【正文】 .............................................................................................. 25 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 28 致 謝 ........................................................................................................................ 29 6 第 1章 LED 路燈概述 LED 路燈的發(fā)展前景 LED 是一個(gè)非常實(shí)用的新產(chǎn)品，現(xiàn)在是科學(xué)家聚焦的一個(gè)熱點(diǎn)。像 LED 路燈， LED 驅(qū)動(dòng)電源， LED 照明家用產(chǎn)品等等都得到了非?？焖俚陌l(fā)展。下面我們來說說 LED 路燈。 如果要做 LED 路燈，那就要實(shí)事求是。 LED 光源不能匆匆應(yīng)用到路燈照明有幾個(gè)因素：第一個(gè)就是 LED 發(fā) 展還不久發(fā)展還不是很成熟。第二就是 LED 的性能指標(biāo)還不能達(dá)到路燈照明的要求。第三個(gè)就是 LED 還沒有一個(gè)比較完善的智能控制電路，可靠性太低。第四個(gè)就是 LED 的成本還比較高，目前還不能大范圍的推廣。第五就是 LED 還沒有一個(gè)國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)公司的產(chǎn)品不能進(jìn)行相互之間的調(diào)換，維修比較困難，成本比較高。對(duì)于 LED 有三個(gè)實(shí)事求是的評(píng)價(jià)：第一個(gè)就是 LED 是一種很有前途的光源，第二就是 LED 在顯示照明方面已經(jīng)顯現(xiàn)出它的優(yōu)越性，而且還要在其他方面發(fā)出強(qiáng)勁的勢(shì)頭。第三就是對(duì)于大功率 LED 燈的宣傳一定要謹(jǐn)慎，不能過于夸張，我 們要把我們的能量集中在 LED路燈系統(tǒng)的研發(fā)工作上面。 LED 路燈并不是一件很容易的事情。 LED 路燈有幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，分別是效率、光型、光衰、壽命?，F(xiàn)在 LED 發(fā)展也不是一帆風(fēng)順，它也存在著許多的難點(diǎn)：第一個(gè)就是 LED 路燈的成本還比較高。第二就是一些部門的思維太過于固執(zhí)，還缺乏一些關(guān)于 LED 了燈的配套的措施與政策，大家對(duì)于 LED 的認(rèn)識(shí)有一個(gè)漸漸的過程，這其中包括一些科學(xué)家的認(rèn)識(shí)也是經(jīng)歷從無到有的過程。展望未來，我們對(duì)于 LED 路燈的發(fā)展前景還是挺有信心的。當(dāng)然這需要我們對(duì)于科研孜孜不倦的追求。 LED 驅(qū)動(dòng)電源特點(diǎn)及介紹 驅(qū)動(dòng)電源是 LED 路燈中很重要的一部分，它的發(fā)展歷程將是 LED 行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。它的性能主要有以下幾個(gè)方面： 第一， 高性能的驅(qū)動(dòng)電源就會(huì)給整個(gè) LED 帶來很高的效率，而效率的提高 能夠節(jié)省我們國家的能源，這正是我們國家急需解決的問題。 第二， 高性能的驅(qū)動(dòng)電源對(duì) LED 路燈發(fā)光環(huán)境有一定的幫助，給 LED 燈提 供一個(gè)很好的熱環(huán)境，不僅能提高驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命，而且也能降低 LED 路燈的光衰，從而很大程度上提高 LED 路燈的壽命，以至于達(dá)到各方面性能的要求。 第三， 因?yàn)轵?qū)動(dòng)電源的性能比較好，靈敏度非常高，所以能夠 改變 LED 燈的工作方式，使它滿足各種照明的需求，所以可以根據(jù)環(huán)境的不同、時(shí)間的不 7 同，實(shí)時(shí)的改變驅(qū)動(dòng)電源燈電流輸出。 因?yàn)?LED 是由半導(dǎo)體元件構(gòu)成的，所以它的靈敏度非常的高，而且有負(fù)溫度特性，所以在使用的過程中需要穩(wěn)定 LED 的工作狀態(tài)和對(duì)其保護(hù)，因此產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)這一概念。 LED 元件對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的技術(shù)要求非常的嚴(yán)格。 LED 路燈不想普通家用的白熾燈可以直接接到家用 220V 的電源上， LED 是低電壓驅(qū)動(dòng)的，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的電壓變換器不同功能的： LED 燈，我們需要配備不同電源適配器，就像手機(jī)的充電器一樣，不同的手機(jī)就需要 不同的適配器。在國際的市場(chǎng)上對(duì)于 LED的驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)化效率，有效功率，電源的使用壽命，恒流的精度，電磁兼容性的要求也是非常高的。如果我們需要一款非常好的電源，那我們就必須考慮各個(gè)方面的因素。這時(shí)應(yīng)為電源在整個(gè) LED 路燈智能控制系統(tǒng)中相當(dāng)與人們的心臟。但是在如今市場(chǎng)非常發(fā)達(dá)的情況下， LED 產(chǎn)品非常的多，質(zhì)量也沒有一個(gè)保證。因此目前我們主要面臨如下幾個(gè)挑戰(zhàn)： 第一個(gè)就是驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命。傳統(tǒng)的恒壓電源會(huì)導(dǎo)致 LED 的光衰加大，壽命就會(huì)減小。 LED 燈和一般二級(jí)管有很大的不同就是它們的溫度特性不同。 LED燈沒有采用 硅材料，它們采用的是非常特殊的材料。大功率 LED 燈的工作電流非常大，并且 LED 燈的發(fā)光效率還比較低。因此的、一大部分的輸入電功率都是轉(zhuǎn)化為熱。所以 LED 燈的發(fā)熱很高，如果散熱器的達(dá)不到要求的話，結(jié)溫就會(huì)升的非常高。 第二就是工作效率不高。當(dāng)要驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)其他沒有輸出的功率都會(huì)以熱量的形式散發(fā)出去，這就造成了能量的浪費(fèi)，電源的轉(zhuǎn)換效率很低造成了 LED 路燈的節(jié)能效果達(dá)不到原來設(shè)計(jì)的要求。 第三就是要在恒流電源的輸出中楊總增加 LED 溫度的負(fù)反饋，這樣可以防止LED 燈的溫度過高，以保證 LED 路燈的正常運(yùn)行。普通的 LED 路燈的抗涌能力較差尤其是抵抗反向電壓的能力。所以我們要加強(qiáng)這方面的保護(hù)是非常必要的。有一部分 LED 是家用的所以在家里面，不用考慮一些其它因素，但是有一些 LED 燈是在戶外，由于電網(wǎng)的開啟和關(guān)閉以及雷電的干擾，這會(huì)使電網(wǎng)侵入各種浪涌，這些浪涌會(huì)導(dǎo)致 LED 的損壞。因此 LED 驅(qū)動(dòng)電源需要有抑制浪涌的功能，以保護(hù)LED 能夠正常運(yùn)行。 單片機(jī) 單片機(jī)是存儲(chǔ)器、處理器、定時(shí) /計(jì)數(shù)器，各種輸入輸出接口都集成在一塊電路上的微型計(jì)算機(jī)。它與電腦中的微型處理器相比，它更加強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)潔和節(jié)約成本。它有許多優(yōu)點(diǎn)，最為明顯的 是它的體積很小，可以放到各種儀表的內(nèi)部當(dāng)中去，但是它也有其缺點(diǎn)，就是存儲(chǔ)量很小，輸出輸入接口很簡(jiǎn)單，功能很低，因?yàn)樗目焖侔l(fā)展，舊的單片機(jī)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在各行各業(yè)的要求，所以在很多的 8 場(chǎng)合被稱為微控制器；從上世紀(jì) 80 年代起，由當(dāng)時(shí)的位數(shù)很低的單片機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位的單片機(jī)。 這款單片機(jī)也是以 51 系列為內(nèi)核的單片機(jī)，它是低功耗、高速、抗干擾的51 系列的新一代單片機(jī)，他的指令也完全兼容 51 的指令，可是它的速度卻比 51快 8 到 12 倍，他的內(nèi)部有 4 路 PWM，對(duì)于開關(guān)的控制，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。這款芯片區(qū)別于其他單片機(jī)的一 個(gè)重要的特點(diǎn)就是，該單片機(jī)帶有 AD 轉(zhuǎn)換口，有 8路 10 位高速 AD 轉(zhuǎn)換器，速度可以達(dá)到 100KHz，這些接口可以用作頻譜檢測(cè)溫度檢測(cè)，亮度檢測(cè)，電壓檢測(cè)。 STC 具有如下主要性能： 低功耗：它有掉電模式和空閑模式，這可以大大節(jié)省能耗 。 高速運(yùn)作：速度是 51 單片機(jī)的 8 到 12 倍 。 工作頻率范圍： 040MHz,實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz。 時(shí)鐘：內(nèi)部 RC 振蕩器和外部晶振可選 。 工作溫度的范圍： 070 度 /40 度 — +85 度 。 I/O 口結(jié)構(gòu)：該單片機(jī)將 I/O 口配置成四種類型，分別為輸出、準(zhǔn)雙向口、輸出或輸入功能 。 定 時(shí)器：該單片機(jī)共有 4 個(gè) 16 位的定時(shí)器 。 下圖 是 STC12C5410AD 芯片。 R S T1P 30 / R xD2P 31 / T xD3X24X15P 32 / I N T 06P 33 / I N T 17P 34 / T 08P 35 / P W M 1/ T 19G N D10P 37 / P W M 011P 10 / A D C 012P 11 / A D C 113P 12 / A D C 214P 13 / A D C 315P 14 / A D C 416P 15 / A D C 517P 16 / A D C 618P 17 / A D C 719V C C20U4 S T C 12 C 54 10 A D 圖 STC12C5410AD 9 第 2 章 LED 驅(qū)動(dòng)電源原理 電源控制技術(shù)的發(fā)展方向 在過去的老時(shí)代現(xiàn)行電源還占據(jù)這半壁江山。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代開關(guān)電源慢慢的發(fā)展起來。 線性電源先經(jīng)過變壓器進(jìn)行變壓，之后經(jīng)過整流濾波電路得到直流電壓，還必須經(jīng)過電壓的反饋調(diào)整輸出電壓。從性能上來看，這種電源技術(shù)很有 很久的歷史，所以很成熟。它可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波文也很小，并且沒有開關(guān)電源那樣的噪音與干擾。線性電源是將輸出電壓去取出之后與參考電壓一起送到電壓放大器。這個(gè)電壓放大器的輸出是電壓調(diào)整管的輸入，用來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源是一個(gè)高頻化的電能轉(zhuǎn)化器件。它是用的現(xiàn)代電力電子技術(shù)去控制開關(guān)的開通可關(guān)閉的時(shí)間比例，保持穩(wěn)定電壓輸出的一種電源。開關(guān)電源與線性電源相比，兩個(gè)的成本隨著輸出功率的增加而增大，可是兩者的增長(zhǎng)速率不同。開關(guān)電源現(xiàn)在廣泛應(yīng)用與科研設(shè)備、自動(dòng)化控制、 LED 照明燈領(lǐng)域。開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)椋? 第一 就是小型、輕量化。因?yàn)殡娫葱⌒?、輕量化的關(guān)鍵就是高頻化，所以目前大家都在致力于開發(fā)新型元件，改善二次整流管的損耗，以至于保證它的小型輕量化 第二就是高性能。電源的高頻化可能會(huì)使硬開關(guān)功耗擴(kuò)大，效率變小，達(dá)不到于其的效益，所以要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為為未來的主攻方向。并且軟開關(guān)技術(shù)的效率能夠達(dá)到 85%。 第三就是模塊化。模塊化可以提高性能的可靠性，可以做成插入式，從而在出現(xiàn)故障時(shí)能夠快速更換模塊，提高了效率。 第四就是低噪聲。開關(guān)電源有一個(gè)缺點(diǎn)就是噪聲很大，如果采用諧振變換技術(shù)，可以使高頻化，還可以降低噪聲。 但是這個(gè)技術(shù)存在一定的難度。 第五就是抗電磁干擾。當(dāng)工作在高頻時(shí)，噪聲通過電源線將會(huì)產(chǎn)生干擾 第六就是電源的控制和管理。用微處理器進(jìn)行集中管理和控制，能夠反映電源環(huán)境的變化，處理器單元實(shí)現(xiàn)智能控制，可以實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)、亮度檢測(cè)、故障檢測(cè)。 開關(guān)電源的分類 開關(guān)電源可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分為兩種類型：第一種是隔離型，第二種是非隔離型。 非隔離型又可以分為三種：電壓反轉(zhuǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和降壓拓?fù)浣Y(jié) 10 構(gòu)。非隔離型電源輸入與輸出共地，在 LED 驅(qū)動(dòng)交流直流變換電路中，會(huì)輸出帶電，這可能不安全，所以一般不會(huì)采 用。 隔離型也可以分為兩種：反激式和正激式。在小功率的驅(qū)動(dòng)中我們常用反激式，反激式電路結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，而且成本也很低，它在一方面作為儲(chǔ)能元件貯藏能量，在另一方面有實(shí)現(xiàn)了輸出與輸入兩者之間的隔離，它的峰值電流比正激式高出許多，只應(yīng)用在功率很小的場(chǎng)合。 調(diào)頻式和調(diào)寬式是開關(guān)電源的控制方式，在應(yīng)用中，大多數(shù)是調(diào)寬式。 調(diào)制式（ PWM）開關(guān)電源的原理 通過開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)脈沖的占空比，只要輸入電壓變成方波，它的幅值就能通過變壓器來降低或升高。通過增多變壓器的繞組數(shù)就可以 增加輸出的電壓，這些交流電壓經(jīng)過 整流電路整流濾波之后我們就可以得到直流電壓，下圖 為開關(guān)電源的模塊組成。 圖 開關(guān)電源的模塊組成 首先交流電源輸入經(jīng)過濾波整流之后變成直流電源。 再通過高頻信號(hào)去控制開關(guān)管，把那個(gè)直流電源加到開關(guān)變壓器的開關(guān)上。 之后開關(guān)變壓器通過次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓，高頻電壓經(jīng)過濾波整流之后變成直流電壓提供給負(fù)載。 最后輸出的部分通過電路反饋傳給控制電路，以此控制 PWM 的占空比，而控制 PWM 的占空比采用的是脈寬調(diào)制原理，它是通過改變脈沖序列的周期來調(diào)節(jié)它的頻率的，改變脈沖 的寬度或者占空比可以調(diào)節(jié)電壓的大小，采用比較適當(dāng)?shù)目刂品椒ň涂梢允诡l率宇電壓協(xié)調(diào)的變化。通過調(diào)整 PWM 的占空比、 PWM 11 的周期從而達(dá)到控制電流大小的目的，電流大小得以控制則就控制了 LED 路燈的亮度。圖 是單管反激式變換器，圖 單管反激式變換器是初次級(jí)電流波形。 T1T R A N S 3C1C A PC2C A PD?D I O D ED2D I O D ER1R E S 2Q?N P NV i n Vo 圖 單管反擊式變換器 開關(guān)管開關(guān)波形初級(jí)電流波形次級(jí)電流波形次級(jí)電壓波形 圖 . 單管反激式變換器初次級(jí)電流波形 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo) 通時(shí)，變壓器初級(jí)電流會(huì)升高，輸入的能量會(huì)藏在變壓器的磁芯里面。這個(gè)時(shí)候的變壓器的次級(jí)電壓為上負(fù)下正 ，二極管會(huì)反偏 ；次級(jí)沒有電流輸出。 原邊電流： 12 ?? SP II ??IPoninS LTUI ? （ ） 如果原邊的電流初始值為零，電路會(huì)工作在斷續(xù)的模式，如果不是零，就是工作在連續(xù)模式。在連續(xù) 模式與斷續(xù)模式分界時(shí)候的模式，即當(dāng)電流輸出為零，開關(guān)管就又會(huì)導(dǎo)通，中間沒有延時(shí)情況，這就是過度模式。 當(dāng)開關(guān)管斷開的時(shí)候，原邊電流就會(huì)變成零，但是因?yàn)槟芰恳睾悖猿跫?jí)線圈中的能量轉(zhuǎn)移到