选择性价比高的驱动方案。未来的LED驱动电路必将向体积小、转换效率高、寿命长、散热性好、稳定输出的方向发展。目前LED节能灯技术日趋成熟,但是居高不下的电源成本,使LED照明的发展受到限制。要推进LED照明发展,必须大力发展其配套设施,其中驱动电源是最主要的。所以开发适用于经济型LED节能灯的驱动电路具有极大现实意义。31LED的原理、结构及特性11LED的发光原理LED是利用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能的器件2。LED的芯片是由ⅢⅣ族化合物,如GAAS(砷化镓)、GAP(磷化镓)、GAASP(磷砷化镓)等半导体制备而成的,PN结是其核心部分。因此它具有一般PN结的特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。当PN结外加一个正向偏置电压,即电源正极接P型材料,电源负极接N型材料,PN结势垒降低,电子、空穴移动,N区得电子进入P区,P区的空穴注入N区,从而PN结的平衡状态被打破,空穴和电子在PN结出相遇并发生复合,将多余的能量以光能的形式释放出来,这就是电致发光现象,这也就是LED发光的基本原理。如图11所示3。图11LED发光原理图12LED的基本结构LED主要由芯片、电极和光学系统组成。其基本结构是将半导体芯片固定在导电、导热的带有两根引线的金属支架上面,有反射杯(或反光碗)的一极为阴极,另一根为阳极。四周用环氧树脂密封,可以起到保护芯片的作用,同时可以起透镜(聚光)的作用。传统LED(子弹头型LED)的基本结构如图12所示4。图12LED的基本结构13LED的电气特性LED是一种发光二极管,除了具备发光特性,还具备一般PN结结型器件的特性。4(1)LED的VI特性LED的VI特性是表征芯片PN结特性的关键参数,它是指流过PN结的电流随PN结两端所施加电压的变化关系。具有非线性、单向导电性,即当外加正偏置电压时表现为低阻态,反之为高阻态。LED的伏安特性曲线如图13所示。图13LED的VI特性曲线下面对LED的各个工作区进行简单介绍(1)正向死区(图OA或OA′段)A点对应的电压VA为开启电压,当V<VA,外加电场不能克服因载流子扩散而形成势垒电场,此时阻值很大;对于不同芯片材料的LED其开启电压值不同,GAAS为1V,红色GAASP为12V,GAP为18V,GAN为25V。(2)正向工作区电流IF与外加电压呈如下指数关系/1QVFKTFSIIE11其中IS为反向饱和电流。V>0时,V>VF的正向工作区IF随VF指数上升/QVFKTFSIIE12(3)反向死区V<0时PN结加反偏压VVR时,反向漏电流IR(V5V)时,GAP为0V,GAN为10UA。(4)反向击穿区V<VR,VR称为反向击穿电压;VR电压对应IR为反向漏电流。当反向电压一直增加使V<VR时,则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同,各种LED的反向击穿电压VR也不同。(2)LED的CV特性LED的电容一般包括PN结结电容和内引线分布电容等在内的总电容,其中PN结结电容居支配地位3。LED的芯片有很多种规格,PN结面积大小不相同,使其结电容(零偏压)C≈NPF左右。LED的CV特性呈二次函数关系,如下图14所示。5图14LED的CV特性曲线(3)允许功耗LED的实际功耗是指工作电流和正向电压降的乘积,即PUFIF。LED工作时会释放热量,使结温升高。若结温为TJ、外部环境温度为TA,则当TJ>TA时,内部热量借助支架向外传热,散逸热量(功率),可表示为PKT(TJ–TA)。为了使LED安全工作必须使实际功耗在最大允许功率耗散值之内。(4)响应时间响应时间是指输入正向电流后LED的发光和熄灭时间,是标志LED反应速度的一个重要参数。如图15是LED的响应时间特性图。其中点亮时间TR是指通电后亮度从正常值的10开始,到亮度达到正常值得90所用的时间。熄灭时间TF是LED从正常发光到亮度降到原来的10所经历的时间。对于不同材料制成的LED其响应时间均不相同。图15LED响应时间示意图14LED的关键参数允许功耗PM允许加于LED两端的正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值时,LED发热甚至烧坏。最大正向电流IFM允许通过LED的正向直流电流的极限值。超过此值时,可损坏LED。最大反向电压VRMLED所允许加的最大反向电压。超过此值时,LED可能被击穿损坏。工作环境TOPRLED可正常工作的环境温度范围。超过此温度范围,LED将不能正常工作,效率会大大降低。

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