（信息与通信工程专业论文）led照明技术的研究和设计实例.pdf

硕i j 学位论文 摘要 l e d 在照明应用中，因其具有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、 可靠性高、调控方便等诸多优点，正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的 应用。l e d 的照明应用，需要驱动电源和光学系统设计等技术的支持。本论文的 研究和设计工作重点是l e d 照明驱动电源和l e d 照明灯具的配光，主要创新工 作如下： 第一，在归纳了一般l e d 照明对驱动电源要求的前提下，以l e d 的电学特 性为基础，选用了两款驱动芯片，设计了两种不同的驱动电源主电路。主电路采 用b o o s t 型拓扑结构，充分考虑了成本、可靠性、实用性等因素的影响，实现了 驱动电源对多个串联l e d 的驱动。通过实验测试，得到了这两种主电路在搭配不 同负载电路时的电学性能参数。这些参数对于电源设计具有重要的参考价值。 第二，提出了一种新的l e d 照明灯具的配光方法。在介绍了照度的计算方法 及其照明理论基础上，从l e d 的光学特性出发，不但拟合和验证了一般l e d 光 分布估算公式，而且创新地利用了不同发光角的l e d 阵列组件进行配光，建立了 基本配光模型和光强分布模型。与传统灯具的二次光学设计不同，使用该方法进 行配光的灯具无须聚光透镜和反光器的光学设计，就能满足不同应用环境的配光 要求，具有设计周期短、难度低、生产成本低等优点。 第三，根据城市道路照明标准中对主干路的照明要求，设计了一款应用于道 路照明的大功率l e d 路灯。在灯具的二次光学设计上，采用了新的配光方法；在 路灯的驱动电源设计上，以保证电源可靠性为前提，使用尽可能少的元件对驱动 电源进行了结构优化和性能提升，实现了其驱动效率高于现有市场上同类拓扑的 驱动电源的效率的目标。此外，该设计实现了路灯的模块化，方便了实际工程的 安装、调试和维护。最后通过系统的实验测试，证明了该设计的可行性。 关键词：l e d ；照明技术；驱动电源；l e d 阵列；配光；道路照明 h l e d 照明技术的研究和设汁实例 a b s t r a c t i nt h el i g h t i n ga p p l i c a t i o n ，l e d ( 1 i g h t e m i t t i n gd i o d e ) ，w i t hm a n ya d v a n t a g e so f e n e r g y s a v i n g ，l o n g e v i t y ，e n v i r o n m e n tf r i e n d l y , s m a l lv o l u m e ，q u i c kr e s p o n s e ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dc o n v e n i e n tr e g u l a t i o na n dc o n t r o l ，i sb e c o m i n gan e wl i g h t i n gs o u r c e a n di sb e i n ga p p l i e dw i d e l y t h el e dl i g h t i n ga p p l i c a t i o nr e q u i r e st h es u p p o r t so f m a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha st h ed e s i g no fd r i v i n gp o w e rs u p p l ya n do p t i c a ls y s t e m t h e k e yi s s u e so fr e s e a r c ha n dd e s i g nw o r ki nt h i st h e s i sa r el e dd r i v i n gp o w e rs u p p l y a n dl i g h td i s t r i b u t i o no fl e di l l u m i n a t i o nl u m i n a r i e s t h em a i ni n n o v a t i v ew o r k sa r e s h o w nb e l o w ： f i r s t l y , o nt h ec o n d i t i o no fs u m m a r i z i n gt h er e q u i r e m e n t sf o rd r i v i n gp o w e r s u p p l yf r o mc o m m o nl e di l l u m i n a t i o n ，b a s e do nt h ee l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fl e d ， t w ot y p e so fd r i v ec h i p sa r es e l e c t e dt od e s i g nt w od i f f e r e n tm a i nc i r c u i t so fd r i v i n g p o w e rs u p p l y t h em a i nc i r c u i t se m p l o yb o o s tt o p o l o g y ，w i t haf u l lc o n s i d e r a t i o no f t h ef a c t o r so fc o s t ，r e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y ，t or e a l i z ed r i v eo fm a n yl e d si ns e r i e s 11。 一 一 一 l a yd r i v i n gp o w e rs u p p l y 1h r o u g h e x p e r i m e n t a lt e s t s ，e l e c t r o n i cp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sf r o mt h et w om a i nc i r c u i t ss u b j e c t e dt ov a r i o u sl o a dc i r c u i t s ，a r eg o t t e n t h e s ep a r a m e t e r sh a v ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u e st ot h ep o w e rs u p p l yd e s i g n s e c o n d l y ，o p t i c a lp r o p e r t i e so fl e da r ee x p l o r e d b a s e do nk n o w nk n o w l e d g eo f a l g o r i t h mo fi l l u m i n a t i o n ，w ei n t r o d u c e d an e wm e t h o do fl i g h td i s t r i b u t i o no fl e d i l l u m i n a t i o n u s i n gt h i sm e t h o d ，w ea r ea b l et ov e r i f yt h eg e n e r a le q u a t i o n sw i d e l yu s e dt o a p p r o x i m a t el e dl i g h td i s t r i b u t i o n w ea l s ob u i l tm o d e l sf o rl i g h td i s t r i b u t i o na n di n t e n s i t y d i s t r i b u t i o nf o r t h em e t h o d d i f f e r e n tf r o ms e c o n d a r yo p t i c sd e s i g na n dt a k i n ga d v a n t a g e o fd i f f e r e n tr a d i a t i o na n g l e so fa r r a yo fl e dm o d u l e s ，l i g h t i n gd e v i c e sf o rd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t sc a nb ed e v e l o p e dw i t h o u ti n d i v i d u a ld e s i g no fl e n sa n dr e f l e c t i o nd e v i c e sw h e n u s i n gt h i sm e t h o df o rl i g h td i s t r i b u t i o n t h i r d l y ，a c c o r d i n gt ot h el i g h t i n gr e q u i r e m e n t sf o rm a i nr o a di nt h es t a n d a r do f u r b a nr o a dl i g h t i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n sak i n do fl e dh i g hp o w e rl a m pw h i c hi s s u i t a b l ef o rr o a dl i g h t i n g f o rt h ed e s i g no fl i g h td i s t r i b u t i o n ，w ea d o p tt h en o v e l m e t h o d f o rt h ed e s i g no fd r i v i n gp o w e rs u p p l y ，u n d e rt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e ef o r p o w e rs u p p l y sr e l i a b i l i t y ，d r i v i n gp o w e rs u p p l yg a i n ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n d p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tu s i n ge l e m e n t sa sf e wa sp o s s i b l e i tr e a l i z e st h a tt h ed r i v e e f f i c i e n c yo fp o w e rs u p p l yw o u l db eh i g h e rt h a nt h a to ft h eo t h e rs a m ep o w e rs u p p l y 硕f ：学位论文 a v a i l a b l ei nt h em a r k e t i na d d i t i o n ，t h el a m p sh a sr e a l i z e dt h em o d u l a t i o na n d f a c i l i t a t e dt h ei n s t a l l m e n t ，t h ed e b u g g i n ga n dt h em a i n t e n a n c ed u r i n gt h ep r o c e s s i n g o ft h ea c t u a lp r o j e c t f i n a l l y ，t h i sp a p e rh a sp r o v e nt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n t h r o u g hs y s t e m se x p e r i m e n t a lt e s t k e yw o r d s ：l e d ；l i g h t i n gt e c h n o l o g y ；d r i v i n gp o w e rs u p p l y ；l e da r r a y s ；l i g h t d i s t r i b u t i o n ；r o a dl i g h t i n g i v l e d 照1 1 j 技术的研究和设计实例 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 13 图2 1 4 图2 1 5 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 插图索引 l e d 发光原理示意图8 l e d 的正向伏安特性9 降压型变换器1 0 升压型变换器一1 1 升降压型变换器l1 电压型反馈控制原理图1 2 电流型反馈控制原理图1 3 c 整流滤波电路18 l c 整流滤波电路18 l c 谐振式整流滤波电路一1 9 逐流式整流滤波电路1 9 电流峰值法控制的b o o s t 功率因数校正电路原理图2 0 电流滞环法控制的b o o s t 功率因数校正电路原理图2 1 平均电流法控制的b o o s t 功率因数校正电路原理图2 l 单级和两级功率因数校正电路拓扑2 2 灯具测试的c r 坐标2 6 单个点光源的点照度计算一3 0 主电路原理框图一3 5 f s d m 作为驱动芯片的主电路原理图3 6 t o p 作为驱动芯片的主电路原理图3 7 f s d m 为驱动芯片的两种电源负载电路原理图4 0 t o p 为驱动芯片的两种电源负载电路原理图4 0 照明灯具的照度点计算示意图4 3 光强和照度的计算关系4 4 道路照明的理想配光曲线图4 5 照明系统的配光设计流程4 7 c h l 4 型l e d 光电性能分析仪4 8 发光角为3 0 0 的l e d 光强分布图4 8 发光角为3 0 0 的l e d 光强分布曲线拟合4 9 l e d 光分布拟合验证结果“5 0 平板组合l e d 阵列示意图51 v i l 硕f j 学位论文 l e d 阵列组件的照度测量系统5 1 不同发光角的l e d 阵列组件c o 和c 9 0 测光面光强分布比较一5 2 l e d 路灯的纵向照明示意图一5 3 l e d 路灯灯具的基座结构5 3 c o 测光面的光强分布模型5 4 c 9 0 测光面的光强分布模型5 5 其他测光面的光强分布模型5 6 c o 和c 9 0 两个测光面的光强分布比较5 6 l e d 路灯灯具的等光强分布图5 7 组件的驱动电源电路原理图5 8 l e d 阵列组件模块5 9 大功率l e d 路灯灯具5 9 驱动电源测试的波形图”6 0 l e d 路灯1 8 x 6 平方米区域内的等照度分布图6 l 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 l l l 1 1 1 1 l l l 1 、l ，厶1 厶 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 图图图图图图图图图图图图图图 l e d 照明技术的研究和设汁实例 附表索引 表2 1并联方式和串联方式驱动照明级l e d 优缺点比较1 6 表2 2 常用的三种a p f c 控制方法2 0 表3 1照明灯具的c i e 分类一2 7 表3 2 投光灯的n e m a 分类一2 7 表3 3道路照明灯具的c i e 分类”2 8 表4 1f s d m 连续工作模式下的电感取值3 8 表4 2t o p 连续工作模式下的电感取值”3 9 表4 3使用f s d m 的驱动电源的性能测试结果4 1 表4 4使用t o p 的驱动电源的性能测试结果4 1 表5 1l e d 路灯灯具的配光设计数据一5 4 表5 2 组件驱动电源的性能测试结果6 0 表5 3l e d 路灯部分参数6 1 湖南大学 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。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 章丢乏 日期：d7 年歹月莎日 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留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关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。本人授权湖南大学可以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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：夕尹年占月多e t 日期： 。7 年 6 月多日 趿施刚粼城 硕一j 二学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 8 7 9 年，爱迪生发明了碳丝白炽灯，使照明技术进入一个崭新的时代。回顾 2 0 世纪的照明史，荧光灯、汞灯、高低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、 高频无极荧光灯以及微波硫灯等新光源层出不穷。白炽灯从其问世的那一天起就 带有先天性的缺陷，寿命短，钨丝加热耗电大，灯泡易碎，而且容易使人触电。 荧光灯的出现，虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力产生不利的影响，灯管内 的重金属汞也有害于人体和环境。真正引发照明技术发生质变的还是l e d 的发 明。与传统照明技术相比，l e d 的最大区别是结构和材料的不同，它是一种能够 将电能转化为可见光的半导体。l e d 属于全固体冷光源，体积极小、结构坚固、 重量轻、而且工作电压低，使用寿命长，节能环保。l e d 光源被称为继白炽灯、 荧光灯、高强度气体灯之后的第四代光源【l 之】。 1 2l e d 应用于照明的优点 l e d 照明与其他照明相比具有以下优点【3 8 】： ( 1 ) 高效节能：传统的照明光源存在光效低( 一般白炽灯光效2 0 左右， 普通节能灯只有4 0 5 0 左右) 、耗电量大、光线中含有大量的紫外线、红外线 辐射，电能绝大部分转化为热能。按照通常的光效定义，l e d 的光效并不高，但 由于l e d 的光谱几乎全部集中在可见光频段，效率可达8 0 9 0 ，一般l e d 灯使用低电压、低电流驱动，功耗低，在相同的照明效果下比传统光源节能8 0 以上。 ( 2 ) 寿命长：l e d 为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有 松动的部分，不存在普通灯丝发光发热易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可 高达6 万1 0 万小时，是传统光源使用寿命的1 0 倍以上。由于寿命长，经久耐 用，减少了维护和更换的费用，降低了成本。 ( 3 ) 绿色环保：现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的 汞，这样在发光过程和废弃后都会对人体的健康和环境造成危害。而l e d 运用冷 光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质，光谱中没有紫外线和红外线， 而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照 明光源。 l e d 照明技术的研究和设计实例 ( 4 ) 光效高：白炽灯的光效为1 2 - - - 2 4 1 m w ，荧光灯的光效为5 0 7 0 1 m w ， 钠灯的光效为9 0 - 1 4 0 1 m w ，大部分的耗电变成热量损耗。目前l e d 的光效为 5 0 1 0 0 1 m w 左右，世界各国均加紧提高l e d 光效的研究，按现在l e d 技术发 展的速度预测，到2 0 1 0 - - 2 0 15 年，白光l e d 的光效将达到l5 0 - - - 2 0 0 1 m w ，远远 超过其他所有照明光源的光效。 ( 5 ) 光色纯、光束集中：传统照明光源的光谱较宽，且发光方向为整个立体 空间，不利于配光和光线的有效利用。而l e d 则为分立的光谱，谱线较窄，色彩 丰富、鲜艳，可以有多样化的色调选择和配光，并且l e d 光源发光大部分集中会 聚于中心，发散角较小，可以有效地控制眩光，从而简化灯具结构，节省设计和 制造成本。 ( 6 ) 高新技术：与传统光源的发光效果相比，l e d 光源是低压微电子产品， 成功地融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术和嵌入控制技术等。 1 3l e d 照明的研究现状和发展前景 目前，l e d 已经应用于各种照明领域，这包括景观照明、汽车市场、普通照 明、道路照明等。l e d 照明市场已经逐步形成规模，如日本松下电工已开始生产 “袖珍型l e d 照明灯”，德国h e l l a 公司利用白光l e d 开发了飞机阅读灯，国内 明达光电厦门有限公司开始生产l e d 路灯等。由于石化资源的匮乏，世界性的能 源危机引起了各国的重视，并纷纷把照明节电特别是白光l e d 产业的发展纳入国 家发展战略中。面对l e d 照明将要形成的巨大市场，世界上掌握半导体照明技术 的公司，如通用电气、飞利浦、欧司朗等世界三大照明工业巨头、全都启动大规 模商用开发计划，不断推进半导体照明的发展。国内对l e d 的研究和应用也进行 了重点投入。2 0 0 6 年l0 月，国家“十一五”8 6 3 计划“半导体照明工程 重大项 目正式启动。我国半导体产业正在进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机 遇。我国出现了很多示范性路灯照明实例。随着2 0 0 8 年北京奥运会和2 0 l0 年上 海世博会的陆续申办成功，北京、上海等主要的举办城市加大了对景观照明的投 入，受此影响，2 0 0 7 年l e d 用于景观照明市场的规模达到2 1 2 亿元。可以预见， 未来l e d 将逐渐替代白炽灯、荧光灯等光光源，成为人造光源逐流产品，广泛应 用于各种照明、显示和标识，专家估计将会有1 0 0 0 亿美元的产业规模。 l e d 在照明领域中的应用主要包括以下四个方向的技术：l e d 光源技术、l e d 驱动电源技术、l e d 配光技术和l e d 散热技术。以下从这四个技术方向介绍l e d 照明的研究现状和发展前景。 1 l e d 光源技术 2 0 世纪6 0 年代末，人们在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见红光的 l e d ，至今已有5 0 年不到的时问，l e d 已由单色低亮度仅起指示作用发展到多颜色 2 硕l 学位论文 超高亮度可用于广泛照明。l e d 的发展就像计算机技术一样遵守摩尔定律，每隔1 8 个月它的亮度就会提高一倍。近年来，l e d 在颜色种类、亮度和功率方面及其可靠 性技术都有了极大的提高，以其令人惊叹而欣喜的应用在城市室内外照明中发挥着 传统光源无可比拟的作用。l e d 寿命最长可达6 万小时，意味着每天工作8 小时，可 以有2 0 年免维护的理论保障【6 】。光效高，目前商业级可达li5 1 m w 8 1 ，预计到2 0 l5 年l e d 的光效有可能达到15 0 2 0 0 1 m w ，低压运行，几乎可达到1 0 0 的光输出， 调光时低到近乎零输出，可以组合出成千上万种光色，而发光面积可以很小，能制 作成l m m 2 。经过二次光学设计，l e d 照明灯具就可以达到理想的光强分布。随着 l e d 技术的不断进步，大功率超高亮度白光l e d 的产业化指r 可待，性能进一步提 高，成本进一步下降，正以前所未有的速度向着广阔的照明领域迈进【9 10 。 2 l e d 驱动电源技术 原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给l e d 供电。因此， 要用l e d 作为照明光源就要解决电源变换这一问题。现有用原始电源给l e d 供电主 要有以下四种情况【1 1 2 2 】：低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动以及市电驱动。 不同的情况在l e d 电源变换器的技术实现上有不同的方案。下面简要介绍这四种不 同的驱动电源技术。 ( 1 ) 低电压驱动 低电压驱动就是指用低于l e d 正向导通压降的电压驱动l e d ，如一节普通的干 电池或者镍铬镍氢电池，其正常供电电压为o 8 至1 6 5 v 。低电压驱动l e d 就是要把 电压升高到足以使l e d 导通的电压值。对于l e d 这样的低功率照明器件，这是一种 常见的使用情况，如l e d 手电筒、l e d 应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量 的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的变换效率。另外， 考虑到有可能配合一节5 号电池工作，还要有最小的体积，其最佳技术方案是电荷 泵式升压变换器。 ( 2 ) 过渡电压驱动 过渡电压驱动是指给l e d 供电的电源电压值在l e d 管压降附近变动，这个电压 有时略高于l e d 管压降，有时略低于l e d 管压降。如一节或者两节锂电池串联的铅 酸电池，满电时电压在4 v 以上，电快用完时电压在3 v 以下。用这类电源供电的典 型应用有l e d 矿灯等。过渡电压驱动l e d 的电源变换电路既要解决升压问题又要解 决降压问题，为了配合一节锂电池工作，也需要有尽可能小的体积和尽可能低的成 本。一般情况下功率也不大，其最高性价比的电路结构是反极性电荷泵式变换器。 ( 3 ) 高电压驱动 高电压驱动是指给l e d 供电的电压值始终高于l e d 管压降，如5 v 、1 2 v ，2 4 v 的电源。典型应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压 驱动l e d 要解决降压问题，由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电，会用到比较 l e d 照明技术的研究和设计实例 大的功率( 如机动车照明和信号灯光) ，应该有尽可能低的成本。变换器的最佳电 路结构是串联开关降压电路。 ( 4 ) 市电驱动 市电驱动，顾名思义就是用2 2 0 v 、5 0 h z 的交流市电经过电源变换装置给l e d 供电。这是一种对l e d 照明应用最有价值的供电方式，是半导体照明普及应用必须 要解决好的问题。用市电驱动l e d 要解决降压和整流问题，还要有比较高的变换效 率、有较小的体积和较低的成本。另外，考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干 扰和功率因数问题。对中小功率的l e d ，现在普遍使用的电路结构是反激变换器。 对于大功率的应用，则是使用桥式变换电路。 目前，单颗l e d 的光效还不足以满足大部分照明的要求，这就要求l e d 驱动电 源能够同时驱动多个l e d ，只有合理的配合设计才能保证l e d 正常工作。l e d 负载 的连接形式直接关系到其可靠性和使用寿命，现有的连接方式有全部串联、全部并 联、混联三种。 无论是何种驱动电源技术，归根到底对于l e d 照明而言只有恒压和恒流的区 别。采用恒压设计会危害l e d 的未来。l e d 是需要恒流方式驱动工作的，但目前由 于恒流方式限制达不到实际需求，而较多地使用恒压方式设计。恒压方式是暂时的 过渡，很快会被恒流技术取代。 3 l e d 配光技术 l e d 配光技术主要是指l e d 的光学设计，这包括l e d 的初次光学设计和二次光 学设计。初次的光学设计是l e d 的封装上完成的。根据发光的形状可将l e d 光源分 为点光源、圈光源、发光显示器三类，封装采用不同的形状和材料性质( 掺或不掺 散色剂) ，起透镜或漫射透镜的作用，控制光的发散角1 2 3 ，合理科学的封装有利于 提高光效【2 4 1 。 目前，l e d 照明光源的光通量与荧光灯等传统光源的相比，还有一定的差距。 因此，l e d 要在照明领域发展，在提高l e d 本身光效的同时，主要还是要对l e d 照 明灯具进行优化的配光设计即二次光学设计，通过二次光学设计外加的反射杯与多 重光学透镜，可以提高器件的取光效率。二次光学设计建立在起源于2 0 世纪6 0 年代 中期的非成像光学理论上。相对于传统的成像光学来说，非成像光学并不强调光源 是否在屏幕上成像以及成像质量如何，而是强调光能的传输效率及分配，所以二次 光学设计需要解决的两个主要问题是如何使传递能量最大化以及如何得到需要的 照度分布。这两个设计领域通常被简单的称为光能的收集和光能的分配。本文所谈 论的光学系统设计属于光能的分配问题，其关注焦点在于如何实现预先给定的光场 分布。 二次光学设计涉及的配光器件分为聚光和反射两类2 5 棚】，归根到底是通过设 计反射界面和折射界面的形状来重新分配光源发出的光线，进而实现所需要的能量 4 硕f ：学位论文 分布。聚光器件包括聚光透镜、聚光杯等。实际应用时，聚光透镜通常以单个或阵 列形式出现。在l e d 光源光效不是非常理想的状况下，利用其特有的发光特性进行 二次光学设计，实现低光通功能性照明，非球面塑料透镜在其中起到非常关键的作 用【2 6 】；功率l e d 的发展迫切需要提高取光效率，微透镜阵列的二次光学设计是改 善其光强分布的有效途径，利用微透镜阵列技术能显著改善l e d 的光学性能，改善 其光束分布，将l e d 的照度衰减降低1 2 以上，从而得到更加均匀的照明系统1 2 圳。 反射器件包括反射薄膜，反射镜等光学反射介质，实际应用中的反射镜继续沿用传 统光源灯具的设计。无论是聚光透镜还是反射器的光学设计，在很多情况下尤其是 要求光学系统的总体积比较小、比较紧凑即光学器件的尺寸不是远远大于光源的尺 寸时，其光源不可视为点光源而进行光学系统设计，这将大大地增加实际设计难度。 二次光学设计中普遍借助计算机辅助软件帮助完成设计【3 m 3 5 j ，这类光学软件 具有强大的机械仿真功能，可以模拟几乎所有的三维几何模型，具有很好的互动性， 可以让用户在制作原型系统或者大批量生产前做光学系统的仿真，如配合l e d 光源 的应用设计要求、可进行配光曲线分析以及照度灰度混光效果分析的t r a c e p r o 3 4 】， 提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反光镜、分束器、衍射光 学元件、光路等、可实现光机一体化设计i 拘l i g h t t o o l s t 3 3 】和应用优化的蒙特卡罗方 法进行非序列性的光线追迹的a s a p l 3 5 j 等。 目前，l e d 在照明领域的配光技术还不成熟，很多针对l e d 灯具的国家标准也 还没有制定，中大功率l e d 照明灯具产品的二次光学设计还很粗糙，因此，l e d 在 照明领域的优势还没有最大限度地发挥出来，采用与传统灯具配光不同的方法，充 分利用l e d 的光学特性进行二次光学设计将有助于进一步提高l e d 光源的光利用 效率。 4 l e d 散热技术 无论是用何种光源来照明，都免不了要处理散热的问题。照明灯具的散热问 题一直以来都倍受关注，因为光源的工作温度与其工作寿命密切相关。l e d 作为 新的照明光源，在电能转换为光能的同时，也有相当一部分电能转化为热能。照 明用l e d 的散热研究主要集中在l e d 的封装和灯具的散热结构【3 酬。目前在l e d 封装上的散热研究已经基本上解决了小功率l e d 的散热问题，在大功率l e d 封 装上的研究随着大功率l e d 照明日益普及的需求，众多国家和相关研发机构投入 大量的人力财力，已经取得了很大的突破。大功率l e d 散热封装技术【3 卜3 9 j 分为： 高散热封装结构和覆晶式封装结构。l e d 厂商在散热封装上具体做法包括降低封 装的热阻抗、改善晶片外形、采用小型晶粒、改用矽质封装材料与陶瓷材料，能 使l e d 寿命提高，改善l e d 的封装方法。目前，国内外大厂正致力于散热问题 的克服，相信未来将能进一步克服高功率l e d 的散热问题。 1 e d 照丌月技术的研究和设计实例 1 4l e d 照明目前存在的问题与解决方法 目前，l e d 照明光源的光效虽然还不是很理想，但随着时间的推移和制作工艺 的进步，其光效将达到甚至超过现有的其他照明光源的光效。同时，高功率l e d 照 明的散热效果也有望进一步得到改善。 l e d 的理论使用寿命在6 万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的 设计及驱动方式选择不当，l e d 照明忽明忽暗，使l e d 极易损坏。当前很多厂家生 产的l e d 灯类产品采用阻容降压的方式向l e d 供电，这样做使得效率低。并且现有 的大部分驱动电源功率因数普遍偏低，降低了电能的有效利用率。精确设计驱动电 源是解决上述问题的关键，只有根据l e d 照明产品的要求、应用场合，选择合适的 拓扑结构，合理选用l e d 驱动方式，才能提高l e d 照明的效率和可靠性，将l e d 照 明的优势充分发挥出来。 在l e d 照明的配光技术方面，目前的配光大部分沿用传统配光方法，普遍采用 透镜聚光和反射镜利用旁侧光照，为了达到一定的光照效果，往往给照明灯具带来 种种问题例如散热差和灯具的体积大和重量增加及其影响外观，同时也忽略了l e d 的光学特性，而且l e d 照明灯具配光后的光利用效率也较低。解决上述问题，只有 从l e d 自身的结构和发光特性出发，寻求一种能够满足l e d 照明要求的，且具有 l e d 照明特点的配光方法。 综上所述，解决l e d 照明的方法只有从l e d 自身的光学、电学和结构特点出发， 根据具体的应用环境和条件要求，因地制宜，才能解决l e d 照明技术上存在的问题， 使l e d 照明真正成为值得广泛推广使用的绿色照明。 1 5 论文主要工作及创新点 论文的主要工作： ( 1 ) 研究l e d 照明技术的发展现状以及目前技术存在的问题，并为现有技 术问题拟解决方法。 ( 2 ) 研究l e d 照明驱动电源的相关技术，对驱动电源的主电路和负载电路 进行分类和比较，重点研究驱动电源的驱动效率和功率因数校正问题，总结一般 l e d 照明对驱动电源的要求，然后选择两款驱动芯片，采用b o o s t 拓扑设计两种 不同的驱动电源电路，分别将其搭配不同的负载电路并进行实验测试和电学性能 比较。 ( 3 ) 研究l e d 照明配光设计的相关技术，对l e d 照明的计算和设计进行探 讨，然后提出一种结合l e d 自身光学特点的新的配光方法，拟合和验证一般l e d 光分布估算公式，建立基本配光模型和光强分布模型，创新地利用不同发光角的 6 硕i j 学位论文 l e d 阵列组件来进行配光，借助计算机模拟的辅助设计，将实验结果和计算机模 拟进行比较，检验新配光方法的可行性。 ( 4 ) 在对l e d 照明关键技术的研究基础上，设计一款应用于主干路照明的 大功率l e d 路灯，结合使用新方法配光的特点，将驱动电源和l e d 光源合成在 一块电路板上，从而实现l e d 阵列组件的模块化，并以较少的元件提升驱动电源 的性能。最后，对l e d 路灯进行电源性能测试和照明效果测试，并将得到的实验 数据与标准中的相关数据进行比对，得出结论。 论文的创新点： ( 1 ) 本文设计驱动电源具有一定的可靠性，且其驱动效率高于现有市场上同 类拓扑的l e d 驱动器的效率。 ( 2 ) 结合l e d 自身的光学特性，利用不同发光角的l e d 阵列组件配合成组 合光源，通过计算机模拟辅助设计，与传统灯具的二次光学设计不同，无须聚光 透镜和反光镜的光学设计，就能满足受照面不同方向的照明要求。使用该方法进 行配光的灯具设计周期短、生产成本低，具有很强的实用性和市场竞争力。 7 l e d 照叨技术的研究和设计实例 第2 章l e d 照明的驱动电源技术 2 1l e d 发光原理及电学特性 2 1 1l e d 的发光原理 l e d 是由i i i v 族化合物，如g a p ( 磷化嫁) 、g a a s p ( 磷砷化嫁) 等半导体制 成的。其核心是p n 结。因此，它具有一般p n 结的伏安特性，即正向导通、反向截 止、击穿等特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。制作半导体发光二极 管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的n 区有很多迁移率很高的电子，p 区有较多 的迁移率较低的空穴。由于p n 结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复 合。当在发光二极管p n 结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大 于漂移运动，致使p 区的空穴注入n 区，n 区的电子注入p 区。于是在p n 结附近稍偏 于p 区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以 发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发 辐射，如图2 1 所示。当在发光二极管的p n 结上加反向电压，少数载流子难以注入， 故不发光。 图2 1l e d 发光原理示意图 发光二极管发光亮度可以通过工作电压( 电流) 的大小来调节，在很宽的工 作电流范围内，发光二极管的发光亮度与工作电流大小成线性关系【4 0 1 。 2 1 2l e d 的电学特性 发光二极管与普通二极管一样是一种用半导体材料制作的p n 结器件，除了能 发光之外，其电学特性和普通二极管的相似。发光二极管具有以下两个电学特性： ( 1 ) l e d 的伏安特性具有非线性和单向导电性，即外加正偏压时表现为低电阻， 反之为高电阻。这就决定了l e d 正向偏置时才能导通发光，图2 2 所示为l e d 的正 向伏安特性。 8 硕f j 学位论文 ( 2 ) l e d 有负温度系数的势垒电势。在正向电压低于某个电压值时，电流极小 甚至为零，l e d 不发光，但外加电压一旦超过这一电压值时发光二极管的电流就会 随着外加电压的变化急剧增加，对外电路呈现很低的动态电阻，这一电压值就是发 光二极管的势垒电势。 i ( m a ) ov m v ( v ) 图2 2l e d 的正向伏安特性 l e d 的电学特性数学模型可用下式表示为： = 圪。一册+ 足+ ( 咯a t ) ( t 一2 5 ) ( 2 1 ) 式中：吃。一。为l e d 的启动电压；r 为伏安特性曲线的斜率；t 为环境温度； 圪a t 为l e d 正向电压的温度系数。从l e d 的伏安特性曲线及模型知道，l e d 在正向导通后其正向电压的细小变化将引起电流的很大变化，而且环境温度、老 化时间等因素也将影响l e d 的电气性能。 2 2l e d 照明驱动电源的分类 为了保证l e d 在照明中得到良好的应用，需要采用恰当的驱动电源与之搭配。 本文将目前常用的l e d 照明驱动电源按照电路功能和应用要求的不同分为线性型 电路、开关型电路、反馈电路和调制电路四类。前面两类主要是针对驱动电路的主 电路部分的分类，后两类是针对驱动电路的控制电路部分的分类。 2 2 1 线性型电路 线性型电路是一种最为简单和最为直接的驱动应用方式。线性型驱动应用可分 为两种：稳压电源+ 镇流电阻和稳流电源+ 镇流电阻。在照明级l e d 的应用中，虽 然存在着效率低、调节性差等问题，但是由于其电路简单、体积小巧，能满足一般 要求，因此在一些特定的场合应用较多。这种类型的电路主要用于较小功率级的照 明，如手机的背光照明等。 2 2 2 开关型电路 开关型电路沿用开关电源的设计思路，其电路主要由控制级电路和功率级电 路( 主电路) 组成，功率级主要由电感、电容、开关管和整流管组成，控制级电 9 l e d 照明技术的研究和设计实例 路一般是由反馈和调制电路组成。利用开关型电路可以获得良好的电流控制精度 和较高的总体效率。由于本文的设计采用的是开关型电路，所以这小节详细讨论 一下电路的功率级部分，按照输入电压和输出电压的大小关系分为降压型变换器、 升压型变换器和升降压型变换器【4 l j 三种拓扑结构。 1 降压型变换器( b u c k 变换器) 如图2 3 所示，其工作原理：当开关闭合时，巧一向负载提供能量，并同时贮 存一部分能量在电感l 中，整流二极管不导通。当开关s 打开时，为了维持电流 不突变，l 两