色温可变智能LED灯.doc

分类号 学号 M201173012 学校代码 10487 密级 硕士学位论文色温可调节的智能LED照明系统设计学位申请人： 孔 满学科专业： 光学工程指导教师： 吴志浩副教授答辩日期：2013. 1. 10A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringDesign of a Color Temperature tunable Intelligent LED Lighting SystemCandidate:Kong ManMajor:Optical EngineeringSupervisor:Prof. Wu ZhihaoHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P. R. ChinaDecember, 2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密， 在 年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 摘 要由于全球能源短缺和环境污染的加重，节能环保已经成为当今世界发展的主题。高亮度发光二极管(Light Emitting Diode，LED)以其节能、环保、高效、长寿命等优势，成为新一代的绿色照明光源。随着LED照明应用广泛化，LED照明智能化也成为其主要的发展趋势。论文的主题是设计一款色温可调节的智能LED照明系统。该智能LED照明系统可以工作在两种模式：智能模式和红外遥控模式。智能模式可以实现色温随季节的变化而变化和亮度随环境光强的变化而变化。红外遥控模式可以实现无线调光、调色温和情景照明的功能。该智能LED灯由三部分组成：电源部分、光源部分和控制部分。该智能LED灯的电源部分，论文首先分析一种无电解电容的BUCK电路的原理，并基于其原理，利用控制芯片HV9910B设计10W带调光功能的LED驱动电源作为智能LED灯的主电源，利用DD313恒流芯片实现RGB三通道的高亮度的LED恒流驱动。光源部分，论文采用10颗CREE XPE型色温为8000K的高亮度LED灯珠和10颗CREE XPE型色温为2700K的高亮度LED灯珠作为主光源，主光源主要实现室内照明。采用1颗3W RGB LED灯珠作为副光源，副光源主要实现情景照明。控制部分，主要分为控制中心模块、红外遥控模块、实时时间模块、温度采样模块、照度采集模块。关键词： 照明系统 色温 LED驱动 红外遥控 ABSTRACTWith aggressive of the global energy shortage and environmental pollution, energy conservation and environmental protection have become a topic in todays world. High Brightness LED Lamp, with the features of energy saving, high luminous efficiency and long lifetime, is superior to traditional light source. It becomes a new generation of green light source. With the polarization of LED lamp applications,intelligence of LED lighting system has become one of themain development trends.The theme of the paper is to design a color temperature tunable intelligent LED system. The intelligent LED system can work in two modes: intelligent mode and infrared remote control mode. When the LED system works in intelligent mode, it can implement color temperature tuning with change of the seasons; it also can achieve self-adapted brightness adjustment according to the ambient light intensity. When it works in infrared remote control mode, it can realize dimming, color temperature adjustment and lighting mode change with wireless control. The intelligent LED lighting system is divided into three parts: LED driving part, light source part and control part. In the LED driving part, firstly, we analyzed the principle of an electrolytic capacitor-less BUCK circuit. Based on the principle, we design a 10 watt LED driver with a function of PWM dimming by using HV9910B chip. The LED driver is used as the main power source in the LED system. DD313constant currentchip is used to realize constant current drive of the RGBHBLED. In the light source part, we used 20 XPE-type LEDs from CREE Inc.as the main light source,10 of them have a color Temperature of 8000K and the rest of the LEDs have a color temperature of 2700K . The main light source is applied to indoor lighting.one 3watt RGB LED is used for secondary light source, which is applied to realize mode lighting. The control part is mainly divided into four modules, including MCU control module, infrared remote control module, time module, temperature sensor module, intensity sensor module. Key words: Lighting system color temperature LED driver infrared remote control目录摘 要IABSTRACTII目录III1 绪论1.1 电光源的主要参数及分类(1)1.2 LED的发光原理及优势(5)1.3 LED驱动(10)1.4 LED照明发展趋势(14)1.5 论文主要内容(14)2 无电解电容的 LED 驱动电源2.1 引言(16)2.2 无电解电容LED驱动电源的电路拓扑(17)2.3 输入LC电路和输出滤波电路设计(21)2.4 设计方案的选择(23)2.5 无电解电容LED驱动电源的电路设计(26)2.6 小结(29)3 色温可调的智能LED灯的电源研制3.1 引言(30)3.2 10W LED驱动电源的设计(30)3.3 输入保护电路设计(30)3.4 输入和输出滤波电路(33)3.5 主控电路(35)3.6 保护电路(36)3.7 RGB LED驱动电源(37)4 智能照明控制4.1 引言(39)4.2 MCU控制中心及LED控制模块(39)4.2 红外遥控模块(41)4.3 实时时间模块(43)4.4 照度采集模块(44)4.5 温度采集模块(45)4.6 LCD显示模块(45)4.7 功能实现(46)5 总结与展望5.1 课题总结(48)5.2 展望(48)致谢(49)参考文献(50)附录1(53)571 绪论1.1 电光源的主要参数及分类1.1.1 电光源的主要参数电光源是利用电能做功，产生可见光的光源。可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。可见光谱没有精确的范围，一般可见光的波长在400nm到700nm之间。电磁波谱如图1.1所示，可见光在电磁波辐射光谱中只占很少的一部分。由于可见光的波长不同，会引起人眼的颜色感觉不同。随可见光的波长的增加，颜色从紫色开始，按蓝、青、绿、黄、橙、红的顺序逐渐变化。相邻颜色之间没有明显的分界，而是由一种颜色逐渐减少，另一种颜色逐渐增多来过渡。白光是由光谱中多种颜色的光组成。国际照明协会所规定的标准白光为6500K时的黑体辐射，相当于白天的天光1。图1-1 电磁波谱图（1）光通量()光通量就是用来表示光源的辐射功率经过人眼的视见函数影响后的光谱辐射功率大小的物理量。（1-1） 式中：光通量，单位为流明（lm）。K：光敏度、感光度。K为683lm/W。K值是为了光通量的单位与辐射功率的单位得到统一。：波长的光辐射功率。：光的波长V(): 称为人眼相对光谱敏感度曲线，亦作视见函数曲线，是总结了众多针对人眼的测试经验而得到的，它描述了人眼对不同波长的光的反应强弱。如在白天或光线较强的地方，对波长为555nm的黄、绿光最灵敏，即V()为1，波长离555nm越远，V()越低2。（2）发光强度（I）发光强度（Luminous intensity），简称光强，单位为坎德拉（cd），即，定义为：光源在空间某一特定方向上单位立体角内(每球面度)辐射的光通量的空间刻度，称为光源在该方向上的发光强度。定义式为： （1-2）式中：为光通量，为立体角，为方向。 （3）照度(E)照度（illuminance）定义为每单位面积所接收到的光通量。照度的符号为E，单位为勒克斯(1lx=1lux)，即1 lx=1 lm/m2。一些日常的代表性照度：烈日环境下，照度为100000lx,适合阅读环境照度为600lx，适合办公室、教室的环境照度300lx3。（4）亮度(L)亮度（luminance）是表示眼睛从某一方向所看到物体反射光的强度，用符号L表示，单位为尼特（nit）,物理表达式为（1-3） 式为为光通量，为立体角，为给定方向与单位面积元（）法线方向夹角。图1-2 光源基本参数之间的关系图（5）色温（CT）色温(color temperature)是以绝对温度K 来表示，即将标准黑体加热，随温度升高，其颜色开始由深红-浅红 - 橙黄 - 白 - 蓝，逐渐改变。利用这种光的颜色的变化的特性，当电光源发射的光色与黑体在某温度下的颜色相同时，称黑体的这个温度为该光源的色温4。电光源的光谱能量分布与黑体的光谱能量分布很不一致，故采用相关色温（CCT）。光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度下发射的光的颜色最接近时，即称黑体的这个温度就称为该光源的相关色温。如图1.3，随色温升高，光源中蓝光比例增加。图1-3 色温图（6）显色指数（CRI）显色指数（color rendering index），是用来定量的评判光源显色性。光源显色性，是指在该光源照射下，各种颜色物体能给眼睛以原颜色刺激的性能。显示指数是待测光源下的物体颜色与参考光源下的物体颜色相符程度的度量5。（7）发光效率（K）发光效率，指光源所发出的光通量与它所消耗的电功率之比，其单位为1lm/W,通常简称为光效，其表达式为： （1-4）式中：K为发光效率，L为感光通量，R为辐射通量2。光效是衡量电光源的一个重要指标，它表示电光源将电能转换为光能的效率，提高光效是目前电光源研究的一个重要方面。1.1.2 电光源的分类电光源一般可分为照明光源和辐射光源两大类。照明光源是以照明为目的，辐射出可见光谱（波长380780nm）的电光源。辐射光源是能辐射出紫外光谱和红外光谱的电光源，它包括紫外光源、红外光源和非照明用的可见光源。照明光源按工作原理分类，可以分为固体发光光源和气体放电发光光源。其中固体发光光源又分热辐射光源和电致发光光源6。常见的热辐射光源有白炽灯和卤钨灯，而常见的电致发光光源有：LED(Light Emitting diode)和OLED(Organic Light Emitting diode)。气体放电发光光源分为辉光放电灯和弧光放电灯。辉光放电灯有：氖灯和霓虹灯，而弧光放电灯有：荧光灯、钠灯等。当代的照明光源经历了四个阶段，代表性的光源分别为白炽灯、传统型荧光灯、高强度气体放电灯、发光二极管（LED）7。白炽灯(incandescent lamp)是最先出现、依然广泛应用的电光源，其工作原理是：利用电能加热钨丝（即灯丝），使其处于白炽状态，从而实现热辐射发光。灯丝的温度越高，辐射出的光就越强。白炽灯的优点：1.成本低，显色性可达到，适用于室内照明；2.工作电压范围宽，亮度随电压变化而变化，易于亮度调节。其缺点：1.辐射出的能量只有约 10%转化为可见光，其发光效率只有12-24 lm/W；2.灯丝受热挥发，易烧断，寿命通常为1000小时8。传统型荧光灯(fluorescent lamp)是一种低压汞灯，其工作原理是：灯丝被加热时释放电子，使灯管内的汞蒸气受激发而辐射出紫外光。紫外光照射灯管内壁上的白色磷光粉，磷光粉吸收紫外光，并发射出白光。传统荧光灯的优点：1.光效可达到50-120 lm/W；2.荧光灯的寿命通常为 6000-8000 小时。其缺点：1.灯管内含有汞，会造成环境污染；2.易受电磁波干扰及有噪声。高压气体放电灯主要包括水银灯、高压钠灯和金属卤素灯，他们的发光原理基本与传统型荧光灯相同，只是灯具内受激发的气体和内部压强不一样。其中，水银灯（高压汞灯）灯泡内的受激发的气体为汞蒸气，并且内部汞蒸气压强2-15个大气压。水银灯的光效相对较低，显色性较差，但是温度稳定性好，一般寿命为800010000小时，主要应用于道路照明及商用建筑照明。高压钠灯和金属卤素灯都属于弧光放电灯，高压钠灯的光效为60120lm/W，寿命可达到2400小时，但是其显色性Ra只有2025，不适合室内照明。金属卤素灯光效为70110lm/W，显色性Ra为6095，寿命一般为200030000小时，广泛应用于商业照明、车用照明等领域。近年来，由于能源危机和环境污染问题越来越严重，人们致力于开发取代白炽灯和荧光灯的新型照明光源。欧洲专门制定了 COST 五年行动计划，提出新型光源要符合的三个条件：高效、节能、环保9。随着第三代半导体材料氮化镓的技术突破，高亮度发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的问世和产业化带来了照明技术的一场新的革命。它以高效、节能、环保等优点，被认为 21 世纪最有价值的绿色光源，将是成为取代白炽灯和荧光灯照明市场的主导产品10。白炽灯荧光灯高压气体放电灯发光二极管图 1-4 电光源的发展历程1.2 LED的发光原理及优势1.2.1 LED发光原理LED(Light Emitting Diode)，是一种半导体固态冷光源，由-族半导体材料制成。当其PN结两端加上正向电压时，PN结中的电子和空穴发生复合的同时以光子的形式释放出多余的能量。LED发光原理用图1.5中的PN结的能带结构来解释。LED的基本结构是将PN结置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封11。LED结构如图1-6所示。 图1-5 LED发光原理图 图1-6 LED结构图LED的核心部分是PN结，当PN结加正向电压时，P区中的多数载流子空穴与N区中多数载流子电子在空间电荷区复合的同时会把多余的能量以光子的形式释放出来，从而把电能转换为光能。PN结辐射出来的光的波长与构成PN结的半导体材料的带隙宽度直接相关，当半导体材料带隙宽度越宽，其发光光子的能量越高，其波长就越短。1.2.2 LED的基本特性LED是利用半导体材料制成的单极性PN结二极管，属于二极管中的一种，因此它具备了PN结型器件相似的电学特性、光学特性和热学特性。图1-7 LED的I-V曲线图12LED的电学特性，即伏安特性，遵循PN结的伏安特性，不过其伏安特性曲线通常很陡峭。图1-7为CREE XPE型LED灯珠的I-V曲线图，图中可以看出，当LED的正向电压从3V增加到3.25V时，通过LED的正向电流由350mA增加到870mA。因此，我们可以知道当LED正向电压波动8%时，LED的正向电流增大1.5倍。LED的伏安特性曲线也随LED结温变化而变化。从表1-1知，LED的温度系数为-3mV/。因此，当LED结温增加时，LED的I-V曲线将会向左移动。因此，若采用恒压驱动LED，那么随着LED的结温的升高，流过LED的电流就会增大，从而导致结温的继续升高，继而导致LED的电流继续增加，这种恶性循环，会严重减少LED的使用寿命。表1-1 XPE型 LED的特征参数表特征参数典型值单位热阻(Rth)6/W温度系数-3mV/最大结温(Tj)150最大正向电流(IF)1000mALED的光学特性与LED电学特性、热学特性息息相关。从图1-8知：当通过LED的正向电流在500mA以下时，LED的光通量与电流成线性关系，而电流达到500mA以上时，LED的光通量随LED的电流的增加而增加，但是其增长的趋势减缓。从图1-9知：LED的光通量与LED的结温成负相关。当结温升高时，LED的光通量成线性下降。因此，我们可以推测，当LED的电流在500mA以上时，LED本身的散发的热量导致LED结温升高，导致其光通量饱和。图1-8 XPE LED的光通量与电流的关系图1-9 LED的光通量与结温的关系LED的色温也与LED的正向电流息息相关。从图1-10知：当LED正向电流的增大时，LED的色温红移。其主要原因：LED电流的增加导致LED结温的升高。LED结温的升高，LED的发光强度减弱，波长范围会变得更宽。峰值波长的增长，意味着颜色发生红移13。图1-10 LED的色温偏移与电流关系图1.2.3 LED的优势相比于传统照明，LED具有以下优势:（1）光效高从表1-2知：LED的光谱窄，辐射能量主要集中在可见光频段，其光效超过150lm/W。而传统光源可见光所占辐射能量的比例较低，大通常白炽灯、卤钨灯的光效为12-24lm/W，荧光灯为50-70lm/W，钠灯为90-140lm/W。表1-2 不同照明光源的功率转换效率2输入功率转换为:LED白炽灯日光灯金属卤化物灯可见光辐射能量10%12%5%23%27%红外辐射能量090%36%17%紫外辐射能量00019%辐射总能量10%12%95%59%63%热能88%90%5%41%37%（2）寿命长LED属于固体冷光源，在合适的条件下LED的使用寿命可达到10万小时。从表1-3知，最常见的光源代表白炽灯和荧光灯，其最大寿命分别为 2000小时和1万小时。LED的使用寿命远远大于白炽灯和荧光灯的寿命，基本可以比它们的寿命长10倍。表1-3常见照明光源的寿命14照明光源种类寿命（h）白炽灯750-2000卤素灯3000-4000荧光灯8000-10000高压气体放电灯7500-20000LED35000-100000（3）体积小LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，体积小而且重量轻，比传统光源要小巧很多。LED 的这种小型化方便了光源的整体布局，使得光源布局具有较强的设计性，在应用中具有很大的优势。（4）绿色环保LED属于固态照明，无频闪，无红外和紫外辐射，不含汞等可能危害健康的有毒有害物质,不会污染环境。同时由于 LED 能效高，消耗能源少，可以大大减少 CO2的排放量。（5）响应快白炽灯的响应时间为毫秒级, 而LED为纳秒级，几乎没有启动延时，适合用于高频以及色彩动态变换的场合。（6）多变幻LED 的照明可利用红、绿、蓝三基色原理，可以形成不同的光色组合，实现丰富多彩的动态变化效果和成清晰细腻的图像，在背光照明中比传统的照明光源强数倍15。1.3 LED驱动1.3.1 LED驱动的要求图1-11为 CREE公司开发的高亮度XPE型LED在常温下(25)的相对光通量与其正向电流、正向电压的关系曲线。从图中知：LED光通量取决于LED的正向电流的大小，LED的正向电压基本维持恒定值。如果LED采用恒压驱动，那么LED的正向电压稍微波动，流过LED的电流就会急剧增大，从而导致LED的结温的升高，继而导致LED的电流继续增加，从而导致结温的继续升高，这种恶性循环，会严重减少LED的使用寿命。因此，为提高LED的使用寿命，一般采用电流驱动。从图中，我们也可以得到：LED只需要调节LED的正向电流，就可以很好的实现LED光通量的调节。图1-11 LED的光通量与正向电流、正向电压关系图LED 的启动速度快，可以实现快速的开通和关断，因此LED可以采用直流电流或者单向脉动电流进行驱动16。图1-12 给出了在占空比为 0.5、不同频率的方波驱动LED时，LED输出光通量与驱动电流的平均值和频率的关系曲线。图中可以得出：LED 输出光通量只取决于其电流平均值，而与脉动电流的频率基本无关。因此，我们采用脉动电流驱动 LED，调节脉动电流的平均值就实现LED光通量的调节。图1-12 LED输出光通量与脉动电流平均值和频率的关系17由上文知，我们可以通过调节脉动电流的平均值来调节高亮度LED的输出光通量，但是高亮度LED对其驱动电流的最大值有明确限制。图1-13为在25和85下OSRAM公司的LUWW5AM 型高亮度白光LED在不同频率和占空比下所能承受脉动电流的关系曲线。从图中知：在相同的导通时间（TP）下，频率越高，其承受的最大电流越高。如果在环境温度为25的情况下，用1KHz的方波电流驱动LED，在占空比（D）为0.1和0.5时，LED分别可以承受的最大电流为2.6A和1.5A。图1-13 在25和85下 LED能承受脉动电流的最大值18LED 的发光效率为输出光通量与输入功率的比值。LED的光通量只与LED的正向平均电流相关，因此当平均值相同，波形不同的脉动电流驱动LED时，因其有效值不同从而会导致LED的发光效率不同。当LED 输出光通量相同时，直流驱动的LED发光效率最高，正弦半波与之效率相近，PWM 驱动的 LED 光效最低17。因此LED 的使用寿命也受到驱动电流有效值的影响，当正向电流有效值越高，LED热损耗就越大，LED结温就越高，LED的光衰就越严重，寿命就减短19-20。因此，在选择LED驱动时考虑以下几个方面：1.选择直流电流或者单向脉动电流驱动；2.考虑脉动电流平均值的同时保证脉动电流的峰值不超过LED所能承受的最大电流；3.在确定脉动电流平均值的条件下，脉动电流的峰值和有效值越小越好。1.3.2 LED 驱动方式根据供电方式的不同，LED 的驱动方式分为 DC/DC 和 AC/DC 两类。其中 DC/DC 驱动由低压直流或者电池供电，主要用于便携式电子产品及汽车车灯和特种照明场合。AC/DC 驱动电源由110VAC/220VAC供电，多用于景观和通用照明场合。按照拓扑结构的区别，LED照明驱动电路主要有四种：电阻限流型、线性驱动电源、电荷泵变换器和开关变换器21。电阻限流型，在LED支路中串联一个电阻，来限制流过 LED 的电流。如图1-14所示。电阻的大小根据 LED 所需流过的电流大小选择。这种拓扑结构简单，易于实现，存在电源效率不高和严重依赖电路的输入电压。线性控制是通过晶体管调节输出电流，这种方法可以很好地保证恒流输出，但是与电阻限流电路一样，效率很低。如图1-15所示，当输入电压Vin升高时，通过LED电流的增大，采样电阻 Rs上的电压相应增大，导致误差放大器的输出增大，从而导致流过晶体管 Q 的集电极电流增大，进而导致限流电阻上的压降增大，最终使得 LED 两端的电压降低，从而维持LED的电流稳定。图1-14 电阻限流驱动 图1-15 线性控制器驱动 图1-16 电荷泵变换器电荷泵变换器，又称为开关电容变换器，它采用电容储能，将能量从输入端通过电容输送到输出端，其中不需要电感。如图 1-16所示，当 S1和 S2导通、S3和 S4关断时，电容C1储能，C2供能；当 S1和 S2关断、S3和 S4导通时，输入电压Vin和电容 C1串联给输出电容 C2充电，输出电压 Vo=2Vin。当输入电压Vin变化时，输出电压Vo也相应变化，因此该电路无法实现 LED恒流驱动 22。上面的三种LED驱动方式均为传统驱动方式，效率都较低，只适用于低功率照明。开关变换器效率高、控制精准，可以实现宽输入电压的恒流控制和 LED 调光，适用于高亮度 LED照明23。开关变换器通过采样 LED 的驱动电流，与电流基准进行比较，从而控制开关管的占空比，从而实现高效的宽输入电压的恒流驱动。开关变换器可分为隔离型与非隔离型两类，常用的非隔离型开关变换器有 Buck 变换器、Boost 变换器、Buck-Boost 变换器等，如图1-17所示；隔离型的有反激变换器、正激变换器等，如图1-18所示。图1-17 非隔离式开关变换器图1-18 隔离式开关变换器在交流供电场合，LED驱动电源采用AC/DC开关变换器，即将交流电变换为直流电，再实现恒流驱动。如图 1-19和1-20 所示，AC/DC驱动器分为两级驱动电路和单级驱动电路。两级LED驱动电路，先将交流电转换为稳定的直流电，再实现恒流驱动。单级LED驱动电路，将 AC/DC驱动器和恒流驱动电路的合二为一，采用单级驱动LED，如图 1-20 所示。图1-19两级LED驱动电路 图1-20 单级LED驱动电路1.4 LED照明发展趋势（1）智能化智能照明主要利用各种传感器把与照明有关的所需的各种信号采集量化后输入到智能控制模块，然后调节光源输出使之能够得到的合理利用。照明控制方面从最初的手动控制，定时控制、传感器控制，发展到智能调光控制。调光控制也从最初的电位器调光，可控硅调光,发展到采用利用正弦波来进行调光控制。智能照明控制系统不仅实现了照明的自动控制，节约了能源,美化了建筑内外的光环境，而且延长了灯的使用寿命，节约了社会资源。（2）人性化人们生活水平的提高使得人们追求更加舒适的生活，因此设计出能让现代人感到舒适的灯光效果控制设备显得非要有必要。不同的灯光效果会营造出不同的氛围和心情，合理和个性化的灯光效果会使人们的生活变得更加多姿多彩。（3）低成本化LED芯片在半导体照明产品成本中所占的比例过去长期居高不下，由于近年来LED技术的进步，目前芯片价格已经有很大幅度的下降，但半导体照明产品是一个照明系统，其成本不仅仅取决于LED芯片，还包括照明系统构件、部件成本。因此，降低照明系统构件、部件成本的重要性日益凸显。1.5 论文主要内容随着 LED 照明的兴起，对 LED 驱动电源提出了越来越高的要求。本文研究无频闪无电解电容的 LED 驱动电源，在实现功率因数校正的同时，去除驱动电源中的电解电容，实现长寿命，并且保证 LED 恒流驱动，工作时无频闪。第一章绪论总体介绍了电光源的主要参数及分类，LED的发光原理及优势，LED的驱动方式和智能照明的概念。第二章首先阐述除去LED驱动电源中的电解电容的必要性，分析各种无电解电容电源方案，其次详细分析无电解电容的前置LC的BUCK拓扑工作在DCVM模式下的电路参数，最后选用HV9910B作为主控制芯片，实现该电路。第三章着重讨论LED驱动电源的设计过程，包括主电路和反馈控制电路的各个部分的设计过程。第四章叙述了智能控制电路的实现。包括了遥控发射和接收电路，手动控制电路和光照度检测电路，以及继电器控制和接口部分。第五章是对全文工作进行总结，并提出进一步的研究工作展望。2 无电解电容的 LED 驱动电源2.1 引言随着 LED技术的不断发展，LED的应用越来越广泛，因LED的发光品质和整体性能与LED驱动电源密切相关，因此LED驱动电源的要求也越来越高。高稳定性、长寿命、低成本的驱动电源是其发展的方向。LED 驱动电源如图2-1 所示，交流输入端和LED输出端之间需要接入一个储能电容。如图2-2所示，输入电压为交流电和电路的功率因数(Power Factor，PF)为1时，输入功率为波形为正弦平方的波动值， LED驱动采用恒流驱动，因此电路的输出功率是恒定值，因此，LED驱动电源中的大容量的储能电容是用来均衡输入功率和输出功率。该输入储能电容由于需要高耐压值和大容量，因此一般满足两个要求的只有电解电容。但是由于电解电容的寿命一般只有 5,000小时，随着其内部温度的升高，寿命甚至更短24，而 LED的寿命有 100,000 小时，两者之间的工作寿命相差甚远，因此电解电容是限制 LED 驱动电源寿命的关键因素。因此为实现高效、长寿命的LED驱动电源，需要去除LED驱动电源中的电解电容25-27。图2-1 LED驱动电源图 2-2 输入电压、输入电流、输入功率、输出功率和储能电容电压波形对于两级式LED 驱动器，无电解电容的方案：通过提高母线电压，减小了输入电容的容值，从而可以采用金属化聚丙烯膜电容28。但是输入电压的提高会显著增大半导体器件的电压应力，并增大了电路的损耗，从而使电源的效率降低。有文献采用电感储能和薄膜电容储能来均衡波动的输入功率和恒定的输出功率29-30。虽然他们取得了一定的效果，但无源储能元件一般是体积大、重量重，并不适合实际应用。在输入端中注入3次谐波，降低了输入端的功率脉动量，从而减小输入电容的容量31。考虑到IEC1000-3-2中关于谐波抑制对照明设备的要求，对输入功率25W以上的照明设备，最大可注入的3次谐波为0.3 I1PF，其中I1为基波电流，PF为该变换器的功率因数32。在关于照明设备的规定C82.77002中，要求输入功率大于150W的居民用照明设备，其输入电流的THD不应超过20%33。以上标准限制了注入谐波的方法的改进。有文献从输出功率着手，提出使输出电流正比于，则输出功率将近似等于输入功率，则该变换器对输入电容的容量的要求不大34。但由于LED驱动电流的峰均比与LED寿命相关，当LED驱动电流的峰均比过大时会严重影响LED的寿命。文献35采用输入端注入电流和输出端采用波动电流驱动的方法，降低了LED 驱动电流的峰均比。2.2 无电解电容LED驱动电源的电路拓扑本文采用无电解电容LED驱动电源的电路拓扑为对偶型BOOST拓扑，即带LC输入滤波的BUCK拓扑。首先理论分析该拓扑在直流和交流电输入时的工作状况，在结合HV9910B芯片实现对偶型BOOT拓扑的无电解电容的LED驱动电源的设计。2.2.1 电路工作在DCVM当电路工作在DICM（discontinuous inductor current mode）或DCVM（discontinuous capacitor voltage mode）时，电路具有PFC自调节功能。BOOST型电压输出PFC电路工作在DICM模式时，具有很高的功率因子36。利用对偶原理，可将BOOST型电压输出PFC电路转变为BUCK型电流输出PFC电路37。因此，BUCK型电流输出PFC电路工作在DCVM模式时，也具有很高的功率因数，其电路如图2-3。图2-3 直流输入时BUCK电路由于电感Li和L2电感值较大，即可认为在开关周期内流过其的电流Ii和I2保持不变。图2-4 电路工作在DCVM时电路参数波形图电路工作在DCVM模式，则在一个开关周期中，输入功率为 （2-1）其中为开关S的开关周期，为输入电容在一个开关周期内的最大值。其中和分别为（2-2）（2-3）该拓扑中的输入电流为，输出电流为分别为（2-4）(2-5）由（2-2）（2-3）（2-4）（2-5）可以得到：（2-6）（2-7）(2-8）其中，为输出电阻，为开关频率。从（2-8）得到：该拓扑的输入阻抗与输入电压和输入电流无关。当D、fs和RL是常数时，该拓扑的输入阻抗为电阻式的,具有很高的功率因数。将（2-6）代入（2-5）可以得到(2-9）因此，负反馈环将根据（2-9）对输入电压变化和负载变化进行调整，以保证输出稳定。如果下降或者上升，则反馈会相应的增大或减小占空比保持输出稳定。可以看出：当开关占空比和负载为常数时，拓扑输入电压与输出电压成正比关系。2.2.2 输入电压为正弦交流电压时电路工作状况如图2-5，当输入电压为市电时，输入电压ui(t)经整流桥整流后，变成Ui(t)。图2-5交流输入的无电解电容BUCK电路 其中输入电压表达式为： （2-10） （2-11）由于该拓扑具有很高的功率因子，即认为输入电流Ii为 （2-12）其中，TL为市电的周期。由于开关周期TS远远小于市电周期TL，即可认为在开关周期内，输入电压保持不变，则认为 （2-13） （2-14）对进行傅里叶级数展开，可得到： (2-15)其中，则流过LED串的峰值电流与其平均电流的比值为 （2-16）若不对输出电流进行处理，由（2-16）知，流过LED的最大电流与平均电流的比达到1.57，而LED在室温时其电流的峰均比不能超过1.3538，因此会由于流过LED灯珠的电流波动过大而导致LED灯珠损坏。从（2-15）知，流过LED串的电流中含有大量的市电频率的偶数倍波。而这些波主要构成LED电流的波动。我们分析知：市电的2倍频率是影响LED电流波动的主要因素。因此本文采用LC滤波电路，减小2的振幅，从而减小LED的峰值电流。如图2-4，进行LC滤波后，其电流变为，则（2-17）只需考虑内的电流波动，当时，取最大值，即为流过LED串的峰值电流。 （2-18）则流过LED串的峰均比为（2-19）从（2-18）（2-19）知，当m=-1时，取最小值，流过LED串的峰均比也取最最小值，即2的频率的杂波被完全滤除。当时我们知道当把2的频率的杂波被完全滤除时，又会引起导致电源的效率问题的降低。（2-20）从（2-20）知，当m的绝对值越小时，能量损失越少。因此我们需要折中处理，使得m的取值，既使LED串的峰均比小于1.35，也让能量损失减小，提高电源效率。我们假设LED串的峰均比为1.2，留有一定的裕值，使得LED更安全。当LED串的峰均比为1.2时，相应的m为-0.56，为5.6%。2.3 输入LC电路和输出滤波电路设计 2.3.1 输入LC电路设计如图2-5，电路被误解为是以前置LC滤波的buck变换器的方式工作。但实际上，输入电压源与输入电感L1构成近似的电流源，输入电容工作在电容电压非连续模式（DCVM）。对偶变换器都是以电流源为输入的，而实际中我们都采用的是电压源输入。因此我们在输入电压源与对偶变换器之间插入电感，将电压源与电感模拟成电流源，而电感的插入可能会影响功率因数。但是输入电感若满足：1.在市电频率内电感必须足够小而不影响功率因素；2.在开关周期内电感必须足够大而形成电流源时，对对偶BOOST变换器的功率因数影响很小39。输入电感在市电频率内满足： (2-21)输入电感在开关周期内满足： （2-22）当输入电感满足L1满足（2-21）(2-22)时，对偶BOOST型变换器的功率因数影响很小。在对偶BOOST电路中，输入电容Ci工作在DCVM，由（2-2）知： （2-23）从（2-23）知电容两端的电压波动很大。我们在选取电容时因充分考虑其耐压值。输入电容Ci在对偶BOOST电路中主要取储存能量的功能，即在开关S断开时，存储能量，在开关S闭合时，释放出能量，补充到输出电路中。从（2-7）知，在开关周期内，输入电容Ci容量的大小直接决定输入功率的大小。在市电周期内的平均输入功率与输入电容Ci容量的关系为： （2-24）2.3.2 输出滤波电路输出滤波电路有电感L2、Lf、Lo和C2、Cf、C0构成的。其中L2主要实现储存能量。o，C2，C0的供能主要是滤除电路中的开关频率及其倍数次谐波。Lf和Cf构成LC滤波电路，主要滤除电路中的两倍市电频率的谐波。在开关S断开时继续维持功率的输出。则电路需满足：在开关断开时电感L2的存储功率，因为只有输出的能量远小于电感的储存能量时流过电感的电流才会基本保持不变，即 （2-25）则电感L2的电感量取为。由于开关的周期性的开关，会在电路中产生开关频率和其倍数次谐波。电路中加入串联电感Lo、电容C2和Co，实现高频谐波的衰减。经过滤波电路后的谐波电流的衰减比为（2-26）选择在开关频率处的谐波衰减比为0.1，则由式（2-26）知： 上文已经详细分析电路中的两倍市电频率的谐波。图2-6是Lf和Cf构成LC滤波电路与输出并联的简化图，其主要实现两倍市电频率谐波的振幅的衰减。图2-6 LC滤波电路与输出并联简化图则该电路的阻抗Zf为（2-27）式中RLED为输出LED的动态电阻。负载与滤波电路并联，流过负载的电流与输入电流的比值为 （2-28）当输入电流为时，只需要将其振幅衰减到原来的0.56时，就可以实现高电源效率，高的LED安全系数。相应的输入电流与输出电流的比值为0.56，即（2-29）2.4 设计方案的选择 随着半导体的飞速发展，一些半导体器件公司相继推出高效率、低成本、高可靠及高度集成化的芯片。通过对芯片外围电路的设计和优化，从而在中小功率LED电源应用方面，可以实现无电解电容LED驱动电源的方案。本文选用美国超科(SUPERTEX)公司开发的HV9910B非隔离型降压LED驱动芯片。2.4.1 芯片简介(1)特点HV9910B是美国超科(SUPERTEX)公司开发的PWM高效率LED驱动芯片。其可以正常工作的在输入电压范围为8VDC到450VDC。HV9910B芯片通过外接电阻来实现开关频率的设定，其开关频率可达到300KHz。HV9910B采