（光学专业论文）大功率全彩色led驱动电路的研制.pdf

摘要 发光二极管( 以下称l e d ) 是一种固体发光器件，它是新发展的第三代光 源。国家已将半导体照明产业纳入国家重点发展的高新技术产业并给予大力支 持，到2 0 1 0 年中国半导体照明及相关产业产值将超过1 0 0 0 亿元的规模，高亮度 l e d 器件国内增长率超过5 0 。三基色l e d 是通过红绿蓝三基色芯片分别发光， 通过调整各芯片的驱动电流改变各自发光效率，从而生成白光或用户所需要的彩 光。所以三基色l e d 的驱动技术越来越成为l e d 研制工作的一大核心技术。 本文研究的目标是创新性的研制一种针对于三色l e d 芯片的大功率全彩色 驱动电路。提出一种保障l e d 发光效果并能够实现全彩色出光的新方案。主要 的研究内容如下： ( 1 ) 首先分析l e d 的光学性能，对三基色混光的理论进行分析，选择合适 的l e d 芯片，确定混光模式。建立对驱动器件的设计要求目标。 ( 2 ) 其次分析l e d 的电气性能，创新性的设计出一款驱动电路。 1 ) 基于降低体积，提高效率的目标设计出区别于传统模式的开关电源， 将市电转换成l e d 适用的低压恒流电源，同时针对可能出现的浪涌电流和电流 波动做出电路保护设计和衰减补偿设计。 2 ) 利用脉冲宽度调制( p w m ) 器件调整芯片发光效率，完成对于调制模 块电路的设计。 3 ) 选择合适的热敏器件，光敏器件，建立对器件发热和出光效果的反馈。 利用单片机建立控制系统，形成在温度，外加电流变化条件下对p w m 模块的控 制，保证出光效果。 将发光芯片，开关电源，p w m 调节模块，单片机控制电路，混光通道合 理的封装在一起构成全彩色l e d 发光器件。 ( 3 ) 最后对各电路模块进行输出仿真及测试，得到关键性能的观测图表， 验证设计的合理性。 ( 4 ) 分析本方案的技术瓶颈，探讨l e d 照明的研究方向。 关键词：发光二极管驱动；m a x l 6 8 0 1 1 6 8 0 2 ：自适应驱动；衰减补偿；半 导体照明 a b s t r a c t l i g h t e m i t t i n g d i o d ei sas o l i d l i g h t - e m i t t i n gd e v i c e ，i ti st h en e w t l l i r d g e n e r a t i o nl i g h ts o u r c ed e v e l o p m e n t l e dl i g h t i n gi n d u s t r yh a sb e e ni nn a t i o n a l f o c u so nt h ed e v e l o p m e n to fh i g h t e c hi n d u s t r ya n dr e c e i v e ds t r o n gs u p p o r tf r o m g o v e r n m e n t i n2 0 10 ，c h i n ass e m i c o n d u c t o rl i g h t i n ga n dr e l a t e di n d u s t r i e sw i l lb e m o r et h a n10 0b i l l i o ny u a no u t p u tv a l u eo ft h es c a l e h i g h b r i g h t n e s sl e dd e v i c e s w i l lg e tm o r et h a n5 0 o ft h ed o m e s t i cg r o w t hr a t e t h r e e c o l o rl e db e c o m eat r e n d o fl e dd e v e l o p m e n t t h r e e - c o l o rl e dh a st h r e ep i e c e so fl e d c h i pi nr e dg r e e na n d b l u et h a td r i v e db yp w me l e c t r i cc u r r e n t i no r d e rt og e n e r a t ew h i t el i g h to rt h ec o l o r u s e r sr e q u i r e d ，t h el e dd i v e rw i l lc h a n g et h ec u r r e n ti nc h i pt ov a r y i n gt h el u m i n o u s e f f i c i e n c y t h r e e c o l o rl e dd r i v et e c h n o l o g ym o r ea n dm o r eb e c o m eam a j o rc o r e t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h eg o a li st od e v e l o pah i g h - p o w e rf u l l - c o l o rl e dd r i v e rb a s e do n t h r e ec o l o rl e d c h i p si n n o v a t i v e l y f i r s t l y , w ea n a l y s et h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fl e do nt h et r i c h r o m a t i ct h e o r yo f m i x e da n a l y s i so fl i g h t ，c h o o s eas u i t a b l el e d c h i p s ，c h o i c eo fm i x e do p t i c a lc h a n n e l a n d g e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rt h et a r g e td e v i c e s e c o n d l y , g e tt h ed r i v ec i r c u i td e s i g n e db ya n a l y s i n gt h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e o f l e d 1 ) i nt h ed e s i g no ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e s ，e l e c t r i c i t yw i l lb ec o n v e r t e d f r o mt h e c i t ya p p l i e st ol o w - v o l t a g ec o n s t a n t c u r r e n tl e dp o w e rs u p p l ya n da c o m p e n s a t i o nd e s i g nm u s tb em a d ef o res u r g ec u r r e n ta n dv o l t a g ef l u c t u a t i o n s d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，i th a sas m a l l e rs i z ea n dl a r g e r p o w e r 2 ) s u i t a b l ep w m d e v i c ec o n t r o lt h el u m i n o u se f f i c i e n c yo ft h es i n g l el e d c h i p w i t ht h ea p p r o p r i a t ep e r i p h e r a lc i r c u i tap w mm o d u l ew i l lb ef o r m e d 3 ) f i n a l l ys e l e c tas u i t a b l es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rt oc o n t r o lt h et h r e e p w mp o w e rm o d u l ea n ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e s p h o t o s e n s i t i v ed e v i c e sa n d t h e r m i s t o rd e v i c em u s tb ea d d e di nt h ee n do ft h eo p t i c a lc h a n n e l ，t h es i g n a ls e n d e d b yt h o s ef e e d b a c kd e v i c ew i l lb et r a n s m i t e dt os i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r s ot h e o p t i c a la t t e n u m i o nc a u s e db ys u p e r h e a tw i l lb ec o m p e n s a t e di np r o m o t i n gp w mi n c o n t r o ls y s t e m t h el e dc h i p ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e s ，p w mr e g u l a t o rm o d u l e ，s i n g l e c h i p c o n t r o lc i r c u i t ，o p t i c a lm i x i n gc h a n n e lc o n s t i t u t eaf u l l - c o l o rl e dl i g h t e m i u i n g d e v i c e t h i r d l y , w ed os o m es i m u l a t i o n sa n dt e s t sf o rt h ec i r c u i ta n dg e tt h ed i a g r a mo f t h ek e yp e r f o r m a n c e s ow ec a nv e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so f t h ed e s i g n f i n a l l y , w ea n a l y s et h et e c h n i c a lb o t t l e n e c k si n t h i sp r o g r a ma n de x p l o r et h e d i r e c t i o no fl e d l i g h t i n gr e s e a r c h k e y w o r d s ：l e dd r i v e r ；m a x l 6 8 0 1 1 6 8 0 2 ；a t t e n u a t i o nc o m p e n s a t i o n ；a d a p t i v e d r i v e r ；s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：偿，鹏 签字日期：瓦万年f 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江西师范大学研究生院有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西师范大学研究生院 可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：瑙，i 鸥 签字日期：e 7 l ；陴歹月弓j 日 导黼：叶钏乞 样嗍：下朋列日f 大功率伞彩色l e d 驱动电路的研制 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 1 1l e d 发展史 1 9 0 7 年h e n r yj o s e p hr o u n d | 1 】第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。 由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处在于碳化硅与电致发光不能很 好的适应，研究被摒弃了。二十年代晚期b e r n h a r dg u d d e n 和r o b e r tw i c h a r d 在德 国使用从锌硫化物与铜中提炼的的磷发光。再一次因发光暗淡而停止。 1 9 3 6 年g e o r g ed e s t i a u 出版了一个关于硫化锌粉木发射光的报告【2 】。随着电 流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。二十世纪5 0 年代，英 国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的 l e d 并于6 0 年代面世。据说在早期的试验中，l e d 需要放置在液化氮里，更需 要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。第一个商用l e d 仅仅只能 发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。6 0 年代术，在砷化镓基体 上使用磷化物发明了第一个可见的红光l e d 。磷化镓的改变使得l e d 更高效，发 出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。 到7 0 年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。l e d 采用双层磷化镓芯片( 一个红色另一个是绿色) 能够发出黄色光。就在此时，俄 国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的l e d 。尽管它不如欧洲的l e d 高效。但 在7 0 年代末，它能发出纯绿色的光。8 0 年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用 使得第一代高亮度的l e d 的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到 2 0 世纪9 0 年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的l e d 。第 一个有历史意义的蓝光l e d 也出现在9 0 年代早期，再一次利用金钢砂。早期的 半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光l e d 一样 光源暗淡p 1 。 9 0 年代中期，出现了超亮度的氮化镓l e d ，随即又制造出能产生高强度的绿 光和蓝光铟氮镓l e d 。超亮度蓝光芯片是白光l e d 的核心，在这个发光芯片上 抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光源再转化为白光，就是利用 这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在l e d 市场上就能看到生产出来的新奇 硕：l 学位论文 颜色，如浅绿色和粉红色。最近开发的l e d 不仅能发射出纯紫外光而且能发射出 真实的“黑色”紫外光。 1 2 高亮度l e d 的发展和性能 最近十年，高亮度化、全色化一直是l e d 材料和器件工艺技术研究的前沿 课题。超高亮度( u h b ) f 4 1 是指发光强度达到或超过l o o m e d 的l e d ，又称坎德拉( c d ) 级l e d 。高亮度a 1 g a l n p 和i n g a nl e d 的研制进展十分迅速，现已达到常规材 料g a a l a s 、g a a s p 、g a p 不可能达到的性能水平。1 9 9 1 年日本东芝公司和美国 h p 公司研制成i n g a a l p6 2 0 n m 橙色超高亮度l e d ，1 9 9 2 年i n g a a l p 5 9 0 n m 黄色 超高亮度l e d 实用化。同年，东芝公司研制i n g a a l p5 7 3 n m 黄绿色超高亮度l e d ， 法向光强达2 e d 。1 9 9 4 年同本同亚公司研制成i n g a n4 5 0 n m 蓝( 绿) 色超高亮度 l e d 。至此，彩色显示所需的三基色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的l e d 都达 到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显 示成为现实。我国发展l e d 起步于7 0 年代，产业出现于8 0 年代。全国约有1 0 0 多家企业，9 5 的厂家都从事后道封装生产，所需管芯几乎全部从国外进口。通 过几个“五年计划”的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使 我国l e d 的生产技术已向前跨进了一步。 超高亮度红a 1 g a a s l e d 与g a a s p g a pl e d 相比【5 l ，具有更高的发光效率， 透明衬底( t s ) a 1 g a a sl e d ( 6 4 0 n m ) 的流明效率已接近1 0 1 m w ，比红色 g a a s p g a pl e d 大1 0 倍。超高亮度i n g a a l pl e d 提供的颜色与g a a s p g a pl e d 相同包括：绿黄色( 5 6 0 n m ) 、浅绿黄色( 5 7 0 n m ) 、黄色( 5 8 5 n m ) 、浅黄( 5 9 0 n m ) 、橙色 ( 6 0 5 n m ) 、浅g 工( 6 2 5 n m ) 、深红( 6 4 0 h m ) 。透明衬底a 1 g a l n pl e d 发光效率与其他 l e d 结构及白炽光源的比较，i n g a a i pl e d 吸收衬底( a s ) 的流明效率为1 0 1 m w ， 透明衬底( t s ) 为2 0 1 m w ，在5 9 0 - - - 6 2 6 n m 的波长范围内比g a a s p g a pl e d 的流明 效率要高1 0 - - - 2 0 倍；在5 6 0 - - 5 7 0 的波长范围内则比g a a s p g a p l e d 高出2 4 倍。 超高亮度i n g a nl e d 提供了蓝色光和绿色光，其波长范围蓝色为4 5 0 - - 4 8 0 n m ，蓝 绿色为5 0 0 n m ，绿色为5 2 0 n m ；其流明效率为3 1 5 1 m w 。超高亮度l e d 目前的 流明效率已超过了带滤光片的白炽灯，可以取代功率1 w 以内的白炽灯，而且用 l e d 阵列可以取代功率1 5 0 w 以内的白炽灯。对于许多应用，白炽灯都是采用滤 2 大功率全彩色l e d 驱动电路的研制 光片来得到红色、橙色、绿色和蓝色，而用超高亮度l e d 则可得到相同的颜色。 近年a 1 g a i n p 材料和i n g a n 材料1 6 】制造的超高亮度l e d 将多个( 红、蓝、绿) 超高 亮度l e d 芯片组合在一起，不用滤光片也能得到各种颜色。包括红、橙、黄、绿、 蓝，目前其发光效率均已超过白炽灯，正向荧光灯接近。发光亮度已高于1 0 0 0 m c d ， 可满足室外全天候、全色显示的需要，用l e d 彩色大屏幕可以表现天空和海洋， 实现三维动画。新一代红、绿、蓝超高亮度l e d 达到了前所未有的性能。 全色超高亮度l e d 的实用化和商品化，使照明技术面l 临一场新的革命。由多 个超高亮度红、蓝、绿三色l e d 制成的固体照明灯不仅可以发出波长连续可调的 各种色光，而且还可以发出亮度可达几十到一百烛光的白色成为照明光源。最近， 日本日亚公司利用其i n g a n 蓝光l e d 和荧光技术，又推出了白光固体发光器件 产品，其色温为6 5 0 0 k ，效率达7 5 1 m w 流明。对于相同发光亮度的白炽灯和l e d 固体照明灯说，后者的功耗只占前者的1 0 - - 2 0 ，白炽灯的寿命一般不超过2 0 0 0 小时，而l e d 灯的寿命长达数万小时。这种体积小、重量轻、方向性好、节能、 寿命长、耐各种恶劣条件的固体光源必将对传统的光源市场造成冲击。尽管这种 新型照明固体光源的成本依然偏高，但可以应用于一些特殊场合如矿山、潜水、 抢险、军用装置【7 】的照明等。从长远看，如果超高亮度l e d 的生产规模进一步扩 大，成本进一步降低，其在节能和长寿命的优势足以弥补其价格偏高的劣势。超 高亮度l e d 将有可能成为一种很有竞争力的新型电光源。 1 3l e d 光源与白炽灯的对比优点 1 ) l e d 光源发光效率高 发光效率【8 】比较：自炽灯、卤钨灯光效为1 2 - 2 4 流明瓦、荧光灯5 0 一7 0 流明 瓦、钠灯9 0 1 4 0 流明瓦，大部分的耗电变成热量损耗。 l e d 光效：可发到5 0 2 0 0 流明瓦，而且发光的单色性好，光谱窄，无需过 滤，可直接发出有色可见光。 2 ) l e d 光源耗电量少 l e d 单管功率o 0 3 0 0 6 瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1 5 3 5 伏。电流 1 5 1 8 毫安反映速度快，可在高频操作，用在同样照明效果的情况下，耗电量是 白炽灯的万分之，荧光管的二分之一，如采用光效比荧光灯还要高2 倍的l e d 3 硕i ：学位论文 替代一半的白炽灯和荧光灯、每年可节约相当于6 0 亿升原油，同样效果的一支同 光灯4 0 多瓦，而采用l e d 每支的功率只有8 瓦。 3 ) l e d 光源使用寿命长 白炽灯、荧光灯、卤钨灯是采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧，热沉积、 光衰减等特点，而采用l e d 灯体积小，重量轻，环氧树脂封装，可承受高强机械 冲击和震动，不易破碎，平均寿命达1 0 万小时，l e d 灯具使用寿命可达5 1 0 年， 可以大大降低灯具的维护费用避免经常换灯之苦。 4 ) l e d 光源安全可靠性强 发热量低、无热辐射性、冷光源、可以安全抵摸，能精确控制光型及发光角 度、光色和、无眩光、不含汞，钠元素等可能危害健康的物质。 5 ) l e d 光源有利环保 l e d 为全固体发光体、耐冲击不易破碎、废弃物可回收、没有污染减少大量 二氧化硫及氮化物等有害气体以及二氧化碳等温室气体的产生改善人们生活居住 环境，可称“绿色照明光源。” 当然，节能是我们考虑使用l e d 光源的最主要原斟9 1 ，也许l e d 光源要比 传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4 9 年中每年 几倍的节能净收益期。下表是l e d 与白炽灯的性能比较【1 0 】： 表1 - 1l e d 与传统光源的性能比较 l e d 白炽灯 色温( k )3 0 0 0 1 0 0 0 02 5 0 0 b 3 0 0 0 光效( i m w )l 啦! 5 1 5 反应速度( u s ) o 11 0 0 ，0 0 0 冲击电流 0 1 0 倍额定电流 耐压击性很强易断裂 寿命( h ) 大于2 0 ，0 0 0 小于1 0 0 0 4 大功率令彩色l e d 驱动电路的研制 1 4l e d 电源禾n - q l 动电路主要技术概况 作为一种新的光源，近年来对l e d 电源和驱动电路的研究方兴未艾。与荧光 灯的电子镇流器【1 1 1 不同，l e d 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电 压，并同时完成与l e d 的电压和电流的匹配。随着硅集成电路电源电压的直线下 降，l e d 工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间，大多数为低电压i c 供电的技术也都适用于为l e d ，特别是大功率l e d 供电。再则，l e d 电源还应 能利用低电压i c 电源产量逐渐上升带来的规模经济。 1 4 1l e d 驱动电路的主要技术及指标 1 ) 电压变换技术 电源是影响l e d 光源可靠性和适应性的一个重要组成部分必须作重点考虑。 目前我国的市电是2 2 0 v 的交流电，而l e d 光源属半导体光源，通常是用直流低 电压供电，这就要求在这些灯具中或外部设置a c d c 转换电路，以适应l e d 电 流驱动的特征。目前电源选择的途径有开关电源、高频电源、电容降压后整流电 源等多种，根据电流稳定性，瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选 择。 2 ) 电源与驱动电路的寿命与成本 l e d 寿命方面，虽然单颗l e d 本身的寿命长达1 0 万小时，但其应用时必须 搭配电源转换电路，故l e d 照明器具整体寿命必须从光电整合应用加以考虑。但 对照明用l e d ，为达到匹配要求，电源与驱动电路的寿命必须超过l o 万小时， 使其不再成为半导体照明系统的瓶颈因素。在考虑长寿命的同时又不能增加太多 的成本，电源与驱动电路的寿命与成本的通常不宜超过照明系统总成本的三分之 一，在半导体照明灯具产品发展的初期，必须平衡好电源与驱动电路的寿命与成 本的关系。 3 ) 驱动程序的可编程技术 l e d 用作光源一个显著的特点就是在低驱动电流条件下仍能维持其流明效 率，同时对于r 、g 、b 多晶型混光而形成白光来说，通过开发一种针对l e d 的 数字r g b 混合控制系统，使用户能够在很大范围内对l e d 的亮度，颜色和色调 进行任意调节，给人以一种全新的视觉享受。在城市景观亮化应用方面，l e d 光 源可在微处理器控制下可以按不同模式加以变化，形成夜晚的多姿百态的动态效 5 硕卜学位论文 果，在这方面将体现l e d 相对于其它光源所具有的独特的竞争优势。 4 ) 电源与驱动电路的效率 l e d 电源与驱动电路，既要有一定的供l e d 所需的接近恒流的正向电流输 出，又要有较高的转换效率，电光转化效率是半导体照明的一个重要因素，否则 就会失去l e d 节能的优点，目前商业化的开关电源其效率约为8 0 左右，作为 半导体照明用电源，其转换效率仍须进一步提升。 1 4 2 技术发展趋势 1 ) 针对l e d 的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路，利用集成电路技术 将每颗l e d 的输入电流控制在最佳电流值，使得l e d 能获得稳定的电流，并产 生最高的输出光通量。l e d 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情 况下最好能控制l e d 电流的大小。 2 ) l e d 驱动电路具有智能控制功能，使l e d 的负载电流能够在各种因素的 影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时，初 级控制i c 可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。 3 ) 在控制电路电路设计方面，要向集中控制，标准模块化，系统可扩展性三 方面发展。 4 ) 在目前l e d 光效和光通量有限的情况下，充分发挥l e d 色彩多样性的特 点，开发变色l e d 灯饰的控制电路。 1 4 3l e d 恒流驱动与不同控制模式的比较 微功率电源芯片有以下几种控制模式【l l 】：p f m 、p w m 、c h a r g e p u m p 、f p w m 、 p f m p w m 以及p u l s e s k i p p w m 、d i g i t a l p w m 其中常见的有p f m 、p w m 、c h a r g e p u m p 以及p f m p w m 1 ) p f m 是通过调节脉冲频率( 即丌关管的工作频率) 的方法实现稳压输出 的技术。它的脉冲宽度固定而内部震荡频率是变化的，所以滤波较p w m 困难。 但是p f m 受限于输出功率，只能提供较小的电流。因而在输出功率要求低，静态 功耗较低场合可采用p f m 方式控制。 2 ) p w m 的原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制 电路通过被控制信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，使得输出电压或电流等被控制信号稳定。p w m 的开关频率 6 大功率全彩色l e d 驱动电路的研制 一般为恒定值，所以比较容易滤波。但是p w m 由于误差放大器的影响，回路增 益及响应速度受到限制，尤其是回路增益低，很难用于l e d 恒流驱动，尽管目前 很多产品都应用这种方案，但普遍存在恒流问题。在要求输出功率较大而输出噪 声较低的场合可采用p w m 方式控制。 3 ) c h a r g e p u m p 电荷泵解决方案【1 2 】是利用分立电容将电源从输入端送至输 出端，整个过程不需要使用任何电感。c h a r g c p u m p 主要缺点是只能提供有限的电 压输出范围( 输出一般不会超过2 倍输入电压) ，原因是当多级c h a r g e p u m p 级联 时，其效率下降很明显。用c h a r g e p u m p 驱动一个以上的白光l e d 时，必须采用 并联驱动的方式，因而只适用于输入输出电压相差不大的应用。 4 ) 采用d i g i t a l p w m ( 数字脉宽调制) 通过对独立数字控制环路和相位的数 字化管理，实现对d c d c 负载点电源转换进行监测、控制与管理，以提供稳定 的电源，减少传统供电模组的电压波幅造成系统的不稳定，而且d i g i t a l p w m 并 不需要采用传统较高量的液态电容用作储波及滤波作用。d i g i t a l p w m 数字控制技 术，能够使得m o s f e t 管运行在更高的频率下，有效的缓解了电容所受到的压力。 d i g i t a l p w m 适用于大电流密度，其响应速度很快，但回路增益仍受到限制，目前 成本相对较高。因此其在l e d 恒流驱动上的应用仍需进一步研究。 5 ) f p w m ( 强制的脉宽调制) 是一种恒流输出为基础的控制方式，它的工作 原理是无论输出负载如何变化总是以一种固定频率工作，高侧f e t 在一个时钟周 期打开，使电流流过电感，电感电流上升产生通过感抗的电压降，这个压降通过 电流感应放大器放大，来自电流感应放大器的电压被加到p w m 比较器输入端， 和误差放大器的控制端作比较，一旦电流感应信号达到这个控制电压，p w m 比 较器就会重新启动关闭高侧f e t 开关的逻辑驱动电路，低侧的f e t 会在延迟一 段时间后打开。在轻负载下工作时【n 1 ，为了维持固定频率，电感电流必须按照反 方向流过低侧的f e t 。f p w m 技术驱动芯片目前只见到m a x i m 和n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 的芯片使用。 如上p f m 、p w m 是采用恒压驱动方式控制l e d ，而f p w m 和p f m p w m 是恒流驱动方式控制技术，实践证明较适合l e d 驱动。 7 硕 ：学位论文 1 6 本文研究目的和内容 为了设计出全彩色l e d 器件，我们首先要研究l e d 器件的光学性能，电气 性能。从而选择合适的l e d 芯片。针对l e d 芯片的要求得出具体的驱动指标， 我们需要建立一个开关电源，将市电2 2 0 v 转换成为低压恒流。在芯片和开关电 源之间我们会添加一个p w m 模块，用于控制单一芯片的发光效率。为了实现三 色芯片不同比例出光和将发光通道的光强、温度反馈，我们还需要通过单片机对 整个系统进行控制。最后在出光口对三色光进行耦合混光。 整个研究设计流程如图所示： 5 混光方案的设混光通道专输出设定的有色光 ll e 。烨雠研究鸟三纽。芯片嘞 脱垄堂鸟越器件 爪 图1 1 研究设计流程 反馈 大功率全彩色l e d 驱动电路的研制 第二章l e d 发光芯片性能的研究 2 1l e d 的光电性能 对于超高亮l e d t l 4 1 当正向电压超过某个阈值( 约2 v ) ，即通常所说的导通电压 之后，可近似认为，i f 与v f 成正比。见图2 一l 是当前主要超高亮l e d 的电气特 性。由图2 1 可知，当前超高亮l e d 的最高i f 可达l a ，而v f 通常为2 4 v 。 l l 卜 lo1 52o2 。5 图2 - 1h p w a x h o ol e d 的v f 和i f 关系曲线图 由于l e d 的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，因此，采 用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，l e d 的正向压降变化范围比较大( 最 大可达1 v 以上) ，而由图2 1 中的v f - i f 曲线可知，v f 的微小变化会引起较大的， i f 变化，从而引起亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保证l e d 亮度的 一致性，并且影响l e d 的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮l e d 通常采用恒 流源驱动。电流对于光通量的关系如图2 2 所示： 莲 1 il 卜- 。 “ 。 卜) 。气j 。l | | ， l ll ，l 鬟 ，l l 图2 - 2 电流与光通量关系图 9 o o o o o o o o 7 6 5 4 3 2 ， 萋i o ， ， ， ， l t ( 1 l l l l 兰巷 硕- 学位论文 f 图2 3 是l e d 的温度与光通量( ( p v ) 关系曲线，由下图可知光通量与温度成 反比，8 5 时的光通量是2 5 时的一半，而一4 0 时光输出是2 5 时的1 8 倍。 温度的变化对l f d 的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是l e d 保持恒定 亮度的保证。 3 ii l 冀i l “； l _ l 一 gl _ 莓二：= _ ? = 二 oh o 一一 o ，l ； 0 ， i l l20 一，一 ； 0 2 t j。l 转6 鞋l 赢i 略、 图2 - 3 温度与光通量关系曲线 2 2l e d 芯片的选定 2 2 1 常见l e d 的分类 1 按发光管发光颜色【1 5 1 分成红色、橙色、绿色( 又细分黄绿、标准绿和纯 绿) 、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二 极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分 成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适 合做指示灯用。 2 按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面 安装用微型管等。 圆形灯按直径分为q 0 2 m m 、p 4 4 m m 、q 5 m m 、q 8 m m 、q o l o m m 及9 2 0 m m 等。 国外通常把( | 0 3 m m 的发光二极管记作t 1 ：把q 0 5 m m 的记作t 1 ( 3 4 ) ；把一4 m m 的记作t - l ( 1 4 ) 。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分 有三类1 1 6 1 ： 1 )高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射 l d 大功率全彩色l e d 驱动电路的研制 剂。半值角为5 0 2 0 0 或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与 光检出器联用以组成自动检测系统。 2 ) 标准型。通常作指示灯用，其半值角为2 0 0 4 5 0 。 3 ) 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4 5 0 - 9 0 0 或更大，散射剂的 量较大。 3 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环 氧封装及玻璃封装等结构。 4 按发光强度和工作电流分有普通亮度的l e d ”1 ( 发光强度小于l o m c d ) ： 超高亮度的l e d ( 发光强度大于l o o m c d ) ；把发光强度在1 0 1 0 0 m c d 间的叫高 亮度发光二极管。一般l e d 的工作电流在十几m a 至几十m a ，而低电流l e d 的工作电流在2 m a 以下( 亮度与普通发光管相同) 。 2 2 2s h f - u 1 0 t b l h 4 s 型超高亮l e d 介绍 本方案所选l e d 芯片为s h f u 1 0 t b l h 4 s 型超高亮l e d 的超高亮三色芯片 表2 - 1s h f - u i o t b ih 4 s 型超高亮l e d 性能指标 型号 芯片材料发光颜顺向电压主波长发光强度 反 色 向 电 流 典型值最大最最大值 最晟最 值小 小大大 值值值值 s h f u 1 0 t b l h 4i n g a n 超高亮 2 84 54 6 04 7 081 51 0 s 蓝 s h f u 1 0 t b l h 4i n g a i n 超高亮 2 8 4 5 5 2 05 3 02 54 51 0 s 纯绿色 s h f u 1 0 t b l h 4a l g a l t 巾 超亮橘 s 红色 1 82 56 2 06 2 5 2 04 0 1 0 测试条件 i f 三3 5 0 m ai f = 3 5 0 m av r = 5 vi f = 3 5 0 m a 顺向电流 顺向电流顺向电流反向电压 3 5 0 毫安3 5 0 毫安5 伏3 5 0 毫安 硕十学位论文 s h f u 1 0 t b l h 4 s 型超高亮l e d 单色芯片的结构如图： l 耋r 图2 4s h f u i o t b i h 4 s 型超高亮l e d 结构图 在现有的l e d 光源组成的形式上，除了三基色方案还有其他多种形式，但是 三基色方案具有很强的优势【18 1 。对比具体的优缺点如表2 2 表2 - 2l e d 不同技术的优缺点比较 光源方案优点缺点 二色l e d ( 蓝绿光+ 琥珀 高效率低演色性 光)低成本 需要控制温度 无斯托克斯损失 无荧光粉 三基色l e d ( r ，b ，g ) 高效率要对电流控制 高演色性成本高 无斯托克斯损失 绿光效率低 无荧光粉 蓝光l e d + 黄色荧光粉只要一种荧光粉 不易控制色温 高效率效率低 便宜，制作简单光色分布不均匀 蓝光l e d + 红，绿荧光粉高演色性有月晕现象 光色可调手电流影响大 u vl e d + 红绿蓝荧光粉 同笼3 c斯托克斯损失大 高演色性效率低 人功串全彩色l e d 驱动电路的研制 2 3r g b 合成白光的原则 2 3 1 白光l e d 介绍 白光l e d 的合成途径【1 9 1 大体上有2 条路可以走，第一条是r g b ，也就是红 光l e d + 绿光l e d + 蓝光l e d ，l e d 走r g b 合成白光的这种办法主要的问题是绿 光的转换效率底，现在红绿蓝l e d 转换效率分别达到3 0 0 , 0 ，1 0 和2 5 ，白光流 明效率可以达到6 0 1 m w 。 通过进一步提高蓝绿光l e d 的流明效率，则白光流明效率可达到2 0 0 1 m w 。 由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对合成白光的各色l e d 流明效率有 不同的。长期以来低色温( 4 0 0 0 k ) 、高显色性的白光l e d 按照当前主流方案i n g a n 蓝色l e d 芯片和c e 激活的稀土石榴石黄色荧光体组合的方案实现难度大，成为 人们攻关的难题。因为黄色荧光体的发射光谱中缺少红成份。故目前大多数报告 限于有关5 0 0 0 k 以上的高色温白光l e d 的工作1 2 叭。 尽管白光l e d 已有商品，但缺少低色温自光l e d 。5 0 0 0 k 以上的高色温商 品，显色性差，难以满足市场，由蓝色芯片和荧光体组合的低色温白光l e d 的报 告极少。因此，无论从学术上研究，还是应用需要，发展低色温( + 2 3 6 v 时，m a x l 6 8 0 1 开始启动。启动期间，u v l o 电路保持c p w m 比较器、i l i m 比较器、振荡器以及输出驱动器处于关断状态，以减小电流消耗。 3 、v i n + 2 3 6 v 时，u v l o 电路启动c p w m 比较器、i l i m 比较器和振荡器，并 允许输出驱动器开始开关操作。 4 、v i n c 2 ，则按以下公式计算r 1 ： 乇= 警 尺。：v m ( m m ) - v s u v r j l c + l 姒盯 ( 删) 是应用中的最小输入电压 咯嗍是自举u v l o 唤醒电平髓+ 2 3 6 矿 l s r a r r 是启动时i n 上的电源电流l 翻盯9 0 卅 ( 3 6 ) ( 3 7 ) j 如果允许更长的启动时间，则r 1 阻值可选取得比上述计算值更大一些，这 样可以降低该电阻的功耗。因而任何时间第三绕组的电压与输出电压总成正比， 并和输出电压经历相同的软启动过程。c 1 从+ 2 2 v 放电至+ l o v 的最短放电时间必 须大于6 0 m s 的软启动时间【5 5 1 。 硕士学位论文 3 1 4 开关电源模块电路图 i i l 1 1 5；牟。 r )( 3 p 、 i r 1 f弋 ) fj - j 船 i c = = ) o i h - 、 z l j l l l 琳嗍 _ j 匹 ! c l 昭 - 一c 口 诹 一卜乙上 付 玎 l 一 b c 哪 m 一0 懈3 l 酤 u 钆0 压n 黔 d 】m 佃 l t k l t l l 锨l l l广 = l 气l 麓 融o 图3 - 3 开关电源模块电路图 3 2p w m 调节模块的设计 p w md i m m i n g ( 脉宽调制) 调光方式一种利用简单的数字脉冲【5 6 1 ，反复开关 l e d 驱动器的调光技术。只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现 改变输出电流，从而调节白光l e d 的亮度。p w m 调光的优点在于能够提供高质 量的白光，以