【文章內(nèi)容簡介】 儲存在充電電容中，轉(zhuǎn)移 到 DC總線電容中或在當調(diào)節(jié)開關(guān)打開時轉(zhuǎn)移到負載中。流過 LED的電流反饋到控制器，控制器根據(jù)反饋電流調(diào)節(jié)變壓器原邊調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比，通過改變占空比調(diào)節(jié)輸出電流使其穩(wěn)定。 Buck和 Boost電路都是開關(guān)電源方式，利用電感的儲能作用儲存電能，在時 2鐘周期的一部分時間內(nèi)為電 感充電，在時鐘周期的剩余時間內(nèi)釋放能量得到輸出電壓，電路中電容、電感和續(xù)流二極管的結(jié)構(gòu)不同，實現(xiàn)升壓或降壓功能， Buck是降壓電路， Boost是升壓電路。提出了一種基于 Boost升壓方式的恒流恒照度 LED驅(qū)動電路。 Boost電路將輸入電壓提升，采樣電阻檢測流過 LED電流并經(jīng)過放大電路反饋到恒流恒照度控制電路中，光電二極管檢測 LED的照度，將照度值轉(zhuǎn)換成適當?shù)碾妷褐?，并與額定電壓比較，差值放大后送入到恒流恒照度控制電路中，改變 Boost電路調(diào)節(jié)開關(guān)的控制信號，使輸出電流或輸出照度保持恒定，恒定照度控制同樣是通 過控制輸出電流來維持照度值。基于電荷泵、 Buck、 Boost電路的 LED驅(qū)動電路還應(yīng)用于很多 LED驅(qū)動芯片的原理，如 LTC3200／ LTC3200 LM279 MAX1848等。 LED應(yīng)用于應(yīng)急燈照明，所設(shè)計的照明電路利用電網(wǎng)電壓為蓄電池充電，蓄電池再通過驅(qū)動電路為 LED供電，同時也可以采用電網(wǎng)電壓通過驅(qū)動 電路為 LED供電。 5 由于人眼對光線的感受是非線性的，因此，就有可能將亮度級降低 10%以上而人卻覺察不到亮度的變化，這樣就可以節(jié)省近 10%的電能。如果將調(diào)光級別降低 50%，則可以節(jié)省約 40%的電能。 采用智能調(diào)光可將燈漸漸調(diào)到預(yù)設(shè)級別。白熾燈無法做到這一點，因為冷的燈絲會受到熱沖擊。將燈亮度漸漸調(diào)到設(shè)定級別，也稱為“軟啟動 ” ，這會極大地延長燈的使用壽命。使用 10%的調(diào)光級別可將燈的使用壽命延長兩倍，而 50%調(diào)光級別可延長 20倍。 調(diào)光方式分為變電阻型調(diào)光和脈沖寬度調(diào)制方式 (Pulse． Width Modulation，PWM)兩種。變電阻型調(diào)光方式通過調(diào)節(jié)電阻性負載的電阻值改變電流，從而改變燈的發(fā)光亮度，變電阻型調(diào)光在電阻上將多余的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這是能量的損失。 PWM方式通過每秒鐘多次 的接通和斷開電源調(diào)節(jié)發(fā)光亮度，開關(guān)之間的時間比率與發(fā)光亮度成正比。但并不是所有的燈都是可調(diào)光的， LED的響應(yīng)時間很短，只有幾到幾十納秒，尤其適合于 PWM方式調(diào)節(jié)亮度。 自適應(yīng)調(diào)光方式利用控制器，以及用于檢測環(huán)境光的傳感器為核心，傳感器向控制器提供發(fā)光照度值，控制器做出判斷并根據(jù)所得信息將照明回路打開或調(diào)節(jié)光亮度到預(yù)定級別。由于 LED的快速響應(yīng)特點，使得 PWM調(diào)光非常可行。美國 Northern Illinois University針 對 2串 6并的 LED燈組，在恒流驅(qū)動電路基礎(chǔ)上并接 了 N型MOSFET功率器件實 現(xiàn) PWM控制，調(diào)節(jié)范圍為 0100%，當占空比低到 1%時輸出電流仍能保持穩(wěn)定。 傳統(tǒng)的 PWM調(diào)光方式是將調(diào)光開關(guān)與負載串聯(lián)，當開關(guān)打開時， LED支路沒有電流流過，當開關(guān)關(guān)閉時， LED支路有電流流過， LED燈發(fā)光。 本文 主要研究內(nèi)容 LED以其固有的特點，如省電、壽命長、耐震動，響應(yīng)速度快、冷光源等特點，廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域，在我們的日常生活中處處 可見，家用電器、電話機、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號燈等。但由于其亮 度差、價格昂貴等條件的限制，無法作為通用光源推廣 應(yīng)用。 近幾年來，隨著人們對半導體發(fā)光材料研究的不斷深入， LED制造工藝的不斷 6 進步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度 LED取得了突破性進展，其發(fā)光效率提高了近 1000倍，色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光 LED的出現(xiàn)，使 LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經(jīng)有人指出，高亮度 LED將是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一。 7 第 2 章 冷光源照明系統(tǒng)的基本特征及 電路 原理 LED 的基本特征 及 連接 方式 LED 伏安特性 由于 LED的核心是 PN結(jié)，因此 LED的伏安特性與普通二極管的伏安特性相 同。理論上，二極管的正向電壓 VF與正向電流 I的關(guān)系式為： 0 ( 1)qvfkTI I e??? （ 式 21） 式中， VF為二極管正向電壓， 0I 是反向飽和電流，為定值， q為電子電荷 1． 6 1019，k為波爾茲曼常數(shù) 1． 38 2310? ， T是熱力學溫度，常數(shù) β 近似取 2，當外加電壓較高，電流 I以擴散電流為主時， β 近似等于 1。 二極管伏安特性曲線如圖 21所示。 反 向 電 壓正 向 電 壓0（μA）正向電流 圖 21普通二極管伏安特性曲線 8 在室溫 (T=300K)條件下， kTq≈ 26mV，在正向電壓大于零點幾伏時，就有 qvfkTe? 1 ，因此式 (22)可以化簡為 I≈ I0 qvfkTe? (式 22) 式 (23)說明照明 LED的電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系，但指數(shù)關(guān)系并不適合用等效模型來描述。對于工作在額定電流附近的 LED用折線化來近似模擬 LED的特性，如式 (24)： F onV V rI?? (式 23) 其中， onV 是 LED的導通電壓， r是等效內(nèi)阻，導通電壓是由材料 PN結(jié)的內(nèi)建勢壘電場決定的，一般大功率 LED的導通電壓在 3V左右，當加在 LED兩端的電壓小于導通電壓時， LED中幾乎沒有電流流過。隨著外加正向電壓增加達到 PN結(jié)內(nèi)建勢壘電場時，可認為正向電流 I與正向電壓 VF成指數(shù)關(guān)系，正向電流急劇增大，正向電壓的較小波動就會導致正向電流的急劇變化，此時電流與電壓近似呈 線性關(guān)系。 LED 光特性 發(fā)光二極管的核心是 PN結(jié)。在正向電壓下，電子由 N區(qū)注入 P區(qū)，空穴由 P區(qū)注入 N區(qū)，進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子 (少子 )一部分與多數(shù)載流子 (多子 )復(fù)合而發(fā)光。因此流動的少子和多子數(shù)量越多，發(fā)出的光線越強；同時在 PN結(jié)內(nèi)流動的少子和多子數(shù)量越多，也說明單位時間內(nèi)流過 PN結(jié)橫截面的電荷數(shù)越多，那么流過 LED的電流也就越大，因此 LED的發(fā)光亮度基本隨流過 LED的電流正向變化?？刂拼蠊β?LED的發(fā)光亮度，實質(zhì)是控制它的輸出光通量。 圖 22所示為美 國 Lumileds Lighting公司 1W大功率白光 LED在常溫下 (25℃ )相對光通量 Φ 與正向電流 IF的關(guān)系曲線。 9 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 000 . 20 . 40 . 60 . 811 . 2光通量電 流 （ m A ） 圖 22相對光通量Φ與正向電流 IF關(guān)系 LED光源最大的優(yōu)點就是長壽命，各 LED廠商均聲稱其 LED的使用壽命可達 50，000～ 1 00， 000小 時，但通常 LED不會完全損壞，而是在其工作中光輸出逐漸減少。大功率 LED的相對光輸出隨時間的變化的一般趨勢是：在開始的一段時間內(nèi)光輸出衰減較快，隨后的一段時間內(nèi)衰減較慢，但在即將耗盡或發(fā)生災(zāi)變性失效階段 ，光輸出急劇衰減。在前兩個階段， LED的光輸出隨時間的衰減曲線可近似為如下的指數(shù)形式 ： atye?? （ 式 24） 式中： y表示相對光輸出， a表示衰減系數(shù)， t是以小時為單位的 LED點亮時間。a越大， y值衰減越快。 通常把光輸出衰減 50％所經(jīng)歷 的時間定義為發(fā)光二極管的壽命。大功率白光LED在實際使用過程中各種因素的影響都會引起 LED壽命的下降，往往達不到 50，000dx時。影響 LED壽命的因素包括：制備過程中引入的缺陷； LED電極材料不均；靜電影響；封裝中各種材料的熱膨脹系數(shù)失配；以及通過藍光 LED激發(fā)熒光粉方法得到的白光 LED在工作過程中，由于熒光粉量子效率降低將導致寬譜帶黃光相對峰值藍光衰減更快，使得器件色溫升高從而影響發(fā)光的顏色。 LED的光學穩(wěn)定性是一個需要考慮的問題。 Philips公司研究中心對基于 RGB的白光 LED進行了大量實驗，發(fā)現(xiàn) 其波長和輸出光通量受到驅(qū)動電流、溫度、使用時 10 間的影響，采用光敏二極管進行色度檢測反饋結(jié)合 PI恒流閉環(huán)控制后，白光輸出色 差得到明顯改善。 LED 熱特性 LED的高發(fā)光效率是它的最大優(yōu)點，對于大功率 LED而言，這個優(yōu)勢更是明顯。但是 LED的光提取效率較低，且熱量不容易輻射散發(fā)，從而導致器件溫度過高，影響 LED的光通量、壽命以及可靠性，并會導致 LED發(fā)光紅移，尤其對于采用藍光激發(fā)熒光粉的方式實現(xiàn)白光的方案而言，其中熒光粉對溫度特別敏感，最終會引起波長偏移，造成顏色不純等一系列問題。相對于一般 的 LED來說，大功率 LED的 PN結(jié)上的發(fā)熱更嚴重。 大功率 LED的熱穩(wěn)定性問題已成為 LED照明的一個技術(shù)瓶頸。目前 LED輸入電功率的約 80％轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，對于目前?yīng)用比較成熟的 1W LED而言，其熱流密度可達2100 /W cm ，這些熱量的累積將引起 LED的溫升效應(yīng)：結(jié)溫升高直接減少芯片出射光子，取光效率降低，實驗結(jié)果表明，室溫環(huán)境下 LED溫度每升高 1℃，光效下降 1%。85℃時的光輸出約是 25℃ 時的一半。結(jié)溫升高會導致芯片出射光線紅移，色溫質(zhì)量下降，尤其對于藍光 LED激發(fā)黃色熒 光粉的白色 LED器件更為嚴重，其中熒光粉的轉(zhuǎn)換效率也會隨結(jié)溫升高而降低。溫度升高還會導致光衰加劇及器件壽命呈指數(shù)下降。隨著芯片技術(shù)的成熟，單個 LED的功率可以達到 5W甚至更高，因此防止 LED的熱量累積就更顯重要， LED的熱管理已經(jīng)成為其取代常規(guī)照明光源的主要瓶頸。目前減小 LED溫升效應(yīng)的方法主要采用外加各 種冷卻模塊以提高器件的散熱能力。 由于 LED的光輸出與其電流成正比，且長期工作在大電流下有可能導致 LED失效，而電流不僅受蓄電池電量影響，而且受外界溫度影響，因此從光輸出均勻性、穩(wěn)定性和 LED可 靠性角度考慮 ，高層次 LED應(yīng)采用恒流驅(qū)動方式 。 11 連接方式 圖 23（ a）串聯(lián)連接方式 圖 23（ b）并聯(lián)連接方式 LED 可以采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)的連接方式。串聯(lián)方式如圖 23（ a） 所示，串聯(lián)方式的優(yōu)點是流過串聯(lián)支路上各 LED 的電流相同，因此各 LED 的發(fā)光亮度也會一致。如果其中任意一顆 LED 出現(xiàn)斷路故障時，會導致該支路串聯(lián)上所有的 LED 都不發(fā)光；如果某顆 LED 短路時，在恒流方式下電路沒有影響，但在恒壓驅(qū)動時，其 他每個 LED 的 正向電壓均會因此升高，因此流過的電流增大，可能會造成損壞 。 并聯(lián)方式如圖 23(b)所示，當采用恒流驅(qū)動時，如果某 LED 斷開，總電流不 變，因此流過其他 LED 的電流增大，因此并聯(lián)方式下不適宜采用恒流驅(qū)動 。 如果某 LED 短路那么其他 LED 將不再發(fā)光，若 LED 并聯(lián)數(shù)目