LED照明驱动及自适应调光技术研究

本文由 724915147013 贡献 pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳 建议您优先选择 TXT 或下载源文件到本机查看 上海大学 硕士学位论文 LED 照明驱动及自适应调光技术研究 姓名 朱虹 申请学位级 别 硕士 专业 控制理论与控制工程 指导教师 刘廷章 20080201 上海大学硕士学位论文 摘 要 随着能源危机的加剧 绿色高效的照明系统得到了人们的广泛重视 我国 在 年也推出了 中国绿色照明工程 旨在我国发展和推广高效照明器具 逐步替代传统的 低效照明电光源 节约照明用电 大功率白光 以其高效率 低功耗 低电压驱动 使用寿命长以及节能环保等优点 引起了全世界的广泛 关注 被越来越多的应用于各种照 明场合 在可预见的将来将有可能进入一般 照明市场以替代传统的热照明方案成为新一代 照明光源 因此 研究针对大功 率白光 驱动电路的研究设计有很重要的意义 本文 以 白光 为研究对象 对该 的伏安特性 热特性以及光 衰等特性进行了测 量 在查阅了相关资料 分析了 的各种驱动电路的基础 上 最后采用运放负反馈放 大电路原理 设计了一种基于 市电的 恒流 电路 能够驱动 个以 串 并方 式连接的 白光 使电路输出电流恒 定在 利用基于 总线的光传感器 芯片测量自然光照度 作为控制器 采用 脉冲宽度调制 方式调节 管 调节 的发光亮度 使 的发光照度随自然光照度自动调节 完成了相应的硬件设 计和软件编程 实现了 恒流驱动和自适应调光的集成 最终使室内环境照 度能够维持在一个设定的水平 关键词 恒流亮度调节 上海大学硕士学位论文 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 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发 表或撰写过的研究成果 参与同一工作的其 他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了谢意 签名 肄 虹一 期 瑚 三坐 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留论文及送 交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学 校可以公布论文的全部或部分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 卜导师签名 龟 辞日期 衄 上海大学硕士学位论文 第一章 背景及意义 绪论 发光二极管 是一种能够将电 能转化为可见光的 半导体发光器件 依靠材料中的正负电荷复合来发光 材料使用 族化学元素 如磷化镓 砷化镓 等 在 世纪 年代 最早应用作 指示灯 数字和文字显示 随着第三代半 导体材料氮化镓 的突破 高亮度蓝光 二极管的出现解决了发光二极管的三 原色缺色问题 因此彻底解决了大屏幕全彩色显示问 题 有了红橙黄绿青蓝紫七 色全彩 更为重要的是由此产生了白光半导体灯 随着 白光发光二极管的问 世 开始逐渐走进了人们的日常生活 从显示领域进入 照明领域的关键是发光效率的提高 发光效率 以上的白色 白炽灯的发光效率一般是 胱 的出现 使白色 灯成 为 新世纪引人注目的节能照明光源 目前一般 白光 的发光效率为 州 发光效率突破 删的白光 器件已经达到实用化水准 日亚化 学工业已经开始供应发光效率 的白色 样品 其他 供 应商也都 开始纷纷生产 棚及以上的高效白光 的发光效率还将继续上 升 许多研究显示在本世纪的前十年 产业将会继续迅速发展 因此 白光 被普遍认为是在未来成为替代传统照明器具的一大潜力商品 作为新型的发光器件 具有体积小 效率高 寿命长 环保 节能等优 点 能 量转化效率非常高 理论上 发射相同光通量的耗电量大约是白炽灯的 相比荧光 灯 也可以达到 的节能效果 照明用电占发电总量的比例 在发达国家占 在我国占 而且在我国以低效照明为主 是终端节电的 主要对象之一 随着经济发展 我国的照明用电还将有大幅度的提高 绿色节 能照明的研究应用越来越受 到重视 照明就是在这样的形势下发展起来的 据中国绿色照明工程促进项目办公 室专项调查 我国照明用电每年在 亿度以 上 用 取代全部白炽灯和部分荧 光灯 可节省 的照明用电 相当于三峡 上海大学硕士学位论文 工程全年的发电量 还有其他优点 如 作为全固态发光体 耐震耐冲击 不易破碎 发 热量低 无热辐射 不含汞 钠等可能危害健康的元素 废弃物可回收 无污染 已经进入很多应用领域 包括宇航 飞机 汽车 工业应用 通信 消费类产品等 遍及国民经济各部门 广泛用作普通照明 车灯 景观灯 路 灯照明 液晶板背光源 手机背光源 数码相机闪光灯等 照明及智能调光系统国内外研究现状 恒流技术国内外研究现状 在早期 由于光色 发光效率 光通量和价格等 方面的限制 主要应用 于指示 显示领域 如用作指示灯 警戒灯以及显示牌等 随着 光色的不断 丰富 特别是白光 技术的不断成熟 发光效率不断提高 价 格逐渐降低 大 功率超高亮的 有 等规格在市场上销售 其中功率 大于 的白 光 的开发研究已成为主攻方向 由于大功率白光 的应用受到了 世界上的 广泛关注 大功率白光 的驱动电路设计也因此成为热点 大功率 的 驱动 电路多采用恒流驱动方式 恒流驱动电路有电荷泵 等多 种驱 动方式 电荷泵 实质上都是电压输出型 通过电流反馈控制电 路 来实现输出恒定电流 电荷泵电路利用电容对电荷的积累效应储存电能 在时钟周期的一部分时间 内为电容充电 在时钟周期的剩余时间内释放能量 根据电容的不同连接方法得 到不 同的输出电压 论文 设计的 驱动电路是恒流输出反馈式电荷泵 电 路 电荷泵 电路由谐振电感 充电电容 箝位二极管 调节开关等组成 当 断开调节开关时 充电电容通过谐振电感的谐振从 电源吸收能量 能量储存 在充 电电容中 转移至 总线电容中或在当调节开关打开时转移到负载中 流 过 的电流反馈到控制器 控制器根据反馈电流调节变压器原边调节开关的占 空比 通过改变 占空比调节输出电流使其稳定 和 电路都是开关电源方式 利用电感的储能作用储存电能 在时 上海大学硕士学位论文 钟周期的一部分时间内为电感充电 在时钟周期的剩余时间内释放能量得到输出 电压 电路中电容 电感和续流二极管的结构不同 实现升压或降压功能 是 降压电路 是升压电路 论文 提出了一种基于 升压方式的恒流 恒 照度 驱动电路 电路将输入电压提升 采样电阻检测流过 电流 并 经过放大电路反馈到恒流恒照度控制电路中 光电二极管检测 的照度 将照 度值 转换成适当的电压值 并与额定电压比较 差值放大后送入到恒流恒照度控 制电路中 改 变 电路调节开关的控制信号 使输出电流或输出照度保持恒 定 恒定照度控制 同样是通过控制输出电流来维持照度值 基于电荷泵 电路的 驱动电路还应用于很多 驱动芯 片 的原理 如 等 论文 应用于应急灯照明 所设计的照明电路利用电网电压为蓄电池 充电 蓄电池再通过驱动电路为 供电 同时也可以采用电网电压通过驱动电 路 为 供电 论文 则设计了一种基于神经网络的高亮度 照明控制方案 为应用于汽车刹车灯的 设计提供了一种方案 由于 色彩丰富 因此除了大量应用于背光源和照明之外 另外一个重 要用途就是景观照明 应用于古建筑景观照明 如颐和园 城市立交桥 景观照明 等 由于 驱动电压低 具有控制灵活的特点 结合各种驱动方 式对其控制 还可以应用做路灯照明 等 白适应调光技术国内外研究 现状 由于人眼对光线的感受是非线性的 因此 就有可能将亮度级降低 以 上而人却 觉察不到亮度的变化 这样就可以节省近 的电能 如果将调光级 别降低 则可以节省约 的电能 采用智能调光可将灯渐渐调到预设级别 白炽灯无法做到这一点 因为冷 的灯丝会受到热冲击 将灯亮度渐渐调到设定级别 也称为 软启动 这会极 大地延长灯的使用寿命 使用 的调光级别可将灯的使用寿命延长两倍 而 调光级别可延长 倍 调光方式分为变电阻型调光和脉冲宽度调制方式 上海大学硕士学位论文 两种 变电阻型调光方式通过调节电阻性负载的电阻值改变电流 从而 改变 灯的发光亮度 变电阻型调光在电阻上将多余的电能转变为热能 这是能 量的损失 方式通过每秒钟多次的接通和断开电源调节发光亮度 开关之间的 时间比率与 发光亮度成正比 但并不是所有的灯都是可调光的 的响应时 间很短 只有几到几 十纳秒 尤其适合于 方式调节亮度 自适应调光方式利用控制器 以及用 于检测环境光的传感器为核心 传感器 向控制器提供发光照度值 控制器做出判断并根据 所得信息将照明回路打开或调 节光亮度到预定级别 由于 的快速响应特点 使得 调光非常可行 美 国 坩对 串 并的 灯组 在恒流驱动电路基础上并接 了 型 功率器件实现 控制 调节范围为 当占空比低 到 时输出电流仍能保持稳定 传统的 调光方式是将调光开关与负载串联 当开关打开时 支路 没有电流流过 当开关关闭时 支路有电流流过 灯发光 论文 提 出的 调光方式是将调光开关与负载并联 驱动电路采用 电路 当 调光开关打开时 支路有电流流过 当开关关闭时 支路被开关短路 灯不亮 控制器根据采样电阻检测到的电流值改变调节开关的占空比 因此 调节占空比以使输出电流恒定 论文 设计的 驱动电路可以使输出电流从 至 之间调 节 驱 动电路采用 电路原理 将 输入电压提高以驱动 个串联的 此论文 设计的 驱动电路以离散方式调节输出电流 输出电流调节间隔 采用 作为控制器 灯组上串联一个采样电阻以检测流过 的电 流 检测到 的电流反馈至控制器 控制器改变 电路调节开关的占空比从而调节 输出电 流 在常规灯具照明系统的调光领域 已经出现智能调光系统 如基于 的酒店智能调光控制系统 以及中国国家大剧院的灯光控制系统 还有基 于 总线的教学楼智能照明系统 通过 调光实现教室内恒照度控制 上海大学硕士学位论文 目前存在的问题 近年来 的发光效率一直在逐步提高 商品化的器件已达到白炽灯的 水平 但是 想要在照明中全面普及 还需要解决一些技术性问题 在自光 芯片方面 能量转化效率低 虽然 的电光转化效率较高 但 的光提取效率只有 严 重影响 的光输出功率 要想进入照明领域 目前单 个 的光通量 远远不够 提高了光提取效率 就可以发出更多的光 散热问题 的低光提取效率导致大部分能量未能转化为光的形式散发出去 而是 以热能的形式聚集在 芯片内部 散热不佳将会导致芯片结温迅速上 升和 环氧树脂碳化变黄 从而造成 的颜色偏移 加速光衰 降低 的 寿命甚至失效 脚 对于大功率 这个问题尤其严重 光色不佳 目前 白光 采用蓝光 加黄色荧光粉合成 或者是采用 三色 混合而 成 这两种方式形成的白光色温较高 含有蓝光的成分 给人不自然的 感觉 比较而言 白炽灯则具有非常强的黄光的成分 给人一种温暖的感觉 价格昂贵 这是影响 照明普及的重要原因 但 产业也存在 摩尔定律 定律 的价格每 年将为原来的三 而性能则提高 倍 如果这个定律 能够应验 的成本将快速下滑 在 驱动电路方面 电荷泵方 式和开关电源方式都有各自的缺点 电荷泵电路受储能电容的限 制 输出电压一般不超过输入电压的 倍 输出电流则不超过 在大功率 的照明驱动应用中受到了限制 开关电源方式具有效率高 可升 降压 输 出功率 大等优点 但开关电源采用的电感有着体积大 重量大的缺点 而且由于 电路工作在开关 状态 所以噪声比较大 电荷泵驱动和开关电源驱动都存在着输 上海大学硕士学位论文 出电压或输出电流受限的缺点 但对于应用于照明需要的大功率白光 而言 需要驱动电路具有更高功率 更大电流 虽然世界各大公司都纷纷推出了自己的 驱动芯片 但这些芯片大多用于便携式设备应用 如用作手机 笔记本 等背光源 或用作汽车前灯照明等 这些驱动芯片的驱动能力有限 输出电 流有限 输入电压要求是直流 而且价格比较昂贵 在自适应调光技术方面 由于 的发光亮度与流过 电流正向变化 因此调节 发光亮度就等 同于调节 电流 方式调节 电流不仅效率高 且调节范围大 稳定 可靠 因此 方式调光获得广泛应用 但更加细腻的根据具体情况自适应调 节 亮度的能源管理策略有待深入研究 关于智能调光控制系统进行的研究也 很多 很多公司 在从事这方面的工作 如 邦奇电子 尼科电子等 但 这些调光控制系 统多用于大型场合 如酒店等 且需要上位机 总线 子控制器 等 可以实现除亮度调节 外包括灯光控制等多种功能 但造价较高 普通家庭照 明往往不需要如此复杂的控制策略 论文的主要研究内容 课题来源 本课题来源于上海大学学科平台建设项目 太阳能发电及半导体 照明技 术 基于太阳能光伏发电技术 主要完成 照明系统控制部分工作 实现 自适应调光技术 并最终验证 照明系统设计的可行性 论文主要 研究内容 本论文主要对大功率白光 提出一种可行的照明驱动电路 并对自适应 调光系统设计了可行的实现方案 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础 在第一章中阐 述了课题研 究的来源 目的 意义以及国内外研究的现状 第二章阐述了 的伏安特性 光特性 温度特性并简要介绍了目前各类 驱动电路 第三章 上海大学硕士学位论文 阐述了所设计的恒流电路各功能部分的实现方式 第四章阐述了自适应调光技 术的实 现方法 第五章阐明了为本系统所做的软件设计 最后第六章总结全文 并展望进一步的工 作 上海大学硕士学位论文 第二章 基本特征以及 驱动方式介绍 特征 为了更好的说明 灯的性能 首先介绍一些光度量的基本参数 光通量 由于人眼对各种波长的光的视觉灵敏度不同 因此不能直 接使用光源辐射能量来衡量光能的大小 而必须用人眼对光的相对感觉量即光 通量来衡量 光通量是指在单位时间内 波长在 到 之间的可 见光 范围内光源所辐射的总能量 单位是流明 光源的光通量越大 则人眼感 觉 越明亮 比 单位是流明 瓦 发光效率通常简称光效 表征了光源的节能特性 研究中一个重要方面 发光效率 发光效率是指电光源所发出的光通量与它的总输入电功率之 这是衡量现代光源性能的重要指标之一 如何提高电光源光效的研究是电光源 光强 光强是指光源在特定方向每球面度上发射的光通量 单位是坎 德拉 公式表示为 罢 一般来说 光强随着光的发射方向的改变而变 口 化 照度 照度是指受照表面单位面积上的光通量 单位是勒克斯 即流明 平方米 照度是衡量物体表面被光源照亮的程度 公式表示为 掣 矽指光源光通量 盯是指受照物体表面面积 盯 对点光源而言 尉 受照面上某点的照度 和该点至点光源距离 的平方成反比 和光强 及入射角 目 的余弦均成正比即 丝 塑 丢 秒 的基本参数有 允许功耗 两端所允许正向电压与正向电流之积的最大值 最大正向电流 允许加于 两端的最大的正向电流 最大反向电压 允许加于 两端的最大反向电压 一 工作环境温度 发光二极管可正常工作的环境温度范围 此外 还有 结温度 储存温度 焊接时间等参数 下面分别介绍 的伏 安特性 光特性以及温度 特性 上海大学硕士学位论文 伏安特性 由于 的核心是 结 因此 的伏安特性与普通二极管的伏安特性相 同 理论上 二极管的正向电压 与正向电流 的关系式为 型上 灯一 式中 为二极管正向电压 是反向饱和电流 为定值 为电子电荷 为波尔兹曼常数 是热力学温度 常数 近似取 当外加 电压较高 电流 以扩散电流为主时 近似等于 式 的曲线图如图 所 示 嚣 砻 雹 覆懈 籀 辜 藤糍 图 晋通二极管伏安特性曲线 在室温 条件下 塑 在正向电压大于零点几伏时 就有 生 胛分 因此式 可以化简为 厶 朋 式 说明照明 的电流与电压呈指数关系 但指数关系并不适合用等效 模型来描述 对于工作在额定电流附近的 用折线化来近似模拟 的特性 如式 上海大学硕士学位论文 产 伽十 其中 是 的导通电压 是等效内阻 导通电压是由材料 结的内建 势垒电场决定的 一般大功率 的导通电压在 左右 当加在 两 端的 电压小于导通电压时 中几乎没有电流流过 随着外加正向电压增加达到 结内建势垒电场时 可认为正向电流 与正向电压 成指数关系 正向电流急剧 增大 正向电压的较小波动就会导致正向电流的急剧变化 此时电流与电压近似 呈线性关系 光特性 发光二极管的核心是 结 在正向电压下 电子由 区注入 区 空 穴由 区注入 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 因此流动的少子和多子数量越多 发出的光线越强 同时在 结内流 动的少子 和多子数量越多 也说明单位时间内流过 结横截面的电荷数越多 那么流过 的 电流也就越大 因此 的发光亮度基本随流过 的电流正向 变化 控制大功率 的发光亮度 实质是控制它的输出光通量 图 所示为 美 雾 公司 大功率白光 在常温下 相对光通量西与正 向电流 的关系曲线 上海大学硕士学位论文 汇协 一缈 薏面 鼍 墨 乏 柏 氓 一 图 相对光通量西与正向电流 关系 曲 毗 图 中显示的 的发光亮度与正向平均电流大小基本上成正比关系 因 此可以通过控制 的正向电流 来控制其发光亮度 根据图 九如果对 采用恒压源驱动 的微小变化会引起 的较大变化 从而会引起 发光亮度 的 较大变化 若要控制大功率 亮度 驱动器必须提供准确恒定的电流 因此 大功率 适宜采用恒流源驱动 光源最大的优点就是长寿命 各 厂商均声称其 的使用寿命可达 时 但通常 不会完全损坏 而是在其工作 中光输出逐渐减 少 大功率 的相对光输出随时间的变化的一般趋势是 在开始的一段时间内 光 输出衰减较快 随后的一段时间内衰减较慢 但在即将耗尽或发生灾变性失效 阶段 光输 出急剧衰减 在前两个阶段 的光输出随时间的衰减曲线可近似 为如下的指数形式 叫 式中 表示相对光输出 表示衰减系数 是以小时为单位的 点亮时 间 越大 值衰减越快 上海大学硕士学位论文 通常把光输出衰减 所经历的时间定义为发光二极管的寿命 大功率白光 在实际使用过程中各种因素的影响都会引起 寿命的下降 往往达不到 时 影响 寿命的因素包括 制备过程中引入的缺陷 电极材 料 不均 静电影响 封装中各种材料的热膨胀系数失配 以及通过蓝光 激发荧 光粉 方法得到的白光 在工作过程中 由于荧光粉量子效率降低将导致宽谱带 黄光相对峰 值蓝光衰减更快 使得器件色温升高从而影响发光的颜色 的光学稳定性是 一个需要考虑的问题 公司研究中心对基于 的白光 进行了大 量实验 发现其波长和输出光通量受到驱动电流 温度 使 用时间的影响 采用光敏二极 管进行色度检测反馈结合 恒流闭环控制后 白光 输出色差得到明显改善 热特性 的高发光效率是它的最大优点 对于大功率 而言 这个优势更 是明 显 但是 的光提取效率较低 且热量不容易辐射散发 从而导致器件温度过 高 影响 的光通量 寿命以及可靠性 并会导致 发光红移 尤其对于采 用蓝光激 发荧光粉的方式实现白光的方案而言 其中荧光粉对温度特别敏感 最 终会引起波长偏移 造成颜色不纯等一系列问题 相对于一般的 来说 大功 率 的 结上的发热更严重 大功率 的热稳定性问题已成为 照明的一个技术瓶颈 目前 输入 电 功率的约 转变为热 对于目前应用比较成熟的 而言 其热流密度 可达到 这些热量的累积将引起 的温升效应 结温升高直接减 少芯片出射光子 取光效率降低 实验结果表明 室温环境下 温度每升高 光 效下降 时的光输出约是 时的一半 结温升高会导致芯片出射 光线红移 色温质量下降 尤其对于蓝光 激发黄色荧光粉的白色 器件更 为严重 其中荧 光粉的转换效率也会随结温升高而降低 温度升高还会导致光衰 加剧及器件寿命呈指数下 降 随着芯片技术的成熟 单个 的功率可以达到 甚至更高 因此防止 的热量累积就更显重要 的热管理已经成为其 取代常规照明光源的主要瓶颈 目前减小 温升效应的方法主要采用外加各 上海大学硕士学位论文 种冷却模块以提高器件的散热能力 由于 的光输出与其电流成正比 且长期工 作在大电流下有可能导致 失效 而电流不仅受蓄电池电量影响 而且受外界温度影 响 因此从光输出均匀 性 稳定性和 口 靠性角度考虑 高层次 应采用恒 流驱动方式 捌 驱动方式 大功率白光 虽然光效很高 但单个白光 所发出的光通量还不够大 因此用于照明时往往需要将若干 连接在一起使用 多个 的基本连接方式 一般有串联 并联和串并混联三种 根据驱动方式的不同来决定采用哪种连接方 式 连接方式 可以采用串联 并联或串并混联的连接方式 串联方式如图 所 示 串联方式的优点是流过串联支路上各 的电流相同 因此各 的发 光亮 度也会一致 如果其中任意一颗 出现断路故障时 会导致该支路串联 上所有的 都不发光 如果某颗 短路时 在恒流方式下电路没有影响 但在恒压驱动时 其他每个 的正向电压均会因此升高 因此流过的电流增 大 可能会造成损坏 图 串联连接方式 图 并联连接方式 并联方式如图 所示 当采用恒流驱动时 如果某 断开 总电流 不 变 因此流过其他 的电流增大 因此并联方式下不适宜采用恒流驱动 上海大学硕士学位论文 如果某 短路那么其他 将不再发光 若 并联数目较多 那么流过 短 路 的电流会增大到将发生短路支路熔断而将该短路支路断开 最终总恒 定电流分摊 到其他 上 由于并联数目较多 因此影响不大 采用恒压驱动 时若某 断路则对整个电路没有影响 如果某 短路则影响与恒流驱动 方式 下发生短路时相同 所以恒压驱动时应尽量多并联 串联多个 或并联多个 需要电路有较高电压或较高电流 因此可 以考虑混 联方式 将所需电压或电流降到适当水平 混联方式分为先串联后并 联和先并联后串联两种连接方式 这两种连接方式分别如图 和图 所 示 先串联后并联的连接方式是指先将一组 灯串联成串然后将该串灯与其 他串 灯并联起来 先并联后串联的连接方式则是先将一些 并联成一个灯 组 然后将多个灯组串联 心 图 先串联后并联的连接方式 图 先并联后串联的连接方式 先串联后并联的连接方式如图 所示 在恒流驱动方式时 如果某 断路 则该 所在的整串灯都不亮 总恒定电流分摊到其他 灯串上 影响与并联方式在恒流驱动时发生断路的相同 如果某 短路 则该 所在串联支路在少了一个 灯的情况下与其他支路并联 该支路的每个 的 端电压增加 会使该支路上电流增加而影响其他 灯的使用 在恒压驱动 方式下 如 果某串联支路上的某个 发生断路 该串不亮 除该串 灯 以外 对其他 灯没有影响 如果某串联支路上的某个 发生短路 则 同样该串 的每个 灯的端电压增加 该串 会因为电流增加而造成 损坏 先并联后串联的连接方式如图 所示 在恒流驱动方式时 如果某 个 上海大学硕士学位论文 断路 则在该 所在并联分组上电路总电流分摊到其他 上 如果并联 较多则影响不大 如果某个 短路 电流全部从该 灯流过 如果并联 较多则电流较大而最后将此处熔断 最终影响与该 灯断路时相同 在恒压驱 动 方式下 如果某 断路 那么该并联 灯组与其他并联 灯组的 数 目 不同 电路总输出电流减小 分配到每个 上的电流也减小 且流过发生故 障 灯组内各 的电流与其他 灯组内 的电流不同 会造成亮度不 同 如果某 短路 相当于少串联了一串 灯 加到其他 并联串上的电 压升高 电流 因此也升高 会对 造成损坏 因此无论是在串联 并联还是混联的连接方式下 灯的任何故障都有可 能会对其他的 造成影响 所以在设计 的驱动电路 时 应根据驱动方式的 不同选择合理的连接方式 使电路尽量可靠 当个别 断路时 不应该影响其 他 正常工作 当个别 短路时 也不应该影响其他 的正常工作 此外 必要的时候还需要采取适当的保护措施 如在串联方式时在每个 灯两端并联 稳 压二极管 并且稳压二极管的击穿电压大于 的工作电压 使得 断路时 不影响 其他灯继续工作 关于白光 的驱动方式研究有很多 各种驱动方式总结开来分为恒 压和恒 流两种 镇流电阻驱动方式 这种驱动方式的原理图如 所示 图 镇流电阻驱动方式 的工作电流 按下式计算 上海大学硕士学位论文 为流过 的正向电流 为镇流电阻 电源电压 玳 为 两 端与 对应的正向电压 根据 的 曲线来确定产生预期正向电流 所需 要向 施加的电压 哪 与镇流电阻 成反比 当电源电压 玳上升时 能限制 的增长 使 不超出 的工作范围 镇流电阻 上消耗的功率翌掣 电源电压 烈越大 消耗功率越多 通过降低电源电压或增加镇流电阻来降低电阻损耗的方法在一定范围内有效 但镇流 电阻值过大就难以起到稳流作用 其次 正向电压的任何变化都会 引起正向电流 的变化 最终都会导致 电流的变化 这种驱动电路的优点 是电路简单 成本低 但 缺点是电流稳定度不高 效率低 仅适用于小功率 范围 电荷泵升 降压驱动方式 目前 在大量为 设计的驱动芯片中都采用电荷泵方式 电荷泵电路的 主要原理 是在时钟周期的一部分时间内为电容充电 通过电容对电荷的积累效 应储存电能 在一个时钟周期的剩余时间内 利用电容的不同连接方法释放能 量得到不同的输出电压 图 是一个基本的开关电容电荷泵原理图 图 开关电容电荷泵原理图 在开关时钟相位 时 开关 和 关闭 和 断开 输入电压 给 电容 充电 在时钟相位面 和 关闭 和 断开 电容 的下极板被 接到电势 上极板电势 作为输出 根据电容存储电荷不能突变的原理 电容 在时钟相位 内存储的电荷量为 所以在面时刻有 上海大学硕士学位论文 即忻焉 变为 如果输入 也接一个和输出负载电容 同样大小的电容 因此式 麓 式 是 倍压电荷泵电路的基本原理 电荷泵电路的结构形式还有 电荷泵 电荷泵 静态 电荷 泵 交叉耦合式电荷 泵 分数增益电荷泵 各种电荷泵电路的电容拓扑结构不同 实现升 压或降压 的功能 电荷泵驱动电路根据输出方式的不同有电压输出型和电流输出型两种 电压输出型电荷泵驱动电路输出的是恒定电压 如 就 是此 类型的芯片 图 是 的原理图 图 是 的外部连接 图 图 原理图 图 连接图 电荷泵电路通过外接电容的储能将输入电压提升或降低到一个恒定电压 开 关控制和 晶振电路控制电荷泵电路的开关通断周期和占空比 芯片内部的分压电 阻反馈输出电压 运放 将基准电压 岍与输出反馈电压比较 控制电荷泵电路 使输出电压稳定 连接在 和 之间的快速电容器充放电转换电压 电流输出型 电荷泵驱动电路能输出恒定电流 图 是电流输出电荷泵型 上海大学硕士学位论文 驱动芯片 的内部原理简图及外部连接简图 正 正 吐上 暑 铬电旖袋 镜傲 电洫 镜像 电流 镜像 电流 镜像 电流 叮 参考 乜豫 镌虚 挖制 享 上 孓 图 电流输出型电荷泵驱动芯片内部原理图 在图 中 有 路 输出通道 电荷泵处于 倍压方式 端口和电阻 设定每个通道的输出电流值 镜像电流源是 镜像 电 流 为 提供 倍于设定电流值的恒定输出电流 每路 最大输出电流 端口输出电荷泵电压 端口可以调节亮度 对于电荷泵 电路 当输出电压与输入电压成一定倍数关系时 电荷泵电压 转换效率效率可达 以 上 但是效率会随着两者之间的比例关系而变化 有 时效率也低至 以下 对于电压 输出型电荷泵驱动电路 为了防止并联支路 上电流分配不均 每条并联支路上必须使用镇 流电阻 这样会消耗大量的功率 降低效率 因此 电荷泵式驱动电路在大功率 的 照明驱动应用中受到了限 制 开关电源 很多的 驱动电路以及 驱动芯片采用开关电源电路 这种驱动方 式利用电感作为储能器件 为负载提供持续的电流 有 降压型 升 压型 以及 升压 降压型 三种类型 原理图分别如图 所示 上海大学硕士学位论文 前 图 变换 图 交换 图 变换 开关电源电路在一个时间周期 内 控制开关 的接通和关断时间 通过 续流二极管 储能电感 滤波电容 实现 升压或降压功能 图 为用 升压电路驱动 的方式 电路通过调节控制开关管 的占空 比信号将输入 电压升高到足以驱动负载 和 通过分压来采样输出电 压 并反馈至控制 器 在控制器中 与设定电压比较差值 控制器根据差值 调整占空比 稳压输出电压 电阻 采样流过 电流输入控制器中 控制 器根据电流值调整占空比调节输出电流 鼢 图 升压驱动电路 驱动芯片 采用的是 变换电路 输出恒定电流 的原理图及外部应用连接方式如图 所示 上海大学硕士学位论文 图 原理及连接图 采样电阻 和 端电压值控制输出电流大小 运放 检测输出 电 压并与基准电压比较实现过压保护功能 将输出端电流值与设定的输出电 流值比较 通过运放 控制 信号 调节 管的通断时间 从而调节 输出电流 信号的频率 由内部晶振产生 端电压与芯片内 部 电压比较 当电压过低实现自关断 利用开关电源驱动方式时 输出 电压受 占空比和输入电压限制 线性电源 上述所介绍的电荷泵驱动和开关电源驱动都 存在着输出电压或输出电流受 限的缺点 驱动 数量有限 对于应用于照明需要的大 功率白光 数量 较多 要求驱动电路输出有更高功率 更大电流 更高电压 线性稳 压电源是比较早使用的一类直流稳压电源 其优点是 对 源和 负载的变化具有快速的 输出瞬态响应 低输出噪声和纹波 低电流共模噪声 在较低输出功率上非常经济 开关 电源相对于线性电源的优势体现在 功率转 换效率高 一般达到 对于较高功率可 以做的体积小 重量轻 成本低等 但开关电源具有电路复杂 设计困难 噪声大等缺点 最明智的方法是根据要 上海大学硕士学位论文 求 而不是根据电源的工作类型来选择电源 优化设计线性电源或开关电源使 其满足设计要求 本文设计了一种采用线性电源驱动方式的 恒流驱动电 路 上海大学硕士学位论文 第三章 恒流电路的设计 特性测试 为了更全面系统的设计照明控制系统 首先对大功率白光 的伏安特性进 行了研究 本系统选用的大功率白光 是台湾亿光电子公司生产的 白光 灯 型号为 其具体参数如下 在正向电流 时 最大光效 视角 最大正向电 流 额定最大正向电压 最大耗散功率 结到封装的热阻 图 是该 说明书中给出的在 条件下此大功率 白光 的正向伏 安特性 穹 拍 葛 勉 一一 岔乏匕售量乏 臣 瞄 叩 玎孤 田 如 吼 庀 佃 图 触 在一批该型号的 中任选 个 在其两端接上直流电源为其供电 观察流 过 的电流随其端电压的变化关系 供电电源采用安捷伦可编程直流电源 该电源具有 的负载和电源调整率 在电源和负载变动时能保 持稳 定的输出 电源能够设定恒定电压输出还是恒定电流输出 电源的前面板能显示 上海大学硕士学位论文 供电的电压和电流值 图 中曲线显示了当 的正向电压在 之间 时 流过 的正向电流值 喜锄 壤 掣 匠 目 正向电压 图 实际大功率白光 伏安特性曲线 根据图 可以看出电压增加 电流升高达 以上 基本验证 了图 以及式 所给出的关系 即 工作电压的较小波动就会导致工 作 电流的急剧变化 如果工作电压过大甚至可能会导致 结烧坏 所以在设计 驱动电路时必须考虑 这一特性 采用限流电阻或者采用恒流驱动 的实际使用寿命也是需要测量的重要方面 但若要实际测量 的衰减 寿命 需要很长的时间 但我们可以观察 在一段时间内相对光输出的变化情 况 以此观察 的光衰减特性 我们对本系统采用的 白光 的照度在 小时内的变化情况进行了检测 照度计型号为 其性能参数指标如 下 测量范围 准确度 士 是在量程仪器上被测量和显示 的实际值 指满量程 温度特性 士 吲 感光体 光二极体附滤光镜片 取样率 次 秒 操作温度范围 上海大学硕士学位论文 由于 发光面小 且发光的方向性强 可近似认为是点光源 将 灯放置在 黑箱中 使测量结果不受环境光影响 只点亮 个 白光 照 度计的感光体正对 着 灯 两者相距 在室温 下将 连续点亮 小时 每隔半 小时检测一次照度 采用恒定电流 驱动 未点亮 灯时 测得箱子 内照度为 测得 照度在 小时内随时间的变化 趋势 如表 所示 在接通电源点亮时照度值快速下降 因此最初时刻 的照度值是在 灯点亮 分 钟之后测量的 此时照度值已基本稳定 图 是将表 中照度数值用直线连接起 来的图形 表 和图 中 指距离最初 点亮 个半小时后的时间 表 白光 发光照度在 的变化趋势 照度 照度 照度 照度 上海大学硕士学位论文 舵 食 一 瑙 匿 药 时间间隔 图 白光 发光照度连续 的变化曲线 在同样条件下 将大功率白光 连续点亮 小时 测量照度 测量两 次 第一 次每隔半小时测量一次 结果如表 显示 并用图 显示曲线 表 和图 中 指距离最初 点亮 个半 小时后的时间 第 二次是每隔一小时测量一次 结果如表 显示 并用图 显示曲线 表 和图 中 指距离最初 点亮 个小时后的 时间 表 白光 发光亮度在 的变化趋势 照度 照度 照度 照度 上海大学硕士学位论文 舵 食 链 匿 麓 时闻间隔 图 白光 发光照度连续 的变化曲线 表 白光 发光亮度在 的变化趋势 昭 昭 昭 照 度 度 度 度 上海大学硕士学位论文 善 魁 醭 时间间隔 图 白光 发光照度连续 的变化曲线 根据图 可以看出 灯在点亮几个小时后 照度值相对于最初 的 几个小时的照度值均略有下降 但由于测量时间有限此时尚难推断 是否 有明显的光衰 同样 我们针对大功率白光 的发热情况进行了研究 温度测量仪器 选用 公司的 是当代技术最 先进的轻型手持式红外 热成像设备 其主要性能参数如下 检测器类型为 非冷却焦平面阵列 热灵敏度 准确度 士 或 取较大值 温度 范围 至 至 焦距 至无穷远 内部可存储 个图像 通过 辅助软件 可以显示 检查 分析图像和数据 以确定与目 标设备 相关的定量及定性趋势 上海 学硕 学位论文 图 显示了利用 软件分析 热像仪测得温度圈后所得的效 果囤 图 分析的 温度分析图 将 灯用 恒定电流驱动 在室温条件下 连续点亮 时 环境温 度 在自然散热条件下 用热像仪测量 背面的温度分布情况 图 是 在此 条件下测得的 背面温度图 该图已经过 软件分析 根据图 分 析 周围平均环境温度为 灯背面不同区域温度差别很大 最低温 度 虽高 通过分析该 灯的形状得知 图中圆形蓝色温度较 低 区域材料为金属 外圈红色温度较高区域材料为塑料 金属的散热性能较好 且 表面积 较大 因此在自然散热下 与周围空气岛好接触 该区域温度较低 而外 圈的塑料散热性 能较差 但由于堆外部与周围环境的接触 散热较好 因此在此 圆环处 温度呈现从圆环 内向外温度递减的趋势 因此 总体分析 的温度特 性是 最中间区域温度最低 与 环境温度相近 然后从内向外 温度升高 达到 屉外圈后 温度又迅速减少 表 显示 了 白光 在环境温度 自然散热条件下 用恒流 上海大学硕士学位论文 驱动 连续点亮 时 该 灯背面的温度分布情况 每半小时检测一次 表 显示的是 底部的最低到最高温度范围 将表 中各测量时刻的最高温度 用图形表示出来 如图 所示 表 和图 中 指距 离最初 点 亮 个半小时后的时间 表 灯体温度在 的变化 灯体温 度 灯体温 度 灯体温 度 灯体温 度 肚 帖 肌 叽 一一 肌 肚 肚 肌 上海大学硕士学位论文 一 蜊 娲 鹃 时间间隔 图 温 度在 变化 在 点亮时灯体温度迅速上升 因此 时刻的温度是在 灯点亮 分钟 之 后测量 表 中 温度最高达至 在点亮几个小时后 灯体温 度稍有上升 但由于 是在自然通风的情况下 与外界环境散热良好 白光 的 灯体温度没有进一步的明显增加 但在实际应用时发现 如果 灯没有通风 散热而是 紧贴实验板 散热不佳 会导致点亮一段时间后颜色偏移 迅速老 化 大大的降低 了使用寿命 因此 需要良好的散热条件 通过第二章关于大功率 的伏安特性以及发光特性的分析以及以上的 实验 大功率 的驱动方式设计应该采用恒流方式 恒流驱动可以消除由于 正向 电压变化导致的电流变化 产生稳定的发光亮度 我们设计的 灯组使 用了 个 灯 这 个 灯采用先串联后并联的混联形式 即每三个 灯串联组成一串 然后三串 灯并联组成一个 灯组 因此该 灯组 的 额定功率为 每个 灯的最大正向电流为 三串 灯组的 总最大正向电流为 驱动电路的设计目标则是将 交流电转换 上海大学硕士学位论文 为 恒定直流电驱动 灯组 恒流系统整体结构 本电路为 提供的恒流驱动电路采用线性电源方式 输入是 的交流电 输出要求是 的恒流电源 该线性恒流驱动系统的整体结构框图 如图 所示 泓 图 恒流系统整体框图 如图 本系统设计的线性恒流电源驱动电路主要由两部分组成 整流滤 波和恒 流电路 下面分别介绍各子电路 整流滤波电路的设计 驱动电路首先要将 的交流电通过整流滤波电路转换成适当的电 源为恒流电路供电 电源变压器是将 的交流电转换成不同电压供给各负载做电源的多线 圈变压器 选用电源变压器时 要与负载电路相匹配 而且电源变压器应留有 功率裕量 即变压器的 额定输出功率应略大于负载电路的最大功率 变压器的 输出电压应与负载电路供电部分的 交流输入电压相同 整流电路的作用则是将交流电变换成单方向的直流电 整流电路种类 较多 按整流元件的类型 分二极管整流和可控硅整流 按交流电源的相数 分单相 和多 相整流 按流过负载的电流波形 分半波和全波整流 按输出电压相对于 电源变压器次级电压的倍数 又分一倍压 二倍压及多倍压整流等 单相半波 整流电路 单相全波整流电路和单相桥式整流电路的原理图分别如图 所示 上海大学硕士学位论文 棚 到 句 卫 二到 仉 玉 图 单相半波整流电路 图 单相全波整流电路 一 酬 图 单相桥式整流电路 桥式整流电路相较于半波整流电路具有输出电压高 脉动小的优点 相较 于单相全波 整流电路而言 变压器次级无中心抽头 性能最佳 本设计也采用 桥式整流电路 如图 所示 由四个整流二极管 组成 设 为理想二 极管 为纯电阻负载 根据图 交流电经电源变压 器降压后 变为整流所 需要的交流电压值 为变压器副边输出电压的有效值 桥式整流电路的输出电压平均值为 选择桥式整流电路时对整流二极管 的参数要求主要有两项 最 大整流电流 流过每个二极管的电流平均值 上海大学硕士学位论文 警 再考虑到电网电压可能有士 的波动 因此 睾 最大反向工作电压 由图 所示 每个二极管截止时承受的最大反向电压为 再考虑到电网电压可能有 的波动 因此 定 整流电路的输出虽然是单一方向的直流电 但含有较大的谐波成分 脉动 系数大 不能适应大多数电子设备的需要 一般整流电路之后 还需接入滤波 电路以 滤除谐波成分 使脉动的直流电变为比较平滑的直流电 在桥式整流电路的基础上 在输 出端并联一个电容 就构成了电容滤波电 路 电容滤波是通过电容的储能作用 即在 升高时 把部分能量储存起来 在 降低时 又把储存的能量释放出来 从而在 负载 上得到一个比较平滑 的输出电压 降低脉动程度 并且提高了平均值 图 所示桥式整流电路的放电时间常数 桥式整流电路的充电时间常数 亿 整流电路内阻为变压器次级内阻与二极管导通电阻之和 假设为 通常 因此认为充电时间常数近似等于放电时间常数 滤波效果取决于放电 时间常 数 和 越大 就越大 电路的充放电过程就更缓慢 因而输出 电压更平 滑 平均值更高 一般情况下 可按下式计算带负载时的直流输出电 压 即 电容滤波电路有以下特点 捌 上海大学硕士学位论文 适用于负载电路 较小且变化不大的场合 所需电容容量应满足 贬 寺的条件 为电网电压周期 由于增加了电容支路 流过每个二极管的电流比没有并联电容之前增 大 但每个二极管的导通时间反而减小 在二极管导通的短暂时间内 将有很 大的冲 击电流流过 因此在选择整流二极管时必须注意选择最大整流电流 较 大的管子 本设计系统负载支路需要电压 电流 选择适合本系统设计的变压 器 整 流桥及滤波电容 根据设计要求知 因此 户孥 变压器次级电压的有效值 变压器的额定功率 妒 变压器的变功率 电路空载时电容将承受最大电压 再考虑电网电压的波动 则滤波电容耐 压应为 压 压 呲 同时滤波电容容量应满足 寺 取 则有 竺 二如 吃 流过整流桥的最大电流由公式 豢计算 每个整流二极管承受的最大反向电压 因此选取 的电源变压器 的电解电容 整流 桥选择 其参数为平均电流 峰值反压 恒流电路的设计 电路经由整流滤波电路后已变成 左右的直流电 但仍不是恒定电流输 上海大学硕士学位论文 出 本论文设计的恒流电路以集成运放为核心 集成运放 集成运算放大器 简称集成运放或运放 实际上是一个具有高放大倍数的 多级直接耦合放大电路 具有高 输入电阻 高放大倍数及低输出电阻的特点 由于集成运放在电路性能方面具有众多优点 因此被广泛应用于模拟电路的各 个领域之中 勿 集成运放的符号如图 所示 图 集成运放的符号 和 分别为集成运放的同相输入端和反相输入端 是集成运放的输 出端 在 运放应用电路的分析中 为了突出主要问题以及简化分析过程 常常 把集成运放的各项技 术指标理想化 认为其具有下述特性 开环差模增益蚺 差模输入电阻 输出电阻 共模抑制比 毛 上限截止频率 输入失调电压 输入失调电流 和它们的温漂鲁 鲁 均为零 且无任何内部噪声 输入偏置电流 为零 实际上 集成运放的技术指标均为有限值 理想化后必然带来误差 但在 一般的工程 计算中 这些误差都是允许的 而且随着新型运放的不断出现 性 能指标也越来越接近理 想 误差越来越小 只有在进行误差分析的时候 才考 虑实际运放的有限增益 带宽 共 模抑制比 输入电阻和失调因素等带来的影 响 集成运放的应用电路多种多样 但其工作 范围只有两种情况 即线性区或 上海大学硕士学位论文 非线性区 当运放工作在线性区时 运放的输出电压与输入端电压差之间存在线性放 大关系 即 刮 一 对于理想集成运放 为有限值而 因此近似认为 即 由于理想运放的差模输入电阻 且 因此两输 入端电流也 均近似为零 因此理想运放工作在线性区时有以下两个重要的特点 虚短 即认为两输入端电压相等 集成运放的两个输入端 电压无穷接近 但又不是真正短路 虚断 即认为输入端电流等于零 集成运放的两个输入端的 电流趋 于零 但又不是真正断路 对于理想运放 由于 因此当两个输入端 之间存在一个很小的电压 差就会导致集成运放超出线性工作范围进入非线性区 理想运放 工作在非线性 区时有两个特点 当 输出电压等于运放的正向最大输出电压 当 输出电 压等于运放的反向最大输出电压 在非线性区 虽然运放的两个输入端电压不 同 但理想运放的差模输入 电阻 依然存在 因此运放的同相输入端和反向输 入端的电流都等于零 虚 断 的特点依然存在 负反馈放大电路 由于集成运放的开环差模电压增益很大 如果不采取适当 的措施 即使在 输入端加一个很小的电压 也可能使集成运放进入非线性区 为了保证集 成运 放工作在线性区 通常在电路中引入深度负反馈 下面分析一下负反馈放大电 路的原 理 负反馈放大电路的方块图如图 所示 上海大学硕士学位论文 图 负反馈放大电路的方块图 其中 外加输入信号 基本放大电路的输入信号 输出信号 反馈信号 符号 表示比较环节 由图 得出 尸五一巧 定义基本放大电路的放大倍数 圣 反馈系数 生 负反馈放大电路的放大倍数 专 译鲁 毒 考忘 考象 由此得到盼南 聋 当引入负反馈时 因此引入负反馈以后放大电路的放大倍数 是基 上海大学硕士学位论文 本放大电路放大倍数 的再云 通常把 州虹称为反馈深度 当 则称为深度负反馈 严石象 万 此时负反馈放大电路的 放大倍数只决定于反馈系数 与基本放大