[硕士论文精品]一种恒流型dcdc大功率led驱动电路的设计

浙江大学硕士学位论文摘要摘要在能源和环境问题日趋严重的今天，以高效、节能、环保以及长寿命为主要特点的大功率照明白光LED获得了人们的重视。随着其性能的提高以及生产成本的下降，大功率照明白光LED将逐步取代白炽灯和荧光灯，引起人类照明史上又一次革命。与此同时，大功率从照明白光LED驱动电路的开发也由于大功率LED的应用的逐渐普及得到了长足的发展。本论文的题目来源于电源公司的合作项目，论文的目的是设计一种市场需求量大的大功率白光LED恒流驱动变换器，要求其在输入电压和负载LED灯串电压即个数在一定范围内变化时，仍具有高恒流精度和控制结构简单、成本低、体积小、效率高等特点。本论文的研究思路和工作内容如下首先，论文对大功率照明LED的特性及发展和白光LED驱动电路的分类进行了介绍。接着分析了DCDC转换电路的原理和控制策略，包括DCDC转换电路的三种拓扑结构的原理分析、两种反馈控制模式和三种控制方式。然后，分析了本论文提出的大功率LED的BUCK型、BOOST型、BUCKBOOST型变换器恒流输出的控制原理和恒流电路实现算法及结构。最后，论文完成了各个单元电路的分析和设计，设计制作了一台用于驱动350MA、LW的白光LEDLUXEONTMSTAR的BUCK型和FLYBACK型LED恒流DCDC驱动变换器，并进行了调试实验和分析了各变量对恒流精度的影响，实验结果验证了本文理论研究和电路实现结构设计结果的正确性。关键词大功率LED；恒流驱动；开关电源；DCDC转换电路浙江大学硕士学位论文摘要ABSTRACTNOWADAYSTHEPROBLEMSOFENERGYSOURCESANDENVIRONMENTBECOMEMOREANDMORESERIOUS，SEMICONDUCTORLIGHTINGHASWONPEOPLESATTENTIONFORITSUNIQUEATTRIBUTESOFLOWENERGYCONSUMPTION，LOWPOLLUTION，LONGLIFEANDHIGHEFFICIENCYASTHEQUALITYOFPOWERLEDIMPROVESANDTHECOSTOFPOWERLEDREDUCE，SEMICONDUCTORLIGHTINGWILLREPLACEINCANDESCENTANDFLUORESCENTLIGHTINGGRADUALLYWITHTHEDEVELOPMENTOFHIGHPOWERLED，THERESEARCHOFITSCONSTANTCURRENTDRIVINGCIRCUITHASALSOBEENGREATLYACCELERATEDTHESUBJECTOFTHEDISSERTATIONORIGINATESFROMACOOPERATIVEPROJECTFUNDEDBYAPOWERSOURCECOMPANYTHEDISSERTATIONAIMSTODESIGNAHIGHPOWERLEDSCONSTANTCURRENTDRIVINGCONVERTERWHICHISHIGHLYDEMANDEDBYTHEMARKETTHEINPUTVOLTAGEANDLOADVOLTAGEOFLEDSSTRINGSIENUMBERSOFLEDSCHANGESWITHINACERTAINRANGE，ITISREQUIREDSTILLHAVINGAHIGHPRECISIONCONSTANTCURRENTANDTHECIRCUITSTRUCTUREISSIMPLE，THECOSTISLOW,ANDTHEEFFICIENCYISHIGHTHERESEARCHCANBESUMMARIZEDASFOLLOWSFIRST，THEFEATURESANDTHEDEVELOPMENTOFHIGHPOWERLEDLIGHTINGANDTHECLASSIFICATIONOFWHITELEDDRIVERCIRCUITSWEREINTRODUCEDTHENTHETHESISANALYZEDTHEPRINCIPLEANDCONTROLSTRATEGYOFTHEDCDCCONVERTERCIRCUITS，INCLUDINGTHEPRINCIPLESANALYSISOFTHETHREECIRCUITTOPOLOGIES，TWOKINDSOFFEEDBACKCONTROLMODESANDTHREEKINDSOFCONTROLMODETHEN，THECONTROLPRINCIPLE，CIRCUITALGORITHMANDCIRCUITSTRUCTURE，BEENPRESENTEDINTHISPAPER,OFCONSTANTCURRENTOUTPUTOFTHEBUCKTYPE，BOOSTTYPE，ANDBUCKBOOSTTYPEHIGHPOWERLEDCONVERTERISANALYZEDFINALLY,THEANALYSISANDDESIGNOFVARIOUSCELLCIRCUITISFINISHEDABUCKTYPEANDAFLYBACKTYPELEDSCONSTANTCURRENTDCDCDRIVINGCONVERTERARESETUPFORDRIVINGSEVERAL350MA，1WLUXEONTMSTAREXPERIMENTSWERECARRIEDOUTANDTHEIMPACTSOFVARIABLESONCONSTANTCURRENTACCURACYWEREANALYZEDTHEEXPERIMENTALRESULTSHAVEAGOODAGREEMENTWITHTHEORETICANALYSISANDCIRCUITSTRUCTUREDESIGN浙江大学硕上学位论文摘要KEYWORDHIGHPOWERLED；CONSTANTCURRENTDRIVER；SWITCHINGMODEPOWERSUPPLY；DCDCCONVERTER浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。学位论文作者签名裴馈签字日期P年月叼日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交奉论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名茹L瓠导师筝名蚧签字日期钿F口年F月叼日签字日期幽，年岁月，2日浙江大学硕十学位论文致谢致谢作者在攻读硕士学位期间，得到了陈辉明教授、王正仕导师和吴新科博士的悉心指导、极大的鼓励和帮助，在此表示非常的感谢，老师们敏锐的洞察力，渊博的知识、严谨和开明的治学态度、一丝不苟的工作作风和先进的管理理念将使我一生受益。感谢实验室的师兄、师弟和师妹们在学J和生活中给予我的大力支持和无私帮助。同时也深深感谢电气工程学院的领导和老师们，谢谢你们辛勤工作为我们创造了良好的学J条件。感谢合作公司各位同仁所给予的无私的帮助和大力指导，同时也感谢公司能给予这次学J的机会。最后，要感谢我的家人，谢谢你们的关心和支持，正是你们的全力支持，才使得我能顺利完成学业。衷心感谢百忙之中抽出时间参加论文评阅和评议的各位专家学者，感谢他们为审阅本文所付出的辛勤劳动。浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状1半导体照明LED驱动电路的发展与现状11大功率照明LED的特性及发展111照明器件的发展史纵观人类照明史的发展，主要经历了光火照明、白炽灯照明、荧光灯照明三大阶段。最近兴起的半导体固体照明被认为是继荧光灯照明之后，人类照明史上的又一次历史性飞越。从本质上讲，照明史的发展就是人类不断提高照明效率的过程。最初的火光照明采用燃烧化学染料的方法来获得人类所需的光源。但由于火光的大部分光谱位于可见光光谱的范围之外，而且燃烧产生的90的能量均转化成了热能，因此光火照明的效率非常低。加上化学燃料的燃烧经常伴随着对环境有污染的气体的产生，人们便开始了寻找和开发发光效率更高的照明器件的历程。白炽灯的发明是人类照明史上的一次重大飞越。首先，它摒弃了传统的化学燃料，而采用电能作为发光驱动能源，因此具有无污染、易输运的优点。其次，虽然其发光频谱大部分还是落在可见光频谱之外，但它的出射光的峰值位于可见光谱的附近，因此发光效率比燃烧发光高得多。一般来说，普通的白炽灯的发光效率为16LMW。第三种照明技术是荧光灯照明，荧光灯利用电能作为驱动能源来激发低压汞蒸气产生波长约为2537NM的窄带紫外出射光，该紫外光照射灯管内壁上的荧光粉，激发它产生占满整个可见光谱的自光。由于荧光灯的出射光波长几乎全部集中在可见光谱的某一窄带范围内，因此其发光效率大大高于白炽灯，一般为85LMW。半导体固体发光器件为近几年兴起的第四代照明器件。它的发光机理为当在半导体发光二极管LED的两端加上正偏的电压时，大量的电子空穴对注入半导体，当电子和空穴在半导体中的某些特殊活性区域中复合时，即产生光子，这些光子的能量和半导体的禁带宽度有关。像荧光灯一样，由于LED的出射光为位于可见光光谱范围内的窄带光，所以看上去是有颜色的。要使它变成接近自然光的白光还需将出射的窄带有色光转化成占满整个可见光光谱的白光。112大功率照明LED的特性1121大功率照明LED的优势随着LED效率的迅速提高、成本的不断下降，LED市场正在由手机的背光源和汽车仪表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景观照明领域向普通白光照明领域扩展。大功率1WLED照明光源N1与传统的白炽灯，荧光灯照明光源相比，有如下优点浙江大学硕十学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状节能大功率LED照明第一个突出的优点就是节能。虽然按一般光效定义的LED的发光效率并不算高，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达到80一90，而白炽灯的可见光转换效率仅为10一20。预计未来大功率LED照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的10一20。光色纯，光线质量好单一颜色LED的光谱狭窄，谱线单一集中在可见光波段。寿命长普通白炽灯和荧光灯的寿命只有1000小时，而大功率LED灯的寿命却可达到10万小时。可靠、耐用大功率照明LED以其特殊的电子结构保证其工作时有良好的稳定性和可靠性，甚至在水下也能长时间稳定地工作。而且它没有传统灯泡的钨丝、玻璃壳等易损部件，维护费用低廉。LED的工作温度范围也很宽，在40。C85之间均能正常工作。应用灵活体积小，便于造型，可做成点、线、面等各种形式。响应快白炽灯的响应时间为毫秒级，而大功率照明LED的开关响应时间为纳秒级，无频闪。因其响应时间短，作汽车灯反应快，可延长刹车的反应时间，故能减少交通事故的发生几率。环保大功率照明LED的工作电压为34伏左右的直流电，因而没有电磁干扰。而且不同于日光灯点亮后会产生汞蒸气及二氧化碳和其它温室气体等污染物，LED产生的废物很少。同时，其荧光粉的用量也仅为普通荧光灯的十分之一，利于稀土资源的可持续利用。控制灵活通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效果。虽然与传统照明光源相比，大功率照明LED有着诸多优势，但目前大功率LED要广泛应用于照明领域还存在以下问题发光效率较低，单管发射功率小，价格昂贵。与现有照明灯具相比，半导体照明要进入普通照明市场还需满足以下基本要求D1首先要求单颗LED浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状有足够大的光通量，这样才能使被照的物体产生足够的亮度。现在单颗LED的光通量是以流明，甚至是以毫流明为单位来量度的。与一般的照明需要千流明甚至更高光通量的要求相距甚远。其次，照明光源不应是单色的，而应是白色的。根据照明场合的不同，光源的色温可高或低，但它们的色度坐标点都应该非常接近黑体辐射的轨迹。另外，它们的光谱特性应保证它们有很好的显色性，能真实再现受照物体自身原有的色彩。这就需要在单色LED的基础上研究，开发白光LED。第三，现在普遍采用的照明光源，如白炽灯、荧光灯和高强度放电HID灯产生光的成本都比较低，大功率照明LED只有大幅度地降低自身的生产成本才有可能与它们竞争。当然，由于LED寿命长，灯具的利用效率高，成本略高于普通光源也还是可以接受的。总而言之，为了实现真正意义上的半导体照明，我们需要研究、开发并生产出光效高、单颗功率大、价格合理的白光LED。1122大功率照明LED的电学、光学特性作为照明光源，我们关心的大功率LED的性能指标主要有亮度、光强、色坐标、色温、显色指数和发光效率。虽然大功率白光LED是当前的研究热点，但是关于其电学、光学特性的报道还很少。下面主要就搜集到的大功率LED的相关电学和光学特性进行了整理。1LED的正向伏安特性图I1不同白光LED的电流一电压特性之间的差异性图11显示的是不同白光LED之间，甚至是从同一产品批次中随即挑选的LED之间的正向电力电压特性的差异1。可以看出，在恒定电压的驱动下，不同LED上流经的正向电流大小不同，导致发出的白光亮度不同，如图中虚线所示。而且，LED正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起LED电流的很大变化，从而导致出射光光强的变化。虽然尚未搜集到有关大功率LED正向伏安特性的直接数据资料，但可以肯定它也存在着类似图11表征的不同LED正向伏安特性之间的离散性。3浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状2光学特性主要包括光通量，出射光的峰值波长等LFJLIL、|；0糟拍鞠时阅MLA|。O1002003L阳400电IIEMA图12光通量与时间关系图13光通量与电流关系光源的光通量是指单位时间内通过4N立体角的可见光能量，它的单位是流明1M。上面两张图分别是光通量与时间以及电流的关系图。首先关于时间特性，随着时间的增长，大功率LED的光通量下降较快，之后逐渐趋于平稳，最后光通量下降了10。其次，在电流与光通量关系图上，可以看出，随着电流的增加，大功率LED的光通量非线性增加，并逐渐趋于饱和。其原因主要是因为随着电流及时间的增大，大功率照明LED芯片内部将温度上升，发生在PN结结区的载流子复合几率下降，造成LED发光效率降低。髫整富罄FFL|O100700300400电蓼EMA图14LED峰值波长与驱动电流的关系图14显示的是大功率LED峰值波长与驱动电流的关系。为了避免时间因素的影响，采用瞬时的恒定电流来驱动大功率LED。可见，随着电流的增加，峰值波长向短波方向偏移。在200MA以下的电流点亮时，峰值波长偏移比较大，而在更大的电流点亮时，峰值波长趋于稳定。4罄踯悸啡S9至嘲赠来拈“”比“量、糍霪宋懈撕撕郴枷弼M浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状3白光LED的温度特性温度对白光LED正向电压的影响LED伏安特性的数学模型可以表示为环VA,R。_ORSX等T25。C虬1其中，V。”卜。是LED的启动电压，R。表示伏安曲线的斜率，I，表示LED的正向电流，T环境温度，V，T是LED正向电压的温度系数，对于大多数LED而言，它的典型值为2V19】O从LED的伏安曲线及数学模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED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LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。温度对白光LED正向电流的影响白光LED的正向电流的大小也是随温度变化而变化的，图15是日亚公司提供的常用自光LED的允许正向电流随温度的变化曲线B1。当环境温度一旦超过50，白光LED的允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LED的老化。40鼍3010O、20柏蜘舯100T图15白光LED正向电流随温度变化曲线5浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状4发光效率与功率之间的特性关系、离、E山16I10OSL1522S3PW图16发光效率与功率之间的特性关系图16给出大功率白光LED功率与发光效率的关系，从图中可以看出，当大功率表白光LED功率大于011W时，发光效率随功率增加开始缓慢减少，随着功率继续增加，发光效率降低的速度也越来越快，在功率为1W时，白光LED的发光效率为131MW。这种现象是在半导体照明中遇到的最大障碍之一，即发光效率与功率不能同时达到最大，但是可以通过分析这种现象产生的原因来尽量克服和减少这一矛盾。主要原因是A在相同的热阻下，功率的增加必然导致芯片温度升高，增加载流子非辐射复合机率，导致辐射复合机率下降，造成发光效率随着功率增加而非下降。B随着功率和电流密度的增加，会出现所谓“电流泄漏”现象，即发生在PN结区的载流子复合几率下降，造成LED发光效率降低。通过设计新型发光层结构，如优化量子阱结构、增加电子反射层、采用量子隧穿结构等，都有可能减少电流泄漏对发光效率的降低。5脉冲工作状态下的LED特性N9】由于正向电流会影响色彩坐标，因此LED白光会随着光强的变化而改变。使色彩坐标不发生移动的调光方案叫做脉宽调制。它能够由绝大多数可以提供使能或者关断控制的电源器件实现。MAXL916就是这样的一款可为白光LED提供可调的脉冲驱动电流的芯片，EN端是可使欠压锁存器、基准源和误差放大器做ONOFF的端子。通过拉低EN端电平禁止器件工作可以将流经LED的泄漏电流限定在1“A，使发射光为零；拉高EN端电平可以管理可控的LED正向电流。如果对EN端施加脉宽调制信号，那么白光LED就会以某种速度作ONOFF，其亮度就与该信号的占空比成正比。6浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状通过改变脉冲电流占空比的方法来调节白光LED的亮度时，由于每个脉冲周期内的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移，但是，肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。人眼无法分辨超过25HZ的频率，因此200300HZ的开关频率是PWM调光的很好选择。更高的频率也会产生问题，在用来切换LED开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化。113大功率照明LED的国内外发展现状与趋势1131大功率照明LED国内外发展现状D卜141对于LED这种将电能转化为光能的发光器件的研究很早就开始了。第一只LED产品是1962年在GE公司做出的。如今，LED照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光LED。高亮度红、黄LED于1993年开始量产。1995年，高亮度蓝色、绿色LED也相继进入量产，使LED的发光波长覆盖从红色到蓝色整个可见光谱范围，而且具有高达30的发光效率。随之而来的白色LED的成功研制，更大大拓展了LED的应用领域，从此开始形成了一个朝阳无限的LED照明产业。我国在高亮度LED这一领域起步较晚，从1993年开始，中科院半导体所、北京大学等单位在国家863计划和自然科学基金的支持下，在相关领域开始了许多研究工作。但目前在材料质量、期间指标等方面与国际先进水平还有很大差距，特别是在半导体用于照明的一些关键性产业技术上还未能攻克。LED产品中技术壁垒最高的是上中游产品的生产，目前窥视这一巨大商机的厂家不少，但由于技术、资金和产业化工艺的限制，国内真正能实现规模化生产的企业屈指可数。目前，LED照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光LED。各国政府均大力扶持白光LED的发展，美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项积极推行，如日本的“21世纪的照明计划”计划将耗费60亿日元推行半导体照明，目标是在2006年用白光LED替代5O的传统照明；美国的“下一代照明计划”时间是从20002010年，计划投资5亿美元；欧盟的“彩虹计划”已在2000年7月启动，通过欧共体的资助推广应用白光LED。美国在LED照明的产业技术开发上一直处于领先地位。由PHILIPSLIGHTING和AGILENT原HP于1998年合资兴办的LUMILEDS是一家致力于功率型白光LED生产和封装研究和开发的公司。该公司拥有多项功率型白光二极管封装发面的专利技术。到目前为止它所生产的1W，3W和5W的LUXEONLED是世界上最亮的白光LED产品，它的白光效率已达到301MW，5W器件的光通量达到120LM。2003年10月美国CREE公司封装出1200LM浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状的白光LED集成灯，发光效率达到32LMW。目前，CREE公司研制的蓝光LED的外量子效率最高达35O,，制作的白光LED流明效率为74LMW，是目前在蓝色金额白色波长的光谱范围内报道的LED发光效率的最高值。日本在功率型高亮度LED的研制与产业化开发方面在国际上处于领先水平，日亚化工、丰田合成和住友电子处于领先地位。日亚公司由于在INGANLED技术和生产白色LED的荧光粉材料上拥有多项专利，在INGAN白色LED芯片供应上一直占有优势地位。目前其研制的LED的效率约为30一40LMW，其2003年5月份报道的紫外光LED，发光波长为365NM，在工作电流为350MA时光效率超过200ROW。SUMITOMO住友电子向美国CREE公司一年内订购了一亿美元的LED合同，这将是CREE一年的全部生产能力，住友很显然是想独霸整个高亮度LED的市场。2003年8月，松下电工开发出亮度达到300LM的白光照明灯具，相当于40W白炽灯的亮度，并于2004年春开始了商业化销售。德国的OSRAM号称刚刚建立了世界上最先进的芯片生产线，将主要用来生产LED和半导体激光器。由于OSRAM是世界上第二大灯泡生产厂商，因此用LED制成新型节能长寿灯是他们的新目标。在台湾，LED相关的公司有几十家，其产能也在迅速的膨胀，已成为世界上最大的LED生产基地。2002年，日本住友和台湾博达共同投资在台湾成立了博友科技，专门从事单芯片ZNSE白光LED芯片的生产。由于看到白色LED在下一代光源新技术应用中的巨大潜力，2002年9月台湾成立了由11家顶级LED公司组成的“下一代光源新技术研发集团”，该组织专注于以白色LED为核心的下一代LED新技术的研发。美国加州大学固态发光及显示中心则寻求白色LED之外的其他解决方案，目前该中心正在进行一项由政府扶持的项目，主要针对下一代照明。该中心力争在2007年前开发出效率为200LMW的白色发光器件。最近，美国加利福尼亚州SANJOSE圣塞荷市、AGILIENT技术实验室公布了一种新的LED试验样品。该实验室利用一种新技术概念，使光效最大可达100LMW。而国内，LMMLMM倒装结构白光LED在标准电流350MH下光通量可达到15LM以E。浙江大学硕七学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状1132大功率照明LED发展趋势图17LUXEON突破HAITZ定律在过去的30多年中，正像HAITZ定律预示的那样，每152年单颗LED的光通量就提高一倍。然而，自大功率型LUXEONLED问世后，光通量增长的速率似乎比以前又有所提高，如图17所示1。LUMILEDS乐观的估计，在今后的三年里，LED的光效每年将增加10LMW，2005年LED的光效将达60LMW。美国光电工业发展协会于2002年制定了半导体固体照明灯在未来几年的发展目标和远景N卯。对半导体照明的各项性能指标，如发光效率、寿命、单灯光通量、性价比以及显色指数等提出了阶段性的目标，在表11中列出。表11半导体固体照明灯的发展目标和远景TECHNOLOGYSSLLEDSSLLEDSSLLEDSSLLEDINCANDEFLUORE2002200720122020SCENTSCENTLUMINOUSEFFICIENCY25751502001685IMWLIFETIMEKHR20201OO100110FLUX1MLAMP252001，0001，5001，2003，400INPUTPOWERWLAMP12767757540LUMENSCOSTKLM2002080809575CRILIGHTINGMARKETSLOWINCANDEFLUOREAL1PENETRATEDFLLAXSTENTSCENT浙江大学硕十学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状表11中显示的是半导体照明LED灯的发展趋势和远景。可以看出，2007年照明LED灯的目标是在市场上能够与白炽灯相抗衡，实现发光效率75LMW，使用寿命超过2万小时，单灯光通量大于200LM，显色指数做到80。2012年照明LED灯的市场定位为占领荧光灯市场，实现发光效率150LMW，使用寿命超过10万小时，单灯光通量大于1000LM，显色指数做到大于80。科学家预测，按照目前的技术水平和发展趋势，半导体照明普通市场开始启动的时间大约会在2006年前后，在未来的5至1O年，这种灯泡很可能逐渐成为下一代照明的主流产品，其主要应用领域包括1大屏幕显示、车灯、交通灯、景观灯等领域，高亮度蓝光二极管LED已解决了发光二极管的三原色的缺色问题，因此彻底解决大屏幕全彩色显示问题。高亮度发光二极管几年来主要应用于大屏幕彩色显示，汽车尾灯、交通信号灯、多媒体显像和手机及小屏幕LCD背光源等领域。2普通照明，替代日光灯和白炽灯。高亮度蓝光二极管的出现，不仅仅是丰富了色彩，有了红橙黄绿青蓝紫全彩，更为重要的意义是由此产生了白光半导体灯。目前，世界上生产蓝光二极管的半导体公司纷纷和老牌灯泡制造商结盟，抢占这个可以说是未来最大的照明市场。可见半导体灯已对传统的白炽灯发起了挑战，一个全新的半导体照明灯时代即将来临。12白光LED驱动电路的分类121概述采用恒流而非恒压驱动方式对作为显示或照明用的白光LED进行驱动主要基于以下两方面原因1为获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性由1122节中所述的LED正向压降的离散型可知，若用相同的正向电压驱动不同的LED，相应的正向电流的差异将会很大，从而无法确保各个LED亮度、色度的一致性幢们。2为避免驱动电流超出最大额定值，影响白光LED的可靠性为保证可靠性，驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求。但从图15可以看出当环境温度升高时所允许的额定电流会降低“副。通常，当温度由25升高至85时，额定电流由30MH下降至6MH。若采用恒压驱动方式，LED正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起正向电流的很大变化，从而有可能导致其超过额定电流。基于以上两点原因不难得出这样的结论用恒压方式驱动白色LED方案可靠性较差，为使多只白光LED具有匹配的亮度和色度，应选用恒流驱动方式来可靠地驱动它们幢11。10浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状122按LED连接方式分类LED发光强度与通过二极管的电流成正比，有几种方法可以使多个LED的发光强度达到近似的匹配1，一种是将每条支路上的LED与稳压源并联配置，一种是将所有的二极管串联配置，但在个别情况下，也可采用混合的并联串联配置方式，使通过每个二极管的电流都相同。并联配置偏向于采用一个稳流源而不是一个电阻，因为即使对于相同的偏置条件，二极管的正向电压V，的变化可达20，这对于光强度有直接的影响，用户可以察觉得到。串联配置则消除了这个问题，但需要一个高压升压变换器。并联配置的主要优点在于其可以使用低压工艺，但缺点是每个二极管需要独立的电流源管脚，增加了封装的管脚数量和相应的PCB焊盘。在设计集成电路时也需要小心，实现每个电流源的紧密匹配。许多第一代手机设计使用基于电容电荷泵方案的并联二极管配置，或者分数15、倍数2或混合152架构。这对设计师具有吸引力，因为外接电容需要的空间比电感需要的空间少。但是，这个方法的总体系统效率较低，仅在47一80之间取决于锂离子电池的电压。作为参考点，基于电感升压的串联配置解决方案可以在相同的工作电压范围内轻易实现75一85的效率。总之，对串联、并联或混联的应用没有绝对的答案，设计人员应根据特定应用的需要选择合适的LED配置，以获得最佳的性价比B1。1串联驱动由于LED亮度几乎完全由电流控制，因此，只要使用相同或匹配的电流，各个LED即可获得相同的亮度。图18为串行连接的LED，并使用反馈电阻器来控制LED电流。图18串联驱动方式11浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状LED的正向电压各有不同，LED的串联可保证流经各LED的电流相同，即使得全部LED的亮度都是一致的。2并联驱动在电源电压较为有限的应用场合，多个LED只能以并联方式工作。图19所示为并行连接的LED。这些并联模式的恒流驱动芯片使用限流电阻来检测LED电流。电流可以利用反馈连接至LED的限流电阻进行调节一通常是配置中的第一个LED，余下LED的限流电阻器会与第一个LED的电流进行匹配。由于LED之间的正向电压各不相同，因此各LED之间存在着正向电流的匹配度问题。CFLY图19并联驱动方式值得一提的是，LED驱动器供应商经常吹捧LED电流匹配精确性在03至5之间的差异，以及其供应的驱动器正处于这水平内。实际上，人眼根本察觉不到LED之间如此小的亮度差别。虽然电流匹配的精确性在5或以下是最好的，但在5以下任何精度之间的差别都只是细微至不能察觉。3混联驱动图110混联驱动方式12浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状混联是指混合的串联并联的驱动方式，如图11O所示。在驱动数量较多的LED时宜采用混联的驱动方式。例如假设需要以同样电流驱动12个白光LED，据搜集到的驱动芯片资料，MAXL948是目前市场能并联驱动LED数量最多的一款芯片，但最多也只能驱动8个LED；若采用串联驱动方式，则需要40V以上的电压来驱动12个LED组成的LED串，这个高电压需求使得串联驱动器被剔出理想解决方案之列。而混合的串联并联LED驱动方式能够满足要求。将12个LED分为两串，每个LED串串联6个LED，从而满足驱动12个LED的要求。如图110所示。此外，这种配置所需的外部元件最少，因为成为最佳的驱动数量较多LED的设计方案。表12将并联和串联驱动方式各自的优缺点进行了对比总结。表I2并联和串联的驱动方式比较并联驱动串联驱动低驱动电压高驱动电压通常高于16V低或无辐射EMI，低噪音高辐射EMI，高噪音LED拓扑不具备相同的电流LED拓扑具有固有的恒定电流需要LED正向电压分档筛选预挑选需要LED正向电压分档筛选预挑选开关式电容DCOC转换器，无需电感DCDC升压转换器，需要电感容错设计，当一个LED失效，其它的无容错设计，当一个LED失效，其它LED仍会发亮的LED都不会发亮LED至PCB或显示器连接器上的连接有仅有两个LED串的连接头多个接头独立的LED亮度控制所有LED都有相同的亮度水平I23按大功率LED驱动方式分类大功率LED恒流驱动常用方法有电阻限流、线性控制调节、充电泵升压、开关变换器控制等。下面对现有的各种控制方法进行简要的介绍H1引。123I电阻限流电路如图111所示，电阻限流电路控制方式是根据LED的IV曲线来确定预期的正向电流所需要的电压，通过一个串联电阻来控制LED的电流。浙江大学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状7图111电阻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LED电流的变化，从而影响光通量输出；限流电阻上会消耗大量的功率而使得整个系统效率不高；当这种调光方式在对白光LED等进行亮度调节时，会使LED发出的白光颜色发生偏移，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。1232新型控制电路线性控制是把工作于线性区的功率管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。并联型线性调节器又称为分流调节器，它采用功率管与LED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，。，如图112A所示。当输入电压增大时，流过LED上的电流增加，反馈电压增大使得功率管Q，的动态电阻减少，流过Q。的电流将会增大，这样就增大了限流电阻R。上的压降，从而使得LED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LED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LED上的电压电流恒定，如图112B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MOSFET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。14浙江大学硕十学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状B图112并联型线性控制器和串联型线性控制器图113充电泵升压变换器1233充电泵升压电路充电泵升压变换器又称为开关电容升压控制器。他利用分立电容将电能从输入端传送到输出端，整个电路不需任何电感。电荷泵变换器设计比较简单，只需根据元件规格来挑选适合的电容。但它的主要缺点是只能提供有限的输出电压范围，大多数充电泵电路的输出电压增益为输入电压的1，32，或2倍。若要驱动多个LED时，必须采用并联驱动方式。此时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，整个系统的效率就会降低。1234开关变换电路开关电源作为能量变换中效率最高的一种方式，特别适用于大功率LED的亮度控制。与传统的电压型BUCK，BOOST，BUCKBOOST，BOOSTBUCKCUK变换器不同的是大功率LED的驱动电路的反馈量是流过LED的电流信号而不是输出电压信号，以此来满足LED的恒流驱动要求。下面详细介绍适用于大功率LED驱动的四种基本的开关变换电路。浙江火学硕士学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状1BUCK型变换电路BUCK型大功率LED驱动变换器电路与传统的BUCK变换器电路在结构有所不同。由于要控制LED的电流，通常在开关管S后面串入电流检测电阻R。图114所示是峰值电流控制BUCK型大功率LED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LED的峰值电流来调节LED的亮度，整个控制电路结构比较简单。V轴VREF图114BUCK型大功率LED驱动电路图115BOOST型大功率LED驱动电路2BOOST型变换电路BOOST型大功率LED驱动变换器电路与传统的BOOST变换器结构基本相似，但由于需要恒流输出，所以这里只采用LED负载的反馈电流信号。图115所示电路是恒定频率、电流模式调节控制的BOOST型大功率LED驱动电路。由于输出电容通常取得较小，LED上的电流会出现断续。通过调节电流峰值和占空比来控制LED的平均电流。】6浙江大学硕十学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状3BUCKBOOST变换电路与传统的BUCKBOOST变换器相比，用于大功率LED驱动的BUCKBOOST型变换器电路是将开关管移至输入电压的负端，从而使得开关管的驱动更加简单，如图116所示。通过控制LED的峰值电流及其导通占空比，来调节LED的平均电流，以达到LED亮度调节的目的。图116BUCKBOOST型大功率LED驱动电路图117CUK型大功率LED驱动电路4BOOSTBUCKCUK变换电路BOOSTBUCKCUK型大功率LED驱动变换器与传统的CUK变换器也基本相似，只是这里对输出电流进行控制，输出侧的电容省略掉，LED直接与输出侧电感串联。如图117所示电路采用滞环电流模式控制技术，对输入及输出电流进行调节。通过设置输出侧电流检测电阻的阻值就可以确定流过LED的平均电流，从而调节其亮度。17浙江大学硕J学位论文半导体照明LED驱动电路的发展与现状13本论文的主要工作本课题是与一家电源公司合作，要求设计一个高效降压电路，它以恒定电流驱动多个串并联的大功率白色LED每颗350MA，LW，为路灯和其他照明设备提供驱动。这个配置无需光耦等隔离放大电路和昂贵的工厂校准过程。该控制电路结构简单、成本低、效率高；无需输出采样电阻和隔离电流信号采样，特别适合于高压应用场合。作者主要完成的是主电路、压控电流源电路、基准电容电路、开关管控制电路几个子模块的设计与样机调试，并将该控制方法推广到升压电路和隔离电路的恒流控制方法中。本文的工作安排如下第一章半导体照明LED驱动电路的发展与现状。首先介绍大功率照明LED的特性及发展，其次介绍白光LED驱动电路的分类，最后介绍本论文所要达到的目标，并对本文的章节进行安排。第二章DCDC转换电路的原理和控制策略分析。介绍DCDC转换电路三种拓扑结构的原理分析；介绍DCDC变换器的两种反馈控制模式包括电压反馈控制模式和电流反馈控制模式；介绍DCDC变换器的三种控制方式即PWM、PFM和PWMPFM混合控制。第三章大功率LED的DCDC驱动电路分析。首先对BUCK型变换器恒流输出控制原理和恒流电路实现算法及结构做了介绍，然后推广到BOOST型变换器恒流输出控制原理和恒流电路实现算法及结构，最后介绍了BUCKBOOST型变换器恒流输出控制原理和恒流电路实现算法及结构。第四章对大功率LED的BUCK型、FLYBACK型恒流输出变换器进行了电路设计和调试实验研究。主要给出本作者所完成的整体电路设计，这部分试验结果和本文的几个电路模块以及实现恒流控制功能密切相关。第五章结论，总结本文所设计电路的特点和下一步的工作。浙江大学硕士学位论文DCDC转换电路的原理和控制策略分析2DCDC转换电路的原理和控制策略分析21DCDC转换电路三种拓扑结构的原理分析DCDC转换电路有三种基本拓扑结构，即降压型BUCK变换器、升压型BOOST变换器和升降压型BUCKBOOST变换器，其它变换器类型都是由BUCK变换器和BOOST变换器组合演变而成。这三种DCDC转换电路可以采用电流反馈模式和电压反馈模式两种反馈环路结构，各种转换电路的控制方式根据电路要求和实际应用要求可选取PWM、PFM和PWIVIPFM三种控制方式。在DCDC转换电路中，即使输入电压与负载有变动，但变换器的直流输出电压可通过内部电路控制为所期望的电压。开关型DCDC变换器是采用一个或多个功率开关管把一种直流电压变换为另一种直流电压。如果变换器的输入直流电压给定，则可以通过控制开关管的开关时间或占空比来控制直流输出电压。开关型DCDC变换器的基本电路及波形图如图21所示阻引。图21中，T。和T州分别为开关的导通和关断时间，输出的平均电压V。大小取决于通断时间T。和T。VO图21开关型DCDC变换器的基本电路及波形图211降压型BUCK变换器降压型交换器又称为串联开关即晶体管T与DC电源V。串联稳压电源，或称为三端开关型降压稳压器。图22是BUCK变换器典型原理图聃1。图22BUCK变换器电路原理图19RLIO浙江大学硕士学位论文DCDC转换电路的原理和控制策略分析当图22中晶体管T导通OIL时，在电感线圈未饱和前，电源给电感持续充电，电流线性增加，即有DIDTV。L。当电感电流I。等于电源电流I。大于输出负载电流I。时，电源通过电感给电容充电，此时二极管承受反向电压。当图22中晶体管T关断OFF后，电感线圈L两端的电压极性反相，以保持其电流I。不变，负载R两端电压仍是上正下负。当I。0，而晶体管关断时I。O，故I。是脉动的，但输出电流I。在L、D、C作用下却是连续、平稳的乜劓。图23为在电感电流连续和不连续两种模式下BUCK变换器电路各点的波形图，电感电流为晶体管和二极管的电流之和们D。V，VLILLII磅一I多一一，QF、；Z【一一LT以八彳二卜一爸二JRLVQVUVOA电感电流连续B电感电流不连续图23BUCK变换器两种工作模式下波形图212升压型BOOST变换器升压型BOOST变换器又称为并联型晶体管Q，与电源V。并联开关电路，或称为三端开关型升压稳压器。图24是BOOST变换器电路典型的原理图幢91。20O高O宅。OKO；。OJ。池OOKOU。浙江大学硕上学位论文DCDC转换电路的原理和控制策略分析VD1。L7P1RJKLBCJ童Q1一V。1L一，DTT二_V祭R图24BOOST变换器电路原理图当图24中晶体管Q。导通时，电源给电感线圈L充电，在电感线圈未饱和之前电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈L中。由于开关管导通，二极管阳极与V。负极相连，二极管承受反向电压，此时电容C向负载R放电。当图24中晶体管Q，关断时，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性以保持I。不变，这样线圈L磁能转化成的电压V。与电源V。串联，以高于V。电压向电容C、负载R供电。V。高于V。时，电感向电容充电；V。等于V。时，充电电流为零；当V。有降低趋势时，电容向负载R放电，维持V。不变。由于V。V。向负载R供电时，V。高于V。，故称为升压变换器。工作中输入电流I。I。是连续的，但流经二极管D。电流是脉动的。由于有C的存在，负载R上仍具有稳定连续的负载电流I。图25为在电感电流连续和不连续两种模式下BOOST变换器电路各点的波形”鲥。电感电流连续模式下，电感储存的能量在晶体管关断后并未完全释放给负载，电感两端电压为电源电压与输出电压之差；而电感电流不连续模式下，电感储存的能量在晶体管关断后完全释放传递到负载，当电感的能量释放完后，电感两端的电压变为零。浙江大学硕士学位论文ICDC转换电路的原理和控制策略分析ILI。一V。A电感电流连续B电感电流不连续图25BOOST变换器两种工作模式下波形图213升降压型BUCKBOOST变换器升降压型BUCKBOOST变换器又称为反号变换器，它是在BUCK变换器后串接一个BOOST变换器再简化而成。将图26的BUCKBOOST与图24的BOOST比较，就会发现两图中开关管和电感换了位置，且二极管的连接方式也相反。当图26中晶体管T导通时，电源向电感充电，由于L上电压等于电源电压V。恒定，所以电感充电电流关系式为DI。DTV。L，L储存能量，二极管D阴极电压为V。假设T导通压降为零，且此时C电压为某一负值，二极管反偏截止。经过导通时间T。，电感L的电流达到I，V。车T。L。当晶体管T关断时，I。有减少趋势，电感线圈产生方向为下正上负的自感电势，所以关断瞬间，与T关断时相同的电流I，流过C和D，电感向负载放电电流关系式为DI