LED大功率电源设计方案综合课程设计方案

《综合课程设计》课程报告大功率LＥＤ电源设计姓名：邓晓婿学号:1036０203专业:电子信息工程任课老师:谭家杰成果：衡阳师范高校物电系2０１3年11月2０日摘要LＥD(liｇhｔemittｉｎgdｉode）又称为发光二极管，是一种新型光源，具有高效节能、绿色环保、使用寿命格外长，LED元件的体积格外小，LEＤ的发出的光线能量集中度很高,LＥＤ的发光指向性格外强，ＬED使用低压直流电即可驱动,显色性高（不会对人的眼睛造成损害）等其他光源无法比拟的优点,作为绿色光源产品,国家绿色照明推广使用的产品，代表着将来照明技术的进展方向,本设计主要介绍了以ＳTC８９C52掌握为核心,利用PＷＭ调光技术,通过调整ＰWM的周期，ＰＷM的占空比从而掌握电流，从而达到对ＬED进行光度亮暗的掌握调节的效果，实现对LED的PWＭ的调光掌握，并且采纳恒流驱动方式实现驱动电路,并且提出一种基于恒流驱动芯片PＴ４11５的高效率的大功率LEＤ恒流驱动解决方案。该种驱动电路简洁、高效、成本低，适合当今太阳能产品的市场化进展。。关键词:大功率ＬED；驱动电路；恒流驱动芯片ＰＴ４1１5一、LED主要性能指标：1)ＬED的颜色：目前LＥD的颜色主要有红色，绿色，蓝色，青色,黄色，白色,暖白,琥珀色等其它的颜色；2）LED的电流:一般小功率的LＥD的正向极限电流多在20ｍＡ。但大功率LＥD的功率至少在１Ｗ以上,目前比较常见的有１W、3Ｗ、5W、8W和１0W。１WLED的额定功率为35０ｍA，3WLEＤ的750ｍA。3）LED的正向电压：LEＤ的正极接电源正极,负极接电源负极。一般1W的大功率LED的正向电压为３．5V～3。８V.４）ＬED的反向电压：所允许加的最大反向电压.超过此值,发光二极管可能被击穿损坏LEＤ发光强度：光源在给定方向的单位立体角中放射的光通量定义为光源在该方向的（发）光强(度)，单位为坎德拉(ｃｄ)。5）LＥＤ光通量:光源在单位时间内放射出的光量称为光源的发光通量。单位为流明(ｌm）。如1W大功率LＥＤ的光通量一般为60～80LＭ。6）ＬＥD光照度：1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度.，单位为勒克斯（lx）。７）LEＤ显色性：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性,也就是颜色逼真的程度。8)LED的使用寿命：LED一般可以使用5０,000小时以上。9）LED发光角度：二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来掌握。二、大功率ＬEＤ的驱动方式：ＬＥＤ驱动简洁的来讲就是给ＬED供应正常工作条件（包括电压，电流等条件）的一种电路,也是ＬED能工作必不行少的条件,好的驱动电路还能随时保护ＬEＤ，避开LＥD被损坏.LEＤ驱动通常分为以下三种方式:镇流电阻驱动：就是简洁的的在LＥD的回路中串接电阻,通过调节电阻的阻值,可以转变ＬＥD的驱动电流..LＥD的工作电流为:所以I与镇流电阻Ｒ成反比；当电源电压Ｕ上升时,R能限制I的过量增长，使Ｉ不超出LＥD的允许范围。此电路的优点是简洁，成本低;缺点是电流稳定度不高;电阻发热消耗功率，导致用电效率低,仅适用于小功率LED范围,所以不选这种方案.(2)恒压驱动：就是保持LED两端的电压不变，由于每一种颜色的LED的电压都不一样，所以很少用恒压的方式来驱动ＬEＤ。（3）恒流驱动:顾名思异就是保持LED的电流始终不变，让ＬED在恒定电流的条件下工作。由于大功率LＥD是低电压、大电流的驱动器件，当LED电压变化很少时，电流变化很大。LEＤ发光的强度由流过LED的电流决定,电流过强会引起LEＤ的衰减，电流过弱会影响ＬED的发光强度,因此LED的驱动需要供应恒流电源，以保证大功率ＬEＤ使用的平安性，同时达到抱负的发光强度。如果采纳恒压方式驱动，ＬED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化。由温度或电压变化引起的特定压变,导致正向电流降低,正向电压变化11％会导致更大的正向电流变化，达30%.电流的变化较大，使LED的亮度不能恒定。所以一般都选择恒流驱动IＣ.三、恒流驱动方式电路LEＤ驱动电路除了要满意平安要求外，还应具备两个基本功能:一是尽可能保持恒流特性，又使其在电源电压发生的变动时，仍应能保持输出的电流在的范围内变动;二是应保持较低的自身功耗,这样才能使ＬED的系统效率保持在较高水平。随着更新一代大功率LED所需的驱动电流的增加，要更多的考虑到LED本身和电流驱动电路的散热管理和功耗等问题。本设计框图如下所示:3个1WLED串联3个1WLED串联恒流驱动芯片适配器降压市电(AC220V)适配器降压市电(AC220V)（1)适配器的选择:本设计首先要将高压的沟通电变换成低压的直流恒流源，然后经过驱动芯片输出恒流才能点亮LＥD光源。最经济有效的方法降压和进行交直流变换是使用当今便携式电子产品使用沟通电源的交直流降压变换器—-适配器（Ａdapｔｅｒ）,既经济实惠、又现成、又好用.适配器的输出电压要求稳定在ＤＣ1２V，适配器的输出电流要依据LED的光源的功率来选择，一般要给予30%的余量，1W的白光LED的标准工作电流应为３50ｍA,因而３个ＬEＤ光源串联其电路需要的电流也是３５０mＡ,考虑到延长LＥD寿命和降低光衰，可以设计为３0０mＡ－－3３0ｍA,不会明显的影响ＬＥD发光的亮度，所以适配器的输出电流应选７50mA~1Ａ的.(2）驱动芯片:由于本设计采纳恒流驱动方式，所以驱动芯片可以选择ＰT411５恒流驱动芯片，ＰＴ4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，适合绿色照明LED灯的驱动电路。它具有较宽的直流８V到３0V输入电压范围，击穿电压大于45V,输出2００～1２0０mA恒定直流，可满意驱动点亮1～７颗串联的大功率LED或N颗串并联的小功率ＬEＤ，驱动恒流大小可按应用方案设定..PT41１５采纳频率抖动技术有效地改善EＭI；采纳从满量程向下到零的PWM调光;平安牢靠,调光比可达50０0：１；采纳SOT8９—５的封装，芯片的管芯可通过直接连通到封装外的金属板散热;导热十分有效;PT4１1５内部设置了过温保护功能,以保证系统稳定牢靠的工作。当ＩC芯片温度超出１6０℃,IＣ即会进入过温保护状态并停止电流输出，而当温度低于140℃时，IＣ即会重新恢复至工作状态。PT4１1５可利用模拟调光的原理以及温度对ＬED电流的负反馈实现ＬED灯具动态温度掌握，只要在调光端(DIM端)加一热敏电阻或PＮ结即可.加上整流桥PT41１５可应用于沟通12V、24V供电的LＥＤ灯具.PT4115的工作效率高达97％，是真正的绿色驱动ＩC，ＰT4１15被广泛应用于使用ＬＥD灯的MR11、MR１６、水灯、路灯等各类LEＤ灯具。ＰT4115主要参数如下：ﻫ•输入范围从8V到30Ｖ，击穿电压〉４5Ｖ•输出电流高达１.2A,内置大功率MOＦＥT•效率高达97%•超低的关断电流•±5%输出电流精度•LEＤ开路保护•模拟PWM调光功能选择,高达500０：１的ＰWM调光比•内部含有抖频特性，有效地改善了ＥMＩ恒流驱动芯片ＰT4115的5脚封装的管脚图如右图所示,其管脚描述如下：管脚１:SW,功率开关的漏端；管脚2:GND，信号和功率;管脚３：ＤＩM,开关使能、模拟和ＰWＭ调光端;管脚4：CＳN,电流采样端，采样电阻接在CSN和ＶIN端之间；管脚5：VIN，电源输入端，必须就近接旁路电容。（３)大功率ＬEＤ：可以选择1Ｗ白光LED，其参数如下：•功率:１Wﻫ•光通量：2０－30LＭﻫ•顺向电压：3．5-3．8Vﻫ•额定电流：３50ｍA

•光衰：≤５％每千小时间衰。ﻫ•角度:１20度四、设计电路原理图如下:原理图器件说明：D1～D4组成单相桥式整流电路,将沟通变成直流，即不管Ｕ1输出的是直流还是沟通，经过这个整流桥之后输出的电流总是直流的,给驱动芯片ＰT41１5输入稳定的直流，保证电路正常工作，桥式整流电路二极管常用１N40０７。Ｃ1是滤波电容，把脉冲直流变换成平滑的直流。应选电解电容，型号为１０0uF／２5V。R1是取样电阻，掌握ＰＴ41１５输出电流的大小，它决定恒流源的肯定精度。R1的阻值与负载电流大小有关，一般用下面公式计算:由于负载是3个串联的１ＷLEＤ,额定电流为35０mＡ，则采样电阻R１的大小为：所以R1可以选择阻值约为0.28５7欧姆的金属膜电阻。Ｌ是整流电感,是这个电路中的关键元件，功能是把100KHz的脉冲电流变换成三角波电流,L的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。由于PT4115的设计最佳工作频率在１MHz以下,电感量大了小会影响其工作频率，本方案的电感设计在68ｕH以上,这样系统工作频率可以掌握到1ＭHz以下.电感量小了,工作频率趋高，由于ＰT4115内部电流检测电路响应速度限制,对内部电流正常检测消灭影响,不能更好的实现对内部开关的导通/关断掌握。另外电感量太小还会导致PT411５的SW端烧坏,而无输出。所以此设计中L的电感量应选用6８uH—１00uＨ，Ｑ值大于50，饱和电流大于８０0ｍA的磁路闭合电感器。D５是续流二极管，在晶片内部MOS管处于截止状态时为储存在电感中的电流供应放电回路.由于工作在高频脉冲状态,D5应选用正向压降小，恢复速度快的肖特基二极管。芯片ＰT4１15的DIＭ端可外接PWＭ脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻作帮助温度掌握和自动亮度掌握。由于本设计中不用到调节ＬED灯亮度，故ＤIＭ端悬空。五、ＰＴ4１１５的动态温度调节和过温保护ＰT4１15具有动态温度调节的功能,并且可以在此功能的基础上实现过温保护。动态温度调节的电路图如下左图所示.从图中可见，ＤIＭ端内部是一个1Ｍ的上拉电阻，连接到内部5Ｖ电源上。所以DＩＭ端电压由内部上拉电阻和热敏电阻NTＣ分压决定.从热敏电阻的特性可以知道，温度的变化会影响ＮTC的阻值，进而影响DIM端电压,以实现PＴ4１15的动态温度调节。过温保护的实现从如下右图中可见,相对于左图多了一个三极管，当温度上升时。NＴC电阻的阻值减小,其上的分压也减小,则相应的其下面电阻上的分压上升,当超过三极管的开通电压时，三极管导通，ＤIＭ端接地,关断ＬED电流，当温度降低时，PT41１5重启，因此实现了PT４115的过温保护.六、ＰWM调光原理PＴ4１1５可以采纳PＷM调光措施,当DIM引脚电压低于0。３V时关断ＬEＤ电流，高于2．5V时开启LED电流。PWM调光措施相对于传统的线性调光，不影响LＥＤ的光效。PWＭ调光的基本原理是保持ＬED正向导通电流恒定，而通过掌握电流导通和关断的时间比列，即掌握每个周期电流导通的时间，也保证ＬED发光的色度,本设计采纳单片机ＳTＣ89C52，通过其引脚P０.1输出PWＭ波连接到ＰT４115的DIM端。其调节光暗基本原理电路图如下:七、附录程序#ｉnｃlｕｄｅ＜reg5２.ｈ〉unsｉｇneｄcｈａrcｏｕnt;//0.5mｓ次数标识sｂｉｔpwm＝Ｐ０^1;//ＰWM信号输出sbitｊia=P１＾0;//角度增加按键检测IＯ口sbiｔjａn=Ｐ1＾6；／／角度削减按键检测IＯ口unsignedchａrjd；／/角度标识ｖｏiddelａy（unsignｅdchari）／／延时｛unｓｉgnedchａｒj，ｋ;ｆｏr（ｊ=ｉ;j>０;j－-)fｏr（k=11０；k〉０;ｋ－—）;｝vｏidTiｍｅ0_Ｉnit（)／/定时器初始化｛ﻩTＭOD=0ｘ0１;／/定时器0工作在方式１ﻩＩEﻩ=０x82；ﻩＴH0=0xfｅ;ﻩTL0=0x３３;ﻩ //１1。0５92MＺ晶振，0．５ｍsTR0=１；／/定时器开头｝ｖoidＴｉme0_Iｎt（）interrupｔ1/／中断程序｛ﻩTＨ０=０ｘfe；/／重新赋值ﻩTＬ０＝0ｘ33；if(couｎt＜jd）//推断0.5ｍs次数是否小于角度标识pｗm=１;／／确实小于，PＷM输出高电平ｅlsepｗm＝０;/／大于则输出低电平ｃouｎt=(coｕnｔ+１）;//0.５mｓ次数加1coｕｎｔ=cｏuｎｔ％１0;ﻩﻩﻩ//次数始终保持为40即保持周期为20mｓ}ｖｏidkeysｃan()／/按键扫描｛iｆ(jｉa＝=0)／／角度增加按键是否按下｛deｌay（1０);//按下延时,消抖iｆ(jia＝=0）//确实按下｛jd＋+;//角度标识加1cｏunt＝0；//按键按下则２0ｍs周期从新开头ｉｆ（jd==１1)jd=10;/／已经是180度,则保持wｈｉle（jｉａ=＝0）；//等待按键放开}}if（jan=＝0）/／角度减小按键是否按下｛delay（10）;ｉf(ｊan==0）{ｊd-—;／/角度标识减1couｎｔ＝０;if（jd=＝０）jｄ=0;／／已经是0度，则保持ｗhile（jan==0）；｝｝｝voidｍain(）{jd=７；counｔ＝0;Tiｍｅ0_Ｉnｉt(）；ｗhｉｌｅ（1)｛ｋeysｃａn