高亮度LED驱动电路设计毕业论文

扬 州 大 学 毕 业 设 计（论 文）市电供电高亮度 LED 驱动电路设计学 号: * 姓 名: * 专 业:*指导老师: * 二零一四年六月四号扬州大学本科毕业设计（论文） 第 页摘 要随着大功率 LED 在照明、灯饰以及显示屏中的普遍使用，大功率下的 LED 驱动显得越来越重要。在 LED 快速发展的今天，LED 驱动电路也要求着研发者们快速跟进，多种驱动并存的方式，不同的设计方案也在完善着。在 LED 照明领域，没有好的驱动器与之匹配，LED 照明的优点将无法体现出来。大功率 LED 是电流型器件，严格的控制其流过的电流的恒定显得尤为重要。然而，选择大功率 LED 的驱动方案，还要根据 LED 的电气特性考虑到诸多对电路有影响的因素。 本设计基于市供电对 LED 的相控调光驱动方式进行了探讨，设计了一个利用导通时间和频率控制实现 LED 亮度控制。本设计对 LED 照明功能的功能及其工作原理进行研究与分析，全面综合的介绍并分析了 LED 作为光源在道路照明领域应用的情况和特点。重点介绍了该系统中 LED 和开关电源的相关知识、驱动电路的设计，并给出了基于 NXP 公司的 SSL2103 驱动控制器的 LED 驱动的实际电路。在对驱动控制器 SSL2103 的特点、控制功能、组成的 LED 驱动电路的主要技术特点以及电路的工作原理进行分析后，确定所设计的驱动电路能保证 LED 的亮度变化可控制性以及实际性。关键词：大功率 LED； 市供电； 亮度控制； 工作原理扬州大学本科毕业设计（论文） 第 I 页AbstractWith the widespread use of high power LED lighting, lighting and display, high power LED drive becomes more and more important. In LED rapid development today, the LED driving circuit also requires developers to fast track, many driving coexisted means, different design also is in perfect. In the field of LED lighting, no good driver with matching, advantages of LED lighting will not be reflected. High power LED is a current mode device, a constant current flows through the strict control of the important. However, selection of driving scheme for high power LED, according to the electrical characteristics of LED considering many influential factors of circuit.The design of the LED phase control dimming driving mode are discussed,designed by using a time and frequency control LED brightness control. LED lighting function on the function and work principle of the design of research and analysis, a comprehensive introduction and analysis of the situation and characteristics of the application of LED as a light source in the field of road lighting. Introduces the design of the driving circuit of LED related know LED ge,and switching power supply in the system, and gives the actual circuit drive controller NXP based SSL2103 LED driver. The main technical characteristics in the characteristics of driving controller, the control function of SSL2103,composed of LED drive circuit and electric circuit principle of work analysis, to determine the driving circuit designed can ensure the brightness change of LED in control and practical.Keywords: High power LED; Power supply; Brightness control; Working principle扬州大学本科毕业设计（论文） 第 II 页目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 本论文的背景和意义 .11.2 本论文的主要方法和研究进展 .11.3 本论文的主要内容 .11.4 本论文的结构安排 .1第二章 LED 照明与有关技术特性 .22.1 LED 照明与有关术语 .22.1.1 LED 照明的优点 .22.1.2 LED 照明的有关术语 .32.2 LED 的主要参数与特性 .42.2.1 LED 电学特性 .42.2.1.1. I-V 特性 .42.2.1.2. C-V 特性 .52.2.1.3. 最大允许功耗 .6mP2.2.1.4. 响应时间 .62.2.2 LED 光学特性 .72.2.2.1. 发光法向光强及其角分布 .7I2.2.2.2. 发光峰值波长及其光谱分布 .82.2.2.3. 光通量 .92.2.2.4. 发光效率和视觉灵敏度 .102.2.2.5. 发光亮度 .112.2.2.6. 寿命 .122.2.3 LED 热学特性 .122.3 本章小结 .13第三章 相控调光 .143.1 LED 驱动电路的主要功能 .143.1.1 LED 的恒流工作特性 .143.1.2 低功耗和可靠工作 .143.2 LED 常用调光的方法 .153.3 LED 相控调光的主要技术指标 .153.4 本章小结 .16第四章 常用 LED 相控调光电路与应用 .174.1 SSL2102 特点 .174.2 SSL2013 特点与控制功能 .204.2.1 SSL2103 特点 .204.2.2 SSL2103 控制功能 .23扬州大学本科毕业设计（论文） 第 III 页4.2.3 SSL2103 典型应用电路 .264.3 采用 SSL2103 的 17W 相控晶闸管调光 LED 驱动电路 .284.3.1 电路主要技术特点 .284.3.2 电路工作原理 .294.4 本章小结 .31第五章 LED 灯具系统的现状与发展趋势 .325.1 目前 LED 灯具的主要应用领域 .325.2 LED 的发展方向 .325.3 本章小结 .32结 论 .33致 谢 .34参考文献 .35附 录 1 SSL2103 的 17W 相控调光 LED 驱动电路各项数据指标 .36扬州大学本科毕业设计（论文） 第 0 页第一章 绪 论1.1 本论文的背景和意义LED 的发展和应用目标是取代白炽灯等传统光源，LED 应用于普通照明领域的能源仍然将主要来自电网。本论文的意义是 LED 照明电路具有许多优点（详细见第二章的 LED 照明的优点）。节能、环保、构建环境友好社会和促进社会和谐可持续发展是当前社会关注的主题及焦点。1.2 本论文的主要方法和研究进展LED 调光具有节能的优良特性，适应人们对照明效果的需求。利用照明调节可以营造舒适的照明环境和特殊的照明效果，也可以使照明效果灵活多变。本论文主要讨论利用导通时间和频率控制实现 LED 照明的调光，主要是使用NXP 公司的 SSL2103 驱动控制器，控制电路实现亮度变化的特点。1.3 本论文的主要内容本论文主要介绍 LED 照明与有关技术特性、 LED 相控调光、常用 LED 相控调光电路与应用（主要是基于 NXP 公司的 SSL2103 的 LED 相控调光驱动电路）和LED 灯具系统的现状与发展趋势。1.4 本论文的结构安排本论文主要内容是目录所展示的，论文正文的结构是第二章是 LED 照明与有关技术特性，主要讲述 LED 照明的优点和有关术语以及 LED 的主要参数与特性。第三章是 LED 相控调光，主要讲述 LED 驱动电路的主要功能、 LED 常用的调光方法以及 LED 相控调光的主要技术指标。第四章是常用 LED 相控调光电路与应用，主要讲述了 NXP 公司的基于 SSL2102 驱动控制器的驱动电路的特点、 SSL2103 驱动控制器的控制电路的特点以及该公司的 SSL2013 的 17W 相控晶闸管调光电路工作原理。第五章 LED 灯具系统的现状与发展趋势，主要讲述目前 LED 灯具的主要应用领域以及 LED 的发展方向。扬州大学本科毕业设计（论文） 第 1 页第二章 LED 照明与有关技术特性2.1 LED 照明与有关术语2.1.1 LED 照明的优点1962 年 Nick Holonyak，Jr.做出了世界上第一只 LED（Light Emitting Diode）。Nick Holonyak，Jr. 是 IEEE 荣誉金奖的获得者，自 1963 年以来一直是美国伊利诺伊州大学教授。Nick Holonyak，Jr 的学生 M.George Craford 在 1972 年做出了一只黄光 LED，也是世界上第一个有单个颜色的 LED，同时他也是目前美国同时获得国家技术金奖和国家科学金奖的 13 人之一。至今，LED 的出现已有 50 余年的历史，LED 在应用范围、技术性能上已有很大进步。起初，LED 主要用于指示灯的应用场合，且发光亮度有限。现 LED 已广泛用于室内外照明、汽车的照明、LCD 背光显示照明、大屏幕显示等场合。由于LED 的发光效率较白炽灯的发光效率高许多，比荧光灯、金卤灯、钠灯等 HID 灯的发光效率高、体积小、易于使用、无环境污染、调光控制灵活，被认为是应用前景非常好的第 4 代新型电光源。据有关资料报道，目前 LED 实验室水平的发光效率已高达 208lm/W（APEC 2011 年会议介绍），并且随着技术进步 LED 的发光效率还会进一步提高许多。至今，LED 的技术性能已有很大的提升，在手机、平板电视、室内外照明等场合得到了很广泛的应用。安捷伦公司的一位科学家 Roland Haitz 从 1962 年 LED 开发出来到商业化的今天的发展历程中观察得出结论，LED 的价格每 10 年会降为原来的 1/10，性能则提高 20 倍。以此结论为基础提出了关于 LED 发展的 Haitz 定律。实际工作中得出的结论与预测结果，如图 1-1 所示，可以发现几乎和 Haitz 定律所推测的一样。表 1-1 LED 发展演进（DOE 2011 MYPP）注：1.对冷白光封装 LED 假定：相关色温（CCT）=47467040 和显色指数（CRI ）=7080，对暖白光封装 LED 假定：相关色温=25803710 和显色指数=8090。2.测得发光效率的结果的外部条件是驱动电流密度为 35A/cm和温度为25。LED 技术指标 单位 2010 年 2012 年 2015 年 2020 年LED 发光效率（暖白光）Lm/W 96 141 202 253LED 价格（暖白光） $/klm 18 7.5 2.2 1LED 发光效率（冷白光）Lm/W 134 176 224 258LED 价格（冷白光） $/klm 13 6 2 1OEM 灯价格 $/klm 50 23 10 5扬州大学本科毕业设计（论文） 第 2 页LED 照明的主要有以下优点：1）使用较为安全，一般工作电压在 1.5V3.5V 之间；2）只要在低温环境下，就不会存在冷启动的问题；3）具有良好的发光方线性，易于收集和设置；4）环境友好，不存在汞等有害的金属，废弃物可回收；5）启动时间短（纳秒级），而 HID 灯则需要不小于 10ms 的时间，适用于频繁开关以及高频开关运作的应用场合；6）工作寿命长，L70（70%的发光输出流明维持率）的条件下，光通量衰减到70%的标准寿命时间大于 50000h。一个 LED 灯的一天使用按 8h 计算，可以使用 12年。在使用寿命方面问题会更多出在驱动电源上；7）因为体积小，而且发光效果好，所以可以制作成各种各样的产品，满足人们的日常生活和工作的需求；8）不存在灯丝和灯泡等易碎器件，所以较安全，不会像白炽灯使用时，会发出高温，烫伤小孩子，所以特别安全；9）发光效率高，据报道，2011 年 Cree 公司实验室水平已达 208lm/W。光谱几乎全部集中于可见光频率区域，发光效率可以高达 80%90%。由于光谱中没有紫外线和红外线，没有热辐射的存在，属于典型的绿色照明光源。2.1.2 LED 照明的有关术语LED：又名发光二极管，其当被电流激发时，通过传导电子和空穴的再复合而自发辐射发出的相干光的一种半导体二极管。半导体照明（Semiconductor Lighting）：是指采用发光二极管作为光源的照明方式的一种。功率 LED（Power LED ）：工作电流在 100mA 以上的 LED。LED 数码管（ LED Nixie tube）：采用发光二极管显示数字或字符的器件或模块。LED 显示管（ LED Display）：采用发光二极管显示数字、符号或图形的器件或模组。LED 背光源（ LED Backlight）：采用 LED 作光源，为被动显示器件提供光源的 LED 器件或模组。单量子阱（Single Quantum Well ）：是指只有一个量子阱的材料结构。多量子阱（Muti-Quantum Well）：是指包含多个单量子阱的材料结构。眩光（Glare ）：因为光的亮度的分布或范围的不恰当，或对比度太强等原因造成的视觉性冲击。眩光一般可分为失能性眩光和不舒服性眩光这两种，眩光是影响照明质量的重要因素之一。发光效能（Luminous Efficacy）：光源发射的光通量 与其消耗的电功率 P 的比值，单位为 lm/W。发光效率（Luminous Efficiency）：光源消耗每一瓦电能所发出的光。单位为lm/W。显色指数（Color Rendering Index ）：是指光源显色性的度量单位。显色性（Color Rendering Properties ）：是指光源显现被照物体真实颜色的能力。扬州大学本科毕业设计（论文） 第 3 页额定结温（Rated Junction Temperature）：发光二极管正常工作时所允许的最高温度。在这个温度下的一切有关的额定值的大小和特性值都可以得到一度的保证。结-管壳热阻（Thermal Resistance from Junction to Case）：发光二极管的 PN 结到管壳之间的热阻的大小。正向电流 (Forward Current)：发光二极管正常发光时，流过 LED 器件的电流。FI正向电压 (Forward Voltage)：通过 LED 器件的正向电流 为规定值时，在两RV FI极之间产生的电压降。反向电流 (Reverse Current)：加在 LED 器件两端的反向电压为规定值时，流I过 LED 器件的电流。反向电压 (Reverse Voltage)：通过 LED 器件的反向电流 为规定值时，在两R RI极之间产生的电压降。最大正向电流 (Maximum Forward Current)：允许通过发光二极管的最大正向FMI直流电流值。最大正向峰值电流 (Forward Peak Current)：允许加于发光二极管的两端正向P脉冲电流的最大值。平均寿命：指一批产品测得的寿命的平均值。单位为小时（h）。色温（Color temperature）：色温单位为绝对温度的单位开尔文 (K)，即指将一个标准的黑体加热，温度由低升高逐渐变化时颜色开始由深红-浅红-橙黄-蓝，逐渐改变的过程，当某一电光源与黑体的颜色几乎一样时，我们将黑色当时情况下的绝对温度值称为该电光源的色温。电光源色温的不同，光色也会不同。色温在 3000K以下时，光色会偏红，并且给人以暖洋洋的感觉。色温在 30006000K 为中间时，人在此色调下不会有特别明显