（信号与信息处理专业论文）大功率led恒流开关电源设计.pdf

摘要 随着能源危机和气候变暖问题越来越严重，节能已经成为全球普遍关注的话 题。人们通过各种途径寻找新的节能方式。照明是人类消耗能源的重要方面，照 明约占世界总能耗的2 0 ，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。l e d 由 于寿命长、节能环保等众多优点，成为了照明领域关注的焦点，近年来发展迅速。 l e d 的应用，需要合适的驱动控制电路，。本论文研究工作是针对l e d 照明设计 合适的驱动电源。 为了获得预期的亮度要求，并保证各个l e d 亮度、色度的一致性，同时避 免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性，本设计采用交流降压型恒流驱动方 式的开关电源。开关电源以其自身的优点己经成为电源行业的主流形式。开关电 源技术的应用，使电源变得体积小，重量轻，效率高，性能更好。本驱动电源选 用国际整流器公司专门为实现l e d 恒流驱动而设计的i r s 2 5 4 1 控制芯片。该芯 片具有频率能够自由运行并可以通过快速响应输入和输出电压的变化维持电流 调节等特点，外围元器件少，简化了结构，降低了成本。 论文首先介绍了l e d 照明的优点及应用现状，并阐述了l e d 的驱动电源研 究现状。其次就l e d 的主要参数与特性、驱动方式及拓扑结构等l e d 驱动技术 进行了详细地研究。然后基于i r s 2 5 4 1 芯片对l e d 恒流驱动电路进行了具体的 电路设计包括b u c k 电路、恒流反馈电路、保护电路、新型无源功率因数校正器、 调光电路等模块电路，其中调光电路选用l m 3 9 3 芯片产生占空比可调的p w m 信号。接着总结了p c b 板设计中的注意事项并对l e d 驱动电源进行了测试。 最后给出了样品的测试数据和分析了实验数据，并对电路进行了改进，以便 有更高的效率。实验表明该驱动电路结构简单，响应快，具有自我保护功能和调 光功能，稳流性能好，达到了设计要求。 关键词：l e d ；l e d 照明；恒流；驱动；开关电源 a b s t r a c t w i t hi n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g yc r i s i sa n dt h ei s s u eo fc l i m a t ec h a n g e ，e n e r g y c o n s e r v a t i o nh a sb e c o m eat o p i co fc o m m o nc o n c e r n v a r i o u sm e a n sa r es o u g h tn e w e n e r g y e f f i c i e n tm a n n e r s l i g h t i n gt h a t i sa b o u t2 0 o ft h ew o r l d st o t a le n e r g y c o n s u m p t i o ni sa ni m p o r t a n ta s p e c to fe n e r g yc o n s u m p t i o n ，s ot h e r ei sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o np a i do nt h eg r e e ne n e r g y e f f i c i e n tl i g h t i n g l e dd u et oi t sl o n gl i f e ，l o w p o l l u t i o na n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，h a sb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o nf o r t h ef i e l d o fl i g h t i n ga n dd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s l e da p p l i c a t i o n sr e q u i r eas u i t a b l e d r i v e rc o n t r o lc i r c u i t i nt h i sp a p e r ，r e s e a r c hw o r ka i m e da tt h el e dl i g h t i n gs e tu p a p p r o p r i a t ea c t u a t i o np o w e rs o u r c e i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hw o r ka i m e da tt h el e d l i g h t i n gs e t - u pa p p r o p r i a t ea c t u a t i o np o w e r s o u r c e i no r d e rt oo b t a i nt h ea n t i c i p a t e db r i g h t n e s sr e q u e s t ，g u a r a n t e et h eu n i f o r m i t yo f e a c hl e db r i g h t n e s sa n dc h r o m a t i c i t y , a n ds i m u l t a n e o u s l ya v o i dd r i v ec u r r e n tt o s u r p a s st h em o s tl a r g er a t i n gv a l u es oa s t oa f f e c t si t sr e l i a b i l i t y , t h i sd i s s e r t a t i o n a d o p t ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw i t hac o n s t a n t - c u r r e n ts o u r c e t h es w i t c h i n gp o w e r s u p p l yh a sb e e nt h em a i n s t r e a mo fp o w e rs u p p l yi n d u s t r yd u et oi t sc h a r a c t e r i s t i c s a n da d v a n t a g ew i t hw h i c hl i n e a rp o w e rs u p p l yc a n n o tb ec o m p a r e d t h ep o w e r s o u r c eb e c o m e ss m a l l ，l i g h t ，h i g he f f i c i e n c ya n db e t t e rp e r f o r m a n c e t h ec i r c u i t s e l e c t st h ec h i pi r s 2 5 4 1w h i c hi n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e rd e s i g n sf o rt h er e a l i z a t i o no f t h el e dc o n s t a n tc u r r e n td r i v e t h ef r e q u e n c yi nt h ei r s 2 5 4 1i sf r e er u n n i n ga n d m a i n t a i n sc u r r e n tr e g u l a t i o nb yq u i c k l ya d a p t i n g t oc h a n g e si ni n p u ta n do u t p u t v o l t a g e s a n di th a sf e w e re x t e r n a lc o m p o n e n t s ，s i m p l i f i e st h es t r u c t u r ea n dr e d u c e s c o s t s a tf i r s tt h el e di l l u m i n a t i o nm e r i ta n dt h ea p p l i c a t i o np r e s e n ts i t u a t i o ni s i n t r o d u c e d ，a n dt h er e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o ni se x p o u n d e d n e x tt h i sp a p e rh a s d e t a i l e d l yr e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h el e dd r i v ec i r c u i ts u c ha st h el e d m a i np a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，d r i v i n gm o d ea n db a s i ct o p o l o g y t h e nb a s e do n t h ec h i pi r s 2 5 4 1 ，i th a sd i s c u s s e dt h ed e s i g n i n gp r o c e s so fm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s ， c u r r e n tf e e d b a c kc i r c u i t ，c i r c u i tp r o t e c t i o n ，p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) c i r c u i ta n d d i m m i n gc i r c u i t i nt h ed i m m i n gc i r c u i t ，t h el m 3 9 3c h i pi sc h o s e nt og e n e r a t ep w m s i g n a l s f o l l o w e db yi t ，s o m en o t ei nt h ep c b b o a r dd e s i g ni ss u m m a r i z e da n dt h e l e dd r i v e rp o w e rs u p p l yi st e s t e d f i n a l l y , t h et e s td a t ai sg i v e na n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ai sa n a l y z e d a n dt h ec i r c u i t i si m p r o v e dt oa l l o wm o r ee f f i c i e n t e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ed r i v e rc i r c u i ts t r u c t u r e i ss i m p l e ，f a s tr e s p o n s ea n dh a st h ef u n c t i o no fs e l f - p r o t e c t i 6 na n dg o o ds t e a d yf l o w p e r f o r m a n c e t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa r em e tb a s i c a l l y k e y w o r d s ：l e d ，l e di l l u m i n a t i o n ，c o n s t a n tc u r r e n t ，d r i v e ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂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了谢意。 学位论文作者签名：李1 。寅涛 签字日期：。7 年罗月三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云注王业太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李寅；季 导师签名： 签字日期：) 7 年罗月2 ，日 签字日期：。7 年岁月夕日 学位论文的主要创新点 一、针对大功率l e d 路灯的工作要求，应用了国际整流器公司专门 为实现l e d 恒流驱动而设计的i r s 2 5 4 1 控制芯片的驱动方案。该电 路结构能够较好的实现a c d c 转换，结构简单，响应快，具有自我 保护功能，稳流性能好，降低了电路成本，解决了l e d 路灯驱动的 问题。并且提高了l e d 路灯驱动电路的效率，可靠性较好，并且同 时提高了该电路的实用性能。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着能源短缺现象越来越严重，节能成为全世界共同关注的话题和 衡量各项技术的关键指标。节约能源从照明开始。照明是人类消耗能源的重要方 面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是1 9 ，我国也达到 1 0 。城市照明对改善城市人居环境、提高城市整体素质、推动内需、拉动城市 夜间经济发挥了积极作用，为城市的社会效益、环境效益、经济效益做出了巨大 贡献。随着经济的发展，我国的城市照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能 照明的研究越来越受到重视【1 2 1 。 通过推进城市绿色照明，减少温室气体的排放，实现城市照明节电的目标。 所谓绿色照明就是通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定 的照明产品，改善和提高人们工作、生活、学习的条件和质量，从而创造一个高 效、安全、经济、健康有益的环境并充分体现现代要求的照明。 近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，l e d 制造工艺的 不断进步和新材料( 氮化物晶体) 的开发和应用，高亮度l e d 取得了突破性进 展。具有高效、节能、环保、寿命长等优点的固体光源l e d 发光二极管，尤其 是大功率白光l e d ，真正点燃了绿色照明的光辉，被认为是2 1 世纪最有价值的 新光源，l e d 作为一种新型照明光源正在获得越来越广泛的应用【3 j 。 1 2 大功率l e d 照明的特点 l e d 是英文l i g h te m i t t i n gd i o d e ( 发光二极管) 的缩写，是一种直接将电能 转换成可见光的半导体器件，属于高效固态冷光源产品。半导体发光器件l e d ， 作为真正绿色的固体光源，正在引领人类进入第三次照明领域的革命。大功率 l e d 是指1 w 以上的l e d 产品，是半导体器件通过p n 结实现电光转换，与传 统的电光源相比有以下显著特点： ( 1 ) 发光效率高 般来说，白炽灯、卤钨灯光效为1 2 2 4 l m 删，荧光灯光效为5 0 1 2 0 1 m 刖； 传统光源采用黑体辐射，发射的能量中仅有约1 0 可以转化为可见光；要获某一 颜色的光需要使用滤色片，会造成能量浪费。而大功率l e d 光效可达 2 5 2 0 0 1 m w ，光谱窄，单色性好，且无需过滤，直接发出色光。1 2 j 天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 节能好 它具有电压低、电流小、亮度高的特性。单个l w 的大功率l e d 光效达 2 5 l m 删以上，与白炽灯、卤钨灯相媲美。一个1 0 1 2 w 的大功率l e d 光源发出 的光能与一个3 5 1 5 0 瓦的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果大功率l e d 比 传统光源节能8 0 一9 0 。据估计，到2 0 1 0 年，我国照明用电量将达到3 0 0 0 亿 千瓦，如果此时三分之一的照明市场采用半导体照明，则每年可节约用电3 0 ， 年节电量可达1 0 0 0 亿千瓦，与三峡水电站一年的总发电量大体相当。【4 】 ( 3 ) 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，且玻璃泡壳易毁坏， 通常寿命1 0 0 0 小时。大功率l e d 利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加 环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动。大功率l e d 单管寿命1 0 万小时， 光源寿命在2 万小时以上，且l e d 灯体积小、重量轻，设计自由度大，维护简 单，可大大降低使用费用。【5 】 ( 4 ) 光色多 可以选择白色或者彩色光，例如红色、黄色、蓝色、绿色、黄绿色、橙红色 等，并可根据需要制造出多色组合和循环变色的艳丽灯饰。【6 j ( 5 ) 安全性高 大功率l e d 光源发光稳定，能精确控制光型、眩光小、发热少，并且由于 其是冷光可以安全触摸。它不含汞元素，更环保。t s l ( 6 ) 响应速度快 l e d 具有纳秒级的响应速度，开关时间非常短，几乎无启动延迟，这使亮 度和色彩的动态控制变得容易，可实现色彩动态变化和数字化控制。【6 】 1 3l e d 照明的应用现状 初期的l e d 以红色为主，由于光效率较低，光通量很小，因此只能在电器 设备和仪器仪表上作为指示灯使用。 随着管芯材料、结构、封装技术和驱动电路技术的不断进步，光色种类的增 加，发光效率和光能量的提高，目前l e d 已在科研和生产等领域得到了广泛的 应用。传统的l e d 光源主要的应用领域：汽车市场、背景光源市场、交通信号 灯市场。在新兴应用市场不断出现的带动下，近些年l e d 市场规模快速提升。 2 0 0 5 年中国l e d 的产量达到2 6 2 1 亿颗，市场规模更是突破百亿元大关达到 1 1 4 9 亿元。图1 - 1 可以形象的说明这一现象1 7 】。 2 第一章绪论 一写，硐胃戥里1 j 袱， l l 一增长率 3 8 步 蜀磅 一：y 蛐跛 1 5 4 4 一r 广 。 2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年 图1 12 0 0 3 2 0 0 7 年中国高亮度l e d 管芯市场销售数量与增长预测 目前，l e d 在照明工程中的应用主要体现在以下几个方面： ( 1 ) l e d 显示屏的应用市场 我国l e d 显示屏市场起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的显示屏 生产厂商。目前l e d 显示屏己经广泛应用到车站、机场、银行、证券、医院、 体育场馆、市政广场、演唱会等场合上【4 1 。 ( 2 ) 景观照明市场 景观照明市场主要是以街道、广场等公共场所装饰照明为主，由于功耗低， l e d 在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的市场竞争力。目前，l e d 已经 越来越多地应用到景观照明市场中，2 0 0 5 年中国景观照明市场规模超过7 亿元， 景观照明市场在2 0 0 7 年达到7 2 的高掣引，北京、上海等地将建成一批l e d 景 观照明工程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用，将会使l e d 景观 照明从一级城市快速向二级、三级城市扩展。 ( 3 ) 特殊场所照明 现已被广泛应用于像博物馆、展示厅等这样对光源的颜色、辐射等指标要求 高的场所照明。 ( 4 ) 背光源市场 l e d 早已应用在以移动电话为主的小尺寸液晶面板背光领域中，移动电话 产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展，特别是2 0 0 3 年彩屏移动电话的 出现更是推动了白光l e d 市场的快速发展【9 】。 ( 5 ) 汽车车灯市场 从整个l e d 应用市场看，汽车应用市场还处于萌芽状态，市场规模很小。 l e d 作为汽车车灯主要得益于低功耗、长寿命和相应速度快的特点。有统计显 示，在汽车以每小时1 0 0 公里的时速行驶下，装有l e d 刹车灯的车辆比没有装 天津丁业大学硕士学位论文 l e d 刹车灯的车辆刹车距离将减少7 英尺。目前，l e d 己经逐步应用在汽车的 第三刹车灯上1 1 0 1 。虽然l e d 目前还面临着单位瓦数流明数低以及相关政策的限 制，在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间，但是随着成本性能比的下降 以及发光效率的提升，最终l e d 将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移， 最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，l e d 车灯市场面临着巨 大的发展潜力【1 1 】。 ( 6 ) 室内装饰照明 由于大功率白光l e d 照明灯具还处在研发和试生产阶段，目前市面上的 l e d 灯具还不能达到普通灯泡所具有的亮度，在室内装饰工程中基本还局限于 背景照明和局部照明。由于l e d 的动态数字化控制色彩、亮度和调光及活泼的 饱和色可以创造静态和动态的照明效果，且长寿命、高流明的维持值( 1 0 ，0 0 0 小时后仍然维持的9 0 光通) ，与金卤灯的5 0 2 5 0 小时的寿命相比，降低了维护 费用和更换光源的频率，且没有热辐射，可以使室内空间变得更加舒适和谐。l e d 照明在室内装饰装修工程中的应用不仅节能、环保，还解决了最头痛的维护问题。 1 4 大功率l e d 照明的发展趋势 在过去的3 0 多年中，正像h a i t z 定律预示的那样，每1 5 年一2 年单颗l e d 的光通量就提高一倍。然而，自大功率型l u x e o nl e d 问世后，光通量增长的速 率似乎比以前又有所提高，如图1 - 2 所示【1 2 】。l u m i l e d s 乐观地估计，在今后的 几年里，l e d 的光通量每年将增加1 0 l 删啊。目前l e d 产品的光通量达到了 1 0 0 1 m 胱以上。 1 9 6 0 1 9 7 0 1 9 1 9 2 0 0 02 0 l o 卑 图1 2l u x e o n 突破h a i t z 定律 4 嘲 黼 垃 l 姒 嗽 傩 姗 黼 垃 l 姒 嗽 一 墨)簟孵嗽雹盆_鼷番 第一章绪论 美国光电工业发展协会于2 0 0 2 年制定了半导体固体照明灯在未来几年的发 展目标和远景【1 3 1 。对半导体照明的各项性能指标，如发光效率，寿命，单灯光通 量，性价比以及显色指数等提出了阶段性的目标，在表1 - 1 中列出。 表1 - 1 半导体固体照明灯的发展目标和远景 t e c h n o l o g y s s l l e ds s l l e ds s l 广l e ds s l l e di n c a n d e s c e n t 2 0 0 22 0 0 72 0 1 22 0 2 0 l u m i n o u se f f i c a c y ( i r a w )2 57 51 5 02 0 01 6 l i f e t i m e ( k h r ) 2 0 2 0 1 0 0 1 0 01 f l u x ( i r a l a m p ) 2 52 0 01 ，0 0 01 , 5 0 01 ，2 0 0 i n p u tp o w e r ( w l a m p ) 12 77 57 57 5 l u m e n sc o s t ( $ k l m )2 0 02 0 5 8 09 5 l i g h t i n gm a r k sp e n e t r a t e d l o w f l u x i n c a n d e s c e n tf l u o c e s c e n ta l l 表1 - 1 中显示的是半导体l e d 灯的发展趋势和远景。可以看出，2 0 0 7 年照 明l e d 灯在市场上能够与白炽灯相抗衡，实现发光效率7 5 1 m w ，使用寿命超过 2 万小时，单灯光通量大于2 0 0 1 m ，显色指数做到8 0 。2 0 1 2 年照明l e d 灯的市场 定位为占领荧光灯市场，实现发光效率1 5 0 l m 刖，使用寿命超过1 0 万小时，单灯 光通量大于1 0 0 0 1 m ，显色指数做到大于8 0 。 科学家预测，按照目前的技术水平和发展趋势，在未来的5 至1 0 年，中大 功率l e d 作为新型的固态光源可以广泛应用于白光通用照明，装饰照明，汽车 信号灯，交通信号显示，背景显示，大屏幕，特种工作照明；军用照明及旅游， 轻工产品等。 1 5l e d 的驱动电源研究现状 从l e d 驱动器供电可以将其分成d c d c 和a c d c 两类。d c d c 驱动器 一般由电池，电瓶或稳压电源供电，主要用于便携式电子产品、矿灯、汽车等用 电设备。a c d c 驱动器直接由市电供电，现阶段主要用于装饰，景观照明等照 明l e d 灯。当前，d c d c 驱动器主要有两种设计方案：电容式电荷泵电路和电 感式d c d c 电路。a c d c 驱动器有工频变压降压，电容降压和b u c k 降压蒂娜 路等设计方案。 采用电荷泵电路的l e d 驱动芯片有数十种之多，例如m a x i m 公司的 m a x l 5 7 6 7 系列，l i n e a rt e c h n o l o g y 的l t c 3 2 1 6 系列等。芯片多采用并联驱动电 路，可以根据电池电压自动调整工作状态，实现分段调压。电感式d c d c 驱动 5 天津工业大学硕士学位论文 器的输出电容和电感的大小与开关频率成反比，开关元器件数量少并且效率高。 工频变压器降压a c d c 电路结构简单，但工频变压器体积较大，同时没有电流 调节能力。市电输入的电感式驱动电路的驱动芯片较少，常见的有s u p e r t e x 公司 的h v 9 9 1 0 2 1 2 2 3 1 等芯片。 当前，l e d 作为手机背光源等光源的技术已经很成熟，而用于l c d 背光源 依然是设计的热点，同时l e d 照明正在逐步成为照明的主流，它的驱动器正逐 步面世。从长远看，用市电供电的l e d 驱动器是发展的大方向，目前这种驱动 器数量不多，提高市电供电驱动器的效率，简化电路，以及研制适用于l e d 驱 动的p f c 电路必将受到更多关注。 因此考虑到在不久的将来l e d 会进入千家万户，故研究交流市电作为主要 电源来驱动发光二极管的驱动技术，具有重要的意义。【1 4 1 1 6 本论文的主要工作 目前来看，l e d 毕竟是一种新的发光源器件，掌握核心发光芯片技术的只 有美国、日本等少数几个国家，高昂的价格让l e d 灯进入家庭照明还需一定时 日，但这不能否定l e d 及其广阔的发展前景。不仅如此，由于其本身具有的优 良特性，l e d 光源在很多领域具有其他光源无法替代的优势。 由于l e d 独特的电气特性，要应用l e d 做照明光源，就要解决电源变换的 问题。l e d 的普遍使用必定伴随着开关电源的广泛应用。本课题的主要研究内 容是研制使用交流市电驱动的l e d 照明电源，即输入交流( 2 2 0 v 5 0 h z ) ，输出 恒定电流3 5 0 7 0 0 m a 的来驱动l e d 的驱动电源。 论文的结构如下：第一章为绪论，简单说明了半导体照明的基本情况，介绍 了国内外的研究现状及发展趋势，阐述了本论文的工作重点。第二章介绍了l e d 的基本原理与主要参数特性，对l e d 驱动技术作了全面的分析比较，选用了合 适的驱动技术。第三章主要是基于i r s 2 5 4 1 芯片基础上，进行了具体的电路设计 包括变换器电路、整流滤波电路、功率因数校正器电路、恒流反馈电路和调光电 路等模块电路设计。第四章介绍了印制电路板设计的主要事项，然后测试了驱动 电路板，并对实验数据进行分析和总结，同时对电路进行了改进。 第二章l e d 原理及驱动分析 第二章l e d 原理及驱动分析 2 1l e d 结构及发光原理 用于照明的电光源，根据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体放电光源 和场致发光光源等几大类。目前广泛应用的是以白炽灯为代表的热辐射光源和以 荧光灯为代表的气体放电线光源，而场致发光则是一种正在发展中的新型光源。 场致发光又称为电致发光，根据发光原理的区别，场致发光有本征场致发光和注 入式场致发光之分，半导体发光二极管的发光为注入式发光，是一种固体在电场 作用下直接发光的一种现象。 l e d 发光二极管，是一种固态的半导体器件，是由i i i 族化合物，如g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 、g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体材料制成的。l e d 的 心脏是个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连 接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来，其核心是p n 结。其结构如图 2 1 所示。 图2 1l e d 的结构图 的阴撅杆 因此它具有一般p n 结的i v 特性，即正向导通，反向截止和击穿特性；此 外在一定的条件下，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 7 天津工业大学硕士学位论文 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 结的附近稍偏于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 光的形式变现出来，从而把电能直接转化成光能，如图2 2 所示，这种复合所发 出的光的方式属于自发辐射。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。 nx c 结区 p 区 图2 2l e d 发光原理示意图 理论和实践证明，光的峰值波长a 与发光区域的半导体材料禁带宽度e g 有 关，即 a - 1 2 4 0 l e g ( r a m ) ( 2 - 1 ) 式中e g 的单位为电子伏特( e v ) 。若要产生可见光( 波长在3 8 0 n m 紫光一7 8 0 r i m 红光) ，导体材料的e g 应在1 6 3 - 3 2 6 e v 之间。 2 2l e d 的主要参数与特性 2 2 1l e d 的电学特性 1 i v 特性 i - v 特性是表征l e d 芯片p n 结性能的主要参数。l e d 的i v 特性具有非线 8 第二章l e d 原理及驱动分析 性、整流特性和单向导电性，即p n 结加正向电压时，电阻很小，处于导通状态； p n 结加反向电压时，电阻很大，处于截止状态。如图2 3 所示。 i jl 。j | 吲 i v c o a o 一1i 一 v 士： v 、 錾卜 7 霎- 图2 - 3i v 特性曲线 o a 段：正向死区 v a 为开启l e d 发光的电压，当v v a ，外加电场尚未克服少数载流子扩散 而形成势垒电场，此时电阻r 很大。开启电压对于不同l e d ，其值不同。 a b 段：正向工作区 工作电流i f 与外加电压呈指数关系： ，一，s ( e q v i 7 g _ 1 ) ( 2 2 ) 式中i s 为反向饱和电流。 在这一区段，一般是随着电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。 但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后， 那么发光二极管的正向电压会减小，而正向电流会加大。如果没有保护电路，会 因电流增大而烧坏发光二极管。 o c 段：反向死区 当v i o 时，电容在充电状态。这时二极管d 承受反向电压；经时间d t s 后( d = t o n t s ， t o n 为功率管t 导通时间，t s 是周期) ，当功率管t 关断时，如图3 3 ( b ) 所示， 由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保持其电流i l 不变。负 载r 两端电压仍是上正下负。在i l 0 ，开关打开时，i s = 0 ，故i s 是脉动的，但输出电流i o ， 在l 、d 、c 作用下却是连续的，平稳的。【2 7 2 8 】 ，7 v 0 j v i = = ：= = = = = = 4 - ：7 j 二 c i 图3 - 3b u c k 变换器电路工作过程 1 8 o 、v、 0、v 第三章电路设计 3 1 3b o o s t 变换器 b o o s t 变换器电路如图3 4 所示。线路由功率管t 、电感l 、电容c 组成， 完成把电压v s 升压到v 0 的功能。它是一种可以获得输出电压高于输入电压的 d c d c 变换器。 m s v l l 图3 4b o o s t 变换器电路 当功率管t 导通时，如图3 5 ( a ) 所示电流i l 流过电感线圈l ，电流线性增 加，电能以磁能形式储在电感线圈l 中，此时，电容c 放电，r 上流过电流1 0 ， r 两端为输出电压v o ，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接v s 负极， 二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。当开关管s 关断时，构成 电路如图3 5 ( b ) 所示，由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性， 以保持i l 不变。这样线圈l 磁能转化成的电压v l 与电源v s 串联，以高于v o 电 压向电容c 、负载r 供电。高于v o 时，电容有充电电流；等于v 0 时，充电电流 为零；当v 0 有降低趋势时，电容向负载r 放电，维持v 0 不变。 v s l 一 上f j 二 1 c tv01 图3 - 5b o o s t 变换器电路工作过程 r 由于v l + v s 向负载r 供电时，v o 高于v s ，故称它为升压变换器。工作中输 入电流i s = i l 是连续的。但流经二极管d 电流却是脉动的。由于有电容c 的存在， 负载r 上仍有稳定、连续的负载电流i o 。【2 7 ，冽 1 9 魄 、 r 天津下业大学硕士学位论文 3 1 4b u c k b o o s t 变换器 b u c k b o o s t 变换器电路如图3 - 6 所示。极性反转型( b u c k b o o s t ) 变换器主 电路所用元器件与b u c k 、b o o s t 变换器相同，由开关管v t 、储能电感l 、续流 二极管v d 及滤波电容c 等元器件组成。这种电路具有b u c k 变换器降压和b o o s t 变换器升压的双重作用。升压还是降压取决于p w m 驱动脉冲的占空比d 。 图3 - 6b u c k b o o s t 变换器电路图 v o 当开关管v t 导通时，电流i s 流过电感线圈l ，l 储存能量。当开关管v t 断开时，i l 有减小趋势，电感线圈产生自感电势反向，为下正上负，二极管v d 受正向偏压而导通，负载上有了输出电压v 0 ，电容c 充电储能，以备转至 导通时放电维持v o 不变。 由于负载上的v o 电压极性与输入电压v s 的极性相反，故称为反极性变换器。 线路中无论是电流i s 还是i ，都是脉动的，但通过滤波电容c 的作用，i o 应该是 连续的。【2 7 2 8 】 3 1 5c u k 变换器 c u k 变换器电路如图3 7 所示。c u k 变换器又叫b o o s t 。b u c k 串联变换器，它 是针对b u c k b o o s t 升降压变换器存在输入电流和输出电流脉动值大的缺点，由 美国学者s l o b o d a nc u k 研究提出的一种非隔离式单管d c d c 升降压反极性变换 器。主电路由开关管v t 、储能电容器c 1 、输入储能电感l 1 、输出储能电感k 、 续流二极管v d 及输出滤波电容器c 2 等元器件组成，开关管v t 由p w m 驱动电 路控制，二极管v d 将输入回路和输出回路分开，左半部分是输入回路，右半部 分是输出回路。 2 0