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浙江理工大学硕士学位论文 摘要 随着全球范围内能源危机问题的日益严重，低碳和环保已成为焦点议题，越来越为 人们所重视，照明作为电力能源消耗的一大方面也备受关注。l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 作为全新概念的固态光源，因其具有节能、环保、寿命长、易控制和效率高等显著优点， 被公认为是2 1 世纪全球最具发展前景的高新技术之一。半导体照明技术的革新正在改 写传统照明的历史。目前，l e d 照明已经开始全面进入室内及家居照明，大功率l e d 应 用于通用照明成果令人瞩目，l e d 家居照明是潜力巨大的市场。 本课题基于l e d 家居照明面临的技术问题展开研究，通过对l e d 特点及其应用领域 的分析，设计一款适用于家居照明的数字式l e d 驱动电源，基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机和j f 2 4 d 无线模块设计l e d 智能调光系统。本文采用p w m 调光技术，实现无色偏、高精度、高效 率的l e d 亮度调节。本论文的主要研究工作分为以下几个方面： 第一，介绍课题的研究背景，分析l e d 驱动电源的研究现状。 第二，对l e d 驱动电源的拓扑结构及其工作原理进行深入分析，结合l e d 特性，设 计一款反激式l e d 数字驱动电源。 第三，基于数字式l e d 驱动电源设计智能调光系统，设计了各个功能模块的硬件电路 和软件程序。 第四，对系统的各个功能模块进行了测试，并对测试结果进行了分析。 最后，对以上几个方面的工作进行总结，并对l e d 驱动技术进行了展望。 关键词：l e d ；数字电源；p w m ；智能调光； 浙江理工大学硕士学位论文 d e s i g no fa d j u s t a b l eo p t i c a ld i g i t a ll e d d r i v e rp o w e r s u p p l y a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eg l o b a le n e r g yc r i s i sp r o b l e mg r o w i n g ，l o w - c a r b o na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nh a sb e c o m e af o c u si s s u e p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e s e a sam a j o ro f e l e c t r i c a le n e r g yc o n s u m p t i o n ，l i g h t i n ga r ec o n c e r n e d l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) a san e w c o n c e p to fs o l i d - s t a t el i g h ts o u r c e ，b e c a u s e o fi t s a d v a n t a g e ss u c h a s e n e r g ys a v i n g ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，l o n gl i f e ，h i g he f f i c i e n c y , e a s yc o n t r o la n ds oo n ，i sr e c o g n i z e da so n e o ft h em o s tp r o m i s i n gh i g h - t e c ho f21s tc e n t u r ya l lo ft h ew o r l d s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n g t e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni sr e w r i t i n gt h eh i s t o r yo f t r a d i t i o n a ll i g h t i n g a tp r e c e n t ，l e dl i g h t i n g h a sa l r e a d yb e e ne n t e r e dt h eh o u s el i g h t i n g h i g hp o w e rl e da p p l i c a t i o ni ng e n e r a ll i g h t i n g a c h i e v e m e n ti so u t s t a n d i n g l e dh o m ef u r n i s h i n gl i g h t i n gi sah u g ep o t e n t i a lm a r k e t i nt h i sp a p e r , w er e s e a r c ht h et e c h n i c a lp r o b l e m so fl e dh o u s e h o l dl i g h t i n g ，a n a l y s i st h e c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o nf i e l d so fl e d ，d e s i g nah i g h - p o w e rl e dd i v e rs u p p l yw h i c h a p p r o p r i a t ef o rh o u s e h o l dl i g h t i n g ，a n dd e s i g nal e di n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nc 8 0 51f 0 2 0m c ua n dj f 2 4 dw i r e l e s sm o d u l e w ea d o p td i g i t a ld i m m i n gt e c h n o l o g yt o a c h i e v eh i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y , w i t h o u tc o l o rp a r t i a ll e db r i g h t n e s sa d j u s t m e n t t h e p a p e r sm a i nr e s e a r c hw o r ki sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n ga r e a s ： f i r s t l y , i n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c h ，a n da n a l y z et h er e s e a r c hs i t u a t i o no fl e d “v e rp o w e rs u p p l y s e c o n d l y ，d e e p l ya n a l y s e st h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fl e d d r i v e r p o w e rs u p p l y c o m b i n ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e d ，d e s i g naf l y b a c kl e dd i g i t a ld r i v e r p o w e rs u p p l y t h i r d l y , b a s e do nd i g i t a ll e dd r i v e rp o w e rs u p p l y d e s i g nh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r e p r o g r a mo fe a c hf u n c t i o nm o d u l e t h e n ，t e s te a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo ft h es y s t e ma n da n a l y s i st h er e s u l t f i n a l l y , s u m m a r i z e a l lw o r ka b o v ea n dl o o ki n t ot h ed i s t a n c eo fl e dd r i v e r k e yw o r d s ：l e d ；d i g i t a lp o w e rs u p p l y ；p w m ；i n t e l l i g e n td i m m i n g i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着全球经济的快速发展和世界人口的急剧增加，人类对能源的需求越来越大。能 源危机问题成为世界各国面临的首要问题，如何合理开发和有效利用能源成为各国科研 工作者研究的重点。能源问题关系到国家民族的兴衰，尤其是对于中国这样的发展中国 家，正处于经济发展的重要时期，对能源的依赖比发达国家更大，更是要把能源问题放 在国家发展的战略高度。 照明用电是电力能源消耗的一个重要方面，在能源消耗总量中占据一定比例。我 国已成为世界第一大照明电器生产国和主要出口国，照明用电占据了全国总耗电量的约 1 2 ，并且每年都在以一定的速度增长。在节能减排形式日趋严重的今天，传统的照明灯 具己不能满足这种需求，而l e d 因其低功耗、高亮度、寿命长、对环境无污染等显著特 点，迎来了其发展的春天订】。据统计，2 0 1 0 年上海世博园区从江边显示屏到各国展馆及园 区室外灯具共使用1 0 3 亿只l e d ，场馆内照明8 0 采用l e d 绿色环保光源，比普通白炽 灯节省9 0 的电能比1 。 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 全称发光二极管，是以半导体管芯作为发光材料的一种 电致发光器件。其发光原理为：在微观尺度上，通过让移动的电子“掉进”量子阱，从而产 生一定波长的光。由于这个过程几乎不存在热能损耗，因此相比于传统的荧光灯、白炽灯， 其发光效率要高很多n 钔。近年来，随着制造工艺的不断进步和新材料的开发应用，各种l e d 的研究都取得了突破性的进展，l e d 成为人类历史上继爱迪生发明白炽灯后又一项伟大的 发明。l e d 照明又称“固态照明”，由于其发光效率高，从生产到报废几乎对环境全无 污染，耗电量仅为传统灯泡的1 5 ，使用寿命却长数十倍，近年来成为全球最具发展前 景的高新技术之一n 羽。 2 0 0 9 年，国家发改委、科技部等6 部门联合制定半导体照明节能产业发展意见， 预计到2 0 1 5 年，半导体照明节能产业产值年均增长率在3 0 左右；照明产品的市场占有 率逐年提高，功能性照明达到2 0 左右，液晶背光源达到5 0 以上，景观装饰等产品市 场占有率达到7 0 以上。研究资料表明，由于l e d 是冷光源，与白炽灯、荧光灯相比， 节电效率可以达到9 0 以上，如果我们目前的传统照明都用l e d 取代，那么每年我国 浙江理工大学硕士学位论文 节省的电量相当于一个三峡发电站发电量的两倍，由此可见l e d 的节能效果十分可观 【2 】 o 目前，l e d 照明已经开始全面进入室内及家居照明，小功率l e d 应用于通用照明是 潜力巨大的市场。由于l e d 灯具应用是一项系统工程，涉及到了外观、散热、光学、电源 等多个方面，要充分发挥l e d 照明节能环保的优势，在实际应用过程中还要解决许多技术 问题。在驱动电源设计方面，效率、使用寿命、控制等直接决定l e d 的性能：l e d 灯具 的长寿命主要取决性能优良的驱动电源；l e d 照明系统的节能特性由l e d 芯片的低功耗 和电源的高效率决定；l e d 方便的调光控制依赖于驱动电源的智能控制等。因此l e d 驱 动电源质量是充分发挥l e d 照明优势的根本保证h 。l e d 驱动电源主要有恒压、恒流两 种模式。大功率的l e d 对驱动器的要求主要为g 第一，在任何情况下( 如输入电压、环境 温度等有变动) 都能输出恒定的电流；第二，在任何情况下，输出的纹波电流都在允许的 范围之内心1 。因此，l e d 灯通常采用恒流驱动。 l e d 照明的发展除了驱动电源，更重要的是驱动控制，调光技术被认为是l e d 驱动控 制中最有发展前景的技术。从需求上可将调光分为三类：一是功能型光线调节；二是体现 家居生活的舒适性和生活格调；三是节能环保的需要。节能是l e d 最突出的优点之一，也 是政府发布政策推动该技术应用的重要依据。在普通照明中，引入调光技术，可以更大地 发挥l e d 照明的节能优势h 引。研究材料表明：根据室外的光线调节室内的光线，可以节省 约8 0 的能源。智能调光系统，就是根据不同区域的功能要求在不同的时间、不同的环境 光照强度下自动调节照明的智能系统。该系统的关键点在于可预设场景，对灯光亮度进行 自动调节，如图1 1 所示。从早上8 ：o o n 晚上2 0 ：0 0 的时间内，室外的环境光强度由弱强 弱，调光系统自动调节室内灯光强度由强弱强进行自动调节。 时t a l 8 ：0 0 0 图i 1 智能调光示意图 2 2 0 ：0 0 。 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 l e d 是l i g h te m i t t i n gd i o d e 的缩写，中文名“发光二极管”。l e d 是以半导体芯 片为材料的固态光源，直接把电能转换成光能，是目前为止世界上最先进的照明器件。 全球第一款l e d 是1 9 6 5 年用锗材料作成的。随后不久用g a a s p 材料制作的l e d 问世。 这些早期的红色l e d 的发光效率很低，仅为0 1 l m w ，远低于1 5 l l i l w 的普通白炽灯。其 后随着制作工艺的发展，橙色、黄色l e d 相继问世，到2 0 世纪8 0 年代，红光l e d 的发 光效率已提高到1 0 1 m w 。2 0 世纪9 0 年代中期，蓝色、绿色的l e d 研制成功，从根本上 解决了发光二极管三基色缺色的问题。1 9 9 8 年，白光l e d 的问世掀起了电光源发展史上 的一次大革命，打开了通往l e d 照明世界的大门h 1 。近年来，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的开发与应用，各种颜色的超高 亮度l e d 取得了突破性进展。超高亮度白光l e d 的发光效率可达到1 0 0 - 3 0 0 1 m w ，使 l e d 应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能心1 。 l e d 经过几十年的发展，从目前的技术发展现状看，日本和美国最具技术实力，德 国在某些领域拥有世界领先技术，韩国也在l e d 技术方面有一定实力。从全球l e d 市 场份额来看，日本不低于5 0 ，中国台湾地区约占2 0 啪1 。目前，日本和美国在l e d 新和技术新产品领域拥有创新优势，主要生产有最高附加值的产品；欧洲各国在开发 l e d 应用技术领域和最新技术转换方面拥有较大优势；中国台湾地区近l o 年在l e d 生 产领域迅速崛起，在l e d 的芯片产量和l e d 封装方面均占据全球第一的位置。我国l e d 产业起步于2 0 世纪7 0 年代，经过数十年的发展，我国l e d 产业已初步形成了较为完整 的产业链：包括外延片的生产、芯片的制作、芯片的封装以及l e d 产品应用h 儿驯。2 0 0 3 年6 月在“8 6 3 ”计划的支持下，科技部首次提出发展半导体照明计划，我国l e d 照明高 速发展的大步由此迈开。在“国家半导体照明工程 的推动下，我国l e d 技术取得巨大进 步，l e d 产业的规模迅速扩大，我国成为l e d 照明产业发展速度最快、发展潜力最大的 地区之一。目前，我国l e d 产业已初步形成长三角洲、珠三角洲、东南地区、北方地区四 大l e d 照明产业基地。广东是中国l e d 产业最为发达的地区之一，在珠三角l e d 集聚区。 以深圳为龙头，封装及应用发展充分，封装产量约占全国的7 0 ，约占全世界的5 0 h 】【捌。 l e d 驱动器是伴随l e d 而发展的，根据l e d 不同的应用场合可设计不同的驱动电路。按 照驱动方式可分为恒压和恒流两大类，如图1 2 所示。恒压方式由于外界镇流电阻，效率 低，且其控制的是电压，不能精确控制电流，容易导致色偏，故在驱动方式上采用恒流居 浙江理工大学硕士学位论文 多。 ；：t - t 3【$ 3 ( a ) 恒压驱动模式 ( b ) 恒流驱动模式 图1 2l e d 两种驱动模式 对于大功率的照明应用场合，驱动l e d 一般需要2 0 0 m a 以上的驱动电流，且由于l e d 正向动态电阻很小，大功率l e d 驱动电路多设计为恒流驱动模式。根据电源不同可分为交 流一直流( a c - d c ) 和直流一直流( d c d c ) 两大类，d c d c 驱动方案主要应用于6 0 w 以下功 率的场合。d c - d c 变换器按拓扑结构可分为两大类，即非隔离式变换器与隔离式变换器。 非隔离式变换器主要有三类，降压型( b u c k ) 变换器、升压型( b o o s t ) 变换器和升降压 ( b u c k - b o o s t ) 变换器，如图1 3 所示。非隔离式驱动转换效率较高，可以达到9 0 9 5 ， 多应用于中小功率和输入输出级不需要隔离的场合。隔离式变换器主要利用高频变换器起 到隔离作用，并且用- o , j 绕组来代替储能电感，拓扑结构有正激式变换器、反激式变换器 等，如图1 4 所示。 ( a ) b u c k 变换器 u i i i i o u i l kl _ c万州4il r ll l i 一 ：d j【丰l u c i 厂 ( c ) b u c k b o o s t 变换器 图1 3 非隔离式变换器 4 ( b ) b o o s t 变换器 浙江理工大学硕士学位论文 l i u u ( a ) 正激式变换器( b ) 反激式变换器 图1 4 隔离式变换器 目前l e d 调光的方式主要有三种：线性调光、可控硅调光和p w m 调光m 3 。线性调 光主要基于简单的分压原理，采用模拟调光控制方法，在模拟调光控制下，通过调节l e d 的正向工作电流来实现l e d 的调光控制，调光控制范围可达1 0 ：1 。线性调光应用简单， 不产生干扰；但不灵活、效率低下，而且在降低l e d 电流的时候，会引起l e d 光谱偏移， 同时还会因为分压产生过多的热量，从而影响l e d 的寿命。可控硅调光在目前的普通白 炽灯和节能灯应用中被普遍采用，它的工作原理是将输入电压的波形通过导通角切波，产 生一个切向的输出电压波形，减小输出电压的有效值，降低普通负载的功率。可控硅调光 的优点在于工作效率较高，性能稳定，且占据一定的市场，技术较成熟。但是在应用时也 存在一些设计缺陷，可控硅破坏了正弦波的波形，从而降低了功率因素值，同时加大了谐 波系数，在线路上会产生严重的干扰信号；且可控硅导通后需要一个维持电流来保持导通， 维持电流通常在几毫安至几十毫安之间，如果维持电流不够，则导通角不稳定，输出的波 形也会不均匀，而且会产生颤动和尖峰，当将这样的不稳定输出加到l e d 上时就会出现 闪烁。p w m 调光技术目前被认为是最有前景的l e d 调光技术，利用p w m 控制信号，通 过控制l e d 的正向工作电流的占空比来调节l e d 的发光亮度。p w m 调光技术的优点： a 不会产生任何色谱偏移；b 调光精确度极高；c 可以和数字控制技术相结合；d 不会发 生闪烁现象，调光效果好。缺点是由于一般l e d 驱动器都基于开关电源原理，p w m 调 光的频率为2 0 0 h z 2 0 k h z 之间时，l e d 驱动器周围的电感和输出电容容易产生人耳听得 见的噪声。 目前国内外在l e d 驱动电源的发展上主要有几大发展方向： 第一，推广应用新一代l e d 驱动芯片。目前，国内外l e d 驱动芯片厂家采用新技术 和新工艺，相继开发出一大批性能先进各具特色的专用集成电路。美国n s c 公司在2 0 0 9 年推出支持t r i a c 调光的l e d 驱动芯片l m 3 4 4 5 ；美国安森美半导体公司在2 0 1 0 年推 出带功率因数校正和双向晶闸管调光功能的n c l 3 0 0 0 0 型l e d 驱动控制器；美国p i 公司 浙江理工大学硕士学位论文 于2 0 1 0 年6 月推出l i n k s w i t c h p h 系列单片隔离式带p f c 并支持双向晶闸管调光的l e d 恒流输出驱动电源集成电路；2 0 1 0 年1 1 月，p i 公司又推出了l i n k s w i t c h p l 系列单片机 t r i a c 调光的非隔离式p f cl e d 恒流驱动电源集成电路。近年上海晶丰明源半导体有限 公司自主研发了l e d 驱动器芯片系列产品b p x x x x 。 第二，l e d 驱动电源实现智能化。利用微控制器可实现l e d 驱动电源的智能化。目 前，国外已开发出适配微控制器的带总线接口的l e d 驱动器i c ，所带接口有单线接口、 1 2 c 接口、s m b u s 接口、s p i 接口等。代表性产品有安森美半导体公司开发的带1 2 c 接口 具有“渐进调光 功能3 通道r g b l e d 驱动器n c p 5 6 2 3 ；德州仪器公司( t i ) 生产的带 s m b u s 接口的8 通道白光l e d 驱动器t p s 6 1 1 9 5美国国家半导体公司推出的带s p i 接 口的r g b l e d 驱动器l p 3 9 4 2 等。采用智能化l e d 驱动技术，不仅能根据驱动电压、环 境温度等变化将l e d 的电流控制在最佳值，还能完成数字调光、逐点校正、颜色控制、 散热管理等功能。 第三，利用软件实现l e d 驱动电源的优化设计。随着计算机应用的不断发展，利用 计算机设计l e d 驱动电源已成为l e d 驱动电源优化设计的一项新技术。利用软件能充分 发挥高科技的优势，计算机仿真也成为l e d 驱动电源新产品开发的重要工具。典型代表 有n s c 推出的w e b e n c hl e d a r c h i t e c t 在线工具软件，用户登录后即可进行设计与仿 真。 1 3 课题主要的研究工作 本课题针对家用照明中l e d 进行智能调光系统的设计，本系统采用混合信号系统 级的c 8 0 5 1 单片机，设计全数字式l e d 驱动电源，并基于此设计l e d 调光系统。该 系统能够无色偏的驱动l e d 照明灯，并且通过p w m 调制，应用光信号接收、人体感应 和无线遥控模块，使系统实现：根据环境光照强度自动进行灯光亮度调节功能；根据感应 人体红外信号自动进行灯具开关控制功能；接收无线遥控信号，进行调光模式切换，进行 手动灯光调节的功能。 本文的主要研究工作主要分以下三方面： l 、本文在对反激式开关电源的拓扑结构及其工作原理进行研究分析的基础上，设 计了一款数字式l e d 恒流驱动电源。对电源的主体变换电路、钳位电路、输入级整流滤 波电路和输出反馈电路进行详细分析设计。经测试，本文设计的电源能够无色差、稳定的 驱动大功率l e d 光源，并具有数字调光功能。 6 浙江理工大学硕士学位论文 2 、基于主控电路设计系统的其他硬件电路，主要包括：光传感器模块电路、人体感 应模块电路、无线遥控模块电路以及用于系统测试的液晶显示模块电路。 光传感器主要用于检测环境中光照信号，并有效的获取数据，通过算法处理，使灯光 自适应环境，实现智能调光。 热释电红外人体感应模块主要用于检测有效范围内的人体信号，通过软件处理，实现 l e d 灯自动开关控制。 无线遥控模块主要用于调光模式切换和手动调光模式下灯光亮度调节。 3 、基于硬件电路设计控制系统的软件程序，主要包括以下几个方面： p w m 调光技术的实现：通过改变p w m 信号的占空比，调节l e d 驱动电源的输出电 流，从而实现l e d 亮度的调节。 光传感器数据采集与处理程序设计。 无线遥控模块程序的设计：主要用于切换控制系统的工作状态，实现各种模式切换。 7 浙江理工大学硕士学位论文 第二章l e d 照明分析 l e d 是以半导体管芯作为发光材料的一种电致发光器件，其发光原理为：在微观尺 度上，通过让移动的电子“掉进”量子阱，从而产生一定波长的光晗羽。l e d 照明是发展低碳 经济而被推广的节能环保型绿色光源，由于其具有高效、节能、环保、寿命长、响应速度 快等显著优点，被认为是取代传统白炽灯和荧光灯的最佳选择。 2 1l e d 结构及基本原理 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 是一种固态的半导体器件，可以直接把电能转化为光能。 l e d 的心脏是一个半导体晶片，晶片的一端附在支架上，一端是负极，另一端连接电源的 正极，整个晶片被环氧树脂封装起来h 1 。l e d 结构和工作原理如图2 1 和图2 2 所示，l e d 主要由p n 结晶片、电极和光学系统组成。半导体晶片包含两部分，一是p 型半导体，在 它里面占主导地位的是空穴；另一端是n 型半导体，在这里面占主导地位的是电子。在正 向电压作用下，电子从n 区注入p 区，空穴由p 区注入n 区，当非平衡少数载流子与多 数载流子复合时，就会以光子的形式将多余的能量转化为光能。光的波长五p 与发光区域的 板 图2 1l e d 结构 半导体材料禁带宽度e 。有关， 2 p 1 2 4 0 e i ： 图2 2l e d 工作原理 2 一( 1 ) 式中：4 单位是n m ；e 。的单位是电子伏特( e v ) 。 在3 8 0 n m 7 8 0 n m 的可见光波长范围内，半导体材料的e l 应在3 2 6 1 6 3 e v2 n 。 8 浙江理工大学硕士学位论文 在半导体能带结构中，价带顶的能量位置和导带低的能量位置同处于k 空间同一点， 此结构称为直接能带半导体结构。价带顶的能量位置和导带低的能量位置不同的能带结构 为间接能带半导体结构。电子和空穴的复合过程符合动量守恒定律和能量守恒定律。 l e d 发出的光，光谱比较窄，仅2 0 r i m ，颜色很纯。在光纤通信中，狭窄的光谱带能 够使系统具有较大的带宽；而在普通照明中，光谱带的宽度一般不会产生太大影响。l e d 属于电流控制型半导体器件，其亮度与正向工作电流斥近似成正比，如公式 l = k i ? 2 一( 2 ) 式中：k 为比例系数；斥为正向电流；工为亮度，是发光强度与受光面积之比，基本单位 为c d m 2 ( 坎德拉每平方米) 。在小电流范围内( f = i 1 0 r a g ) ，m = 1 3 1 5 ；当i f 1 0 m g 时，m = l ，式2 ( 2 ) 可化简为 l = k i f 2 - ( 3 ) 即亮度与正向电流成正比。因此改变流过l e d 的正向电流即可调节其亮度，在本课题中 通过p w m ( 脉宽调制) 的方法，通过控制l e d 在一定周期内的导通或关断时间，实现 l e d 的亮度调节以及色彩变化1 4 1 。 2 2l e d i v 特性分析 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 特性具有非线性和单向 导电性，如图2 3 所示。单向导电性指外加正向偏压时，l e d 表现为低电阻；而加反响偏 压时，表现为为高电阻h 1 。由图2 3 可知，当加在l e d 上的正向电压小于某一值( 阈值) 时，通过l e d 的电流很小，此时l e d 不发光；而电压超过此值后，正向电流随电压迅速 增大，l e d 发光的亮度也随之增大。在l e d 正常发光时，端电压的微小波动，都会引起 l e d 电流较大的变化，l e d 电流的不稳定工作，将直接影响l e d 的寿命。 i f 一z 蜃 - i r，r 0 b v f 9 浙江理工大学硕士学位论文 图2 3l e d 伏安特性曲线 ( 1 ) 正向死区：( 图2 3 中o a 段) v a 为开启电压，当0 v f 的正向工作区，斥随咋指数上升，式2 ( 4 ) 变为 i f = i s e 9 v f 归 2 - ( 5 ) ( 3 ) 反向死区：当v 0 时，p n 结反向偏置；v = v r 时，对应的电流为反向漏电 流i r 。对于不同材料的l e d 芯片，其反向漏电流不同，g a p 为0 ，g a n 为1 0 u a 。 ( 4 ) 反向击穿区：当v v r 时，v r 称为反向击穿电压。当反向偏压一直增加使 v v r 时，会出现i r 突然增加而发生击穿现象。由于所用不同种类的化合物材料，故不 同l e d 反向击穿电压v r 也不同。 然而l e d 的伏安特性并不是固定的，是会随着温度而发生变化的，其变化趋势如图 2 4 所示。所以在恒压供电时，l e d 电流随温度变化而发生较大波动，电流的不稳定将会 直接影响l e d 的寿命，因此本文中采用l e d 恒流驱动。 图2 4l e d 电流随温度变化图 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 2 3l e d 照明的主要特点 表2 - 1l e d 照明灯与其他照明灯性能比较 表2 1 瞳1 给w , l e d 照明灯与其他照明灯的性能比较，由此可见，白光l e d 照明灯在发光 效率、使用寿命、节能、环保等多项性能上明显优于白炽灯及其他节能灯。l e d 照明灯的 主要特点有： ( 1 ) 发光效率高。l e d 是固态冷光源，发光过程中大部分能量转换成可见光释放，目 前l e d 照明灯的发光效率可达到5 毗0 0 l 耐w ，而普通的白炽灯仅1 2 - 2 4 1 m w ，荧光灯为 5 0 - 7 0 1 m w 。在相同的发光效率下，l e d 的耗电量仅为荧光灯的1 3 ，白炽灯的1 1 0 。中国 2 0 1 0 年的发电总量为4 1 4 1 万亿千瓦时，其中照明用电大约占发电总量的1 0 ，如果采用 l e d 照明可以节约一半的用电量计算，那么可以节约2 0 0 0 多亿度电，节约标准煤7 0 0 0 万吨。 ( 2 ) 使用寿命长。散热良好的l e d 照明灯的使用寿命为1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 h ( 受驱动器的影 响) ，为普通白炽灯的5 - 2 5 倍，以正常的家居环境为例，l e d 可使用长达2 0 年，从而减少 了更换灯具造成的人力、物力投入。 ( 3 ) 容易调光控制。l e d 驱动器可采用模拟调光、可控硅调光或脉宽调f i i i j ( p w m ) 调光。 充分利用l e d 调光的特性，在不同的光照强度下调节合适的光强，能进一步降低能耗，提 现l e d 照明低碳环保的特性。 ( 4 ) 绿色环保。l e d 照明灯不含汞、氙、铅等有害元素，不会对环境造成污染，同时 降低了弃置成本。 l l 浙江理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 发光响应速度快。l e d 灯响应时间为1 0 1 0 - 9 s ，其高频特性好，能显示脉冲信息。 ( 6 ) 使用灵活。l e d 体积小，可根据应用对象将多只l e d 组合成灯具；l e d 的发光强度 由工作的电流确定，色彩由端线控制，可以轻松地实现数字化调光控制。 2 4l e d 照明的应用领域 l e d 照明可广泛应用于室内及室外照明、交通指示、道路照明、装饰照明、景观照明、 汽车照明、广告灯箱等领域。 国内l e d 产品除了大量用于各种电器及装置、仪器仪表、设备的显示外，主要集中在： 一、大、中、小l e d 显示屏：室内外广告牌、体育场记分牌、信息显示屏等。 二、交通信号灯：全国各大、中城市的市内交通信号灯、高速公路、铁路和机场信号 灯。 三、光色照明：室外景观照明和室内装饰照明。 四、专用普通照明：便携式照明( 手电筒、头灯) 、低照度照明( 廊灯、门牌灯、庭用 灯) 、阅读照明( 飞机、火车、汽车的阅读灯) 、显微镜灯、照相机闪光灯、台灯、路灯。 五、安全照明：矿灯、防爆灯、应急灯、安全指标灯。 六、特种照明：军用照明灯( 无红外辐射) 、医用手术灯( 无热辐射) 、医用治疗灯、农 作物和花卉专用照明灯心1 。 2 5l e d 驱动电路 l e d 驱动电路按拓扑结构可分为两大类：非隔离式变换器与隔离式变换器。非隔离 式变换器主要有三大类，降压型( b u c k ) 变换器、升压型( b o o s t ) 变换器和升降压( b u e k b b o o s t ) 变换器；隔离式变换器主要有正激式变化器和反激式变换器两大类呦1 。 2 5 1 降压型变换器 降压型变换器，又称b u c k 变换器，其基本电路结构及相关波形变换如图2 5 所示，电 路由以占空比d 工作的晶体管、二极管d 、电感厶电容c 组成，完成把直流电压u 转 换成直流电压u o 的功能“0 。从电路中可以看出，电感和电容c 组成了一个低通滤波器， 可以使u s ( o n 直流分量可以通过，而抑制u s ( t ) 的谐波分量；电容上输出电压u o ( t ) 就是 队t ) 的直流分量叠加上微小纹波u j 卵l 。( t ) a 开关工作于较高频率时，一个周期内电容充 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 放电引起的纹波u r i p p l e ( t ) 很小，e t l l u r i p p i 。( t ) i m 戤 。根据小纹波近似原理：电路稳态 工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，因此在宏观上可以视为恒 定直流输出。 当开关导通时，二极管反向截止，电感储存输入提供的能量；当开关截止时，二极管 由于电感反峰电压的作用正向导通，电感与输入切断，释放原先储存的能量。本节讨论电 流连续模式( c c m ) 下b u c k 变换器的工作情况。 当0 t t l 时，开关导通，得到等效电路如图2 5 ( b ) 所示，根据k v l 电路方程可以得 到： 一叽一u o = 0 【，：三堕 m 式中：u 为输入电压，仇为电感的端电压，砜为输出电压。从图2 5 ( d ) 中可以看出， 开关s 从t = 0 时刻打开，并维持到t = t 电感上的电流从 线性增加到1 2 ，因此可以得到： 以4 - = = f = 互与= 半，。 弋厂 y 7 1 ) 1 - - t i - - 囱z 业l 歹f 美闭舍：z s i 业i l r 。1 。一。一 rd -l- l 开戈断并lz 业i 图2 5 降压型变换器基本电路结构及其相关波形变换 当t o a t t o f r 时，开关管关闭截止，电感续流，二极管导通，其等效电路如图2 5 ( c ) 所示，根据k v l 可以写出如下方程： 1 3 沁 。晰 。魄 “o 浙江理工大学硕士学位论文 吮+ u o = 0 式中忽略二级管v d 的正向电压。根据图2 5 ( d ) 可知，开关管在t = t l 时刻关闭，并维持 到t = t 2 时刻，电感上的电流从1 2 线性下降到，l ，因此可以得到： 馘寸厶= j ：2 = j ：2 挚= 半化- f 1 ) 在电感电流连续的情况下，甜的幅值应该与她。的幅值相等，即 ( u u o ) f 册= 4 一u o oi 其中，t o = t l ，t o r t = t 2 f l 。在电感储存能量及释放能量的每个周期内，电感两端承受的电压与 维持时间的乘积相等，也就是所谓的“伏秒积相等”。根据占空比d 的定义，可以将上式简 化： v o = n u ,( d = i l o n ) 2 一( 6 ) 由公式2 ( 6 ) 可知，通过改变b u c k 电路中开关管的开关信号的占空比d ，可以调节 输出电压的大小，实现输出稳定。因为总是存在d i ，所以乩始终是小于输出电压乩， 也就是说输出电压总是低于输入电压。 2 5 2 升压型变换器 升压型变换器，又称b o o s t 变换器n 1 ，也是l e d 驱动电源经常使用的一种拓扑结构。 升压式变换器的基本原理及相关波形变换如图2 6 所示。升压变换器的基本原理如图2 6 ( a ) 中所示；当开关管玎打开时，二极管v d 截止，电感储存输入电压提供的能量，这时输 出电容向负载提供能量，维持正常的输出，电流路径如图2 6 ( b ) 所示；当开关管阿关 闭时，二极管导通，输入电压和电感同时向输出负载提供能量，并给输出电容充电，电流 途径如图2 6 ( c ) 所示。下面主要本节讨论电流连续模式( c c m ) 下b o o s t 变换器的工作 情况。 当开关管玎饱和导通时，整流二极管v d 截止，输入电压u 对电感l 充电，根据k v l 电路方程可以得到： u = 吼 u l - - 等 式中：阴为输入电压，仉为电感的端电压，假定开关管阿的导通电压为零。由图2 6 ( d ) 可知，开关管玎在t = 0 时刻打开，并维持到，= ，l ，电感上的电流从“线性增加到，l p ， 浙江理工大学硕士学位论文 因此可以得到： “= 上争寺 1 ) ， c i m 制 + 一 l i s 闭合 图2 6 升压型变换器基本原理及其相关波形变挟 当开关管闭合截止时，整流二极管助正向导通，输入电压u 被开关管隔离，电感三 向负载供电，忽略二级管阳的正向电压，根据k v l 电路方程可以得到： u u l = u o u l ：堕 。 讲 根据图2 6 ( d ) 所示，开关管刀在t = t l 时刻关闭，维持到t = t 2 时刻，电感上的电流从b 下降到“，因此可以得到： “= j ：2 半= t u i - u 0 ( ，2 1 ) 在电感电流连续的情况下，姚+ 的幅值与她的幅值理论上相等，因此可以得到如下等式： 警，i = i iu , - 工u o - ( t ：- t , ) l 其中f o n = ，l ，f o 萨r 2 r l 。在电感储存能量及释放能量的每个周期内，电感两端承受的电压与 维持时问的乘机相等，也就是所谓的“伏秒积相等”原理。根据占空比d 的定义，可以将上 式简化： 浙江理工大学硕士学位论文 = 尚( d = 等) 2 - ( 7 ) 由公式2 ( 7 ) 可知，通过改变b o o s t 电路中开关管的开关信号的占空比d ，可以调节输出 电压的大小，实现稳定输出。因为d 0 5 时，u o u i ；当d 0 5 时，u o u i | 当3 = 0 5 时，u o = u i 。通 过改变占空比可以使输出电压虢大于或小于或者等于输入电压“。 2 5 4 正激式变换器 正激式( f o r w a r d ) 变换器，是一种隔离型功率变换器n 1 ，其基本电路结构及相关波形