【正文】 ，顯色指數(shù)做到 80。 2020 年 8 月，松下電工開發(fā)出亮度達(dá)到 3001m的白光照明燈具，相當(dāng)于 40W 白熾燈的亮度，并于 2020 年春開始了商品化銷售。第一只 LED 產(chǎn)品是 1962 年在 GE 公司做出的。光譜中沒有紫外線和紅外線，不同于口光燈點(diǎn)亮后會(huì)產(chǎn)生汞蒸汽及二氧化碳和其它溫室氣體等污染物， LED 產(chǎn)生的廢棄物可回收，無污染，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。預(yù)計(jì)未來大功率 LED 照明的耗電量?jī)H為相同亮度白熾燈的10%~20%。 LED 采用雙層磷化稼芯片 (一個(gè)紅色另一個(gè)是綠色 )能夠發(fā)出黃色光。半導(dǎo)體固體發(fā)光器件為近幾年興起的第四代照明器件。 2020 年中國(guó) LED 恒流源驅(qū)動(dòng)芯片市場(chǎng)發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)擴(kuò)張，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì) LED 恒流源驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)新增投資項(xiàng)目逐漸增多。 關(guān)鍵詞 大功率 LED；道路照明；驅(qū)動(dòng)電源 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II HighPower LED Driver Power Research Abstract The high efficiency LED lighting is gradually replacing incandescent and fluorescent lighting due to its unique attributes such as high efficiency, low energy consumption, low pollution, long life and high reliability. As the quality of power LED improves and the cost of power LED reduces, its application field has gradually turned from signal lighting and display lighting to general room lighting. Along with the development of power LED, the research of its driving IC has also been greatly accelerated. This article unifies the characteristic of LED and the existing driving circuit39。 目前， 大功率 LED照明技術(shù)日趨成熟， 大功率 LED光源功效已經(jīng)達(dá)到100lm/W 以上，這使得城市 路燈 照明節(jié)能改造成為可能。該專用電源系統(tǒng)具有一定的控制功能，可實(shí)現(xiàn)輸出功率的實(shí)時(shí)控制。一般來說，普通的白熾燈的發(fā)光效率約 16lm/w。 60 年代末，在 砷化稼基體上使用磷化物發(fā)明了第一個(gè)可見的紅光 LED。大功率 LED 照明光源與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈照明光源相比，有如下優(yōu)點(diǎn) ]1[ : 1. 高效節(jié)能性。因其響應(yīng)時(shí)間短，作汽車燈反應(yīng)快，可延長(zhǎng)剎車的反應(yīng)時(shí)間，故能減少交通事故的發(fā)生幾率。當(dāng)然，由于 LED壽命長(zhǎng)，燈具的利用效率高，成本略高于普通光源也還是可以接受的。 日本在功率型高亮度 LED 的研制與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平，日業(yè)化工、豐田合成和住友電子處于領(lǐng)先地位。美國(guó)光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)于 2020 一年制定了半導(dǎo)體固體照明燈 在未來幾年的發(fā)展目標(biāo)和遠(yuǎn)景 ]13[ 。由此， LED 照明燈進(jìn)入千家萬戶揭開序幕，其市場(chǎng)需求量將是一天文數(shù)字。此外， LED的正向壓降變化范圍比較大 (最大可達(dá) 1V 以上 )，而由上圖中的 VFIF 曲線可知， VF 的微小變化會(huì)引起較大的 IF 變化，從而引起亮度的較大變化。 LED 實(shí)際上是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的低電壓?jiǎn)蜗驅(qū)щ娖骷?LED 驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有直流控制、高效率、 PWM 調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型尺寸以及簡(jiǎn)便易用等特點(diǎn)。 1．必須針對(duì) LED 具體要求來設(shè)計(jì)和選用驅(qū)動(dòng)源 LED 的正向伏安特性和普通二極管類似，外加正向電壓稍有變化，其正向電流將產(chǎn)生很大變化，致使LED 內(nèi)部損耗及發(fā)熱快速上升，嚴(yán)重影響 LED 的正常工作和壽命。但這給產(chǎn)品的生產(chǎn)管理和在世界范圍內(nèi)的銷售帶來不便。 圖 25 普通大功率 LED 交流驅(qū)動(dòng)電路 恒壓驅(qū)動(dòng)電路 恒壓驅(qū)動(dòng)電路在外部輸入的電壓有變化時(shí) ,恒壓驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電壓均保持不變。與 PWM 調(diào)節(jié)控制 模式相區(qū)別，仍然保持脈沖的形式直接驅(qū)動(dòng) LED，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)同樣通過取樣電阻實(shí)現(xiàn)恒流，這樣的驅(qū)動(dòng)形式既保持了峰值電流的可控且穩(wěn)定，又可以實(shí)現(xiàn)平均電流的 PWM 調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)中，本人還考慮要設(shè)計(jì)一個(gè)可用于 30W， 60W， 90W， 120W 的驅(qū)動(dòng)電源，即根據(jù)路燈的不同瓦數(shù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的輸出管腳進(jìn)行設(shè)置，即可完成對(duì)不同規(guī)格的路燈的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)每路為 30 個(gè) LED，又提升了電路的可靠性。此外， PT4107也支持低頻的數(shù)字脈沖調(diào)光功能 (輸出 LED 個(gè)數(shù)少于 5個(gè)時(shí)適用 )。 本課題的設(shè)計(jì)目的為做一個(gè)用于驅(qū)動(dòng) 30W， 60W， 90W， 120W路燈的多功能驅(qū)動(dòng)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，即照明燈亮度的調(diào)節(jié)。但是，這種單向脈動(dòng)電壓往往包含著很大的脈動(dòng)成分，距離理想的直流電壓還差的很遠(yuǎn)。 PT4107 恒流驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端電壓范圍為 0 到 20 伏，輸入電流最大為 10mA，其它引腳的電壓范圍為 0~5V， PT4107的操作溫度為 40~+85 攝氏度，這個(gè)操作范圍十分適用于室外的環(huán)境溫度。當(dāng) CS 引腳的電壓超過峰值電流感應(yīng)電壓閾值，柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)終止， 功率 MOSFET 關(guān)閉。串聯(lián)120 個(gè) LED 勢(shì)必會(huì)使路燈的整體可靠性下降，當(dāng)一個(gè) LED 毀壞時(shí)，整個(gè) LED路燈就會(huì)被毀壞，且串聯(lián) 120 個(gè) LED 后，對(duì) LED 串的供電電壓就會(huì)很大， 120 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 個(gè) LED 的供電電壓大約可達(dá)到 450V，這是不可取的，所以不考慮將 120 個(gè)LED 串聯(lián)使用。PWM 變換器的工作原理如下圖所示。 針對(duì)這些需求， 工程師們 提供了全系列 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案，可以為用戶提供全面的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案。 3．盡可能使 LED 電源電壓向安全低壓標(biāo)準(zhǔn)靠攏 由于新興的 LED 照明業(yè) xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 還未來得及建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， LED 電源的設(shè)計(jì)基本取決各個(gè)企業(yè)開發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品的考慮。因此，應(yīng)該使 LED 在一個(gè)發(fā)光效率比較高的電流值下工作。這表明隨著電流增加，熒光強(qiáng)度相對(duì)藍(lán)光 LED 發(fā)光強(qiáng)度有所增加 ]20[ 。 大功率 LED 伏安特性 圖 21 為同一型號(hào)批次大功率 LED 器件的電流一電壓特性之間的差異性?？梢姲雽?dǎo)體燈已對(duì)傳統(tǒng)的白熾燈發(fā)起了挑戰(zhàn)，一個(gè)全新的半導(dǎo)體照明燈時(shí)代即將來臨。 2020 年 6 月 17 日 ，國(guó)家科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合教育部、信息產(chǎn)業(yè)部、建設(shè)部、中科院、中國(guó) 輕工聯(lián)合會(huì)、中國(guó)照明學(xué)會(huì)、中國(guó)照明電器協(xié)會(huì) 8 個(gè)部門、行業(yè)，及北京、上海、浙江、廣東、江蘇、江西、長(zhǎng)春等 17 個(gè)地方政府正式宣布成立國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，標(biāo)志著我國(guó)的半導(dǎo)體照明工程正式啟動(dòng)。LED 產(chǎn)品中技術(shù)壁壘最高的是上中游產(chǎn)品的生產(chǎn)，目前窺視這一巨大商機(jī)的廠家不少，但由于技術(shù)、資金和產(chǎn)業(yè)化工藝的限制，國(guó)內(nèi)真正能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)屈指可數(shù)。與一般的照明需要千流明甚至更高光通量的要求相距甚遠(yuǎn)。而且它沒有傳統(tǒng)燈泡的鎢扮、玻璃殼等易損部件，維護(hù)費(fèi)用低廉。 20 世紀(jì) 90 年代中期，出現(xiàn)了超亮度的氮化稼 LED，隨即又制造出能產(chǎn)生高強(qiáng)度的綠光和藍(lán)光鋼氮稼 LED。 20 世紀(jì) 20 年代晚期 Bernhard Gudden 和 Robert Wichard 在德國(guó) 使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光，但再一次因發(fā)光暗淡而停止研究。最初的火光照明采用燃燒化學(xué)燃料的方法來獲得人類所需的光源。 作為 LED 整體產(chǎn)品考慮， LED 芯片本身的優(yōu)越性如節(jié)能、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等還要搭配后端驅(qū)動(dòng)電源才能實(shí)現(xiàn)， LED 自身要求直流供電即實(shí)現(xiàn) ACDC的轉(zhuǎn)換；色彩、亮度的變換即驅(qū)動(dòng)電源提供調(diào)節(jié)功能等。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 大功率 LED 驅(qū)動(dòng)電源研究 摘要 大功率 LED 以其高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正在逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈成為新一代照明光源。 2020 年，拋開金融危機(jī)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的影響，歐美等國(guó)際市場(chǎng)對(duì)大功率LED 電源的需求量還是很大，受金融危機(jī)影響較小。從本質(zhì)上講，照明史的發(fā)展就是人類不斷提高照明 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 效率的過程。更難處理的是碳化硅與電致發(fā)光不能很好的適應(yīng)，研究被摒棄了。第一個(gè)有歷史意義的藍(lán)光 LED 也出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 90 年代早期，再一次利用金鋼砂 早期的半導(dǎo)體光源的障礙物，依當(dāng)今的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)去衡量，它與前蘇聯(lián)以前開發(fā)的黃光 LED 一樣光線暗淡。大功率照明 LED 以其特殊的電子結(jié)構(gòu)保證其工作時(shí)有良好的穩(wěn)定性和可靠性，甚至在水下也能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作?，F(xiàn)在單顆 LED 的光通量是以流明，甚至是以毫流明為單位來量度的。但目前在材料質(zhì)量、器件指標(biāo)等方面與國(guó)際先進(jìn)水平還有很大差距，特別是在半導(dǎo)體用于照明的一些關(guān)鍵性產(chǎn)業(yè)技術(shù)上還未能攻克。 國(guó)內(nèi)大功率 LED 照明技術(shù)發(fā)展情況 國(guó)內(nèi)， lmm? lmm 倒裝結(jié)構(gòu)白光 LED 在標(biāo)準(zhǔn)電流 (350mA)下光通量可達(dá)到40 lm 以上 ]20[ 。目前，世界上生產(chǎn)藍(lán)光二極管的半導(dǎo)體公司紛紛和老牌燈泡制造商結(jié)盟，搶占這個(gè)可以說是未來最大的照明市場(chǎng)。下面主要就搜集到的大功率 LED 的相關(guān)電學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了整理。色溫隨著電流的增加而下降，小電流下色溫較高，為 5300K，色坐標(biāo)處于淡黃色區(qū)域，電流增加時(shí)，色溫迅速降低，在 50mA 下降至 4850K，然后色溫隨電流增加逐漸飽和。 LED 的光通量隨著流過 LED 的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。也就是說 ≥50W 的 LED 燈不僅功率因數(shù) (PF)，而且其諧波干擾也必須滿足這類標(biāo)準(zhǔn)要求。但這些應(yīng)用對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也提出了新的要求，包括：輸入電壓范圍一般要求為6V 到 24V；具有沖擊負(fù)載保護(hù)、反相和 過壓保護(hù)；待機(jī)功耗非常低；低帶隙基準(zhǔn)以減少電流檢測(cè)損耗以及具有 PWM 調(diào)整亮度的功能等。當(dāng)輸入、輸出之間需要進(jìn)行電氣隔離時(shí)，可采用變壓器進(jìn)行隔離和升降壓。 單芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電源 若采用 120 個(gè) LED 串聯(lián)使用，則可以保證通過每一個(gè) LED 的電流均相等，即可保證每一個(gè) LED 的亮度是一樣的，但這樣設(shè)計(jì)是存在弊端的。檢測(cè)電阻的電壓供應(yīng)到 PT4107的 CS 引腳。內(nèi)部 100kohm 電阻拉至 5 V 電壓 VIN 經(jīng)過一個(gè)電阻連接輸入電壓為 18V450VDC GATE 驅(qū)動(dòng)器的外置 MOSFET 門 PT4107 工作參數(shù) 表 32 所示為 PT4107 操作范圍。整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動(dòng)電壓。根據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的不同要求設(shè)計(jì)出三種用于驅(qū)動(dòng)大功率 LED的驅(qū)動(dòng)電路： 簡(jiǎn)單并聯(lián)形式 驅(qū)動(dòng)電路、具有保護(hù)隔離的并聯(lián)形式驅(qū)動(dòng)電路、單元化形式的驅(qū)動(dòng)電路。 PT4107采用矽威專利的電流補(bǔ)償技術(shù)，使得 LED 電流在很寬的輸入電壓范圍以及不同 LED 個(gè)數(shù)的條件下保持恒定。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)的電路為每路為 30 個(gè) LED 的 4 路 LED 串，則每路 LED 串的電流均為 350mA，電壓為 110V。其應(yīng)用存在于 LED 大屏幕驅(qū)動(dòng)顯示、大型 LED 液晶電視背光源驅(qū)動(dòng)、信號(hào)報(bào)警閃光燈驅(qū)動(dòng)、室內(nèi)外彩飾亮度調(diào)節(jié)等，并且此類驅(qū)動(dòng)芯片正不斷涌現(xiàn)在更廣泛的 LED 應(yīng)用領(lǐng)域，隨著大功率 LED 發(fā)光效率的不斷提高，很可能會(huì)成為普通照明的驅(qū)動(dòng)選擇。它的架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但 LED 的電流會(huì)隨著落在 LED 兩端的電壓而改變，如果 LED 順向偏壓不一致或輸入電壓有些許變動(dòng)都會(huì)對(duì) LED 的亮度產(chǎn)生影響。因而現(xiàn)代電子設(shè)備產(chǎn)品通常要求輸入交流電壓范 圍能達(dá) 85～ 265VAC，這樣無疑增大了設(shè)計(jì)成本，體積及設(shè)計(jì)難度。為了防止這種情況發(fā)生，大功率 LED 一般必須采用恒流方 式供電。給 LED 供電的電源必須注意以下事項(xiàng) ]15[ : 1. LED 是單向?qū)щ娖?件，由于這個(gè)特點(diǎn)，就要用直流電流或者單向脈沖電流給 LED 供電。所以，采用恒壓 源驅(qū)動(dòng)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。集成電路和燈具廠商紛紛開始行動(dòng)，奔向這個(gè)巨大市場(chǎng)。對(duì)半導(dǎo)體照明的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如發(fā)光效率，壽命，單燈光通量，性價(jià)比以及顯色指數(shù)等提出了階段性的目標(biāo)。日亞公司由于在 InGaN LED 技術(shù)和生產(chǎn)白色 LED 的熒光粉材料上擁有多項(xiàng)專利，在 InGaN 白色 LED芯片供應(yīng)上一直占有優(yōu)勢(shì)地位?？偠灾?，為了實(shí)現(xiàn)真正意義上的半導(dǎo)體照明，我們需要研究、開發(fā)并生產(chǎn)出光效高、單顆功率大、價(jià)格合理的白光 LED。 7. 環(huán)保。 大功率 LED 照明第一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能。磷化稼的改變使得 LED 更高效、發(fā)出的紅光更亮，甚至產(chǎn)生出橙色的光。第三種照明技術(shù)是熒光燈照明，熒光燈利用電能作為驅(qū)動(dòng)能源來激發(fā)低壓汞蒸