【正文】 惠州學院本科生畢業(yè)設計（論文）DCDC LED驅動電路設計畢業(yè)論文目 錄中文摘要 I英文摘要 II第一章 緒 論 1 白光LED發(fā)展的背景和意義 1 白光LED的發(fā)展簡介 2 課題介紹與研究意義 4第二章 用到相關知識 5 LED發(fā)光原理 5 白光LED的伏安特性 5 白光LED的連接方式 7 串聯(lián)驅動 8 并聯(lián)驅動 8 混聯(lián)驅動 8 LED驅動現(xiàn)狀研究 8 電阻限流電路 8 線性控制電路 9 電荷泵升壓電路 10 開關變換電路 11 脈寬調制型（PWM）開關電源原理 12 電壓控制模式 13 電流控制模式 16 STC89C52單片機簡介 18 STC89C52單片機主要性能參數(shù) 18 STC89C52單片機最小系統(tǒng)的設計 19 單片機時鐘電路 20 單片機復位電路 20 PWM調光技術 21第三章 設計總思路 23 設計思想 23 設計總框圖 23第四章 硬件電路設計 24 LED恒流驅動電路設計 24 芯片比較選取 24 PT4115芯片了解 25 設計電路 28 PWM調光電路設計 30 單片機供電電路 32 開關電源優(yōu)點 32 LM2576芯片 33 電路設計 34第五章 結果分析 35 實物 35 效率測定 36第六章 總 結 36參考文獻 38致 謝 39附件1 全部電路原理圖 40附件2 PWM調光程序 40附件3 外文翻譯 45原文 45譯文 4952第一章 緒 論 在電光源發(fā)展的一百多年來，光源照明電器己經(jīng)經(jīng)歷了三個重要的發(fā)展階段，這三個階段的代表性光源分別為白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈。現(xiàn)在人們普遍認為照明LED是第四代光源。 白光LED發(fā)展的背景和意義白熾燈時代即將和我們告別了。整個20世紀，愛迪生發(fā)明的白熾燈經(jīng)受住了時間的考驗，成為標準的通用照明工具。但新的照明技術－尤其是發(fā)光二極管必將最終代替白熾燈和熒光燈。當整個世界都在因為日益上升的能源成本而節(jié)省能源預算時，白熾燈照明技術顯然站在了錯誤的一邊。一個白熾燈消耗的能源中有97％被浪費。熒光燈雖然稍好一些，但仍然浪費了85％的能量。而且，這兩種燈的平均使用壽命都只有大約5000個小時。另外，熒光燈還使用了有毒的汞，發(fā)出的光更是顏色粗糙。這兩種技術都無法和白光LED相比－它不僅使用壽命是前者的10倍，也不使用有毒物質，而且?guī)缀跄馨l(fā)出任何顏色的光。更重要的是，它的光轉換效率絕不亞于熒光燈。因此，在通用照明應用領域，向LED技術的過渡將大大降低能源消耗。盡管白光LED是當今的大規(guī)模照明的一個理想方案，但若要把驅動LED的電子設備普及到每一個燈泡中，設計者還面臨著不小的挑戰(zhàn)。主要問題是目前LED驅動電路的性能還沒有實現(xiàn)高效率轉換，其中關鍵的技術問題是驅動電子系統(tǒng)的電子能量轉換效率由于離散范圍極大、參數(shù)難于控制，其高低和穩(wěn)定性就成了整個LED實用技術與產(chǎn)品參數(shù)的重中之重。其次，空間的限制要求LED驅動器必須小巧且高效。接觸過LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡即正向動態(tài)電阻非常小，要給LED供電就比較困難。不能像普通白熾燈一樣，直接用電壓源供電，否則電壓波動稍增，電流就會增大到將LED燒毀的程度。為了穩(wěn)住LED的工作電流，保證LED能正?？煽康毓ぷ?，各種各樣的LED驅動電路就應運而生。 白光LED的高效節(jié)能、綠色環(huán)保優(yōu)點使得各個國家和地區(qū)投入了大量財力人力資源啟動自己的半導體照明計劃，如表11所示[1112]：表11 各國半導體照明計劃國家/地區(qū)立項時間項目名稱項目預期目標預計效益日本1998年21世紀光計劃到2006年，50%的照明光源被白光LED取代可減少12座核電廠發(fā)電量，每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗歐洲2000年彩虹計劃通過歐共體的補助金推廣LED的應用應用半導體照明實現(xiàn)：高效、節(jié)能、不使用有害環(huán)境的材料、模擬自然光美國2000年國家半導體照明計劃到2010，年55%的熒光燈和白熾燈被白光LED取代每年節(jié)約350億美元電費，形成500億美元的大產(chǎn)業(yè)中國2003年國家半導體照明工程20062020年，投資50100億元發(fā)展半導體照明技術，形成自主知識產(chǎn)權，LED達到1502001m/W，15元/klm將建立半導體照明產(chǎn)業(yè)，全面進入通用照明市場，占有30% ~50%的市場份額，實現(xiàn)節(jié)電30%以上，年照明節(jié)電1000億千瓦時以上 白光LED的發(fā)展簡介1962年，在美國通用電器公司工作的博士Holon yak用化合物半導體材料磷砷化鎵(GaAsP)研制出第一批發(fā)光二極管[3]。早期的LED只能發(fā)紅、綠等單色光，且功率小，效率低，只適合于裝飾燈、指示燈等應用場合。1996年，日亞公司首先采用InGaN藍光芯片加YAG（釔鋁石榴石）黃色熒光粉的方法制成白光LED，此后白色LED得到迅速發(fā)展，人們通過各種辦法獲得了白光LED，開啟了LED邁入照明市場的序幕。表12列出了目前產(chǎn)生白光LED的主要方法。從理論和技術的發(fā)展分析，白光LED的光效可以達到283lm/W。但是早期的白光LED發(fā)光效率低，低于白熾燈和熒光燈的發(fā)光效率（白熾燈的發(fā)光效率為161m/W，40W熒光燈的發(fā)光效率601m/W， 60W熒光燈的發(fā)光效率為100lm/W )。此后由于材料、封裝等技術進步，目前商業(yè)LED的發(fā)光效率水平已超過150lm/W，實驗室最新成果達到208lm/W。表12 產(chǎn)生白光的LED的主要方案芯片數(shù)激光源發(fā)光材料發(fā)光原理1藍色LEDInGaN/熒光粉InGaN的藍光與熒光粉的黃光混合成白光藍色LEDInGaN/熒光粉InGaN的藍光激發(fā)的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)白光紫外LEDInGaN/熒光粉InGaN的紫外激發(fā)的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)白光2藍色LEDInGaNGaP將具有補色關系的兩種芯片封裝在一起，構成白色LED黃綠LED3藍色LEDInGaNAIInGaP將發(fā)三原色的三種小片封裝在一起，構成白色LED綠色LED紅色LED3個以上多種色光LEDInGaNAIInGaPGaPN將遍布可見光區(qū)的多種色光芯片封裝在一起構成白光LED隨著技術進步、亮度提升，高亮度白光LED正一步步進軍潛力龐大無比的燈光照明市場。據(jù)統(tǒng)計， % ，2000年市場規(guī)模達45億美元。若以每年白光LED發(fā)光效率平均成長60%的速度開發(fā)下去，要達到大型化、低價化、使用壽命長的照明用光源并非不可能。目前Lumileds、日亞化工、豐田合成、住友電工等業(yè)者都已有較為成熟的照明產(chǎn)品問世，只是價格與常規(guī)燈泡相比仍有很大的差距。預計未來，LED燈具對全球照明工業(yè)將造成巨大的沖擊。正因為此，各界都對白光LED寄以厚望，LED也享有“綠色照明光源”之稱。[11] 課題介紹與研究意義 隨著全球能源危機和氣候變暖問題的日益嚴重，綠色節(jié)能已經(jīng)成為全球普遍關注的話題，人們正通過各種途徑尋找新的節(jié)能方式。照明是人類消耗能源的重要方面，在電能消耗中，發(fā)達國家照明用電占發(fā)電總量的比例是19%,我國也達到12%.隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國的照明用電將有大比例的提高，因此綠色節(jié)能照明的研究越來越受到重視。LED 作為一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強度放電燈（如高壓鈉燈和金鹵燈）之后的第四代新光源。基于白光LED 的固態(tài)照明，是一種典型的綠色照明方式，與傳統(tǒng)光源相比，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、安全可靠等特點，代表著照明技術的未來，并符合當前政府提出的建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的要求?？梢灶A見不久的將來，LED 必然會進入普通照明領域取代現(xiàn)有的照明光源?！　∧壳?，市場上采用白熾燈、鹵素燈、熒光燈為光源的燈普遍存在著低效率、高能耗、不易調光等缺點；至于壽命結束的含汞燈，一旦處理不當，將對環(huán)境造成嚴重危害；而且部分臺燈產(chǎn)品功能單一，缺少亮度調節(jié)，無法適應現(xiàn)代家庭生活的實際需求。為解決當前問題，本文設計了以AT89C52 單片機為核心的白光LED 燈系統(tǒng)，采用PT4115 大功率LED 恒流驅動方案，可實現(xiàn)對LED 臺燈的PWM 調光控制，在實現(xiàn)高效節(jié)能的同時，為家庭使用提供了極大的便捷。第二章 用到相關知識 LED發(fā)光原理發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為pn結。在某些半導體材料PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。 白光LED的伏安特性LED驅動電路就是能為LED的正常工作提供所需的電壓和電流的電路。要了解LED驅動電路的工作特性，就必須先了解LED的電學特性。圖21 不同白光LED的電流—電壓特性之間的差異性圖21所示的是不同白光LED之間，甚至是從同一產(chǎn)品批次中隨機挑選的LED之間的正向電流電壓特性的差異。圖中橫坐標為通過不同LED的正向電流，縱坐標為對應的外加正向電壓。可以看出，在恒定電壓的驅動下，不同LED上流經(jīng)的正向電流大小不同，由于LED的發(fā)光亮度主要受其驅動電流的影響，從而導致發(fā)出的白光亮度不同，如圖中虛線所示。而且，LED正向導通后，外加正向電壓的細小變動都將引起LED電流的很大變化，從而導致出射光光強的變化。再如下圖22 (a) 所示，為美國Lumileds Lighting公司一種超高亮LED白光LED (HPWAxH00)在常溫 (25℃) 下，光通量Φ與其正向電流IF的關系曲線。從該圖中可以看出，LED的發(fā)光亮度與正向平均電流大小基本上成正比關系，因此可以通過控制LED的正向電流IF來控制其發(fā)光亮度。圖22(b)給出了該大功率LED在常溫下(25℃)的IV曲線，從圖中可以看出通過控制其正向電壓VF就可以控制其正向電流IF，從而控制其發(fā)光亮度。在正向電壓值小于某一值(閾值)時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，從而使LED發(fā)光。但如果采用恒壓源驅動，VF的微小變化就會引起IF的較大變化，從而會引起LED發(fā)光亮度的較大變化。所以，采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅動。(b)圖22 HPWAxH00在常溫下的光通量與IF曲線以及IV曲線關系 白光LED的連接方式白光LED的連接方式有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種，如圖23所示。下文分析了各種連接方式的優(yōu)缺點以及其各自的應用場合。 圖23 白光LED的連接方式 串聯(lián)驅動 串聯(lián)驅動保證流過每個LED的電流相等，而LED的發(fā)光亮度和其導通電流呈正比關系，所以采用此種驅動方式可以使LED發(fā)光亮度均勻，適合對發(fā)光亮度的匹配性要求高的場合。串聯(lián)驅動的不足是其需要較高的驅動電壓，所以需要升壓電路將電源電壓抬升或者直接的高電源電壓，而高的電源電壓往往要求芯片采用耐高壓工藝制造，如BCD工藝。另外，如果一個LED斷開，則整個LED串就熄滅。當采用恒定電壓驅動時，如果某個LED短路，則余下的LED的正向壓降會增加，致使電流增大，可能會燒毀LED燈和電路。當然，采用恒定電流驅動時不會存在上述問題。 并聯(lián)驅動并聯(lián)驅動的優(yōu)點是只需要低的電源電壓就可以驅動多個LED，其要求驅動電路能提供大的驅動電流。由前述知LED正向導通壓降存在一定差異，所以并聯(lián)驅動的最大不足是流過每個LED的電流不相等，致使LED的亮度不匹配。當并聯(lián)LED采用恒流驅動的方式時，如果某個LED燈斷開，則會使余下LED流過的驅動電流增大，導致可能損壞所有的LED 。 混聯(lián)驅動 當要驅動的LED數(shù)量很多時，若采用串聯(lián)驅動，則會要求很高的電源電壓。若采用并聯(lián)驅動，則會要求很大的負載驅動電流，所以就出現(xiàn)了混聯(lián)驅動?；炻?lián)驅動是串/并聯(lián)兩種方式的綜合，適合于驅動大量LED的場合。當然，以上分類并沒有絕對的優(yōu)劣之分，還要看實際的應用場合。例如對于作為手持設備背光用的LED驅動電路，要求驅動電路的結構簡單，封裝較小，以實現(xiàn)小型化，而驅動方式上，多采用并聯(lián)驅動。對于照明用白光LED的驅動電路，要求有較大的驅動電流，較好的光匹配度，因此多采用串連驅動。 LED驅動現(xiàn)狀研究LED恒流驅動常用方法有電阻限流、線性控制調節(jié)、電荷泵升壓、開關變換器控制等。下面對現(xiàn)有的各種控制方法進行簡要的介紹。 電阻限流電路這類應用的原理圖如圖24所示，電阻限流電路控制方式是根據(jù)LED的IV曲線來確定預期正向電流所需要的電壓，過一個串聯(lián)電阻來控制LED的電流。一般根據(jù)LED參數(shù)和發(fā)光強度，可以得到LED的直流電流，從而可知LED兩端的電壓，限流電阻值： （21）式中：Vin為電路的輸入電壓；IF為IED的正向電流；VF為LED在正向電流為IF時的壓降；VD為防反二極管的壓降(可選)。圖24 電阻限流電路這個應用方案簡單易行，只需要一個限流電阻就可以控制LED的光強，但存在不少的缺點:輸入電壓的微小變化都會導致LED電流的變化，從而影響光通量輸出；限流電阻上會消耗大量的功率而使得整個系統(tǒng)效率不高；當這種調光方式在對白光LED燈進行亮度調節(jié)時，會使LED發(fā)出的白光顏色發(fā)生偏移，不利于把這種控制方式用于日常照明系統(tǒng)，所以這種方式多用在對光色要求不高的情況。 線性控