电子系统综合设计.doc

课程论文首页院、系（部）电子信息工程系专业电子信息工程专业班级电信071学号710706141姓名苏福来课程教师林志雄课程名称电子系统综合设计论文题目大功率LED驱动电路设计成绩评语 签字： 年 月 日复核人意见 签字： 年 月 日大功率LED驱动电路设计电信071 苏福来中文摘要：大功率驱动电路主要是驱动LED灯亮。LED光源的特点 .效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% .稳定性：10万小时，光衰为初始的50% .响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 .对环境污染：无有害金属汞 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300500只二极管构成。 本论文主要介绍采用线性恒流驱动方式实现驱动电路，并且提出一种基于线性恒流驱动芯片LM337的稳压的大功率LED恒流驱动解决方案。该种驱动电路简单、高效、成本低，适合当今前置级音响电路、精密电路、电子制作等。关键词：大功率LED ；驱动电路；恒流驱动芯片LM337前 言全球第一款商用化发光二极管(LED)是在1965年用锗材料作成的，其单价为45美元。随后不久Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材。料制作的商用化LED这些早期的红色LED每瓦大约能提供0.1流明(lumens)的输出光通量，比一般的60至100瓦白炽灯的15流明要低上100倍。 1 系统设计1.1 设计任务一.目的掌握大功率LED在现实生活中的意义，理解大功率LED的技术指标和参数规定及目前的技术水平和使用情况。同时能应用让大功率LED发光二极管点亮。二.内容1. 查阅LED电路的相关资料，了解LED驱动的概念和LED有关的信息，大功率LED在现实生活中的意义，大功率LED的技术指标和参数规定，目前的技术水平和使用情况等。2. 分析大功率LED电路，及大功率LED的目前状况。3. 大功率LED驱动电路的设计（设计一种LED驱动电路）；电路能驱动10W以上的LED阵列。4. 驱动电路的制作和调试：先设计好信号电路的电路图，最后需做出硬件电路，能驱动10W以上的LED。1.2 设计要求1、对LED的国内外研究现状进行详细的了解。2. 大功率LED驱动电路进行详细的设计，确定具体的实施方案。3. 进行驱动电路设计和优化，并进行LED驱动电路的整体调试和检测。4. 综合运用应用基础理论与专业知识完成毕业设计的论文创作，论文应文字表达清晰，能体现较高的技术水平、实践能力和创新性。1.3 设计方案论证 方案一：分立式元器件构成的开关恒流驱动电路。主要有升压变压器、反馈电路、电阻、电容、稳压管、LED组成。升压变压器主要是让提供的电压通过升压变压器将输出电压提高同时到达一定稳压。反馈电路主要是将输出的电流取样，将通过电流负反馈，稳定输出电流。分立式元器件构成的开关恒流驱动电路具有功耗低，电源、电压及LED负载变化的适应性好，工作在升压状态，供电成本高，集成度差，省耗大，设计需要计算的量比较多，电路考虑外围环境对本电路的影响！方案二：线性恒流驱动电路。主要芯片LM337、电阻、电容、三极管、继电器、调位器、保险丝、LED组成。LM337是三端集成稳压器，具有电流、电压稳压，电阻作用电流采样，电容作用抗干扰，三极管推动继电器，继电器用常开触点目的是驱动LED亮、保险丝起保护元器件以免元器件烧毁。线性恒流驱动电路具有电路简单、电流稳定度高、恒流值只用电阻和电流来确定。不足之处散热不好还需要加散热片。1.4 设计方案确定以上两种设计方案都有优缺点。方案一的优点是方案二的缺点。但是方案一应用的是开关电源。开关电源设计需要变压器将电源电压变压，在变压过程中不稳定，还需要稳压在稳压过程中没有稳压好LED灯不亮或者是亮不稳定效果较差。方案二优点是电路简单设计方便，考虑到问题比方案一要少。其次，方案二应用了集成芯片外围电路只要电阻和电容计算也很方便。主要缺点是工作时发热，一定要保证芯片的散热性需要加散热片。综述考虑我在这次毕业设计中选择方案二。1.5.1 设计思路1根据设计要求，选择LM337的芯片做稳压器。2LM337外围电路有电阻、电容、三极管。电阻来设置输出电压；使用输出电容能改变瞬态响应；三极管提升电路的恒流值。3采用5个1W的LED并联。4. 接了一个5V/3A的继电器驱动负载。5. 在电源处接保险丝保护电路，防止元器件烧毁。1.5.2 电路设计框图考虑到电路驱动的要求，决定使用LM337降压型线性稳压器对电路进行稳压，用三极管和继电器稳压后驱动1W大功率LED灯亮。大功率LED驱动电路设计框架图如图1-1所示7。图1-1 大功率LED驱动电路设计框架图1.5.3 电路设计总原理图大功率驱动电路原理如图1-2所示6。主要芯片LM337、电阻、电容、三极管、继电器、调位器、保险丝、LED组成。图1-2 大功率驱动原理图 2 功能模块的实现2.1 LM337模块2.1.1 LM337的用途简介LM337是比较常见的降压型线性稳压器,目前市面上有很多家有提供同型号性能相近的产品。意法半（ST）、安森美（Onsemi，老牌子是摩托罗拉），国半（NS）、德州仪器（TI）、凌特（Linear）以及其它国内产品，同一品牌可能有不同的外观和品质，这点需要注意。如果要构成对称双电源输出，最好挑选同品牌同一生产批号的产品。2.1.2 LM337封装形式及引脚图 TO-220 塑料封装 TO-3 铝壳封装 TO-202 塑料封装 TO-39 金属封装 LM337是LM317的负电压版本封装的引脚识别图如图2-1: 图2-1 封装的引脚识别图2.1.3 LM337与电阻、电容实现功能LM337是三端稳压器。三端稳压器的输入是12V输入电流外接电阻电容组成。电阻是3.9欧，电阻作用是电流取样。电容是0.1UF，电容的作用是抗干扰消振。 LM337是三端稳压器其中恒流值是由电阻来决定。LM337与电阻、电容实现功能图如图2-2：图2-2 LM337与电阻、电容实现功能图2.1.4 大功率LED技术指标1正向死区： a点对于V0为开启电压。此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaA 为1V红色GaA sP为1.2VGaP为1.8VGaN为2.5V2正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系IF=ISeqVF/KT1-IS为反向饱和电流，VVF正向工作区IF随VF指数上升 3反向死区 V0时pn结加反偏压反向漏电流IRV=-5V时，V=-VR时。GaP为0VGaN为10uA，则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物资料种类不同，4反向击穿区 V-VRVR称为反向击穿电压；VR电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V-VR时。各种LED反向击穿电压VR也不同。1.2C-V特性使其结电容（零偏压）Cn+pf左右。5最大允许功耗PFm 当流过LED电流为IF管压降为UF则功率消耗为P=UFIF，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，LED工作时。还有一局部变为热，使结温升高。若结温为Tj外部环境温度为Ta则当TjTa时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率）可表示为P=KTTj Ta6 响应时间响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD液晶显示）约10-310-5SCRTPDPLED都达到10-610-7Sus级）就是LED点亮与熄灭所延迟的时间， 响应时间从使用角度来看。即图中trtf图中t0值很小，可忽略。 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。 一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED点亮时间上升时间tr指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始。LED熄灭时间下降时间tf指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间5。2.1.5 大功率LED参数规定色温:2500-3500K;6000-6500K;8000-9000K 可选色温段光通量(亮度):70-80LM；80-90LM;90-100LM;100-110LM;110-120LM（流明）正向电压:3.0-3.7V功率:1W角度:60;90;120;140度可选使用电流:IF=350MA工作温度：-20度 - 70度 储藏温度：-30度 - 80度4。2.2 LED显示电路2.2.1 LED有什么来驱动LED输出端有三极管、继电器、可调电阻、电阻、保险丝、1WLED灯。三极管是接在LM377输出端。三级管基极是接在LM377输出端，将LM377输出端的电流0.32A。0.32A经过三极管放大为1.5A。三极管是TIP41C输出电流可以达到3A。继电器作用是将三极管的电流经过继电器驱动LED工作。继电器型号是PA1a-5V四个管脚。保险丝保护电路。2.2.2 继电器简介1.继电器的工作原理和特性 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 (1)电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 (2)热敏干簧继电器的工作原理和特性 热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 (3)固态继电器（SSR）的工作原理和特性 固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多8。2、继电器主要产品技术参数 (1)额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。 (2)直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 (3)吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 (4)释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 (5)触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点9。3、继电器的选用 2.2.3 LED显示功能实现三极管型号TIP41CTIP41 NPN中功率三极管,广泛用于信号放大及音频功放用晶体管,可与TIP42 PNP管做互补对称管使用.TIP41C电流增益带宽积(ft) 最小3MHZ 放大倍数 30-75TIP41C三极管管脚排列如图2-3：图2-3 TIP41C三极管管脚排列LED显示功能实现图如图2-3：图2-3 LED显示功能实现图3 电路实现PCB设计图 如图3-1。图3-1 PCB设计3D正面效果图 如图3-2。图3-2 3D正面效果图3D反面效果图 如图3-3图3-3 3D反面效果图3.2.2 所用元件清单表1-3元件清单型号数量LM337稳压器1AP1a-5V继电器10.1uF电容1滑动变阻器100欧13.9电阻16.8电阻1保险丝2A11WLED灯5三极管TIP41C1焊锡若根导线若干3.2.3 焊接完成后的成品图成品图的正面:图3-4 成品图的正面效果图4 调试及性能测试4.1 调试方法及步骤硬件调试硬件调试主要是电路板搭建的硬件电路是否有短路，断路等。其中包括电源的测试，LED大功率驱动。一般采取用实验室电源来对硬件的焊接进行检测。调试步骤为：a、 将实验室的文雅电源调到12V。b、 用串口调试助手模拟GPS输入，观察P1口上LED灯是否正常，然后将数据通过串口线输出到数码管显示，观察数码管是否显示正常。如果正确，则表示串口通信也正常。至此，电路板硬件调试成功。4.2 软件调试调试步骤1、 在protuse中画出原理图进行仿真看电路是否正常工作。2、 电路不是按照设计所要求的结果亮的将电路进行改进。调试图 如图4-1如图4-1 调试图结束语通过这次的设计，我基本掌握了硬件的开发流程，加深了对LED的了解，一些芯片组成电路等更全面、更系统的认识，大大扩展了我的知识面，同时使我学会了如何使用所学的知