5-20W led Driver 毕业设计

本科毕业 设计 5路设计 张兴艳 200930530331 指导教师 班华 高级工程师 学院名称 工程学院 专业名称 电气工程及其自动化 论文提交日期 2013 年 5 月 15 日 论文答辩日期 2013 年 5 月 17 日 摘 要 作为第三代照明光源，半导体发光二极管 具有很多优点： (1)光效率高 (2)光线质量高 (3)能耗小 (4)寿命长 (5)可靠 耐用 (6)应用灵活 (7)绿色环保 (8)响应时间短。目前世界各国越来越重视照明节能及环保问题，作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品， 术代表了未来照明产业发展的趋势。 明产品具有直流驱动，超低功耗等特点，电光功率转换接近 100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。而且在合适的电流和电压驱动下，使用寿命可达 6 万到 10 万小时，比传统光源寿命长 10 倍以上 。 在不久的将来， 明将全方位取代传统照明，给每一个人的工作和生活带来革命性的改变。 随着 明的广泛应用 ， 动 电路的发展 越来 越受到 人们的 关注 。 大功率、小型化、高效率，是 动电源的主要发展方向。而市场上现有的 动电路多为输出功率恒定的，并不能适应众多的不同功率规格的 。因此从绿色环保的角度看，非常有必要设计出一种功率输出可变的 动电路。 本设计借鉴 了 现有的恒定功率的 路 的 设计，并在结合了设计的实际要求进行了相应的硬件和软件的设计，实现以 流斩波电路单元、电流检测电路单元、 动电路。该电路能实现 5 到 20W 无级驱动功能， 并且具有较强的可拓展性，可以经过适当的改进用于驱动输出功率变化范围更大的电路当中。 关键词 ： 明 制 of 10642， As (1) 2) of 3) 4) 5) 6) 7) 8) to as a of of C of 00%, 0%. in up 000010 In to of to ED s is of of ED on ED to of ED of is to a of ED ED of of to C AD ED be 0W it be in L E D l i g h t i n g P W M c o n t r o l L E D d r i v e r 目 录 1 前言 . 1 2 动电路的 系统 分析 . 1 . . 1 光原理 . . 1 气特性 . . 1 连接方式 . 2 开关电路分类 . . 3 冲宽度调节 . . 4 算 . . 5 驱动电源 . . 7 3 方案确定与电路设计 . . 8 单片机最小系统 . . 8 场效应管开关电路 . . 10 组的电流检测与控制 . . 11 检测信号的 A/D 转换 . . 12 元器件选择 . . 13 电感 . 13 电容 . . 14 续流二极管 . . 14 4 测试与实验分析 . . 14 数据测试 . . 14 数据分析 . . 15 5 总结 . 17 参考文献 . 18 附录 . 19 致谢 . 23 华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表 1 1 前言 但是 源 一样可以直接使用公用电网电压 ,它必须配有专用电压转换设备 ,提供能够满足 才能使 也就所谓的 但由于各种规格不同的 所以选择合适、高效的才能真正展露出 因为低效率的 所以在给 总之， 能性、寿命长短 ,具备重要的作用 。 近几年，随着国民经济持续快速发展，大功率 大功率 中，调光技术面临的挑战非常大，由于大功率 流驱动模式，而现有的调光器多是电压调光，所以在兼容性方面的挑战相当大，不过，这也是辨别方案优劣的一个利器，在以往的大功率 见的问题有调光范围小、调光中突然变亮、调光低时出现闪烁等等，严重影响了用户体验。因此，大功率、功率输出可变的 2 动 电路的 系统分析 发光原 理 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型半导体和 为 。 的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降， P 区和 N 区的多数载流子向对方扩散。由于 电子 迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现 大量电子向 P 区扩散，构成对 P 区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是 的 发光原理。 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 极流向阴极时，半导体晶体就发出光线，光的强弱与电电流大小有关。 电气特性 电流控制型器件，负载特性类似 的 安伏特性 曲线，正向导通电压的 很小变化会引起正向电流的 极 大变化 。 反向漏电流小， 存在 反向击穿电压。 向电压随 温度 的 升高而变小，具有负温度系数。 耗 的 功率，一部分转化为光能， 一部分 2 转化为热能，使结温升高。 因此， 长时间工作会 色 衰引起老化，尤其对大功率 色 衰问题更加严重。 其伏安特性和温度特性如图 1 所示。 图 1 伏安特性和温度特性图 连接方式 本系统需要通过确定 连接方式从而确定驱动系统的其他参数， 连接方式如下表 1 所示。 表 1 连接方式 联接方式 优缺点 串联 优点是通过每个 工作电流一样，一般应串 联接 入限流电阻 R，串 联方式要求 动器输出较高的电压 （周志敏，2009） 。 并联 并联设计基于低驱动电压，因此无需带电感的升压电路。当某一个 质不良断开时，如采用稳压式驱动 例如稳压式开关电源 )，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所以 常工作 （周志敏， 2009） 。 混联 混联驱动是串 /并联两种方式的综合，适合于驱动大量 场合 。 交叉阵列 即使个别 路或短路，也不会造成发光组件整体失效 。 3 图 2 常用连接方式 开关电路分类 表 2 开关 电路 开关电路类别 功能及其优缺点 换 该降压（ 变换器电路的输出电压平均值是小于输入电压 。 换 通过电感储能将输出电压升 至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对 驱动。优点是这样的驱动 出可以并联使用，有效的提高单颗 率 （周志敏， 2009） 。 该变换器可以升压或降压，适合于 在运行时输出电压高于或低于输入电压的情况。该变 换器的 另一个优点是容性隔离，若开关管损坏会使输入短路，但并不影响输出 （杨德清，2010） 。 串联 并联 串并联 混联 4 图 3 开关电路 冲宽度调节 直流斩波电路实际上采用的就是 术。这种电路把直流电压 “ 斩 ” 成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压 （王兆安， 2009） 。 在输入电压、内部参数以及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制型号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节集成电路内部开关器件的导通脉冲宽度，是输出电压或电流等被控制信号稳定。 冲宽度调制的控制主要可以分为两类：电压 反馈控制和电流反馈控制。 电压反馈控制模式变换器是将快速通断的晶体管置于输入和输出之间，通过调节占空比来控制输出直流电压的平均值。 电流反馈控制则是通过输出电流与设定值间大小的比较，从而调节占空比比来控制输出直流电流的恒定。 路 路 路 5 电流反馈控制具有比起电压反馈控制模式大得多的带宽，无论是理论分析还是电路测试，都证明电流型控制比电压型控制有许多优点，归纳起来主要有以下几点： (1)对输入的电压变化响应快。电源输入电压的变化，必然会引起周期初始电流上升的斜率的变化。电压升高，则电流增长变快，反之则变慢，但是只要电流脉 冲幅值达到预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。而在电压控制模式电路中，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，一直要等到输出电压发生一定的变化后（电压控制模式要 5 10 个周期才能响应输入电压的变化）才会调节脉冲宽度。 (2)过流保护。在电流控制型 C 变换器中，由于内环采用了直接的电感电流峰值限制，只要给定或者限制参考电流，就可以准确地限制流过功率 开关管和电感中的最大电流，也可以有效地克服输入电压浪涌产生很大的 尖峰电流 ， 从而损坏功率开关管等这类故障诱因。 由于电流控 制模式特有的电流限制能力，当多台开关电源并联运行时，每台电源都有独立的电流负反馈，这样就可以有多台开关电源之间并联均流。 (3)回路稳定性能好，负载响应速度快。电流型反馈控制可以看成一个受输出电压控制的电流源，而电流源的大小就反映了电源输出电压能力的大小。 相比较之下，电流控制模式比电压反馈控制模式有很大的优越性，所以本系统采用电流反馈控制模式。 本设计的 最后方案为 电设备采用串联接法，开关调节器以 路为基础，反馈信号采集方式为电流控制模式。 算 在工程实际中，应用最为广泛的 调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整 方 便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌 握 或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时 ， 系统控制器的结构和参数必须 依靠经验和现场调试来确定，这时应用 制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系 统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 制技 6 术。 所以在此，我们采用采样 流过 电流信号经过采 样量化后，变成数字量，然后对此进行计算。 制，实际中也有 制。 制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误（ 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号 的 积分成正比关系。一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 “积分项 ”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分（ 制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “超前 ”，在控制器中仅引入 “比例 ”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “微分项 ”，它能预测误差变化的趋势，这样，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的 被 控对象，比例 +微分（ 制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 本设计的 制为 给定一个电流值，然后对反馈控制系统的偏差值，按照比例、微分、积分等函数的关系进行运算。将所得到的结果输出给执行结构（ 块）。将所得到的电流值反馈到 流中。其控制模型如 图 4 所示 。 图 4 制系统框图 法 换 制 7 动 电源 表 3 源按驱动方式分类 类别 特点 恒流式 1、 恒流驱动电路驱动 很理想的 ,缺点就是价格较高 。 2、 恒流电路虽然不怕负载短路 ,但是严禁负载完全开路 。 3、 恒流驱动电路输出的电流是恒定的 ,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化 。 4、 要限制 使用数量 ,因为它有最大承受电流及电压值 。 稳压式 1、 稳压电路确定各项参数后 ,输出的是固定电压 ,输出的电流却随着负载的增减而变化 。 2、稳 压电路虽然不怕负载开路 ,但是严禁负载完全短路 。 3、整流后的电压变化会影响 亮度 。 4、 要使每串以稳压电路驱动 示亮度均匀 ,需要加上合适的电阻才可以 。 表 4 源按电路结构分类 类别 特点 常规变压器降压 优点是体积小 ,不足之处是重量偏重、电源效率也很低 ,一般在45%60%,因为可靠性不高 ,所以一般很少用 。 电子变压器降压 不足之处是转换效率低 ,电压范围窄 ,一般 180240V,波纹干扰大 。 电容降压 容易受电网电压波动的影响 ,电源效率低 ,不宜 闪动时使用 。 电阻 降压 电源效率很低 ,而且系统的可靠也较低 受电网电压变化的干扰较大 ,不容易做成稳压电源 ,并且降压电阻本身还要消耗很大部分的能量 。 压式开关电源 优点是稳压范围比较宽、电源效率比较高 ,一般可在 70%80%,应用较广 。 缺点主要是开关频率不易控制 ,负载电压波纹系数较大 ,异常情况负载适应性差 制式开关电源 制方式设计的 源是比较理想的 ,因为这种开关电源的输出电压或电流都很稳定 一般都可以高达 80%90%,并且输出电压、电流十分稳定 8 3 方案 确定 与 电路设计 本设计的方案是以单片机为控制信号产生器件发出信号控制场效应管从而达到驱动不同功率 的功能。 本 动系统的总体结构图如下图 5 所示。 图 5 动 系统 结构 图 采用 72V 直流电源供电， 选择串联组合的 便于达到理想的控制效果；开关电路选择 流降压斩波电路； 通电后通过检测 的电流信号大小，然后将检测到的电流信号转换为数字信号并输入到单片机当中， 用单片机控制开关管的开关，完成对 组电流的 制和 算， 与设定值作比较并使用 算修正误差，最后输出一定占空比的 号控制场效应管，从而实现对 恒流控制 与对 单片机最小系统电路部分 单片机最小系统由单片机、复位电路和晶 体 振 荡电路 组成。 采用 89序存储空间为 8K，晶振为 12M， 单片机 最小系统如下图 6 所示。 直流电压源 场效应管 电流反馈信号 信号数模转换 单片机 89制信号 9 图 6 单片机最小系统 单片机 89要 5V 工作电压，本系统为 72V 输入电压，可通过 压管为单片机供电，如图 7 所示。 图 7 压电路 10 场效应管开关电路 原意是： 属氧化物半导体）， 效应晶体管）即以金属层（ M）的栅极隔着氧化层（ O）利用电场的效应来控制半导体（ S）的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型 ,但通常主要指绝缘栅型中的 （ ,简称功率 结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（ 其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10率 结构和工作原理功率 种类：按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于 N（ P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率 要是 N 沟道增强型。在本设计中 选用 P 沟道的 作为电子开关来调节控制流经 流的大小。 场效应管，低电平导通，高电平截止。 9014 为 三极管，高电平导通，低电平截止。当单片机输出高电平时，三极管 9014 导通，场效应管 极接地为低电平，场效应管 电设备通电。当单片机输出为低电平时，三极管 9014 截止，场效应管 止， 电设备不通电。通过控制单片机输出高低电平即可达到开关效果。 要参数 如下 表 5。 表 5 要参数 号标识 本型号 要参数 00V 25 16A 93911 成的驱动单元 如下图 8 所示。 图 8 场效应管驱动电路图 组的电流检测与控制 对于联接形式为串联的 组，若要保证其工作在正常范围内就需控制其电流的大小符合额定要求。本 动电路采用电阻检测方法，控制流过 组的电流为350测电阻的阻值为 1 欧姆。这种 电流检测方法不仅可以有效地降低成本，而且占用电路的体积也不大。虽然电阻检测电路会存在一定的电能消耗，但是由公式 2P I R可以计算出其消耗功率为 略消耗非常小。同时，将检测电阻放置在电路低端，检测电阻一端接地，这样做只需检测电阻另一端即可测出检测电阻的电压。若将检测电阻放在高端区域，则需要通过差分电路相减才能测出其电压，这样做在增加了成本的同时使检测变得复杂。同时在检测电阻两端并联一个小电容，这样做的好处是使检测得到的电压波形更为稳定，可以减少误差。 电流检测电路如下图 9 所示： 12 图 9 电流检测电路 检测信号的 A/D 转换 当检测到电流信号时，需要有 A/D 转换电路把模拟信号转化为数字信号， 从而对模拟信号进行分析比较，然后通过数学运算实现对模拟信号的精确的控制。 定工作电流为 350 作寿命与通过其的电流的大小有着密切的关系，通过电流越大，其寿命就越短。因此，适当的减小通过 工作电流可以起到延长其寿命的作用。本系统中把 工作电流限定在 300 350检测电阻得到的电压约为 300 350过 大器放大十倍，得到电压约为 3V 输出电压，再通过 位 双通道 A/D 转换芯片 ，将模拟量转化为数字量，然后输入到单片机里面进行运算。图 10 为检测信号处理电路 。 13 图 10 检测信号处理电路 根据设定电压为 运算公式 （ 1） V ) （ 2） 式中： k=1； Y 为 A/D 转换后 的数字量； x 为输入数字量； 采集到的电压量。 运算得出设定 A/D 转换数字量 Y 为 153过检测电阻和信号处理，将检测得到的数字量输入到单片机中与设定值 Y 进行比较，看是否符合为 153围以内。若是则电流为符合范围，不是则通过 算进行调整直至电流为符合范围内。 元器件选择 电感 电感 值与 流的纹波值有关，一般限制纹波系数最大为 0. 3,电感值的计算公式为： （ 3） 式中： 电设备两端电压， 输入电压， 电流， 开关频率，本系统频率设为 10 14 围为 18V 至 72V，带入 （ 3） 得到 围为 0 15虑到大电感电流对 电设备的冲击，所以本系统选择 10电感。 电容 电容 滤波电容，作为输出滤波电路实现电压滤波， 到 33 F 之间的电容中选取，本系统中选择 22F ， 450V 的电容。 续流二极管 电路中的续流二极管选用肖 基特 二极管 反向耐压为 00V，正向压降为 均电流为 0A。 4 测试与实验分析 数据测试 单颗 额定功率为 1W，当其两端电压为 电流约为 330于正常工作范围。 本次测试在 5中选取几组有代表意义的驱动电路进行数据检测并计算驱动电路的效率，选取 20W， 15W， 10W 和 5W 进行数据检测和计算，如表 6。 将检测得到数据代入功率计算 公式（公式 4） x （ 4） 式中： 为效率； X 为 量； 单颗 功率，即 1W； 输入电压，即72V； 输入电流。 表 6 数据检测表 量 (个 ) 检测电阻电压 (V) 流 (A) 输入电流(A) 效率 (%) 20 5 0 15 数据分析 由表 6 可知，当 量为 5 颗时，效率可达到 ，但当 量 为 10 颗时效率 为 量为 15 颗时效率 为 量为 20 颗时效率为 下面将做详细分析： 场效应管用作开关作用一般工作在饱和区和截止区，在这两个区域工作时损耗较低，但当场效应管工作在可变电阻区时，场效应管相当于一个可变电阻，此时损耗较大。图4场效应管的输出特性图，当漏源电压 栅源电压 开启电压 系为 D S G S V时，场效应管工作在可变电阻区，当 D S G S V时，场效应管工作在饱和区。 图 11 场效应管输出特性图 当 量为 5 颗时， 为 25V，此时 20V，场效应管工作在可变电阻区存在一定 的功率 损耗。 当 量为 10 颗时， 为 20V，此时 20V， 场效应管工作在可变电阻区和饱和区的预夹断区 处，存在一定损耗。 16 当 量为 15 颗时， 为 12V，此时 20V。场效应管工作在可变电阻区，且 大，所以损耗也较大。 当 量为 20 颗时，检测电阻上的电压为 于单片机内部设定的比较值，所以场效应管处于导通状态，但由于场效应管 小，即使工作在可变电阻区损耗也较小。 以下 图 12 为本次毕业设计的实物图 。 图 12 动电路 实物图 17 5 总结 本文通过对 动电路的介绍，分析了其各部分电路的种类及特点，然后 本设计采用 51 单片机处理器通过电流反馈控制模式和软件编程， 从 硬件和软件设计上分别实现了 5W、 10W、 15W、 20W 的 动， 基本确保了 流的恒定 。 然而，由于能力及时间 有限，本电路 并未能从软件上实现功率的无级可调 ， 还要有待进一步的分析研究。 18 参 考 文 献 杨清德 驱动电路设计与工程施工案例精讲 M学工业出版社， 7勇，杨旭白光 控恒流源驱动系统设计 J电气开关， 2008(4)： 29康玲，王新民，刘彦春等过程控制系统 M武汉：武汉理工大学出版社 2009（ 6）：83 李农，杨燕译 (日 )照明学会 编 . 照明手册 (第二版 )M. 科学出版社， 2005 周志敏，纪爱华 白光 动电路设计与应用实例 M. 北京：人民邮电出版社， 2009：79 王兆安，刘进军 电力电子技术 M 北京：机械工业出版社， 19苹，石安辉，刘军占空比反馈调节的峰值电流模式准 制方法 J通信电源技术， 2009(3)： 9志敏，周纪