【正文】 保持照明系統(tǒng)的高效率。出于這個原因，常常需要恒定頻率、電流模式LED驅(qū)動器拓?fù)洹? 為了確保最佳性能和長工作壽命，LED需要一個有效的驅(qū)動電路。本設(shè)計(jì)的總框圖如下圖31所示： 圖31 總設(shè)計(jì)框圖第四章 硬件電路設(shè)計(jì) LED恒流驅(qū)動電路設(shè)計(jì)此部分的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，大體設(shè)計(jì)過程是先經(jīng)過了芯片比較選取，芯片了解，設(shè)計(jì)電路幾步?？紤]到能對LED燈的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的PWM高光技術(shù)，用單片機(jī)STC89C52輸出PWM調(diào)光信號接入到芯片自帶的調(diào)光信號輸入引腳。本著設(shè)計(jì)一款節(jié)能，成本低，高效，可調(diào)光，長壽，恒流LED驅(qū)動電源的思想，使LED更容易走進(jìn)各家各戶。 第三章 設(shè)計(jì)總思路 設(shè)計(jì)思想LED驅(qū)動電路除了要滿足安全要求外，還應(yīng)具備兩個基本功能：一是盡可能保持恒流特性，又使其在電源電壓發(fā)生的變動時，仍應(yīng)能保持輸出的電流在的范圍內(nèi)變動；二是應(yīng)保持較低的自身功耗，這樣才能使LED的系統(tǒng)效率保持在較高水平。在其他PWM應(yīng)用場合也有同樣的要求。通斷循環(huán)周期與負(fù)載對開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時間相比必須足夠短。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開……。這種情況下，占空比為50%，調(diào)制頻率為10Hz。如果在下一個50ms中將開關(guān)斷開，燈泡得到的供電將為0V。圖中使用9V電池來給一個白熾燈泡供電。例如，假設(shè)供電電源為9V，占空比為10%。圖216（b）和圖216（c）顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。下圖219顯示了三種不同的PWM信號。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。PWM信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。其實(shí)歸納一下也就是電路釋放能量的有效時間與總釋放時間的比。2）在一段連續(xù)工作時間內(nèi)脈沖占用的時間與總時間的比值。占空比的解釋可以歸納為如下幾種：1）在一串理想的脈沖序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。當(dāng)單片機(jī)已經(jīng)在運(yùn)行時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電開關(guān)復(fù)位的功能。本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用上電開關(guān)復(fù)位電路。需要注意的是，當(dāng)復(fù)位端RST持續(xù)高電平的時間過長，單片機(jī)就會處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，這樣，單片機(jī)就無法執(zhí)行程序。圖2－15復(fù)位電路圖復(fù)位操作完成單片機(jī)內(nèi)電路的初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。電容器CC2起穩(wěn)定振蕩頻率，快速起振作用。 圖2－14 時鐘電路圖單片機(jī)引腳XTAL1和XTAL2外接晶振12MHz，構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。在本設(shè)計(jì)中，采用內(nèi)部振蕩方式。第9引腳為復(fù)位輸入端,接上電容,電阻構(gòu)成上電復(fù)位電路。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖213所示,18引腳和19引腳接時鐘電路,XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入,XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的另一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出。STC89C52單片機(jī)的引腳封裝如圖2－12所示。：040MHz，相當(dāng)于普通8051的080MHz。因此，在這里我選用STC89C52單片機(jī)來完成，它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、經(jīng)濟(jì)、易于連接等優(yōu)點(diǎn)，特別是其內(nèi)部定時器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)資源豐富，有應(yīng)用價值。但是電流控制模式并不是完美無缺的，依舊存在兩個比較大的缺點(diǎn)：平均電流非恒定及電流擾動。電流型控制可以看作是一個受輸出電壓控制的電流源，而電流源的大小就反映了電源輸出電壓的大小，這是因?yàn)殡姼兄须娏鞯姆凳桥c直流輸出電流的平均值成比例的，因而電感的延遲作用就沒有了。由于電流控制模式特有的電流限制能力，當(dāng)多臺開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行時，每臺電源都有獨(dú)立的電流負(fù)反饋，并聯(lián)輸出電壓有一個總的電壓負(fù)反饋控制電路，使各個電流反饋系統(tǒng)有相同的電流參考值，這樣就可以有多臺開關(guān)電源之間并聯(lián)均流，這在當(dāng)今電源規(guī)格要求繁多，電子設(shè)備整機(jī)可靠性要求提高的形式下，為模塊化電源系統(tǒng)和電源冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了捷徑。只要給定或者限制參考電流，就可以準(zhǔn)確地限制流過功率開關(guān)管和電感中的最大電流，也可以有效地克服輸入電壓浪涌產(chǎn)生很大地尖峰電流從而損壞功率開關(guān)管等這類故障誘因。(2) 過流保護(hù)和可并聯(lián)性。而在電壓控制模式電路中，檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接的反應(yīng)，一直要等到輸出電壓發(fā)生一定的變化后才會調(diào)節(jié)脈沖寬度。圖211 PWM峰值電流型控制原理框圖(1) 對輸入電壓變化的響應(yīng)快。從圖34上觀察可以發(fā)現(xiàn)，與電壓模式控制單一閉環(huán)相比，電流控制模式是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由輸出電壓反饋電路形成，由電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)，即內(nèi)環(huán)電流在每個開關(guān)周期內(nèi)上升，直到達(dá)到電壓外環(huán)設(shè)定的誤差電壓閾值，電流內(nèi)環(huán)是瞬時快速地對每個周期的脈沖電流采樣，檢測輸出電感的電流動態(tài)變化，電壓外環(huán)只負(fù)責(zé)控制輸出電壓。如果VDC增大，則開關(guān)導(dǎo)通時Vs上升速度加快，Vs超過Vea所需要的時間縮短，于是Ton被縮短；反之VDC減小，則Vs超過Vea讓PWM控制信號翻轉(zhuǎn)所需時間更長，增加了Ton維持對負(fù)載提供的能量大小。與電壓控制模式不同的是，電流控制模式的PWM電壓比較器的輸入由電壓控制模式中的鋸齒波信號換成了對電感電流采樣值轉(zhuǎn)換成的電壓Vs，比較器的另一端仍然是輸出電壓采樣值與參考基準(zhǔn)的誤差放大值。因此，在PWM中取輸出電壓和電感電流兩種反饋信號實(shí)現(xiàn)雙環(huán)控制是符合最優(yōu)控制規(guī)律的。電流控制模式是在電壓控制模式的基礎(chǔ)上，增加一個電流負(fù)反饋的環(huán)節(jié)，電感電流不再是一個獨(dú)立變量，從而使開關(guān)電源變換器成為一個一階無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有單個極點(diǎn)和90度相位滯后，從而很容易不受約束的得到大的開環(huán)增益和完善的小信號、大信號特性。 電流控制模式針對電壓控制模式的缺點(diǎn)，最近十幾年發(fā)展起來了電流控制模式技術(shù)。電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)是：（1）單環(huán)反饋的設(shè)計(jì)和分析比較容易進(jìn)行；（2）鋸齒波振幅較大，對穩(wěn)定的調(diào)制過程可提供較好的噪聲余度；（3）低阻抗功率輸出，對多輸出電源具有較好的交互調(diào)節(jié)特性。二階系統(tǒng)是一個有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對控制電路進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和計(jì)算后，在滿足一定的條件下，閉環(huán)系統(tǒng)方能穩(wěn)定的動作，開關(guān)電源的電流流經(jīng)電感，對電壓信號有90度的相位延遲。從控制理論的角度分析，電壓模式控制在整個控制電路中只有一個反饋環(huán)路，是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。在一個周期T內(nèi)，當(dāng)Q1開啟時，電流從0開始增加，則直到Q1關(guān)斷時電感電流為，Q1關(guān)斷期間Toff，假設(shè)經(jīng)過Tr時間（也就是二極管D1導(dǎo)通得時間）后電感中的能量完全釋放供給負(fù)載，為保證L的電流在Q1下次導(dǎo)通之前已經(jīng)下降到0，則。如果電感上的電流在下降的過程中下降至零，也就是在電感上的儲能被完全釋放，我們稱這種工作模式為不連續(xù)模式，如圖210所示。雖然Io會根據(jù)負(fù)載的變化而變化，但是整個電感電流上升和下降的斜率卻和負(fù)載無關(guān)。當(dāng)Q1再次導(dǎo)通時，D1的電流減少，Q1上的電流迅速增加并取代了二極管的D1正向電流直到D1上的電流為零，D1再次反偏，V1恢復(fù)到VDC，電感的電流開始重復(fù)前一個周期的變化過程。電感兩端的電壓極性反轉(zhuǎn)后，電感中的電流線性下降，其斜率為。當(dāng)控制信號使Q1關(guān)斷時，由于電感的電流不能突變，所以電感兩端電壓極性迅速顛倒，二極管導(dǎo)通續(xù)流，這種電壓極性顛倒的現(xiàn)象稱為電感反沖。下面就詳細(xì)的分析一下整個電路的工作過程和波形變化，假設(shè)輸出為Vo。圖28電壓模式開關(guān)電源Buck拓?fù)涞脑韴D其邏輯關(guān)系是，當(dāng)VDC上升時，則Vo上升，誤差放大器輸出電壓Vea下降，鋸齒波高于Vea的時間提前，也就是Q1導(dǎo)通時間Ton縮短，使得Vo =V DC *Ton/T保持不變；同理，如果VDC下降，則Q1導(dǎo)通時間Ton延長，最終的結(jié)果也保證Vo不變。Q1關(guān)斷時V1點(diǎn)的電壓迅速下降為0V(假設(shè)續(xù)流二極管D1的兩端的電壓降也為零)，則V1點(diǎn)的電壓波形為矩形波，如圖212所示，Ton時的電壓為VDC，其余時間電壓為零，則V1點(diǎn)一個周期內(nèi)的平均電壓直流值為VDC*Ton/T。在每個周期T內(nèi)，Q1導(dǎo)通時間為Ton。降壓型的電壓模式開關(guān)電源Buck變換器的原理圖如圖28所示。 電壓控制模式取代線性變換器的開關(guān)型變換器早在20世紀(jì)60年代就開始應(yīng)用。開關(guān)電源DC/DC變換器從控制模式上可以分為兩類，電壓控制模式（Voltage Control Mode）和電流控制模式（Current Control Mode）。圖27 Buck、Boost、BuckBoost型大功率LED驅(qū)動電路 脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源原理脈沖寬度調(diào)制方式（PWM），其開關(guān)頻率恒定，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖的寬度來改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對能量向負(fù)載傳遞的控制，稱之為“定頻調(diào)寬”。與傳統(tǒng)的BuckBoost變換器相比，用于大功率LED驅(qū)動的BuckBoost型變換器電路是將開關(guān)管移至輸入電壓的負(fù)端，從而使得開關(guān)管的驅(qū)動更加簡單。與電荷泵電路不同的是Boost理論上的升壓增益可以無窮大，所以在連接多個LED方式時可以采用串聯(lián)方式，保證了每個LED的發(fā)光亮度都相同，并且限流電阻也只需要一個，有效的提高了整個系統(tǒng)的效率，可以說是所有驅(qū)動電路中效率最高的。這是一種定周期、定時刻導(dǎo)通的控制方式，通過控制LED的峰值電流來調(diào)節(jié)LED的亮度，整個控制電路結(jié)構(gòu)比較簡單。與傳統(tǒng)的電壓型Buck, Boost, BuckBoost變換器不同的是大功率LED的驅(qū)動電路的反饋量是流過LED的電流信號而不是輸出電壓信號，如圖27，以此來滿足LED的恒流驅(qū)動要求。圖26 電荷泵升壓電路 開關(guān)變換電路開關(guān)電源電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)功率管的通斷比可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，理論上將功率管的損耗降低為0V。若要驅(qū)動多個LED時，必須采用并聯(lián)驅(qū)動方式。電荷泵變換器設(shè)計(jì)比較簡單，只需根據(jù)元件規(guī)格來挑選適合的電容。 電荷泵升壓電路電荷泵升壓電路（圖26）又稱為開關(guān)電容升壓控制器。這種控制方式與并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器相比，由于少了串聯(lián)的線性電阻，使得系統(tǒng)的效率較高。分流調(diào)節(jié)器同樣由于串入了限流電阻，系統(tǒng)的效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒流輸出。與電阻限流電路相似，分流調(diào)節(jié)器也同樣需要串聯(lián)一個限流電阻Rload，如圖25(a)所示。圖25 并聯(lián)型線性控制器和串聯(lián)型線性控制器 并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器又稱為分流調(diào)節(jié)器。但是由于功率管工作在線性區(qū)，消耗了較多的功率，系統(tǒng)的效率不高。 線性控制電路 與電阻限流法相比，線性控制法在精度上有了很大的提高。一般根據(jù)LED參數(shù)和發(fā)光強(qiáng)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)。下面對現(xiàn)有的各種控制方法進(jìn)行簡要的介紹。對于照明用白光LED的驅(qū)動電路，要求有較大的驅(qū)動電流，較好的光匹配度，因此多采用串連驅(qū)動。當(dāng)然，以上分類并沒有絕對的優(yōu)劣之分，還要看實(shí)際的應(yīng)用場合。若采用并聯(lián)驅(qū)動，則會要求很大的負(fù)載驅(qū)動電流，所以就出現(xiàn)了混聯(lián)驅(qū)動。當(dāng)并聯(lián)LED采用恒流驅(qū)動的方式時，如果某個LED燈斷開，則會使余下LED流過的驅(qū)動電流增大，導(dǎo)致可能損壞所有的LED 。 并聯(lián)驅(qū)動并聯(lián)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是只需要低的電源電壓就可以驅(qū)動多個LED，其要求驅(qū)動電路能提供大的驅(qū)動電流。當(dāng)采用恒定電壓驅(qū)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。串聯(lián)驅(qū)動的不足是其需要較高的驅(qū)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。下文分析了各種連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及其各自的應(yīng)用場合。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動。但如果采用恒壓源驅(qū)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。在正向電壓值小于某一值(閾值)時，電流極小，不發(fā)光。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(guān)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。而且，LED正向?qū)ê?，外加正向電壓的?xì)小變動都將引起LED電流的很大變化，從而導(dǎo)致出射光光強(qiáng)的變化。圖中橫坐標(biāo)為通過不同LED的正向電流，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的外加正向電壓。要了解LED驅(qū)動電路的工作特性，就必須先了解LED的電學(xué)特性。 當(dāng)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(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。第二章 用到相關(guān)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(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為pn結(jié)。　　目前，市場上采用白熾燈、鹵素?zé)簟晒鉄魹楣庠吹臒羝毡榇嬖谥托?、高能耗、不易調(diào)光等缺點(diǎn)；至于壽命結(jié)束的含汞燈，一旦處理不當(dāng)，將對環(huán)境造成嚴(yán)重危害；而且部分臺燈產(chǎn)品功能單一，缺少亮度調(diào)節(jié)，無法適應(yīng)現(xiàn)代家庭生活的實(shí)際需求?；诎坠釲ED 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(diǎn)，代表著照明技術(shù)的未來，并符合當(dāng)前政府提出的建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的要求。照明是人類消耗能源的重要方面，在電能消耗中，發(fā)達(dá)國家照明用電占發(fā)電總量的比例是19%,我國也達(dá)到12%.隨著經(jīng)濟(jì)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。正因?yàn)榇?，各界都對白光LED寄以厚望，LED也享有“綠色照明光源”之稱。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