（电工理论与新技术专业论文）led的驱动电路研究.pdf

l e d 的驱动电路研究 t h es t u d yo f t h el e d sd r i v e rc i r c u i t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , n e e d sf o ra p p l i c a t i o n so fl e di n c r e a s ed r a m a t i c a l l y a n di ti su s e dw i d e l yi nt e l e c o m ，m a i l ，f i n a n c e ，t r a f f i c d r i v e - c o n t r o lv o l t a g ei sn e c e s s a r yf o r a p p l i c a t i o no fl e d ，b e c a u s ed r i v e nc i r c u i tp r o v i d e sg o o da n ds t e a d yc u r r e n tt om a k ed i s p l a y o f l e ds u i t a b l ef o rm a n ya p p l i c a t i o n s b a s e do na c t u a ld e v e l o p m e n to fl e d ，t h ep a p e rc h o o s e sr i g h tl e da se x p e r i m e n t a l o b j e c t n om a t t e rw h a tt y p ep o w e r , i tc a n ts u p p l yp o w e rt oc i r c u i t m a k es y s t e m i cs u m m a r y f o ri l l u m i n a t i n gd r i v e nc i r c u i ta n dd e s i g nd r i v e nc i r c u i to f j e w e li l l u m i n a t i n gl i g h t b a s eo n c h i pa m c 7 1 5 0d e s i g n ad r i v e nc i r c u i t d e m o n s t r a t e i n e v i t a b f i i t ) ra n df e a s i b i l i t y - f o r s u b s t i t u t i n gl e df o rc o m m o nl i g h ta c c o r d i n ge x p e r i m e n t s a f t e rc o n s i d e r i n ge v e r ya s p e c t s a n dc o m p a r em e a s l l r e dr e s u l t s ，t h er e s u l ti sf e a s i b l e t h ep a p e rd i s c u s s e sl a m p - h o u s eu s e di na u t o m o b i l e sa n dm a k e sa n a l y s i so fs u b s t i t u t i o n l e df o rt r a d i t i o n a ll a m p - h o u s ei nt h e o r ya n de x p e r i m e n t b a s e do nc h i pm a x 5 0 3 3 cd e s i g n ad r i v e nc i r c u i t m a k es i g n i f i c a t i v er e s e a r c ho nt h e o r ya n da c t u a l a p p l i c a t i o no fn e w l a m p - h o u s ef o ra u t o m o b i l e t h ep a p e ra n a l y z e st h e o r yo fc h i pa n dt e s t st h ed a t ao fc h i p t h et y p i c a lr e l a t i v ee r r o rr a n g e f o rc u r r e n tc o n t r o la n dm i s m a t c hi s4 - o 5 s oi ta c h i e v e sr e c o n v e r t e dt a r g e t t h el i g h t s p e r f o r m a n c ei sb e t t e ra n dp c ei sc h e a p e r , c o m p 盯e dw i t ho t h e rl i g h t s k e yw o r d s ：l e d ；d r i v e nc i r c u i t ；l i g h t i n gd e s i g n ；l l l u m i n a n e ea n dt e m p e r a t u r et e s t - 1 1 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：越日期：二业厂 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师始至墨全 坦盟年月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1l e d 的发展及其应用领域 1 1 1l e d 的发展 2 0 世纪6 0 年代问世的l e d 在短短的3 0 多年里，取得飞速发展。第一批产品出现在 1 9 6 8 年，工作电流2 0 m a 的l e d 的光通量只有千分之几流明。相应的发光效率为0 儿m w ， 而且只有一种光色为6 5 0 h m 的红色光【。2 0 世纪7 0 年代初该技术进步很快，发光效率 达到1 l m w ，颜色也扩大到红色、绿色和黄色。l e d 从诞生至今以每1 0 年亮度提高2 0 倍，价格降低为原来的1 1 0 0 的速度在发展。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。到了2 0 世纪9 0 年代，一种代号为“水虎鱼” 的l e d 光源的驱动电流增加到5 0 m a - 7 0 m h ，而代号为“梭子鱼”的l e d 光源的驱动电流 达到3 0 0 m a 一5 0 0 m a 2 1 。特别是1 9 9 8 年白光l e d 的开发成功，使得l e d 应用从单纯的标识 显示功能向照明功能迈出了实质性的一步【鲫。因此各个国家都相当重视l e d 的发展趋势， 如图1 i 所示【2 】o 世霹妻要鬻黎糍跫l e d 鹃发壤静制 图i 1 世界主要国家制定l e d 的发展计划 f i g 1 1t h e m a i n c o u n m y o f w o r l d w o r k s o u t t h e l e d d e v e l o p m e n t p l a n l e d 光源与传统光源相比较，具有如下的优点：超长寿命，可达几万小时，传统光 l e d 的驱动电路研究 源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极高的抗震性 能；响应速度快，光通上升时间短；对点灯线路要求低，易实现调光和智能控制；耐开 关冲击，适用于频繁开关场合；高效节能，现有光效已经超过白炽灯，理论光效可达 2 0 0 1 m w ；不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保【4 】。 1 1 2l e d 的应用领域 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 的产量已经达到2 6 2 1 亿只，市场规模更是突破百亿元大关达到1 1 4 9 亿元。图1 2 可以形象的说明这一现象嘲。 图1 22 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 f i g 1 2t h ef o r e e a s to f 2 0 0 3 - 2 0 0 7c h i n e s el e d sm a r k e t p l a c es e l l sq u a n t i t ya n dt h ei n c r e a s e s 应用1 ：显示屏是l e d 主要应用市场，全彩显示屏增势强劲。我国l e d 显示屏市 场起步较早，市场上出现了批具有很强实力的l e d 显示屏生产厂商。目前l e d 显示 屏已经广泛应用到车站、机场、银行、证券、医院、体育场馆、市政广场、演唱会等场 合上【5 】o 在l e d 需求量上，l e d 显示屏仅次于l e d 指示灯名列第二，占到l e d 整体 销量的2 3 1 。由于用于显示屏的l e d 在亮度和寿命上的要求高于l e d 指示灯，平均 价格在指示灯l e d 之上，这就导致显示屏用l e d 市场规模达到3 2 4 亿元，超过指示灯， 位居榜首【5 】。 应用2 ：小尺寸背光源市场放缓，中大尺寸将成为新关注点。l e d 早已应用在以手 机为主的小尺寸液晶面板背光市场中，手机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 年彩屏手机的出现更是推动白光l e d 市场的快速发展 6 1 。但随着手机 产量进入平稳增长阶段以及技术提升导致用于手机液晶面板背光源l e d 数量减少，使 得l e d 在手机背光源中用量增速放缓，2 0 0 5 年背光源用l e d 数量超过1 2 亿只，未来 大连理工大学硕士学位论文 几年增长率也将保持在个位数。数量增速的放缓加上平均价格的不断下降，最终导致小 尺寸背光源市场增长乏力，同时，中大尺寸背光源市场虽为厂商新宠，但在2 0 0 6 年还 不能形成规模。在上述两个因素的影响下，背光源市场将在2 0 0 6 年出现l 的负增长。 2 0 0 5 年背光源市场规模超过1 5 亿元1 6 j 。 ， 应用3 ：汽车车灯市场潜力大。2 0 0 5 年中国l e d 汽车应用市场规模为o 2 9 亿元， 其中汽车车灯市场规模为o 2 1 亿元。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【7 1 。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1 0 0 公里的时速行驶下，装有l e d 刹车灯的车辆较没 有装l e d 刹车灯的车辆刹车距离将减少7 英尺。目前，l e d 已经逐步应用在汽车的第 三刹车灯上【3 7 】。虽然l e d 目前还面临着单位瓦数流明低以及相关政策的限制乒准进入 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 7 j 。 应用4 ：室内装饰灯市场逐步启动。室内装饰灯市场是l e d 的另一新兴市场。通过 电流的控制，l e d 可以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个性化的时代 中，l e d 颜色多样化有助于l e d 装饰灯市场的发展。l e d 已经开始做成小型装饰灯， 装饰幕墙应用在酒店、居室中f 8 】2 0 0 5 年室内装饰灯市场规模达到1 5 8 亿元。经过多年 的替换工作，全国主要城市由传统交通灯替换为l e d 交通灯的工作已经接近尾声。l e d 交通灯市场在经历了多年的高速成长期后，2 0 0 5 年市场规模达到1 5 2 亿元。但是随着 替换工作的完成，l e d 交通灯市场将不会再维持高速增长，预计2 0 0 6 年l e d 交通灯市 场只实现5 8 的增长，达到1 6 1 亿元州。 应用5 ：景观照明市场快速发展，2 0 0 7 年市场增速达到高峰。景观照明市场主要以 街道、广场等公共场所装饰照明为主，推动力量主要来自于政府。受到2 0 0 8 年北京奥 运会和2 0 1 0 年上海世博会的影响，北京、上海等举办地加快了景观照明的步伐，由于 l e d 功耗低，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，在上 述两个主要活动的带动下，景观照明市场会在2 0 0 7 年达到7 2 的高增长率【l o 】。此外， 奥运会和世博会的主要作用远远不再于自身带动景观照明市场的成长，更重要的是其榜 样作用。为了迎接奥运会和世博会的召开，北京、青岛、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【l ”。其他城市在看到l e d 在景观照明中的出色表现会减少对于l e d 景观照明的使用顾虑，加快使用l e d 在景观 照明中的应用。l e d 将会从一级城市快速向二级、三级城市扩展。 l e d 的驱动电路研究 应用6 ：通用照明市场路漫漫，任重而道远。对于进入通用照明市场而言，功率白 光l e d 除面临着诸如发光效率低、散热不好、成本过高等问题外，还将面临到光学、 机构与电控等的整合以及i 见d 照明产品通用标准的制订。解决上述问题需要很长的一 段时间，赛迪顾问预计l e d 在2 0 1 0 年前还不能进入通用照明市场1 1 2 】。由于酒店、商务 会馆、高档商用写字楼等商用场所相对于价格的敏感度低。同时这些高档场所更注重于 彰显品位与尊贵的地位，对于新兴产品抱有更大的兴趣度。这些都降低了l e d 照明进 入的门槛。赛迪顾问预计l e m 照明将率先进入商用市场，逐步向民用市场扩展。 1 2 课题研究的目的和意义及主要研究内容 目前来看，l e d 毕竟是一种新的材料和技术，掌握核心发光芯片制造技术的只有美 国和日本少数几个国家，高昂的价格让l e o 灯进入家庭照明还需一定时日，但这不能否 定l e d 极其广阔的发展前景。不仅如此，由于其本身具有的优良特性，l e d 光源在很多 领域具有着其他光源无法替代的优势。l e d 灯就可以说是无处不在的。 但是和世界l e d 灯产业比较发达的地区相比，我们在产业规模、产能和技术上都还 处于一个比较下游的阶段，例如中国大陆现在每年的产值约1 5 亿美元，不到台湾( 2 0 0 4 年3 0 亿美元) 的一半，比不上日本日亚化工一个企业( 2 0 0 4 年2 0 亿美金) 。黄振春说： “即使这样，我们的市场空间还是很大的。l e d 灯照明产品的应用可以说是五花八门， 只要有光的地方都可以用l e d 。最大的市场就是照明灯，如果把上千亿的照明灯都用l e d 灯代替的话，这个市场的空间是不可估量的竹【1 3 】。研制一种新型l e d 光源代替传统白炽 灯光源具有很大的实际意义。 本课题的主要研究内容包括： 无论那种电源，都不可能直接给l e d 供电，所以，要应用l e d 做照明光源，就要解 决电源变换的问题。因此本论文首先介绍了l e d 照明的特点和l e d 光学特性参数。其次 从l e d 的驱动电路入手。详细的对现有的照明驱动电路进行了分析，实际设计了一款展 台用珠宝照明灯的实用驱动电路和汽车照明光源，在理论上和实验中对l e d 代替传统光 源进行了分析。选用合适的l e d 灯透镜，整灯装配，并同实际测量结果进行了对比，使 最终的结果具有实用性。最后，完成了芯片的测试工作。理论分析和芯片测试数据。 大连理工大学硕士学位论文 2l e d 原理 2 1l e d 结构及特性及发光原理 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 发光二极管，是一种固态的半导体器件，是由一族化 合物，如g a h s ( 砷化镓kg a p ( 磷化镓) 、g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体制成的。l e d 的 心脏是一个半导体的晶片，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。因此它具有一般p - n 结的 i n 特性。即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特 性。在正向电压下，电子由n 区注入p 区，空穴由p 区注入n 区。进入对方区域的少数 载流子( 少子) 一部分与多数载流子( 多子) 复合而发光，如图2 1 所示。现在已有红、 黄、绿及蓝等颜色的发光二极管，但因为材料及制造等原因，成本有一些不同。l e d 早 在2 0 世纪6 0 年代初就已问世，虽然其激励响应时间短、有效寿命长、功耗低，但由于 制造技术的限制，使其发光亮度小，且只有红色一种颜色，很长一段时间内仅用于小指 示器光源和字母数字显示器等有限领域中【1 4 1 。目前，随着科学技术的发展，l e d 的性能 逐步提高，例如其发光亮度的增加大大减少了每个高位制动灯中所需l e d 的数目，因此 降低了成本，使其得到广泛应用。并且，随着材料的发展，更亮、更多色彩的l e d 将会 被用到其它的灯具中去。 图2 1l e d 发光原理示意图 f i g 2 1s k e 尬hm 印o f t h el e dr a d i a t i o np r i n c i p l e 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1 9 9 8 年发白光的l e d 开发成功。这 种l e d 是将g a n 芯片和钇铝石榴石( y a g ) 封装在一起做成。g a n 芯片发蓝光( xt ：4 6 5 n m ， l e d 的驱动电路研究 w d = 3 0 n m ) ，高温烧结制成的含c e 3 + 的y a g 荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值 5 5 0 h m 。蓝光l e d 基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有y a g 的树脂薄层，约2 0 0 - 5 0 0 n m 。 l e d 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以 得到得白光。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 荧光粉层的厚度，可以获得色温3 5 0 0 - 1 0 0 0 0 k 的各色白光。这种通过蓝光l e d 得到自光 的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多f 1 5 】。 普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低( 灯的热效应自自耗电) ，寿 命短，维护工作量大，但若用白光l e d 作照明，不仅光效高，而且寿命长( 连续工作时 间1 0 0 0 0 小时以上) ，几乎无需维护。目前，德国h e l l a 公司利用白光l e d 开发了飞机 阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道己用了白光l e d 作路灯照明；我国的城市交通 管理灯也正用白光l e d 取代早期的交通秩序指示灯 爝。可以预见不久的将来，自光l e d 定会进入家庭取代现有的照明灯。 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 特性具有非线性和单向 导电性，即外加正偏压表现为低电阻，反之为高电阻。如图2 2 所示。 i ， b 0 一 r 。o 一旦， 后五岛死匹 工作巨v f 、 f v 。i 正自死匹 图2 2i v 特性曲线 f i g 2 2i - vc h a r a c t e rc u r v e 正向死区( 图o b 或o b 段) a 点对于v o 为开启电压，当v o 时，v v f 的正向工作区，i f 随v f 指数上升 if2is y f | 髓 ( 2 i ) ( 2 2 ) 反向死区：v 0 时p n 结加反向偏压； v = - v r 时，反向漏电流i r ( v = 5 v ) 时，g a p 为0 v ，g a n 为1 0 u a 。 反向击穿区：v v r ，v r 称为反向击穿电压。与v r 对应的电流i r 为反向漏电流。 当反向偏压一直增加到使v t a 时，内部热量借助 管座向外传热，散逸热量( 功率) ，可表示为 p 2 k t ( 1 ：j t a ) ( 2 3 ) ( 4 ) 响应时间 响应时间是指输入正向电流后l e d 开始发光( 上升) 和熄灭( 衰减) 的时间。响应 时间用于表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。l e d 的上升时间随着电流的增大近 似地按指数规律衰减。直接跃迁的材料( 如g a a s x p 。) 的响应时间仅为几纳秒，而间接 跃迁材料( 如g a p ) 的响应时间则是l o o n s 1 3 】。 2 2 2l e d 的光学特性 ( 1 ) 发光强度 l e d 有红外( 非可见) 与可见光两个系列，前者可用辐射度来度量其光学特性，后 者可用光度学来量度其光学特性。l e d 的光强用于表征它在某个方向上的发光强若，由 于l e d 在不同的空间角度上光强相差很多，随之而来人们研究了l e d 的光强分布特性。 这个参数的实际意义很大，直接影响到l e d 显示装置的最小观察角度。l e d 采用的是圆 柱形、圆球型封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强的指向性，其中发现方向上的光 强最大，其与水平面的交角为9 0 a 嘲。当偏离正法向方向不同的角度时，光强也随之变 化。例如交通标志的l e d 必须保证在较大角度的人都能识别【1 9 1 。 ( 2 ) 发光峰值波长及其光谱分布 l e d 所发的光并非单一波长，无论用什么材料制成的l e d ，其光谱分布曲线都有一 个相对光强度最强处( 光输出最大) ，与之相对应有一个波长，此波长叫做峰值波长， 用表示。只有单色光才有峰值波长。 ( 3 ) 光通量 光通量f 是表征l e d 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。f 为l e d 向各 个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，l e d 的光通量随之增 大。可见光l e d 的光通量单位为流明( 1 m ) 。光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加 恒流源大小有关。目前单色l e d 的光通量最大约l h n ，白光l e d 的光通量为1 5 1 8 1 m ( 小芯片) ，对于l m m x l 咖的功率级芯片制成白光l e d ，其f = 1 8 1 m 。 ( 4 ) 发光效率和视觉灵敏度 发光效率 光通量与电功率之比。l e d 的效率有内部效率( p n 结附近由电能转化成光能的效率) 大连理工大学硕士学位论文 与外部效率( 辐射到外部的效率) 之分，内部效率只是用来分析和评价芯片优劣的特性。 l e d 最重要的特性是辐射出光能量( 发光量) 与输入电能之比，即发光效率。发光效率 表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。 视觉灵敏度 人的视觉灵敏度在 = 5 5 5 n m 处有一个最大值6 8 0 1 m w 。若视觉灵敏度记为取，则 发光能量p 与可见光通量f 之间关系为 p = i p x d a , ；f = i k a p a , d a , ( 2 4 ) ( 5 ) 发光亮度 发光亮度是衡量l e d 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。指定某方向上发光 体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，发光亮度 的单位为c d m 2 或n i t ( 尼特) 。其正法线方向上的亮度为 b o = z o 彳 ( 2 5 ) 若光源表面是理想漫反射面，亮度b o 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的 表面亮度约为7 0 0 0 n i t ( 尼特) ，从地面看太阳表面亮度约为1 4 x1 0 8 n i t 。l e d 的发光亮 度与外加电流密度( j o ) 有关，对于一般的l e d ，j o 增大时b o 也增大。另外，发光亮 度还与环境温度有关，环境温度升高时，1 1 c ( 复合效率) 下降，b o 减小。当环境温度不 变时，电流增大足以引起p n 结的结温升高，温度升高后，亮度呈饱和状态1 2 0 1 。 ( 6 ) 寿命 l e d 寿命一般都很长，在电流密度j o 小于1 a c m 2 的情况下，寿命可达1 0 6 h ，即可 连续点燃一百多年，这是任何光源都无法与之竞争的。l e d 的发光亮度会随着工作时间 的延长而衰退，这就是老化。老化的快慢与电流密度j o 和老化时间常数r 有关，可描 述为 e = e 圳。 ( 2 6 ) 式中b t 为t 时间后的亮度，b o 为初始亮度。 2 2 3l e o 的热学特性 l e d 的热学参数与p n 结的结温有很大的关系。一般工作在小电流( i f _ 雁铅 j c i k c蝴h羔； 卜 懈f0 l ” l 褂m 翻i 啪 图4 1 l m a x s 0 3 3 c 模块结构图 f i g 4 1 1m a x 5 0 3 3 c m o d l i l es t r u c t u r a ld r a w i n g 升压器高边栅极驱动饵s n 在l x 和b s t 之间连接一个自举飞电容，为高边n 通道d m o s 开关提供栅极驱动电压。 该电容由内部稳压输出v d 交替充电，跨接在高j 2 l d m o s 驱动器上。用一个0 1 u f 、1 6 v 的陶瓷电容尽可能靠近器件放置。启动时，内部低边开关将l x 接地，并将b s t 电容充电 至v d 。一旦b s t 电容充电，内部低边开关断开，且b s t 电容电压提供必要的增强电压打 开高边开关。 热过载保护 m a x 5 0 3 3 具有集成的热过载保护功能。热过载保护限制了器件的总功耗，并在故 障状态下为器件提供保护。当管芯温度超出1 6 0 。c 时，内部热检测器发出关断逻辑信号， 关闭内部功率m o s f e t ，使i c 降温。当i c 的管芯温度冷却到1 4 0 。c 时，热检测器将重新 接通内部m 0 s f e t ，这样，在连续热过载情况下将会产生脉冲输出。 ( 2 ) 电路工作原理 m a x 5 0 3 3 具有内部补偿，用于优化闭环带宽和相位裕量。利用预设补偿时，建议 在主l c 后立即检测输出。 l e d 的驱动电路研究 电感选择：电感的选择取决于v 矾与v o l r r 之间的压差、所需输出电流和电路的工作 频率。电感最小值由下式决定： 工= 石( v 3 “- v o w ) x 石d ( 4 1 。) 其中：d - 、7 0 i r r ，、7 州，1 0 u t m a ) ( 是所需要的最大输出电流，f s w 为1 2 5 k h z t 作频率。需 使用最大饱和电流额定值至少为峰值开关电流限( i l i m ) 的电感。为获得更高的效率， 需选用低直流电阻的电感。 整流器的选择：m a x 5 0 3 3 需要一个外部肖特基二极管整流器作为续流二极管，该 整流器需要靠近器件，通过较短的连线或p c 板引线连接。需选择连续电流额定值高于最 大预计输出电流、电压额定值高于最大预计输入电压f v i n ) 的整流器。选用低正向导通电 压的肖特基二极管可以使系统正常工作，并具有较高的效率。应避免使用反向电压超出 需求，同时具有较高的正向导通压降的肖特基二极管整流器，应选用在+ 2 5 。c 、最大负 载电流下，正向压降小于0 4 5 v 的肖特基整流器，以防止内部体二极管( l x 至l j 地之间) 出 现正向偏置。内部体二极管的导通可能会导致结温上升到过高的温度，出现热关断。 输入旁路电容：降压转换器的非连续输入电流波形会在输入电容上产生较大的纹波 电流。开关频率、峰值电感电流和所允许的反馈到输入级的峰值电压纹波决定了对电容 的要求。m a x 5 0 3 3 具有高开关频率，允许使用低容值的输入电容。 输入纹波由v o ( 由电容放电产生) 和v e s r ( 由电容的e s r 产生) 组成，可选用能够处 理较高输入纹波电流的低e s r t 君电解电容。假设e s r 和电容放电所产生的纹波分别占9 0 和1 0 ，对于指定的纹波范围，可用下列方程计算对输入电容和e s r 的要求： e s r 。：叱争 ( 4 1 1 ) ( l 。，+ ! 导) 2 铹 脚 舯 她= 嚷兹字 d ：k ( 4 1 4 ) v m 、。 大连理工大学硕士学位论文 i o i r r 为转换器的最大输出电流，岛为振荡器开关频率( 1 2 5 k h z ) 。例如，在v i n = 4 8 v 、 v o i r r = 3 3 v 时，对等于或小于1 0 0 m v 的输入峰值纹波，可计算出e s r 和电容值分别为 1 3 0 m q 和2 7 旺。对于小尺寸应用，推荐使用低e s r 、陶瓷、多层芯片电容。对于陶瓷电 容，假设e s r 和电容放电所产生的纹波分别占1 0 和9 0 。 输入电容必须能够在没有明显温升的条件下处理r m s 纹波电流。最大电容r m s 电流 出现在大约5 0 * , 的占空比处。确保输入电容的纹波指标高于最差情况下电容的r m s 纹波 电流。利用下列方程计算输入电容的r m s 电流： 其中： i c l u c s 一 4 i p r m $ 2 - - i a v g l n 2 ( 4 1 5 ) ip 呲s = l 一= 笔 ( 4 1 6 ) ( 4 1 7 ) 厶= k + 盟2 ，l = k + 等 ( 4 朋) d ：k ( 4 1 9 ) v m 、。 i m z , s 为输入开关r a m s 电流，i a v g i n 为输入平均电流，1 1 为转换效率。在较低温度下， 铝电解电容的e s r 会明显上升，最好用一个等于或大于1 心的陶瓷电容与铝电解电容并 联，特别是在输入电压低予8 v 的应用中。 输出滤波器电容 最差情况下电容纹波电流的峰值和r a m s 值、所允许的峰值输出纹波电压以及负载跃 变时所允许的最大输出电压跌落决定了对输出电容值和e s r 的要求。输出电容值和它的 e s r 产生一个零点，改善了降压转换器的闭环稳定性。选择输出电容使e s r 零点频率出 现在2 0 k h z 和4 0 k h z 之间，利用下列方程确定f z 。推荐使用e s r 在l o o n 疵至2 5 0 n 位之间的 电容，确保在较低的输出纹波下保持闭环稳定性。 l e d 的驱动电路研究 ，一 l j z 一2 x n x c o t r rx e s r o u r ( 4 2 0 ) 输出纹波由v o q ( 由电容放电产生) 和v o 酷r ( 由电容的e s r 引起) 组成。在输出上 使用低e s r 的钽电容或铝电解电容。假设e s r 和电容放电产生的纹波分别占8 0 和2 0 ， 可用下列方程计算在指定纹波下对输出电容和e s r 的要求： e s r 2 哿 ( 4 2 1 ) c o o r - 2 - 2 xa 生v o q xf s w ( 4 2 2 ) m a x 5 0 3 3 具有4 0 0 阳的内部软启动时间( t s s ) 。保证启动过程中输出的上升时间低于 t s s 非常关键，以防出现输出过冲。输出上升时间直接与输出电容成比例。在输出端用等 于或低于6 8 心的电容可以控制过冲低于5 。在动态负载应用中，出现快速瞬变负载时 所允许的最大输出电压偏差决定了对输出电容容值和e s r 的要求。输出电容需要在控制 器以更大的占空比做出响应之前为阶跃负载供电。响应时间( t r i ! s p o n s e ) 取决于转换器的闭 环带宽。负载跃变时，电容e s r 的电阻压降和电容放电会导致输出电压跌落。为了获得 较好的瞬态负载和纹波噪声特性，可采用低e s r 钽电容与陶瓷电容并联的方案。要保 证最大输出电压偏差不超出被供电器件的容限。假设输出电容放电和e s r 压降所产生的 输出跌落各占5 0 ，可利用下列方程计算所需的e s r f f i 电容值： = 掣k( 4 - 2 3 ) 1 s t e p 2 警 z 4 ， 其中，i s t e p 为负载跃变电流，r 。一为控制器的响应时间。控制器响应时间约为闭 环单位增益带宽2 0 k a z ( 典型值) 的倒数的三分之一。 l e d 应用于汽车前照灯的电路原理图如图4 1 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图4 1 2 电路原理图 f i g 4 1 2c i r c u i tt h e o r yp i c t u r e 车用光源是1 2 v 电源供电，l e d 的标称电压是2 2 v ，因此，将l e d 串联使用，每组l e d 最多可以串联4 只。l e o 的串连个数要合理，一般以红色4 5 只，自、蓝色3 只为宜。在实 际设计过程中，3 只l e d 串联一组。 l e d 在车用照明应用中，应采用串联方式( 除非只需用一只) 。这样更省电。由于不 同类型的l e d 压降有差别，计算时应予以注意。一般来说，红色普通亮度l e d 取1 8 v 2 v ， 高亮度的取2 2 2 6 v 。白色及蓝色l e d 取2 5 v 一3 v 。准确的工作电压可用以下方法测得： 将被测l e d 串接一只1 0 0 欧姆电阻，调节供电电源的电压，使电阻两端的电压为：v r = i f r 。 i f 是你需要的电流值。然后测定l e d 两端的电压，以此作为设计依据。 高低电压时的电流差值不可太大，以免引起明显的亮度变化。主车灯，须选用高亮 度或超高亮度的l e d ，由其组成点阵，并安装于原散射片后适当位置，以加大可视角度。 注意，如原灯具无散射器( 水晶灯) ，切不可进行改装! 可视角过小会导致追尾事故1 4 2 2 驱动电路的测试 按照图4 1 2 的电路设计制造p c b 板，焊完的电路板如图4 1 3 和图4 1 4 所示。l e d 点阵电路的设计，是光源设计的重要部分。l e d 驱动电路电子元件较多，而l e d 点阵电 路在发光过程中会有热量集中，如果将驱动电路和点阵电路设计在同一快硬制板上，导 致热量传到驱动电路，而使驱动功能受到影响，因此，将驱动电路和点阵电路分开设计， 是l e d 光源最佳设计方案，即将硬件电路设计分为上下两层，上层为l e d 点阵电路，下 层为l e d 驱动电路。并且将肖特基二极管整流器的阳极、输入旁路电容接地端和输出滤 波电容的接地点连接到一个独立的节点( 星型接地配置) ，以降低地噪声。需要一个接地 l e d 的驱动电路研究 层，保持尽可能短的引线可以减小寄生电容、引线电阻和辐射噪声。特别是，需要将肖 特基整流二极管靠近器件的右侧放置。另外，b s t 和v d 旁路电容需靠近器件安装。用 p c 板覆铜层连接v 蚋和l x ，有利于散热。 图4 1 3 图l e d 车灯p c b 板正面 f i g 4 5l e d t a gl i g h tp c bb o a r df a c a d e 图4 1 4l e d 车灯p c b 板反面 f i g 4 1 4l e dc a rl i g h tp c bb o a r dr e v e r s es i d e 下面为点亮后的效果图，如图4 1 5 和图4 1 6 所示。整个板的直径只有2 5 c m 左右， 如果利用贴片元件，则p c b 板的效果会更好。 大连理工大学硕士学位论文 图4 1 51 米远处效果 f i g 4 1 51m e t e r e f f e c t 图4 1 6 加透镜效果 f i g 4 1 6a d dt h eo p t i c a ll e n se f f e c t 分别利用温度计及照度计测量他们白天和夜晚时的温度及照度，得到如表4 3 与表 4 4 的测量结果。 l e d 的驱动电路研究 表4 3 温度与时间的关系 t a b 4 3t i m ea n dt e m p e r a t u r e sr e l a t i o n i 时间1 0 分钟3 0 分钟1 小时3 小时6 小时1 2 小时 l e d 灯温度 5 0 5 5 6 0 6 5 6 6 6 6 芯片温度 3 5 3 5 3 6 3 6 3 7 3 7 表4 4 照度测量结果 t a b 4 4t h el u m i n a n c em e a s u r e sr e s u l t l 距离( c m ) 1 05 01 0 0 l 照度( 1 u x )白天：6 8 0 0 白天：1 0 0白天：6 0 夜晚：4 0 0 0夜晚：4 0 0夜晚：2 0 0 从试验数据和波形图上可以看出，外界电压发生变化时流过l e d 的电流和电压基本 保持恒定，保证了l e d 发光的均匀性。设计车用信号灯的亮度比原始车灯的亮度强的情 况下，车用信号灯的流过l e d 的瞬时电流为8 5 m a ，加在l e d 两端的电压为1 2 y ，共有三 组，可计算出光源消耗的功率为p = u i = 3 0 6w ，与常用的白炽灯2 5w 相比，大幅度地降 低了能耗。 4 3 本章小结 m a x s 0 3 3 为恒流驱动高亮度l e d 提供了一种高性价比方案，该方案具有以下优势： 高开关频率( 1 2 5 k h z ) 允许选择小电抗器件( l 1 和c 2 ) 。 能够在宽输入电压范围内实现高转换效率。 输出电压可达1 2 v ，能够驱动三个串联的高亮度绿色l e d 。 无需机械散热器。 电压范围可扩展至7 6 v ，适用于驱动汽车高亮度l e d 。 可用于2 4 v 信号标志灯和建筑照明。 通过变化电流检测电阻r 2 、输出电流可达到l a 。 内置开关功率m o s f e t ，简化设计。 可通过控制输入引脚，利用模拟电压幅度( 线性调光) 调节l e d 的亮度。 通过控制输入，利用低频p w m 信号调节亮度。 在未来使用l e d 光源生产中，根据光源的亮度要求，并结合l e d 的发光亮度，选择 相应的l e d 数量设计l e d 光源。l e d 单色性好，在车用光源及其其他信号光源中的应用 大连理工大学硕士学位论文 有独特的优势，可以减少目前车用光源的虑光片。在交通信号源中已经有广泛的应用， 但是在车用信号源及照明光源中，仍然使用较少。上文设计的车用光源，能够安全替代 白炽灯的信号光源，在车用光源中得到应用。而且这种l e d 光源比白炽灯更节能、环保 和寿命长。 保护电路设计也是必须的，才能减少不必要的损坏。l e d 的选择，是光源设计中最 基本一环，高发光强度的l e d ，可以减小点阵电路中l e d 的数量。在l e d 点阵中，加大 l e d 点阵电路和周围零件的空间可以有效解决l e d 散热。 l e d 的驱动电路研究 结论 论文从l e d 的特性及驱动电路出发，论述了l e d 的驱动方式，并以流过l e d 的电流 恒定为基本目的，设计了l e d 驱动电路，在电路设计中，首先阐述了该驱动电路的基本 原理和拓扑结构，给出理论依据。然后根据功能需要进行了电路的总体设计，并针对各 自应用特点提出改进建议。用试验的方式论证了方案的可行性。在l e d 光源的设计中， 考虑各种因素，成功的完成了用l e d 光源代替传统的光源，使光源兼有节能、环保、长 寿和美观等优点。 鉴于作者的学术水平，本文还有不足之处，望大家给予指正，在今后的学习中，自 己仍需要进一步加强对l e d 驱动研究和学习。 大连理工大学硕士学位论文 参考文献 1 3 周志敏，周纪海，纪爱华l e d 驱动电路设计与应用第1 版人民邮电出版社2 0 0 6 1 2 ：7 3 - 2 0 0 2 尹长安，赵成久自光l e d 的最新进展发光学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 4 ) ：3 8 0 - 3 8 2 3 中国绿色照明项目促进办公室中国绿色照明工程实施展望中国能源，2 0 0 4 ，2 6 ( 7 ) ：3 6 - - 3 9 4 李卓，朱崇恩，刘小鸿固态发光器件前景光明中国照明电器，2 0 0 3 ，7 ( 7 ) ：1 1 1 3 5 朱正涌等半导体集成电路北京：清华大学出版利，1 9 9 9 ，6 ( 5 ) ：3 9 5 - 4 0 3 【6 o l i v e rn a c h b a u r w l l i t el e dp o w e rs u p p l yw c h n i q u e s c h i cp u m p a n db o o mc o n v , r 髓r t e x a s