（电力电子与电力传动专业论文）大功率白光led照明系统的设计.pdf

a b s t r a c t h i g hp o w e rw h i t el e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) h a sb e e nr e g a r d e da st h en e x t g e n e r a t i o no fl i g h t8 0 u r c eb e c a m eo fi t sp o w e rs a v i n g , h i 咖e f f i c i e n c y , l o n gl i f e , l o w p o l l u t i o na n dl o wr a d i o a c t i v i t y w i mt h ed e v e l o p m e n to fw h i t el e dt e c h n o l o g y , i t w i l lb ea p p l i e di nm o r ef i e l d s w h i t el e dw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a ll i g h t s o u r c oi sak i n do fc o m p o n e n tc o n t r o l l e db yt h ec u r r e n t w h e nt h ev o l t a g ea c r o s st h e l e dc h a n g e ss l i g h t l y , t h ec u r r e n tt h r o u g hi tw i l lv a r ya p p a r e n t l y s oi t sn e c e s s a r yt o d e v e l o ps p e c i a ld r i v e rc i r c u i t s t h et h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fl i g h t i n g , t h em e t h o do fg e n e r a t i n g a n dt h ec h a r a c t e ro fe l e c t r i e so fh i 【g hp o w e rw h i t el e d f i r s t l y a n dt h e ng i v e sf o u r k i n d so f w h i t el e d d r i v i n gc i r c u i t si nd o m e s t i cu pt on o w f u r t h e r m o r ea n a l y z e sa n d c o m p a r e st h ev i r t u e sa n dd r a w b a c k so fa l lk i n d so fd r i v i n gm e t h o da n dr e s p e c t i v e a p p l y i n gf i e l d s f i n a l l yn a r r a t e ss e v e r a lk i n d so f c u r r e n tp o p u l a rm o d u l a t i o nm o d e si n d e t a i l t h em a i no b j e c t i v eo f t h i sp a p e ri st od e s i g nas y s t e mu s e df o rh o m el i g h t i n g t h es y s t e mt a k e st h r e e3 5 0 m a , 1 wh i g hp o w e rw h i t el e da sl i g h ts o u r c e a n dt h e l u m i n o u si n t e n s i t yg a l lb ec o n t r o l l e db yt h er e m o t em e t h o d s t h ep o w e rs y s t e mc a nb e c o n s i s t e do f r e c h a r g e n b l eb a t t e r yo ra l t e r n a t ec u r r e n tf r o me l e c t r i cn e to f c i t y c o n s i d e r i n gt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to fs y s t e m ，w ea n a l y z ea l lk i n d so fh i g h p o w e rl e dd r i v i n gm e t h o d sd e t a i l e d l y h it h ee n d , w ed e c i d et ou s eb u c kt o p o l o g y w h i c hi si n d u c t o rs w i t c h i n gm o d e a n dt h er e m o t es i g n a l 啪b er e c e i v e db ym o t o r o l a m c ua n dt h e nt h es w i t c ho f m a i nc i r c u i ti sc o n t r o l l e db ys o f t w a r em e t h o d s ow ec a n m a n a g et h es y s t e ms a f e l ya n dc o n v e n i e n t l y t h ep o w e rs u p p l yo ft h ew h o l es y s t e mn e e d ss a f e t yv o l t a g ea n dd i r e c tc u r r e n t s ow em u s td e s i g nas e to fs p e c i a lp o w e rs u p p l yc i r c u i ti no r d e rt og e tn e e d e dp o w e r e a l e r g y i nt h ee n dw e t a k ed o u b l em o s f e tf o r w a r dc o n v e r ta st h em a i nt o p o l o g ya n d r e a l i z et h ee l e c t r i c a li s o l a t i o nb yt r a n s f o r m e r t h u sw ec a n p l e d g el i f es a f e t yw h e nt h e w h o l es y s t e mw o r k s k e yw o r d s ：h i g hp o w e rw h i t el e d ；s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y ；b u c kc i r c u i t ； a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm o d e ；p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ；s o f t w a r ec o n t r o lm o d e i l 第1 章绪论 1 1 白光l e d 带动新的产业革命 在过去的1 0 0 多年里，作为人类文明象征的照明技术有了飞速的发展。作为照明 的技术主体的光源经历了三个重要的发展阶段：白炽灯、荧光灯和h i d ( h i g h i n t e n s i t yd i s c h a r g e ) 灯。在进入新世纪的时候，大家都在关心：“什么将是二十 一世纪的照明新光源? ”现在，众多的人认为二十一世纪照明新光源是发光二极管 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) l e d 作为第四代光源，有着极其光明的发展前景 1 1 1 半导体材料的发展 发光二极管l e d 是p n 结型半导体，它具有小型、抗震、坚固、寿命长、不易发 热、低耗电量且功能稳定等特性。虽然目前l e d 发光效率还很低，但随着国内外研究 机构的不断努力，其发光效率不断的在提升l e d 使用的材料全部都是化合物半导体， 半导体发光材料的发展大致经历了下面的三个阶段： 以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从二十世纪五十年代开始的，目 前硅材料仍然是电子信息产业展主要的半导体器件材料，但是硅材料带隙( 禁带) 较 窄和击穿电压较低等物理属性的特点限制了其在光电子领域和高频高功率器件方面 的应用。 二十世纪九十年代以来，随着无线通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息 高速公路与互联网的兴起，以砷化镓( g a a s ) 和磷化铟( i n p ) 为代表的第二代半导体材 料开始崭露头角。目前g a a s 几乎垄断了手机制造中的功放器件市场 第三代半导体材料的兴起，是以g a n ( 氮化嫁) 材料p 型掺杂的突破为起点，以高 亮度蓝光发光二极管( l e d ) 和蓝光激光器的研制成功为标志的。g a n 半导体材料的商 业应用研究开始于1 9 7 0 年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质，从一 开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但是g a n 的生长技术和器件制造工艺直到 近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。l e d 使用的半导体是在单晶衬底上利用 外延生长方式合成为单晶薄膜。外延生长方式因材料状态不同，可分为液相生长法 ( l p e ：l i q u i dp h a s ee p i t a x y ) 、气相生长法( v p e ：v a p o u rp h a s ee p i t a x y ) 、分子束 生长法( m b e ：m o l e c u l a rp h a s ee p i t a x y ) 等三大类，其中气相生长技术的进步成为 第l 页 l e d 性能快速改善的主要原因之一。“”1 1 1 2 l e d 用作照明光源的可行性 i i 2 1 单色光l e d 的发展 最早应用半导体p n 结发光原理制成的l e d 光源问世于上一世纪六十年代初。 当时所用的材料是g a a s p ，发红光( 峰值波长 r = 6 5 0 纳米) 。在驱动电流为2 0 毫 安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率仅约0 1 流明瓦。从七十年代 初期到中期技术进展很快，光效提高到1 流明瓦，而且发出其他颜色的l e d 光 源也相继面世，覆盖了从红色到黄一绿色的光谱范围。到了八十年代初。出现了 g a a i a s 的l e d 光源，使得八十年代后期时红色l e d 的光效达到l o 流明瓦。在九十 年代初。两种新材料的l e d 光源被开发出来，即发红光、黄光的g a a i i n p 和发绿、 蓝光的g a i n n 。这两种材料的开发成功。使l e d 的光效又得到大幅度的提高。在2 0 0 0 年时，前者做成的l e d 在红、橙区( p = 6 1 5 纳米) 的光效达到1 0 0 流明瓦而 后者制成的l e d 在绿色区域( p = 5 3 0 纳米) 的光效约为5 0 流明瓦。 伴随着新材料的发明和光效的提高单个l e d 光源的功率和光通量也在迅速增 加。原先，一般l e d 的驱动电流仅为2 0 毫安。到了九十年代，一种代号为“水虎 鱼”( “p i r a n h a ”) 的l e d 光源的驱动电流增加到5 0 一7 0 毫安而代号为“梭 子鱼”( 。b a r r a c u d a ”) 的l e d 光源驱动电流达到3 0 0 5 0 0 毫安。据报道，已 经有了驱动电流为安培级的大功率l e d 光源 i 1 2 2 单色光l e d 的应用举倒 最初l e d 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的l e d 在交通信号灯和大 面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益以1 2 英寸的红 色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的1 4 0 瓦白炽灯作为光源， 它产生2 0 0 0 流明的白光。经红色滤光片后，光损失9 0 ，只剩f 2 0 0 流明的红光。 而在新设计的灯中，l u m i l e d s 采用了1 8 个红色l e d 光源。包括电路损失在内，共 耗电1 4 瓦。经估算，采用白炽灯的红色交通信号灯每年的电费为8 0 美元，而改用 l e d 时电费仅为其十分之一。汽车信号灯也是l e d 光源应用的重要领域。自1 9 8 5 年 9 月1 日以后在美国销售的轿车都必须装配高位刹车灯( c h m s l - c e n t e rh i g hm o u n t s t o pl a m p ) 。采用l e d 作为光源，不仅节电，而且由于耐震，寿命长，工作更为可 靠。另一个重要优点是l e d 光源的发光上升时间短，仅为6 0 纳秒。约是白炽灯的百 万分之一这使后续行车人员能做出更快速的反应，进一步保证了行车的安全。也 第2 页 正是基于以上诸多因素。l e d 在其他汽车尾灯中的应用有日益增加的趋势。 1 1 2 3 白光l e d 的开发 对于一般照明而言，人们更需要白色的l e d 。1 9 9 8 年发自光的l e d 开发成功，并 商品化当时，这种l e d 是将g a n 芯片和钆铝石榴石( y a g ) 封装在一起做成，如图 卜1 所示g a n 芯片发蓝光( p = 4 6 5 纳米，半宽度3 0 纳米) 。y a g 荧光粉受此蓝光 激发后发出黄色光。芯片的蓝光和荧光粉的黄光混合在一起。形成如图卜2 所示的 白光。现在，对于i n g a n y a g 白色l e d ，通过改变y a g 荧光粉的化学组成和调节荧光粉 层的浓度，可以获得色温度为3 5 0 0 - - 1 0 ，0 0 0 k 的各种白光。 引线 t 黼羹光糖屡 盘线 渤苍持 图1 1 一种白色l e d 的机构示意图 e ：l e d 芯片发出的蓝色光f ：y a g 荧光粉发出的黄色光 1 2 l 。o o 8 0 。6 o 4 o 2 o o 3 5 0t 5 05 5 0 6 5 07 5 08 s o 竣长丑啪) 图t - 2 一种白色l e d 和普通白炽灯的发光光谱 第3 页 糟对麓竞强鹱 对于白色l e d 的研究，各国照明界都十分重视。日本照明学会在2 0 0 0 年8 月 举行全国大会期间，专门组织了题为“照明用白色l e d 光源及其测定”的研讨会， 有1 0 7 人参加，可谓盛况空前。在短短的6 年里，白色l e d 的光效有了惊人的提 高：1 9 9 8 年时只有5 流明瓦：到了1 9 9 9 年时，已达1 5 流明瓦，与一般家用白炽灯 相当：而到2 0 0 0 年时，日立公司的试验样品的光效达至1 1 2 5 流明瓦，可与卤钨灯相 媲美2 0 0 5 年时。l e d 的光效达5 0 流明瓦。2 0 0 6 年，美国实验室已做到1 3 0 流明 瓦，工业级可以做到8 0 一l o o 流明瓦。 1 1 3 l e d 照明与节能和环保 现今用于照明的光源主要有两类：( i ) 低光效的普通白炽灯和卤钨灯，光效为 1 2 - - 2 4 流明瓦：( 2 ) 荧光灯和h i d 灯，光效为5 0 - - 1 2 0 流明瓦。前者消耗照 明用电的4 0 ，产生总光通量的1 5 ：后者消耗6 0 的照明用电，产生8 5 的光。 这两类光源的光效还有提高的可能，但都有一定的局限，前者为热辐射原理和工作 温度所限，而荧光灯则受2 5 3 7 纳米紫外线转换成可见光的能量效率的制约。但对 l e d 光源基本上不存在这些限制。有人乐观地估计，即使今后l e d 技术进步的速度 只有以前3 0 年的一半，也可指望到2 0 1 0 2 0 1 5 年时其电光转换效率达到5 0 ，也 就是光效为2 0 0 流明瓦。 近年来。白色l e d 的产量在迅速增加。据统计，2 0 0 0 年日本白炽灯的产量为 1 4 亿只，而白色l e d 的产量已达i 亿只。随着产量的飞速增长和技术的进步，l e d 的生产成本在急剧减少。图1 - 3 表示了红色l e d 单位光通量花费逐年减少的情况 可以看出，此数据大约为每十年减少1 0 倍我们完全有理由乐观地预计，白色l e d 光源的价格在不久的将来会有大幅度的降低。有人估计：2 0 1 0 年时为1 6 美元千 流明。 惠普公司的h a i t zr o l a n d 估算了在2 0 0 5 年时采用白色l e d 光源代替1 0 0 瓦白 炽灯照明时的花费情况。假设美国的电费为0 1 0 美元度，则光通量为1 5 0 0 流明 的1 0 0 瓦白炽灯在其寿命1 0 0 0 小时内耗电为1 0 0 度，电费为1 0 美元。1 0 0 瓦自炽 灯的价格为0 5 美元。在1 万小时内，电费为1 0 0 美元，灯费为5 美元，共1 0 5 美 元。采用l e d 时，要产生1 5 0 0 流明的光通量。l e d 光源的代价为1 5 0 0 流明x 5 0 美 元千流明= 7 5 美元。l e d 光源每1 0 0 0 小时耗电3 0 度，1 万小时的电费则为3 0 美 元。因此，在1 万小时内采用l e d 光源照明的总耗费也为1 0 5 美元。但是，我们应 第4 页 该注意到。l e d 的寿命远比i 万小时长。在平衡点i 万小时后，采用l e d 照明时就 要比采用白炽灯来得经济( 见图i - 4 ) 。而且，采用l e d 光源时，免去了频繁换灯之 苦，劳动力的节约是不言而喻的。 l 。o 蓉 未 攀4 0 柏 o 图1 - 3 市售红色l e d 的o e m 成本逐年下降 2 0 0 04 0 0 06 0 0 0 8 0 0 01 0 0 0 0 点魅时闻小对 图1 - 4 采用l e d 光源替代白炽灯照明时的亏盈平衡点 采用l e d 光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场 进军，将会节约大量的电能。据估计，以光效为5 0 流明瓦的l e d 取代白炽灯时， 美国可节电i o g i v 。日本官员也估计，如果采用光效比荧光灯高两倍的l e d 替代日本半 数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于6 0 亿升原油的能源。如果交通信号灯和霓 虹灯广告牌也由l e d 代替，全日本还将节约4 0 亿升原油的能源。可见，l e d 照明将 会节约大量能源，减少环境污染，减少温室效应。l e d 光源本身不含汞、铅等有害 第5 页 物质，自身也是一种绿色照明产品。 目前我国对这一新兴领域的发展非常重视。z n s e 基蓝绿光激光器材料与器件在 “七五”和“八五“期间就得到了“8 6 3 ”计划、“攀登计划”、国家自然科学基金 及其它基金的多方面支持：聚合物蓝光材料和l e d 己被列为国家自然科学基金“九五” 重点项目；g a n 基蓝光材料得到了“8 6 3 ”计划和自然科学基金的重点支持；s i c 材料 得到了国家自然科学基金的支持。国家“攀登”计划和国家自然科学基金还支持了 其它一些蓝光材料的基础研究。”“1 1 2 白光l e d 概述 1 2 1 白光l e d 原理 1 2 1 1l e d 发光机理 g a n 系白光l e d 属于异质结注入发光。采用异质结的目的就是为了提高载流子注 入效率，图卜5 ( 8 ) 表示不加偏置时的异质结能级图，对电子和空穴具有不同高度的 势垒图卜5 ( b ) 表示加正向偏置后，这两个势垒均减小但空穴的势垒小得多，而 且空穴不断从p 区向n 区扩散，得到高的注入效率。n 区的电子注入p 区的速率却较小。 这样n 区的电子就跃迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n 型半导体能隙所决定 的辐射。由于p 区的能隙大，光辐射无法把电子激发到导带，因此不发生光的吸收。 从而可直接透射出发光二极管外，减少了光能的损失。 o ( a ) 不加偏置时的异质结能豢图( b ) 加正向偏簧时异质结能带图 图1 - 5l e d 发光原理 发光二极管与半导体二极管同样加正向电压，但效果不同。发光二极管把注入 第6 页 的载流子转变成光子，辐射出光。一般半导体二极管注入的载流子构成正向电流， 在同质结界面结构中，电子在半导体的导带内流动很顺利，同样空穴在价带中流动 也很顺畅，两者之间因为没有较大的能带差，使得电子与空穴相遇、复合产生光子 的概率很低。 l 2 i2 自光l e d 产生方式 除了上述采用荧光粉的方法以外。也可以采用将几种发不同色光的芯片封装在 一起的方法，通过这些光的混合，构成发白光的l e d 。目前，这两类方式都很成功。 对于开发白光l e d 的这两种方法，究竟孰优孰劣，现在还很难做出判断。表卜i 列 出了目前白光l e d 的种类及其发光原理。”1 表卜i 白光l e d 的种类和发光原理 芯片数激发源发光材料发光原理 l q n 的黄光与y a o 的蓝光 蓝色l 丑d白0 0 ，冀5 蔼合成白光 i n c _ a n 的蓝光激发的红、绿、 慧色l 丑dl l q 晰荧光粉 蓝三基色荧光粉发自光 l 由薄骥层发出的蓝光和在纂 蓝色l b i )勰板上激发出的黄光混色戚自 光 h o n 发出的紫外激发红、 紫外u db q 斛便光耪 绿蘸三基色荧光粉发白光 蕊色l 丑d ， 将具有补色关系的二种类芯 2h q n 、o 摩 片封装在一起，构成白色 黄绿u d l 日) 篮色王- 丑d 、 辫发三元色的三种芯片封装 3绿色l 丑d 、五q n 戌i i o i p在一起，构成白色l e d 红色l l d 多种光色h q n 、a 娃n ， 椿遍布可见光区靛多种色光 多个芯片封装在一起，构成白色 的l 珏 a l h g l p l 丑) 1 2 2 白光l e d 特性 1 2 2 1 离散的电学特性 现在市场上广泛使用的白光l e d 基本上是以单晶型白光l e d 为主，因为其驱动 电路简单。而单晶型白光l e d 采用发光晶粒为蓝光、紫外或近紫外光发光晶粒，晶 粒材料部是宽带隙化合物半导体材料，这样白光l e d 的正向压降v f 比一般的有色l e d 第7 页 要高。红光黄光的l e d 驱动电压只要i v 2 v 左右。而蓝白光l e d 在正向电流为 2 0 m a 的情况下，正向电压v f 一般在3 v 4 v 之间。不仅如此，在同一正向电压下， 流过蓝白光l e d 的电流也有很大的离散性。图1 6 中是从两个白光l e d 生产商产品 中各取三个样品进行测试的卜v 曲线。”1 从图中结果看，如果采用单一电压驱动这 样的六颗l e d ，将造成正向电流从l o m a 到4 3 m a 的差异 图1 击不同的白色光l e d 正向i _ v 曲线 1 222 温度对白光l e d 工作状态的影响 ( 一) 温度对自光l e d 正向电压的影响 图1 7 是白光l e d 理想状态下的正向伏安特性曲线，l e d 伏安特性的数学模型 可以表示为公式( i i ) ： 珞；+ 置易+ ( ) ( r 一批) 其中，v t u r n - o n 是l e d 的启动电压，r s 表示伏安曲线的斜率，i f 表示l e d 的正 向电流，t 环境温度，4 v p 4 t 是l e d 正向电压的温度系数，对于大多数l e d 而言， 它的典型值为一2 v 。c 。1 从l e d 的伏安曲线及数学模型看，l e d 在正向导通后其正向电压的细小变动将 引起l e d 电流的很大变化，并且，环境温度，l e d 老化时间等因素也将改变影响l e d 第8 页 的电气性能。而l e d 的光输出直接与l e d 电流相关，所以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。否则，l e d 的光 输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。 l l m 越 ，t q n r i i e d 正囱伏安特性 u c v i 图1 - 7 理想状态下。白光l e d 的正向i - v 特性 ( 二) 温度对白光l e d 正向电流的影响 白光l e d 的正向电流的大小也是随温度变化而变化的，图卜8 是常用白光l e d 的允许正向电流随温度的变化曲线。”1 当环境温度一旦超过5 0 。c ，白光l e d 的容许 正向电流会大幅度降低，在此情况下如果仍旧施加大电流，很容易造成白光l e d 老 化。 图1 - 8 白光l e d 正向电流随温度的变化曲线 第9 页 1 3 本论文所完成的工作 本论文主要完成以下几个方面的工作： 1 在查阅大量的相关文献的基础上，针对白光l e d 的特殊性。对其驱动电路进行 了较为系统的研究。在对比了各种驱动方式之后，提出了采用b u c k 拓扑结构开 关式驱动。为了提高其灵活性，方便人机操作。采用m c u ( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ) 控制p 删( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 调制模式，可以任意的改变亮度和定时关灯 等特点 2 采用汇编语言，编写了系统的控制程序。实现了电流的采样、a d 转换、p 删输 出及定时器功能。 3 为了提高本系统的应用范围，系统的供电部分，一方面可以由太阳能包括铅酸 蓄电池提供，一方面可以由系统白带的供电电路提供。我们特意设计了一套采 用分离元件实现的直流供电系统，为了系统以后功率的扩容做好了准备。 4 在理论分析和研究的基础上完成了无线遥控式大功率白光l e d 驱动的设计并调 试成功。系统具备以下几个特点： a 采用遥控的方式，保护了人身安全。 b 可以根据用户的要求自由的改变l e d 的亮度，并且可以定时关机。 c 同时驱动三颗1 2 w 的大功率白光l e d 。 d 采用了两套电源供电系统。 本章小结： 本章从多个角度介绍了白光l e d 产业兴起的前提和原因，指出了其给照明产业 带来的划时代意义和不可估量的商业价值，以及国家优先发展与此相关科研的必要 性，针对大功率白光l e d 的特殊性一电流型器件，提出了研发其驱动电路的必要性 和紧迫性。 本章还从物理学的角度对白光l e d 的原理及特点进行了普及性介绍 第1 0 页 第2 章白光l e d 的控制策略 2 1 为什么要研发白光l e d 驱动电路 在绪论中，我们介绍了白光l e o 的电学特性具有很大的离散性，而且其电学参 数的温度特性也很不稳定。白光l e d 的发光辉度由驱动电流决定，当l e d 两端的电 压发生波动，驱动电流就等比的产生波动从而影响l e d 的发光辉度，造成其发光质 量下降。1 目前。l e d 照明的应用主要集中在两个方向上，一个是低亮度应用场合，包括 手机、p d a 等小型便携式电子产品的背光照明，电子仪表的照明等。另一个是需要 高亮度照明的应用场合，包括大平面液晶的背光照明、汽车用照明、家用及户外照 明等，对于这种大功率的照明应用场合，l e d 在功耗和寿命上面的优势很明显。 2 1 1 低亮度l e d 应用 随着近几年移动电话、p d a 等便携式电子产品的液晶显示屏从黑向背景换成了 彩色背景，要显示色彩丰富遁真的图像，就必须放弃有色l e d 作为液晶背光照明的 方案，而采用自光l e d 照明方案。一个完整的背光照明方案，最基本的要求是l e d 发光亮度的稳定，以及在整个背景屏幕上亮度均匀。 但是l e d 的应用环境却给l e d 发光的稳定性提出了各种各样的挑战。拿手机应 用来讲，首先，电池的电压不是固定的，在一定时段内，它是直流电源，但电池电 源供电要求在2 7 v 5 5 v 内，电路都能够正常工作，这样大的变化范围工作，电源 又是不稳定的我们不希望使用的手机亮度会随使用时间的延长而发生很明显的降 低其次。手机中存在各种各样的数字信号，对模拟信号的干扰很大。这些数字信 号有来自麦克风和耳机的音频信号，有来自基带部分的高频信号，又有来自射频模 块的射频信号，这些信号即便在很好屏蔽措施下，还是会对手机内模拟信号产生很 大的电磁干扰( e m i ：e l e c t r a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。面对如此宽范嗣变化的电源 电压和很大翻i 情况下的应用环境，再加上白光l e d 本身对正向电压( 3 6 v ) 和正向 电流( 2 0 m a 左右) 的苛刻要求，很需要一个能够给白光l e d 提供稳定的输出电压或电 流的驱动电路。 2 1 2 高亮度l e d 应用 第i i 页 一种实现高亮度的方式是采用单个高功率大晶粒的l e d 。最有代表性的是 l u m i l e d s 的产品，最大驱动电流可以达到l a ，一般使用的驱动电流为4 0 0 m a 5 0 0 m a ， 输出光通量可达1 8 l m w ，最大可达4 5 l m w ，晶粒制作尺寸为i m m * i m m 。这种单晶粒 l e d 结构的好处是可以得到较高的亮度，而且体积可以缩减到最小，光点集中，有 利于光学设计。但是耍得到单个大颗晶粒很难，材料生长工艺要求很复杂，因此成 本很高，而且单个大晶粒使用犬电流驱动使晶粒温度大幅度升高，这对l e d 亮度的 提高反而不利。另一种结构是为了得到较高的光源，采用l e d 矩阵，每颗l e d 采用 较小颗粒的晶粒，单颗晶粒采用2 0 m a 电流驱动，这样既可以保证l e d 亮度稳定，又 可以保证比较高的光源亮度。但是多颗晶粒构成的矩阵使光源面积交大，因此没有 了l e d 体积小的特点“” 高亮度的白光l e d 一般都需要大于2 0 0 m a 的驱动电流，其应用和低亮度l e d 应 用类似。都要为其设计专门的驱动电路。 2 2 白光l e d 驱动方式 根据前面对白。光l e d 的特性分析和背光照明应用对光源的要求，都需要对白光 l e d 进行专门都电源电路驱动设计。由于l e d 是电流型器件，其发光亮度和电流有 直接关系，所以通常都采用恒电流驱动方式，下面我们介绍四大类目前最常用的驱 动模式1 。1 2 2 1 电阻限流电路 如图2 一i 所示，电阻限流电路控制方式是根据l e d 的i - v 曲线来确定预期的 正向电流所需要的电压，通过一个串联的限流电阻来控制l e d 的电流。 图2 1 电路限流电路 电阻限流电路控制方式比较简单，但存在不少的缺点：输入电压的微小变化都会 导致l e d 电流的变化，从而影响光通量输出：而且限流电阻上会消耗大量的功率而使 第1 2 页 得整个系统效率不高：同时当这种调光方式在对白光l e d 灯进行亮度调节时，还会使 l e d 发出的自光颜色发生偏移( 色温变化) ，不利于把这种控制方式用于日常照明系 统，所以这种方式多用在对光色要求不高的情况。如便携式的小型l e d 作为光源的 手电筒，其结构简单，成本低廉、对光源输出要求不高，为其提供了广阔的市场。 但是由于采用干电池作为供电电源，其发光亮度会随着电压的降低而明显的变暗。 2 2 2 线性控制电路 线性控制是把工作于线性区的功率管( b j t ) 等效为一个动态电阻，通过控制该动 态电阻的阻值来控制负载电流。线性调节器可以分为并联型和串联型两种。 + ( a )( b ) 图2 - - 2 并联型线性控制器和串联型线性控制器 并联型线性调节器又称为分流调节器。它采用功率管与l e d 并联，分流掉负载 的一部分电流。与电阻限流电路相似，分流调节器也同样需要串联一个限流电阻 r m a ，如图2 2 ( a ) 所示。当输入电压增大时，流过l e d 上的电流增加。反馈电压增 大使得功率管q l 的动态电阻减小，流过q l 的电流将会增大，这样就增大了限流电 阻r o 上的压降，从而使得l e d 上的电流和电压保持恒定。分流调节器同样由于串 入了限流电阻，系统的效率不高：并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到 恒流输出。 串联型调节器是采用功率管与l e d 串联，当输入电压增大时，使功率管的动态 电阻增大，从而使得功率管上的压降增大，以保持l e d 上的电压( 电流) 恒定，如图 2 2 ( b ) 所示这种控制方式与并联型线性调节器相比，由于少了串联的线性电阻使 得系统的效率较高。但是由于功率三极管或m o s f e t 管都有一个饱和导通电压，因此 输入的最小电压必需大于功率管的饱和电压与负载电压之和，使得整个电路的电压 调节范围受限。 2 2 3 电容式开关结构电路 第1 3 页 2 2 3 1 基本电荷泵电路原理及应用 开关电容升压控制器又称为充电泵升压变换器。开关电容电荷泵电路用来产生 一个比输出电压高的电源电压，不同于线圈升压方式，它是一个直流到直流的升压 ( b o o s t ) 电路，又因为升压电荷泵的输出需要若干个时钟周期才能稳定，因此这种电 荷泵又称为s t e p u p 型。 图2 - - 3 基本开关电容倍压电荷泵 图2 3 中给出了一个最基本开关电容倍压电荷泵拓扑。在开关时钟相位中时， 开关s l 和s 3 关闭，s 2 和s 4 断开，输入电压vd d 给电容c 充电在下一个时钟相 位时，s 2 和s 4 关闭，s 1 和s 3 断开，电容c 的下极板被接到电势vd d ，上极板作为 电压输出得到v o u t 。根据电容存储电荷不能突变的原理，c 上在前一个时钟相位存 储的电荷量为v d d c ，这就意味着在时钟相位为中时有公式( 2 - - 1 ) ： ( 乙一) c + 气；c ( 2 一1 ) z 百c 石2 “2 _ 2 ) 如果输入v d d 也接一个和输出负载电容c o t t 同样大小的电容c m 则公式( 2 - - 2 ) 就变成了公式( 2 3 ) ： 乙= 惫2 吐 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 就是倍压电荷泵名称由来的原因。当输出端接有输出电阻r l 时，在 第1 4 页 输出电压上就会产生纹波电压v l ，如果输出电容c o u t 足够大，那么v r 相对于v o l t 而 言就可以忽略，电荷泵实现d c d c 功能。 要实现电压增益的倍数大于2 倍的升压电荷泵，通常是将多个倍压电路级联实 现。常用的电荷泵电路结构有，c o c k c r o f t w a l t o n 电荷泵、d i c k s o n 电荷泵、静态 c t s 电荷泵、交叉偶合式电荷泵、分数增益电荷泵。由于升压电荷泵不是本论文讨 论重点，以上的各种具体电路拓扑结构就不逐个列出。下面仅对一种升压电荷泵式 l e d 驱动电路进行解释。 图2 4 电压源加镇流电阻驱动模式 该驱动类型如图2 - - 4 所以，电路用稳压电源配合镇流电阻控制l e d 的电流，这 种结构的优点是选择电源源的余地很大，提供一定电压给白光l e d 而不需要考虑其 正向电压。驱动模块与l e d 之间只需要一个连接端点，外围储能元件只需要若干电 容就可以从2 7 v 5v 的输入电压得到稳定的5 v 输出电压，完全不需要电感，使 整个应用电路所占体积很小，非常适用于轻便微型需要节省电路扳面积的应用场合 ( 如，手机、p d 等应用) 另外，由于它不需要使用电感关系，也就没有一般电压 转换器最头痛的线圈引入的噪声问题，电磁干扰问题也就不存在了。 然而这种驱动方式的缺点也很明显，第一，虽然它可以提供一个比其正向电压 大的恒定电压给自光l e d 提供正向驱动，但对白光l e d 而言，其正向电压很大的离 散性，也造成了白光l e d 亮度不一致的情形。第二，由于锂电池利用电荷泵升压最 多采用倍压方式。也就是说对锂电池而言，假设其电压为4 v ，若使用电荷泵倍压， 在没有稳压的情形下，其输出电压应为8 v ，而为了得到稳定的5 v 输出电压，需要 牺牲掉多余出来的3 v 电压，这种工作方式就造成了该模式下输入电压越高，电源转 第1 5 页 换效率越低的主要原因。另外，镇流电阻的存在也是造成该方式效率低的一个原因， 而且，它对l e d 正向电流的控制也不是很精确。“” c 1 l 进 串 童 乜拉 l j 口 蜀自哺一 口 - r 图2 5 电荷泵原理图( a p pn o t e ：a i c l 8 4 5 ) 图2 - 5 是一个利用开关电容电荷泵结构实现5 v 稳压的电压源原理图，从图中电 荷泵的工作方式可以看出其工作在倍压方式下，电路通过对输出电压v o u t 分压得到 反馈电压v f b 与v e e f 比较的结果判断输出是否达到5 v 稳压要求，从而通过c o n t r o l 模块控制电荷泵的工作状态。当v f b 高于v r e f 时，c o n t r o l 模块将开关1 关闭，并将 开关2 打开，此时输入电压对c m 充电至vi n ，而负载所需之能量由输出电容c o u t 来提供：当输出电容的能量逐渐消耗，输出电压也随之下降当v e b 低于vr e f 时，控 制器将开关1 打开并将开关2 关闭，此时输入电压会通过c f l y 对c o u t 充电：在前一阶 段跨在c p l y 两段的电压等于输入电压，因此在这一个阶段c o u t 会储存相当于两倍的 输入电压，内部的两个分压电阻会将输出电压稳在5 v 。“” 2 2 4 电感式开关结构电路 电感式开关结构电路是一种d c d c 变换器也是开关电源中作为能量变换中效 率最高的一种方式，特别适用于大功率l e d 的亮度控制。与传统的电压型b u c k ， b o o s t ，c u k 变换器不同的是大功率l e d 的驱动电路的反馈量是流过l e d 的电流信号 而不是输出电压信号，以此来满足l e d 的恒电流驱动要求。下面详细介绍适用于大 功率l e d 驱动的三种基本的开关变换电路。“” 第1 6 页 2 2 4 1b u c k 型变换电路 b u c k 型大功率l e d 驱动变换器电路与传统的b u c k 变换器电路在结构有所不同。 由于要控制l e d 的电流，通常在开关管s 后面串入电流检测电阻r s 翻2 - 6 所示是 峰值电流控制b u c k 型大功率l e d 驱动电路。这是一种定周期、定时刻导通的控制方 式，通过控制l e d 的峰值电流来调节l e d 的亮度。整个控制电路结构比较简单。 o v i n 懈 图2 6b u c k 型大功率l e d 驱动电路 1 b u c k 型大功率l e d 驱动变换器主电路结构 传统的电压型b u c k 变换器主电路如图2 - 7 ( a ) 所示，b u c k 型大功率l e d 驱动 变换器是在其基础上变化而来的。开关功率管s 从输入端移到电感后面。使得开关 s 源极接地，从而更有利于开关管s 的驱动。大功率l e d 负载与电黪串联后，再与 续流二极管d 反并联连接与电压型b u c k 变换器拓扑相比，由于省掉了滤波电容， 使得电路的结构变得简单，如图2 7 ( b ) 所示。 l r ( a )( b ) 图2 7 电压型b u c k 变换器和b u e k 型大功率l e d 驱动变换器主电路 由于电压型b u c k 交换器控制输出电压，需要引入电压反馈：而驱动大功率l e d 的b u c k 变换器控制输出电流，需要引入电流反馈，所以需要在变换器开关管源极串 第1 7 页 入检测电阻r s 。这两种变换器的被控量不同。 2 b u c k 型大功率l e d 驱动变换器主电路工作原理 为了简化分析，假设开关器件、二极管均为理想开关元件，电感也为理想元件， 即电感的寄生电阻为零。将大功率l e d 看成等效电压源v r 与等效电阻r 。的串联 此时，变换器的等效电路图如图2 - 8 所示。 d 屹 圈2 8b u c k 型大功率l e d 驱动变换器及其等效电路图 0 ) ( f ) 螂。j e 二二工王二二二日 v 舻一：0 工二二丁二 二，k k = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = 王曼= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = a j 妒墨e 工二= 三e 工二二卫 妒薹b 一l j 絮0 3 5 巨至三三三三三习 噘哟。0 秀4 e 二三葺 三三三三四 v o # ) ，v 图2 - - 9b u c k 型大功率l e d 驱动变换器稳态波形 当开关管s 导通时，电流流过电感l ，电感电流il 增加：当s 关断时，电感电 流通过二极管d 续流，电感电流i l 下降。由于大功率l e d 与电感串联，流过大功率 第1 8 页 l e d 的电流等于i l 若i l 在一个周期内不为零，则电感电流工作在连续工作模式( c c m ) 下。本论文所有的分析都是建立在电感电流c c m 模式下。在电感电流c c h 模式，电 路的主要波形如图2 - 9 所示。 3 b u c k 型大功率l e d 驱动变换器主要关系式 设开关周期为t s ，开关导通时间为d t s ，其中d 为导通时间占空比。在输入电 压不变的前提下，当开关导通时，电感电流上升，如图2 - 8 所示。由于检测电阻r s 较小，这里忽略r s 上的电压降，如果认为电感电压在 t o ，t 1 近似不变，则电感电流 的增量近似为公式(