可调光LED驱动电源设计

安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称 可调光 LED 驱动电路设计学 院 电气与信息工程学院专业班级 电气工程及其自动化 121 班姓 名 XXX学 号 129064000毕业设计(论文)的主要内容及要求：1、 专业调查：了解 LED 照明目前国内外研究现状。2、 查阅文献资料并着手翻译一篇英文资料，字数不少于 3000 字。3、 掌握 LED 的发光原理和调光机理。4、 掌握驱动电路的结构及工作原理，设计电源的控制方案，对主电路器件进行参数计算和选型。5、 对高频变压器进行设计。6、 掌握 51 单片机的使用方法，完成控制系统的软硬件设计。7、 进行总结、编写说明书。指导教师签字：I目录目录 .I摘要 .IIIAbstract .IV第一章绪论 .1第一节选题的背景及意义 .1第二节 LED 照明的发展及前景 .1第三节半导体 LED 照明特点 .2第四节本文研究的主要内容 .3第二章 LED 原理及驱动概述 .4第一节 LED 工作原理及伏安特性关系 .4一、LED 工作原理 .4二、LED 的伏安特性关系 .4第二节多个 LED 的接线方式 .5一、串联 LED 接线方式 .5二、并联 LED 接线方式 .5三、混联 LED 接线方式 .5四、交叉阵列 LED 接线方式 .6第三节 LED 的驱动方式 .6第四节 LED 的调光方式 .6一、模拟调光 .7二、数字调光 .7三、无线调光 .7四、PWM 调光 .7五、TRIAC 调光 .8第三章 AC/DC 式 LED 驱动电路主电路设计 .9第一节交流输入式 LED 恒流驱动电路的基本构成 .9第二节输入整流桥和滤波电容的选取 .10一、输入整流桥的选择 .10二、输入滤波电容的选择 .11第三节功率开关器件的选择 .11一、功率开关器件的要求 .11二、常见的功率开关器件及特点 .12三、MOSFET 的主要参数 .12第四节漏极钳位保护电路设计 .13第五节输出整流二极管和输出滤波电容选择 .14一、输出整流二极管的选择 .14二、输出滤波电容的选取 .15II第四章高频变压器设计 .16第一节反激式变换电路的原理及特点 .16一、反激电路的原理 .16二、反激变换器的特点 .16第二节高频变压器的设计原理 .17一、高频变压器的设计要求 .17二、基于 AP 法选择高频变压器磁芯 .17第三节反激式高频变压器的设计方法 .19一、一次侧电感的计算 .19二、磁芯尺寸的选择 .20三、计算绕组匝数 .20四、气隙计算和最大磁通校验 .20五、高频变压器的损耗 .21第四节高频变压器参数计算 .22第五章控制回路设计 .24第一节数字 PWM 控制 .24一、PWM 控制原理 .24二、采样电路 .24第二节控制芯片-单片机 .25第三节单片机控制系统电路设计 .26一、单片机最小系统设计 .26二、模数转换采样反馈系统设计 .27三、外部数码显示及接口键盘设计 .28第四节 LED 驱动软件应用架构设计 .29第五节 LED 驱动软件功能设计 .30一、PWM 驱动信号设计 .30二、按键模块程序设计 .31三、A/D 采样模块程序设计 .32四、数码管的显示设计 .32第六章仿真及 PCB 设计 .33第一节 MATLAB 仿真及波形 .33第二节 PCB 板设计 .35总结 .36致谢 .37参考文献 .38附录 .39安徽工业大学 毕业设计（说明书）论文III摘要发光二极管 LED 是 20 世纪末出现的新型绿色照明光源，在节能和保护环境方面性能突出。因为 LED 耐压和耐流值低，不能直接接入电网，所以点亮 LED驱动电源的研究成为世界上热门的课题，基于开关电源技术的 LED 驱动电路在工程应用有着重要的地位，本文通过反激式电路拓扑为基础，设计成高频控制的变压器，从而实现 AC-DC 的变换，文中详细介绍了主电路中器件的参数计算和选择。通过研究单片机作为 LED 驱动电路中核心的开关信号控制器，可以满足高集成度、简单外围电路、数字化控制等优良特点。本文针对 C51 系列单片机作为控制芯片，研究了单片机作为 LED 驱动电源的脉冲宽度调制(PWM)信号发生器，以及单片机为处理器的后级数字化控制方法。文中给出了搭建电源硬件电路和单片机最小系统电路的具体方法，设计了基于 C51 系列单片机的软件控制方法，实现了以 C51 系列单片机为脉冲宽度调制信号发生器的大功率 LED 驱动设计。基于 MATLAB 中 Simulink 关于 LED 驱动主回路的仿真表明，设计的 LED驱动电源主回路电路结构合理；利用 Proteus 软件画出了完整的电路和 PCB 制板图。达到了论文设计的目的要求。关键词：LED 驱动电源 高频变压器 单片机 PWM安徽工业大学 毕业设计（说明书）论文IVAbstractLight-emitting diode LED is a new type of green lighting in the end of twentieth Century, the performance of the energy saving and environmental protection.Because the LED voltage and current resistance value is low, cannot be directly connected to the grid, so lit LED drive power supply has become a hot topic on the world, based on switching power supply technology of LED driver in engineering application have an important role. In this paper, the flyback circuit topology based on the design of a high frequency control transformer, so as to realize the AC-DC transformation, in this paper are introduced in detail, parameter calculation and selection of main circuit devices.By studying the single chip microcomputer as the core of the LED drive power switch signal controller, can meet the high integration, simple peripheral circuit, digital control and other excellent features. In this paper, the C51 series single chip microcomputer as the control chip, the research of the LED microcontroller as the power supply of pulse width modulation (PWM) signal generator, as well as the microcontroller as the processor after the digital control method. This build specific methods of power supply circuit and MCU minimum system circuit, design the control method based on C51 series single chip microcomputer software, using C51 series single chip microcomputer as the pulse width modulation signal generator of high power LED driver design.Based on the Simulink in MATLAB on the LED drive main circuit simulation show that, design LED drive power main circuit structure is reasonable; Using Proteus software to draw a complete circuit and PCB system board. Has reached the goal of the paper design requirements.Keywords: LED drive power supply; High frequency transformer;Single chip microcomputer; Pulse Width Modulation安徽工业大学 毕业设计（说明书）论文1第一章 绪论第一节 选题的背景及意义当今社会，能源危机、温室效应以及生态的日益恶化时刻提醒人们，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率、保护环境和可持续发展已经成为当前世人的共识。照明用电在世界各国总发电量中占有相当大的比例，据国际照明委员会的统计，照明用电量约占总用电量的 19%。我国的照明用电量约占全国总用电量的15%。目前全球照明需求仍有较强的增长趋势，这一比例每年还将逐渐升高。全球能源危机和环境问题逐渐突出，节能减排成为世界各国必须面对的问题，倡导“绿色照明”势在必行。随着新一代半导体材料的出现和发光二极管封装等技术的突破，单晶片红、绿、蓝、白光 LED 的功率等级和发光效率的不断提高，LED 将成为“第四代光源” 。LED 是电光源发展的又一次全新革命和重大突破，从根本上改变了光源发光的原理，LED 具有光效高、光色全、命长、环保、尺寸小等优点，而且调光技术在 LED 光源上的应用将进一步提高节能效果，因此积极研究 LED 照明技术具有重大的经济效益和深远的社会意义。第二节 LED 照明的发展及前景1965 年世界上最早的用锗材料制成的发光二极管产生。不久之后，用磷砷化镓(GaAsP)材料制成的 LED 问世。早期红色光 LED 的发光效率仅有 0.1lm/W，远低于白炽灯。1968 年，采用氮掺杂技术的 LED 发光效率达到 1lm/W，并制成红、橙、黄色 LED。20 世纪 70 年代， LED 数码管和 LED 点阵显示器实现了商品化。20 世纪 80 年代，随着铝砷化镓(AlGaAs)LED 的研制成功，红光 LED 的发光效率提升到10lm/W。20 世纪 90 年代中期，高亮度 LED 的问世，解决了发光二极管三基色缺色的问题。1998 年，白光 LED 的问世是电光源发展史上的一次大革命，它打开了通往LED 照明的世界大门。在蓝色 LED 芯片铟化镓(InGaN)上，涂少量的钇铝石榴石晶体(YAG)荧光粉。当蓝光照射荧光物质时，先产生与蓝光互补的黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光加以混合，便获得所需要的白光。白光是由“黄色光+蓝色光”混合而成的仿真白光。最近，超高亮度白光 LED 的发光效率以能达到100300lm/W ,为 LED 照明取代传统照明灯奠定了良好的基础。RGB-LED 是利用红(R) 、绿(G) 、蓝(B)三基色混合方式来获得白光的。为达到最佳亮度和低成本，通常选择 60%绿：30%红：10%白的亮度比，构成了全彩色像素。安徽工业大学 毕业设计（说明书）论文2据统计。目前全世界正在使用的白炽灯数量之多高达 200 亿，白炽灯与节能灯的应用比例约为 4:1，而我国的这一比例高达 7.5:1。与传统的照明灯相比，LED 照明灯存在明显的优势。如：LED 照明灯，不含对人体有害和对环境有污染的元素汞、发光效率高、同等工作条件下耗电量少、使用寿命长、响应速度快、耐震动、易维护等显著优点，是我国乃至全世界发展低碳经济名副其实的节能环保型绿色光源。用它取代传统的白炽灯和荧光灯是大势所趋，LED 照明因此成为热门产业之一。面对全球气候的变迁和不断高涨的能源价格，各国政府已经开始把一些高耗能的产品列为禁用对象，白炽灯就是最好的例子，美国从 2012 年 1 月到 2014 年，逐步淘汰了 40W、60W 、75W、及 100W 的白炽灯。我国也从 2012 年 10 月 1 日起，按照功率大小分阶段逐步进行禁止进口和销售普通照明白炽灯，这为推广 LED 照明灯的使用带来了巨大的商机。第三节半导体 LED 照明特点LED 是英文 Lighting Emitting Diode (发光二极管）的缩写，是一种新的半导体材料，它是直接将电能转化成可见光的半导体器件。LED 按颜色可以分成红色、黄光、橙红色、绿色、蓝色等，目前用于照明光源的主要指白光 LED，由于单波长的 LED 无法发出白光，白光 LED 只能通过合成的方法得到，相对于标准的红光、绿光 LED 而言，用于照明领域的白光 LED 的特性更为复杂，对其工作电流也有较高的要求。 传统照明光源的优点均偏向单一化，而且往往与明显的缺点并存。而高亮度白光 LED 与传统照明光源相比具有独特的优势，这种新型的绿色照明光源具有以下特点(1) 发光效率高一般来说，白炽灯、卤钨灯的发光效率仅为 1224lm/W,荧光灯为5070lm/W，高压钠灯为 100120lm/W,其中大部分的耗电变成热量损耗。而目前LED 照明灯的发光效率可以达到 50200lm/W，并且 LED 灯光属于冷光源，在发光效率相同的前提下，LED 所消耗的电能可比白炽灯节省 80%。目前，世界各国均加紧提高 LED 光效的研究，在不远的将来其发光效率将会有更大幅度的提高。(2) 寿命长白炽灯利用灯丝发光，钨丝受热易烧断，光衰较为迅速，且玻璃泡壳容易损坏，通常寿命 1000 小时左右。大功率 LED 利用 LED 固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，可以承受高强度机械冲击和震动。大功率 LED 照明灯正常寿命为 50 000 小时，主要受 LED 驱动器寿命的限制，LED 灯的使用寿命一般为 10 00050 000 小时。(3) 调光、调色简单传统照明光源调光通常只能采用模拟调光，且调光效果很差，有闪烁。LED 照明调光可以通过 LED 驱动器采用模拟调光、脉宽调制(PWM) 或双向晶闸管(TRIAC)安徽工业大学 毕业设计（说明书）论文3调光，带总线接口的 LED 驱动器，可以通过单片机或 DSP 进行数字调光，调光效果很好，无闪烁可以察觉。与传统单个照明光源无法调节发光颜色相比，当采用RGB-LED 时，可以实时根据要求变换三基色所占比例从而改变每只 LED 灯的发光颜色。可变换颜色的 RGB-LED 已成为建筑外景、桥梁轮廓、街景的装饰照明的理想选择。（4）绿色环保与传统照明光源相比，LED 照明灯中不含汞、氙、铅等对人体有害的微量元素，同时作为垃圾处理时，也不会造成环境污染。所以绿色得 LED 照明可以为各行各业的消费者提供特有的安全感。（5）布局灵活由于 LED 的体积小，使得布局更为灵活，可以根据应用对象将多只 LED 组合做成灯具，而且能够实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。（6）LED 尺寸小，防震动及抗冲击性能好。第四节本文研究的主要内容本论文主要是设计了以 AC-DC 式变换作为 LED 驱动电路的主回路，以 C51 系列单片机为控制芯片的 LED 驱动电路方案，该驱动电路的交流输入电压为 50HZ 的市电，幅值是 ,输出电压为 ,输出电流为 ,输出20(15%)iUV10oUV3oIA功率为 ，电路效率为 ，开关频率为 。论文共六章，各章3oPW0.85fkHZ主要内容如下：第一章、主要介绍了论文的选题背景及论文的研究意义，概括地介绍 LED 照明的特点和发展历史及前景。而后对论文的内容的进行了简要介绍。第二章、主要介绍了 LED 的工作原理、驱动方式、调光方式、和接线方式。第三章、设计了系统的整体的框架结构，按照功能分解框架，给出详细相关参数以及技术分析，完成系统的集成。第四章、介绍了设计高频变压器的方法及计算高频变压器参数。第五章、介绍了控制回路的选择及基于 C51 控制回路的构成，以及控制回路的软件流程算法。第六章、介绍了 MATLAB 仿真，给出了 PCB 板设计。安徽工业大学 毕业设计（说明书）论文4第二章 LED 原理及驱动概述第一节 LED 工作原理及伏安特性关系一、LED 工作原理发光二极管（LED ）是将电信号转换成光信号的半导体器件。工作原理如图2-1-1 所示。 LED 不仅具有一般普通二极管 PN 结的正向导通、反向截止及击穿特性，还具有发光特性。在正向电压的作用下，电子从 N 区自由运动注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区。进入对方区域的少数载流子中有一部分与多数载流子复合而辐射发光，其峰值发光波长 与发光区p域的半导体材料宽度 有关，关系式如gE下： 图 2-2-1 LED 发光原理图(2-1-1）1240/pgE( 的单位是 mm， 的单位是优特）pg二、LED 的伏安特性关系所谓 LED 的伏安特性，即是流过 LED 中 P-N 结的电流随电压变化的特性。LED 的正向伏安特性曲线比较陡峭，在正向导通之前几乎没有电流流过，当正向电压大于开启电压时，电流就急剧上升。当工作电源电压有少许波动 时，那么ULED 的工作电流就会发生很大的变化 。I查阅相关书本可知（2-1-2）(1)qvKTsIe（2-1-3）PUI由公式可知 LED 功率的波动