（电力电子与电力传动专业论文）汽车前照灯高亮度led驱动电源的研究.pdf

浙江大学硕：仁学位论文 a b s t r a c t a st h ef o u r t hg e n e r a t i o nl i g h t i n gs o u r c e ，l e dh a sm a n ym e r i t ss u c ha sl a r g e l u m i n o u se f f i c i e n c y , l o n gl i f e ，f a s tr e s p o n s ea n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，e t c i th a s b e g u nt or e p l a c ec o n v e n t i o n a ll i g h ts o u r c e si nm a n ya p p l i c a t i o n s l e da p p l i e dt o a u t o m o t i v eh e a d l a m pw i l le f f e c t i v e l yi m p r o v ei t sl i f e ，e f f i c i e n c ya n dl i g h tq u a l i t y , i t a l s od o e sg o o dt oe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dr e s t r i c t sg r e e n h o u s ee f f e c t f i r s t ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h em e r i t so fl e dc o m p a r e dt oo t h e rl i g h t i n gs o u r c e s a sa u t o m o t i v eh e a d l a m pa n dg i v e sa no v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n to fl e da n di t s p o w e rs u p p l y t h e nas p e co ft h ed r i v e ro fa u t o m o t i v ed a y t i m er u n n i n gl i g h t si sg i v e n ， a n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ef e a t u r e so ft h ed r i v e ri sm a d e t h i r d ，t h r e ep o w e r s u p p l i e sa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l yb a s e do ns p e c i a li c ，g e n e r a li c ，a n dd s p , a n d t h e k e yc i r c u i t sa r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e d f o rt h es p e c i a li cs c h e m e ，m a x 16 8 31i s u s e dt oc o n t r o lt h ef l y b a c kc o n v e r t o rt or e a l i z et h ec u r r e n tc o n s t a n ta n dp w m d i m m i n go fl e d ，f o rt h eg e n e r a li cs c h e m e ，l m 5 0 2 2i su s e dt oc o n t r o lt h eb o o s t c o n v e y o rt or e a l i z eas i m i l a r l yh i g hq u a l i t yd r i v e rw i t hl o wc o s t o nt h i sb a s i s ，t h e c o n t r o lp r i n c i p l eo fp w md i m m i n go fc o m m o ni ci sf o c u s e do n ，a n dt h ef a c t o r so f p w md i m m i n gr a t i oi sa n a l y s e d ，a n dm a k i n gu s eo fa n o l o gs w i t c h e si ns e r i e st ot h e c o m p e n s a t i o nn e t w o r ka n ds o f t - s t a r tp i ni sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ed i m m i n gr a t i o ， a n da10 we x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sm a d et ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n f o r t h ed s ps c h e m e ，d s p i c 3 0 f 2 0 2 0i su s e dt oc o n t r o lt h ef l y b a c kc o n v e r t o rt or e a l i z et h e d r i v i n gr e q u i r e m e n t s ，a n dt h ep r i n c i p l e s a n dr e a l i z a t i o no ft h eq u a s i r e s o n a n t s o f t - s w i t c h i n go ff l y b a c ki sf o c u s e do nt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ep o w e rs u p p l y t h ec u r r e n ts h a r i n gp r o b l e mo fm u l t i - c h a n n e ll e di np a r a l l e li sr e s e a c h e do n ，a n da n o p t i m i z e dh i g he f f i c i e n c yd e s i g ni sp r o p o s e d a 10 we x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sm a d e t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n a tl a s t ，ac o n c l u s i o ni sg i v e d k e y w o r d s ：a u t o m o t i v eh e a d l a m p ；l e d ；l e dd r i v e r ；c o n s t a n tc u r r e n t ；p w m d i m m i n g ；q u a s i r e s o n a n t ；c u r r e n ts h a r i n g i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝塑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谢意。 学位论文作者签名：刀智海 签字日期：2 僻罗月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝塑太堂有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆太堂可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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：刀智海 导师签名 签字日期：矽户年弓月7 日签字日期：少i l o 年罗月7 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 本文是在我的导师马皓副教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。在攻读硕士 学位的两年半时间里，马老师在学业上给予了我极大的帮助和认真的指导，马老 师渊博的知识，敏锐的思维，宽广的视野，严谨的治学态度和勤奋求实的工作作 风使我如沐春风，深受教益。研究生阶段，我充分感受到马老师作为一个真正学 ， 者和教育工作者所具有的求是创新的精神、随和宽容的品质以及虚怀若谷的宽阔 胸襟。能成为马老师的学生是我非常幸运和幸福的事，马老师的人格魅力给予我 的感染和影响将是终身的。在本文完稿之际，特向尊敬的马老师表达最诚挚的谢 意和敬意，并再次感谢马老师两年半来对我的悉心指导! 研究生阶段的两年半时光是我人生中难以忘怀的美好岁月。感谢已经博士毕 业的周雯琪师姐和许飞师兄在学术问题上为我热情地答疑解惑。感谢董亮师兄经 常在科研工作中积极有益的探讨使我受益匪浅。感谢已经硕士毕业的李桢和詹仁 雄两位师兄在实践项目上对我的精心指点和帮助。感谢已身在异国他乡的严颖怡 同学在科研上富有建设性的讨论意见给予我不少的启发。感谢实验室的张尧、张 辉、邓嘉、徐晔、黄剑峰和郑伟锋等师兄，俞宏霞和孙轩等同学，季悦、陈雪冰、 丁银江、吕亚东、郭津、阳彩、韩晓明、赵国强、郭倩和陈隆宇等师弟师妹，感 谢你们对我的关心和支持。能够在这样一个积极进取、团结向上的实验室团队中 学习和工作，我深感幸运。感谢同寝室的黄杰、汪望和王宝臣同学在生活中对我 的关照。感谢电力电子与电力传动0 7 硕的各位同学。感谢所有曾经给予我关心和 帮助的人。 在即将结束多年学校生活之际，我要特别感谢我的父母，感谢你们多年来在 学业和生活上对我的教导、支持和理解! 刁智海 2 0 1 0 年0 1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 汽车前照灯的发展历程 汽车前照灯是汽车上最重要的安全部件之一，对保证交通安全起着至关重要 的作用。从汽车前照灯的发展历程来看，先后出现了白炽灯、卤素灯、h i d 灯和 l e d 灯，分别对应第一到第四代照明光源。白炽灯由于寿命太短已基本被淘汰， 目前道路上的汽车前照灯以卤素灯为主，在l e d 灯技术成熟之前，h i d 灯逐步 取代卤素灯正在成为汽车前照灯的发展趋势，但从长远发展来看，最终都将被 l e d 灯所取代1 】【2 】。下面分别对各种汽车前照灯的特性和发展现状作简单介绍。 1 1 1 白炽灯 白炽灯的灯丝是金属钨，当其上流过电流时，温度迅速上升，受热到3 0 0 0 k 左右时，灼热的钨丝向周围空间发射出光能。白炽灯的优点是驱动简单，控制方 便，灯具容易设计，成本低，所获得的白光色温接近太阳光。缺点是钨丝容易升 华，辐射出光的同时产生了钨蒸气，降低了灯泡的发光亮度，钨丝长期工作在高 温下容易被烧断，造成了灯泡寿命的衰减。现在使用白炽灯作为汽车前照灯的汽 车已经比较少，白炽灯已经逐渐被淘汰。 1 1 2 卤素灯 在灯泡内掺入少量的惰性碘蒸汽就得到了卤素灯，又称为卤钨灯。当灯丝通 电流受热发光时，钨原子蒸发出来，与蒸汽中的碘原子发生反应，生成碘化钨化 合物。当灯丝温度超过1 4 5 0 。c 时，与之接触的碘化钨化合物又会重新分解为碘 原子与钨原子，碘原子重新变成碘蒸气，钨原子则重新回到灯丝中。上述过程循 环往复地进行，灯泡不会发黑，灯丝也不会烧断，所以卤素灯相对传统的白炽前 照灯亮度要更高，寿命要更长。此外，卤钨灯还可以获得比白炽灯更大的功率和 更高的光效，目前路面上行驶的汽车其前照灯普遍使用的是这种光源。不过，卤 钨灯也存在着一些缺点。相对其他光源和汽车前照灯日益发展的要求，依靠灯丝 辐射光能的卤钨灯光效偏低，寿命不高，且光色不够理想。 1 1 3h i d 灯 h i d 灯是一种高压气体放电灯，它的构造原理是将以氙气( x e n o n ) 与碘化 物等惰性气体为主的多种化学气体充填在石英玻璃管内，因此h i d 灯也被称为 氙气灯。h i d 灯的启动特性比较复杂，点灯的初始阶段，必须用2 3 千伏左右的 浙江大学硕b 学位论文 高压激发石英管内的氙气电子游离，在两电极之间通过气体放电产生光源。h i d 灯相对卤素灯等传统汽车前照光源有很多优势。h i d 灯没有灯丝，依靠气体放电 产生光能，不会产生过高的温度，有较长的使用寿命，是传统卤素灯的1 0 倍之 多；h i d 灯发光效率较高，为传统卤素灯的三倍，使行车安全更有保障；h i d 灯 稳定工作时的功率为3 5 w ，比传统卤素灯节能一半左右；h i d 灯发出色温6 0 0 0 k 左右的蓝白光，接近正午的日光，人眼的舒适度要明显好于光色偏黄的传统卤素 灯，可以有效减少驾驶员的视觉疲劳，增加舒适性与安全性。目前，h i d 灯虽然 成本偏高，但其开始逐渐取代卤素灯成为汽车前照灯的发展趋势已不可阻挡，国 内外一些汽车公司陆续推出了多款配备氙气前照灯的豪华汽车。 1 1 4l e d 灯 l e d 即发光二极管，是一种固态光源，由来已久，单色l e d 被作为指示、 显示和背光广泛使用 3 1 。随着高亮度白光l e d 的研制成功和迅速发展，l e d 开 始进入照明领域，掀起了真正意义上的照明革命，并在各个领域开始取代传统光 源【4 】【5 儿6 1 ，汽车前照灯也不例外。 这是由l e d 的独特优势【7 】【8 】【9 1 决定的。首先，l e d 的光效较高。白炽灯基本 都稳定在1 5 1 m w 以下，卤素灯一般在1 7 3 3 1 m w ，最好的h i d 达到了1 2 7 1 m w ， l e d 目前的光效为7 5 1 r n w ，最高的达到了1 0 0l m w ，虽然比最好的h i d 还要 低不少，但随着技术发展l e d 光效随时间几乎呈指数增加，预计到2 0 1 2 年，美 国和日本的l e d 光效会达到1 2 0 1 5 0 1 m w ，而且往后还会以较快的速度提高。 第二，l e d 的寿命较长。统计资料表明，白炽灯寿命为8 0 0 1 0 0 0 小时，卤素灯 寿命为3 0 0 0 小时，h i d 灯为1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 小时，而l e d 灯的寿命可高达 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 小时，明显超过前三者。第三，l e d 响应速度较快，大约只有几 十纳秒，比其他灯快很多，在汽车制动时，给司机更多的反应时间，改善和提高 了汽车安全性。第四，环境友好无污染。l e d 能耗较低，产生同样的光通量只 需要更少的用电量，大大减少二氧化碳排放量，减轻了温室效应，对于低碳经济 有着重要意义。l e d 不含水银，无污染，有利于环境保护。第五，功率密度高。 l e d 灯具可以做得较小，对体积要求严格的汽车前照灯而言有着特殊的优势。 第六，耐冲击。l e d 比较抗冲击和振荡，不像白炽灯在这种情况下容易失效。 另外，l e d 的驱动特性远比h i d 简单，简化了电源部分的设计，提高了可靠性。 渐h 学碰i 学论女 l e d 灯的技术与性能发展速度非常决，其光效不断提升的同时，也在不断 集成化，即单个l e d 模块的功率越来越大，未来可能单个l e d 模块的光通量就 能超过1 0 0 0 1 m ，即负载选用数量较少的l e d 模块就能满足要求i ”】。 l e d 前照灯也还存在一些问题，成本和散热是两大难题1 1 1 m j 现阶段l e d 汽车灯要比卣素灯和h i d 灯贵不少，不过随着l e d 自身技术的发展，成本将越 来越低。l e d 的结温过高会使性能和寿命大大下降，加装冷却风扇是一个解决 办法，但是增加了成本和体积，未来随着l e d 温度特性的改善和光效的提高， 热问题应该会得到缓解。 尽管存在这些问题，l e d 的优点使其在汽车前照灯领域的应用仍然具有吸 引力。汽车前照灯主要包括远光灯、近光灯和日行灯”i i ”。目前在垒球范围内， l e d 日行灯已经在西方国家开始普及，最近欧盟委员会为了增加道路安全性次 定在2 0 1 1 年前各种新型的机动车配置专门的日行灯，将进一步推动l e d 日行灯 的广泛使用。l e d 近光灯和远光灯仍处于研制阶段，尤其是后者，只有极少的 车型使用，远未大规模普及。近几年以来，日本小系车灯和德国海拉等公司相继 推出了l e d 前照灯概念型产品，如图1 1 所示。而丰田雷克萨斯l s 6 0 0 成为世 界上首个应用l e d 近光灯的车型，这是全球第一只商用化的l e d 前照灯，如图 l 一2 ( a ) 所示。随后凯迪拉克和奥迪r 8 又推出了全l e d 前照灯，如图1 2 ( b ) 所示。随着国际汽车大厂全l e d 前照灼车型的不断推出，l e d 前照灯的应用将 成为一种趋势，越来越广泛。国内l e d 起步较晚，与国际领先水平尚有不小的 差距，但是通过近些年有关部门的高度重视和各汽车及灯具企! 的不懈努力，也 取得了较大的进步。吉林东光瑞宝车灯公司研制出7 国内第一个仝l e d 前照灯 样灯，如图1 3 所示，使国内的l e d 前照灯r ；l 产业化方向迈出7 关键的一步。 图1 i 各种l e d 前照灯概念车( 源自余桂英教授( ( l e d 汽车前照灯的研制报告* ， ( a ) 雷克萨斯l s 6 0 0l e d 前照灯( b ) 奥迪r 8 完全l e d 前照灯 图1 2 雷克萨斯和奥迪l e d 前照灯( 源自余桂英教授( ( l e d 汽车前照灯的研制报告 图1 - 3 吉林东光瑞宝全l e d 前照灯( 琢自阿里巴巴栽国垒l e d 汽车前瞪灯研制成功* 1 _ 2l e d 汽车前照灯驱动电源的发展现状与趋势 驱动电源是l e d 汽车前照灯的重要组成部分，其性能好坏直接关系到整个 前照灯灯具的寿命、可靠l 生效率、散热和灯光质量等多种性能。 l e d 前照灯的驱动电源工作条件较恶劣：较大的输入电压变化范围和汽车 级温度。其驱动要求也较高高效高精度恒流，带一定灰度调节的p w m 调光和 高可靠性。对匣流源而占，l e d 前照灯的负载尽量选择l e d 串，日行灯的功率 为1 0 w 左右，远光灯和近光灯的功率在3 5 w 一5 0 w 之问，无论哪一种l e d 前照 灯，其输出电压都要高于输入电压，所以需要选择升压类型的d c d c 拓扑，而 且要具备较高的升压比即鞍大的最大占空比。通用i c 一般适用于传统恒压源， 输出检测基准电压大，不具有调光功能，对于上述驱动要求的l e d 恒流源应用 有一定难度。所以要开发出高品质的l e d 前照灯驱动电塬并不容易。 有鉴于此，很多半导体公司专门针对l e d 前照灯领域设计开发了一些专用 浙江大学硕士学位论文 i c ，性能较强，输出检测基准电压较小，具有较高调光比的p w m 调光功能和完 善的保护功能，客户只需要在i c 外部添加简单的电路即可实现较高性能的l e d 前照灯驱动电源。 l i n e a r 公司有5 0 wl e d 前大灯驱动电源方案【1 3 1 ，如图1 - 4 所示。线路较为 简单，主电路为b o o s t 拓扑，输出端由1 4 个大功率l e d 串联，专用i c 型号 为l t 3 7 5 5 ，p w m 调光比高达3 0 0 0 ：1 。 m 1 ：s i l 虻o w 懵s 8 翻0 p d 1d 1 0 d e sm cp c 嘭1 c 1 c 2 ：t o k 罄? x - 瑚岛疗5 啊。 ：s i l i c o r 4 i x s g 并s f n l ：哺u p 旧t r a t - 0 研为撇卸5 图1 4l i n e a r5 0 wl e d 前大灯驱动电源方案( 源自文献 1 3 】) 目前的l e d 前照灯驱动电源较多是如图1 4 这个类型的，即基于专用i c 的 b o o s t 变换器，当然对于不同的专用i c 和输出要求，主电路拓扑可能会有所差 别。基于专用i c 的l e d 前照灯驱动电源各方面性能较好，且简化了电源的设计。 但是专用i c 价格较高，其成本是通用i c 的数倍甚至更高。通用i c 也有可能用 于汽车前照灯l e d 驱动电源，其优势是成本低，但是带一定灰度调节的p w m 调光功能不易实现。随着微控制器成本越来越低，速度越来越快，d s p 用于控制 l e d 驱动电源也成为一个合适的选择，相对模拟i c ，d s p 的优点是抗干扰性更 强，控制方式更灵活，且能实现智能化功能。 1 3 课题选题意义及主要工作 1 3 1 选题意义 在节能环保、低碳经济的大背景下，l e d 作为第四代照明光源，顺应时代 浙江大学硕士学位论文 潮流：正在多个领域催生一场照明革命。l e d 成功应用到汽车前照灯上将有效 提高其寿命、效率和光质量，对环境保护和抑制温室效应也有重要意义。 l e d 前照灯的驱动电源对整个灯具至关重要，驱动电源需要高效、高可靠 性、高功率密度和低成本。模拟专用i c 可以实现较好的性能，电路简单，但是 成本较高模拟通用i c 成本相对较低，但是不容易实现具有一定调光比的p w m 调光。微控制器相对模拟i c ，抗干扰性强，控制方式灵活，能实现更复杂的算 法且具有智能化功能，但是成本较高，响应速度较慢，不过随着技术发展，其 成本越来越低，响应速度越来越快，在l e d 驱动中，d s p 也将成为合适的选择。 本课题对上述三种驱动方案分别进行设计，同时希望对l e d 领域的一些重要问 题有所研究。 1 3 2 主要工作 本课题以l e d 日行灯驱动电源作为研究平台。首先，介绍了l e d 相对其他 三种光源作为汽车前照灯的优势，描述了l e d 灯及其驱动电源的应用现状和发 展趋势。接着，从多方面详细分析了汽车日行灯高亮度l e d 驱动电源的驱动特 点。然后，基于专用i c 、通用i c 和d s p 分别设计了相应的驱动电源方案，给出 了关键电路的分析和设计。专用i c 方案采用美信的m a x l 6 8 3 l ，结合反激式变 换器，实现了l e d 的恒流驱动和p w m 调光；通用i c 方案采用国半的l m 5 0 2 2 ， 结合b o o s t 变换器，以较低成本实现了较高品质的驱动电源，在此基础上，着 重分析了其p w m 调光原理，分析给出了p w m 调光比的影响因素，针对通用i c ， 提出了在补偿网络中和软启动脚串入模拟开关以提高调光比的方法策略；d s p 方案采用微芯的d s p l c 3 0 f 2 0 2 0 ，结合准谐振软开关反激式变换器，实现了驱动要 求，研究并给出了基于d s p 的反激式变换器准谐振软开关的实现方法，提高了 电源整机效率，在对多路l e d 并联的高效均流问题研究的基础上，给出了高效 的均流控制设计方案。分别制作了1 0 w 的实验样机，给出了实验结果，验证了 方案的合理性和可行性。 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章高亮度l e d 汽车日行灯及其驱动电源特性 2 1 高亮度l e d 的发光原理和基本特性 2 1 1 发光原理 l e d 的本质是p n 结，其端电压具有一定势垒，当对l e d 施加正向电压时， 该势垒下降，n 区和p 区的多子互相扩散，由于空穴的迁移率比电子的迁移率小 得多，所以会出现大量电子向p 区扩散，形成对p 区的少子注入。价带上的空 穴与这些电子复合，得到的能量以光能的形式释放。这就是l e d 的发光原理 1 1 4 1 5 1 口 半导体一般有间接带隙和直接带隙这两种，l e d 基本上采用直接带隙的半 导体材料，使得电子能够直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，这样就具有 比较高的效率。 l e d 发光的频率或波长取决于所选半导体材料的能隙e 。，两者关系为： k 箍2 警( 眦) 舯h 艚朗克髓硼毓子所带毗荷，c 为光遣 九为所发光线的波长。可见光的波长范围在3 8 0 n m - 7 8 0 n m 之间，相应半导体的e 。 在1 6 3 e v 3 2 6 e v 之间。短短几十年，人类已经开发出黄光、蓝光、绿光和红光 等多种单色l e d ，广泛用于指示灯、装饰灯、背光源和显示屏等领域，构成了 多姿多彩的绚烂世界。 但是单色l e d 无法满足与人类关系最紧密的照明领域的需求，随着这一需 求的迫切和科技日新月异的发展，白光l e d 应运而生，并快速发展，目前照明 领域的关注热点就是高亮度白光l e d 。这种l e d 的白色光谱不能直接得到，需 要通过间接合成的手段来获得，一般有三种方法：第一种是通过蓝光芯片与黄色 荧光粉来合成白光，这是目前比较成熟且已广泛商业化的方法，好处是相对而言 成本较低，但缺点是白光的均匀程度受到蓝光波长偏移、蓝光强度变化和黄色荧 光粉涂布厚度变化的影响，白光光谱呈带状分布相对比较窄，白光的色温偏高， 白光的显色性偏低，光线的色彩不全，以上特性表明一次得到的白光光线对眼睛 伤害较大，需要进行二次光学设计才能正常使用。经过进化，对人眼来说，最舒 适的光线是太阳光，所以白炽灯的连续光谱是比较好的，色温在2 5 0 0 k ，显色指 浙江大学硕士学位论文 数是1 0 0 。综上所述，这种通过蓝光和黄色荧光粉合成的白光还需改进，可以加 入更多的发光过程来改善白光光谱，使其足够宽且连续，以便更好的满足照明要 求。第二种是通过紫光芯片或紫外光与红绿蓝三基色荧光粉来合成白光，其发光 原理类似于现在的e t 光灯。通过该方法所获得的白光显色性会更好，而且紫光或 紫外光并不参与白光的调配，所以紫光或紫外光波长强度的变化对于所获得的白 光而言不会敏感，并且各色荧光粉可以自由灵活地选择和配比，因此能够调制出 色温及演色性较好的白光。但同样也存在不少问题，所选用的荧光粉有效转化效 率低，尤其是红色荧光粉。荧光粉发光稳定性相对比较差，而且其光衰较大，此 外，紫外光波长该如何选择才能更好地激发和调配荧光粉以及紫外光芯片的制作 和抗紫外光封装材料的开发也是需要克服的困难。第三种是利用三基色原理将红 蓝绿三种超高亮度l e d 混合成白光。该方法的好处是可以直接配制出白光而不 需要经过荧光粉的转换，避免了荧光粉转换效率偏低造成的光损失，能够得到较 高的发光效率。通过分别控制红蓝绿光l e d 的发光强度，可以改变色温，达到 全彩效果。有效选择l e d 的波长和强度还能够得到较好的l e d 自光演色性。该 方法的不足之处是绿光的转换效率相对比较低，会造成混光的困难。三种l e d 各自都需要驱动，整体混光还要相应的控制，所以电路部分的设计相对比较复杂。 三种光色的l e d 都是热源，温升加剧，散热问题更加突出，增加了热设计的难 度和使用上的困难。目前来看，在白光l e d 领域，偏振l e d 和三波长全彩化 的白光l e d 将是未来的发展方向。 2 1 2 电气特性 由于l e d 本质上就是能发光的二极管，所以其电气特性类似于普通的二极 管，只不过门槛电压和导通压降要更大。相对气体放电灯来说，l e d 的电气特 性比较简单，不存在高压击穿启动、后续的过渡过程和稳态时的交流方波驱动等 特性，l e d 比较容易驱动大大简化了其驱动电源的设计。l e d 的伏安特性曲线 如图2 1 所示。 l e d 在正向导通时，类似于普通的二极管，动态阻抗相对较小，较小的电 压变化就能导致较大的电流变化，其工作电流与导通压降呈指数式的变化规律， 如下式所示： f ，韭、 i f = i 。le k t 一1i r 浙江大学硕士学位论文 图2 1l e d 伏安特性图 其中i 。为反向饱和电流。正向工作电流i ，是指l e d 正常发光时的正向电流 值，在实际使用中应根据需要选择i ，留出足够的安全裕量，i ，一般在l e d 所 能承受最大值的0 6 倍以下。 l e d 伏安特性还可用如下的数字模型来表示： u f u t h - i - 即i ，+ 等水( t 一2 5 0 c ) u m 是l e d 的门槛电压，r 。为l e d 的动态阻抗，t 是环境温度，会 是 l e d 正向电压的温度系数，对于多数l e d 来说其典型值为一2 w 。c 。l e d 的门槛 电压一般在2 5 v 以上，正常工作时管压降为3 v 4 v 。 综上所述，l e d 的电气特性可以简单概括为以下几点：单向导电性，非线 性负载特性，动态电阻小，导通压降具有负温度系数效应，最大正向电流随温度 升高而减小1 4 1 1 1 6 】【1 7 】。 l e d 是电流型器件，其光输出与电流直接相关，当输入电压和环境温度等 因素变化时，为保持同等的光输出，l e d 驱动电源应该控制通过l e d 的电流大 小也保持不变，即用恒流源驱动l e d ，提高其可靠性和寿命。否则，l e d 的光 输出将随外部条件变化而变化，光质量较差。 一般l e d 的响应时间为微秒级，且随正向电流增大近似按指数规律衰减。 2 1 3 光学特性 l e d 的光学特性有很多物理量来表征，主要有色温、光通量、发光效率、 发光亮度和寿命等【1 4 1 。 9 浙江大学硕十学位论文 色温是l e d 的一项重要指标，与其发光颜色相关。当l e d 光源所发射可见 光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该l e d 光源的 色温。色温的单位为k ，光源的色温不同时，其光色也不同。色温在3 0 0 0 k 以 下时为低色温，光源发出暖色光，光色偏红，给人的感觉是舒适和健康，多用于 宾馆和住宅等室内场所；色温在3 0 0 0 k 5 0 0 0 k 为中问色温，光源发出中性色的 光，光线比较柔和，给人的感觉是安详和愉快，多用于候车室和医院等公共场所； 色温在5 0 0 0 k 以上为高色温，光源发出冷色光，光色偏蓝，给人的感觉是明亮 和清冷，多用于会议室和教室等办公场所。 光通量是指l e d 各个方向光输出的辐射能量之和，与l e d 的正向电流有关， 随电流增加而变大，可见光的光通量单位是1 m 。 发光效率通过l e d 所发射光通量与所消耗电功率的比值来表征，其单位为 l m w 。这是l e d 光学特性的一个重要指标，反映了l e d 光源的节能特性，目 前对l e d 光源发展孜孜以求的一个目标就是其光效不断提升。l e d 的发光效率 为内部量子效率与取出效率的乘积，内部量子效率是l e d 芯片自身的电光转换 效率，与半导体材料和结构有关，取出效率是封装材料的出光率，与封装材料的 特性有关。l e d 的发光效率又被称为l e d 的外部量子效率。由上可知，提高l e d 的光效的途径有两条，一是提高内部量子效率，一是提高取出效率。早期研究主 要集中在前者，通过改善晶体的质量和结构来提高l e d 的发光效率，目前已经 可以达到7 0 的效率，接近理论上限。因此提高取出效率成为未来提高l e d 光 效的重要途径，现在的方法是用t i p 结构实现晶粒外型的改变和表面粗化技术。 发光亮度也是衡量l e d 发光性能的重要指标，指的是给定某方向上l e d 灯 具表面单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，方向性较强，其单位为 e d m 2 或n i t 。l e d 的发光亮度与工作电流有关，l = 孚，1 1 1 近似等于1 ，k 为比例系数，所以当电流增大时，发光亮度呈正比增大。l e d 的发光亮度还与 环境温度有关，当环境温度升高时，发光亮度变小。 l e d 如此受青睐的一个重要原因在于其寿命很长，在合适的驱动和条件下， 可以点燃一百多年，但l e d 会老化，其发光亮度随时问和外部条件的变化而呈 指数式衰减，如果以l e d 损坏的时刻作为其寿命的终结，显然对实际应用没有 意义。所以l e d 寿命是以发光亮度衰减一定百分比所经历的时间来定义的，现 1 0 浙江大学硕七学位论文 在这个标准还没有统一，有的厂家定为5 0 ，也有的定为3 0 。l e d 在合适的 驱动和散热下，寿命可达到上万乃至几万小时，这个优势是传统光源无法比拟的。 2 1 4 热特性 热对l e d 来说是个很敏感的物理量，l e d 太热会使其性能大打折扣，可靠 性和寿命大大降低1 4 】【l8 1 。l e d 与热关系最密切的就是p n 结的结温。 - 3 环境温 度较高时，l e d 发光亮度下降，光线均匀性和一致性交差，可靠性和稳定性也 下降。所以对l e d 来说散热设计非常关键。尤其是一些功率密度要求很高、体 积较小的场合，比如汽车日行灯，整个灯具必须要有良好的热设计，应选用热阻 小散热好的外壳，甚至采用一些通风装置，以保证l e d 灯具长期安全稳定工作。 此外环境温度对l e d 的电特性和光特性也有影响。当温度升高时，l e d 的 导通压降降低，同时由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此l e d 所发射 的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+ 2 3 a o c 。 2 2 汽车日行灯高亮度l e d 驱动电源的设计规格与驱动特点 2 2 1 设计规格 如表2 1 所示为某公司提出的汽车日行灯高亮度l e d 驱动电源的设计规格。 表2 1 汽车日行灯高亮度l e d 驱动电源的设计规格 属性 参数 输入电压6 v 1 9 vd c l e d 灯型号 o s r a ml wg 6 s p c a d b 2 k 6 l 1 灯14 只 输出电压4 0 v 5 7 vd c 输出电流恒定2 0 0 m a d c p w m 调光频率 1 0 0 h z p w m 调光占空比5 1 0 0 保护功能输入防反接，输入欠压，输出过流，短路，输出过压，过热 2 2 2 驱动特点 2 2 2 1 驱动方式 l e d 驱动方式可分为恒压源驱动和恒流源驱动。 浙江大学硕二l ：学位论文 传统的开关电源一般都是恒压输出的，当被用来作l e d 的驱动电源时，由 l e d 的伏安特性可知，电压的微小波动可引起电流的大幅度变动，一方面电流 过大容易造成l e d 损坏，另一方面电流的大幅变动又会导致l e d 色温的变化， 从而引起l e d 颜色的变化，所以该种驱动方式的特点是稳流能力差，l e d 视觉 效果差。恒压源的负载宜采用l e d 多路并联，且支路越多越好，每条支路都需 串联一个有一定阻值的镇流电阻，起到限流和均流的作用。不过低压大电流的输 出和镇流电阻的存在会降低整机效率。过去的l e d 驱动用恒压源较多，目前l e d 恒压源只用于低端场合。 恒流源是更好的驱动方式，因为l e d 是电流型器件，直接控制l e d 电流大 小恒定可以让l e d 的性能得到更好的体现1 9 】【2 0 】。恒流源的负载最好采用l e d 串联连接，仅用一只小阻值的检测电阻就能实现恒流驱动，保证各l e d 灯的电 流大小一样，颜色和亮度一致均匀。恒流驱动的特点是l e d 电流稳定，光学性 能较好，效率相对较高。但是对串联来说，较高的驱动电压限制了灯的数量，功 率较大的场合需要对l e d 负载采用混联连接。 有人做过测量和对比，l e d 上流过电流的纹波对l e d 的光效和光衰有重要 影响，在一定的平均电流下，纹波越大，则有效值越大，转化成的热量越多，光 效越低，光衰越厉害，寿命越短。所以对l e d 来说，较好的驱动电流是纹波很 小的直流电流。 目前的l e d 驱动基本上都是使用恒流驱动。 2 2 2 2 调光方式【2 1 】 对于汽车日行灯高亮度l e d 驱动电源来说，在如此强调节能环保的今天， 调光是重要的功能。常见的l e d 调光方式有两种：模拟调光和p w m 调光。 模拟调光通过改变流过l e d 电流的大小来实现发光亮度的调节，模拟调光 的优点是不存在音频噪声，但其缺点也十分明显，由于l e d 的电流发生了变化， 所以色温也相应地变化，引起光色偏移，视觉效果差。而且模拟调光的最小电流 较为有限，l e d 灰度调节受到了较大的限制，所以在对色彩要求较高的场合不 宜使用。 p w m 调光不改变流过l e d 的电流大小，而通过控制l e d 的通断时间比， 即以一定占空比让l e d 在零电流与满电流之间切换，利用人眼对高频光线的视 1 2 浙江大学硕士学位论文 觉滞留效应，实现l e d 亮度的调节。p w m 调光中变的是流过l e d 的平均电流， 实际电流并没有变，所以能避免光色偏移，但有些调光频率在2 0 k h z 以下的p w m 调光电路，其驱动电源存在音频噪声，灌胶可以消除电感或变压器的噪声，但电 容噪声还存在。为避免人眼看到l e d 灯光闪烁，调光频率至少要在1 0 0 h z 以上。 上述两种调光方式的比较如表2 2 所示。 表2 - 2 两种调光方式的比较 指标p w m 调光 模拟调光 音频噪声存在没有 光线质量好一般 电池耗能一般一般 外围器件简单一般 2 2 2 3 拓扑与控制 对于高亮度l e d 汽车前照灯的驱动电源，已经有一些研究为其寻找最合适 的电路拓扑。l e d 驱动器有两种，即线性电源和开关电源，如图2 2 所示。线性 电源由于线性调整管两端压降较大，效率较低，且只能用于降压场合，在功率较 大的照明领域几乎不单独使用。开关电源开关导通电阻较小，效率较高，可以做 到9 0 以上，且可实现更高的升压比，更适合用于串联的l e d 实现恒流。所以 在高亮度l e d 汽车前照灯驱动领域，一般使用的是恒流控制的开关电源【2 2 1 1 2 3 1 。 v ( a ) 线性电源 ( b ) 开关电源 图2 - 2 l e d 常用的两种驱动电源 、i 、i 浙江人学硕：t = 学位论文 由于汽车蓄电池电压相对较低，而l e d 灯负载较好的连接方式是串联，变 换器必须具备一定的升压能力，因此使用较多的拓扑结构便是b o o s t 和 b u c k b o o s t 及其衍生拓扑。这几种拓扑用作驱动l e d 的恒流源时，其特性与 传统的电阻负载恒压源有一些差异。下面分别对适用于汽车日行灯高亮度l e d 驱动电源的拓扑的特点进行简单介绍【2 4 】【2 5 1 。 b o o s tl e d 驱动器如图2 3 所示。 图2 - 3b o o s t l e d 驱动器 与带输出滤波电感的b u c k 变换器1 2 6 】不同，b o o s t 变换器的输出电流表现 为断续状态，所以在负载前端必须要有输出滤波电容来吸收高频脉冲电流，以使 l e d 能得到稳定的直流电流。由于电流纹波对l e d 的光效和光衰有一定的影响， 因此输出电容的容值不能太低，需达到一定量级。在此基础上，容值越低越好， 这样系统的响应就会越快，l e d 的调光比就会越高，同时整个电源的成本和体 积也会越低。 对汽车日行灯来说，b o o s t 一般用来恒流驱动l e d 灯串，由于l e d 灯的 导通压降随温度和电流的变化而变化，一般在3 v 到4 v 之间，当整机功率越大 时，串联的灯个数也越多，所以此时电源的升压比越高，输出电压最高与最低之 差越大。在c c m 模式下，b o o s t 升压只能依靠占空比来实现，这就对控制芯 片的占空比提出了较高的要求，也就是说芯片要能提供较大的最大占空比。但是 输出电压也不能无限制升高，一方面半导体开关电压应力太大，耐压等级需提高， 损耗加大；另一方面安规有要求，一般不超过6 0 v 。 b u c k 变换器可以有多种控制方式，而b o o s t 变换器由于是c c m 模式下 存在右半平面零点的双极点系统，且当开关关断时输入与输出之间仍然存在通 浙江大学硕士学位论文 路，所以b o o s t 变换器一般只能用于峰值电流控制模式。对峰值电流模式而言， 负载阻抗对系统的直流增益和低频极点有较大的影响。电阻的负载阻抗由输出电 压与输出电流的比值或其自身的阻值决定。l e d 与传统电阻负载有很大不同， 其本质是拥有动态电阻的发光二极管，是恒压负载。l e d 的动态电阻即为其伏 安特性曲线在相应导通电流下的切线斜率。l e d 负载本身进入系统的闭环，导 致系统的直流增益降低，所以l e d 的恒流驱动器在稳态精度上不如传统的开关 稳压源。 汽车日行灯l e d 驱动需要调光功能，无论是模