【正文】 高 壓 氣體放電燈 ， 低氣壓放電燈包括 低壓鈉燈、 熒光燈（ 日光燈 ）、無極燈 等 。 熒光燈在 發(fā)光效率 和使用 壽命 方面都明顯優(yōu)于白熾燈，是一種較為優(yōu)秀的電光源 。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 1 緒論 2 (3)半 導(dǎo)體照明 [1]： LED（ Lighting Emitting Diode）即發(fā)光二極管 ， 是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。 LED 被稱為綠色光源 ， 具有節(jié)能 、壽命長、體積小、 環(huán)保等 優(yōu)點(diǎn) ， 可以廣泛應(yīng)用于各種 背光源、顯示、照明 、 指示、裝飾和城市夜景等領(lǐng)域。 大功率 LED 簡介 大功率 LED 發(fā)光 原理 LED 發(fā)光二極管 ， 是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件 ， 是由Ⅲ Ⅳ族化合物 ， 如 磷化鎵 、砷化鎵、磷砷化鎵等半導(dǎo)體制成的。所以 LED 具有 的伏安特性與普通二極管相似 ， 在管腳兩端施加正向電壓時(shí) ,LED 處于導(dǎo)通狀態(tài) ， 在 兩管腳之間施加反向電壓時(shí)， LED 處于截止?fàn)顟B(tài)，而過高的 反向電壓 作用于 LED 上時(shí)，可能 導(dǎo)致 PN結(jié)被 擊穿。 當(dāng) PN 結(jié) 兩端加上正向電壓時(shí) ， 空穴由P區(qū)注入 N區(qū) ，相反 自由 電子 則 由 N 區(qū)注入 P 區(qū)。LED 早在 20 世紀(jì) 60年代初就已經(jīng)被成功制造并推向市場 ， 因?yàn)?LED的 激勵(lì)響應(yīng)時(shí)間短、有效壽命長、功耗低 ， 常被用在 小指示器光源和字母數(shù)字顯示器等領(lǐng)域中。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 1 緒論 3 圖 11 LED 發(fā)光原理示意圖 在 日常 照明中 [2]， 由于 白色的光源 更貼近自然光，符合人們的使用習(xí)慣，所以 LED 的制造趨勢向著白光 LED 發(fā)展 。 GaN 芯片 可以發(fā)出 藍(lán)光 ， 藍(lán)光激發(fā) 熒光粉后 ，熒光粉能發(fā)出 黃色光 ， 一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光 疊加 ， 可以得到得白光。 大功率 LED 的 特性 LED 燈與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源有著不同的特性。 （ 1） 發(fā) 熱 特性 ： 由于 在 LED 照明 應(yīng)用 中 ， 一般需要 同時(shí) 將若干 顆 LED 共同發(fā)光使用 ， 所以就會(huì)產(chǎn)生較大的熱量 。 LED 僅在微小電流流過時(shí)， 效率 才 比較高 ， 若工作在 大電流、高溫狀態(tài)下 ， LED 的發(fā)光效率 就 會(huì) 明顯降 低。因此 ， 必須控制 LED 的使用溫度以達(dá)到 “高效率 ” 、“ 長壽命 ” 的目的 ， 而控制溫升的主要手段就是控制工作電流， 所以對(duì)于 LED 驅(qū)動(dòng)電源來說最重要的 工作 就是控制電流 。 傳統(tǒng)的白熾燈 直接連接到 220V 的交流電上 使用 ， 電網(wǎng) 的電壓波動(dòng)只會(huì)造成照明強(qiáng)弱的不同而已 。而 LED 則需要 工作 在 恒定 的直流 電流源上 。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在工作電流較小 的情況下 ， LED 的發(fā)光強(qiáng)度與通過 PN結(jié)的 電流 大小近似成正比關(guān)系 ， 而 當(dāng)LED 的工作電流 電流增大 ， 隨著發(fā)熱損耗的增大 ， 導(dǎo)致這種比例關(guān)系消失，具體來說，由于發(fā)熱量正比于電流的平方，所以當(dāng)電流增大時(shí)，發(fā)熱量的升高速度將大于發(fā)光量的升高速度，導(dǎo)致發(fā)光效率降低。同時(shí) ， 由于 LED 的發(fā)光面積小 ，而亮度又很高，而且發(fā)出的 光匯聚能力強(qiáng)，肉 眼直視 LED 會(huì)對(duì)視力造成傷害并無法發(fā)看清光源以外的東西 ，失去照明意義 。但是 ，使用由于柔光罩本身的透光性問題 ， 導(dǎo)致發(fā)光效率會(huì)有所降低 。所謂 配光分布是指光源的 發(fā)射 方向以及各方向的發(fā)光強(qiáng)度。要提高照明效率 ，需要改善 配光分布 ， 目前多采用 透鏡和反光鏡 作為改善裝置 。其他在光源屬性中 ， 還應(yīng)該考慮 LED 的 光譜 特性， LED所發(fā)出的光，光譜范圍較窄 ， 幾乎 不放射 出 紅外線。但是 LED 在工作時(shí)自身會(huì)發(fā)熱，所以應(yīng)該防止熱傳導(dǎo)作用破壞冷光效果。不過通常曲線很陡。 而 LED 的 伏安特性 通常 具有負(fù)溫度系數(shù)。 大功率 LED 工作時(shí) 溫升 較大 ，假如散熱 設(shè)計(jì) 不好，其溫度很容易上升到八、重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 1 緒論 5 九十度以上。 這種情況下 只會(huì)使它的溫升更高，增加光衰，降低壽命。對(duì)于 功率更大的 LED，由于功率大，散熱更不容易，溫升問題更加嚴(yán)重。 圖 12 LED 的伏安特性 （ 5）穩(wěn)定性：結(jié)合 LED 的 伏安特性可知，工作在恒壓源上的 LED 是不穩(wěn)定的，另外，若干顆 LED 也不能簡單的并聯(lián)使用，理由是若擾動(dòng)使其中一顆 LED 電流增大，那么由于 LED 的不穩(wěn)定性，將導(dǎo)致這顆 LED 的工作電流越來越大，而其它 LED將不能獲得足夠大的工作電流。 額定工作點(diǎn)附近，通常 LED 亮度輸出與通過 LED電流成正比 ， 但在大電流下會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象 ， 發(fā)光效率大幅度降低 ， 甚至失效 ， 因此 LED 使用電流不能超過其規(guī)格額定值。 LED 驅(qū)動(dòng)電源的 分類 LED 電源按驅(qū)動(dòng)方式可以分為兩大類 ，恒流驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)，兩種驅(qū)動(dòng)方式具有以下特點(diǎn) 恒流驅(qū)動(dòng) 穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng) （ 1）恒流驅(qū)動(dòng) 電源 驅(qū)動(dòng) LED 是 最理想的，缺點(diǎn)就是價(jià)格較高 ； （ 2）恒流 驅(qū)動(dòng)電源在負(fù)載 短路 時(shí)，由于恒流限制，不會(huì)造成輸出電流過大； 但是嚴(yán)禁負(fù)載完全開路。 （ 1）穩(wěn)壓 驅(qū)動(dòng)電源 輸出的是固定電壓，輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減 、溫度變化 而變化 ； （ 2） 穩(wěn)壓 驅(qū)動(dòng)電源在 負(fù)載開路 時(shí) ，輸出電壓恒定，不會(huì)輸出過高電壓； 但是 當(dāng)負(fù)載 短路 時(shí)，將輸出很大的電流，所以禁止短路運(yùn)行 ； （ 3） 穩(wěn)壓 驅(qū)動(dòng)電源 的 輸出 電壓 是恒定的，輸出電流隨負(fù)載改變而改變，所以 LED 亮度隨負(fù)載變化而變化 ； （ 4） 穩(wěn)壓 驅(qū)動(dòng)電源為 使 LED 亮度均勻 且不會(huì)流過過大電流 ，需要加上合適的 限流 電阻。 不足 之處是 要使用大量漆包線和硅鋼片， 重量偏重、電源效率也很低 ， 一般在 45%60%， 因?yàn)榭煽啃圆桓?， 所以一般很少用 ； （ 2）電子變壓器降壓 ： 這種電源結(jié)構(gòu)不足之處是轉(zhuǎn)換效率低 ， 輸入 電壓范圍重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 1 緒論 7 窄 ， 一般 180240V， 輸出波紋 大 ； （ 3）電容降壓 ： 這種方式的 LED 電源容易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響 ， 電源效率低 ， 只適用于向持續(xù)運(yùn)行的 LED 供電，對(duì)于常閃動(dòng)的 LED 則不適用 ， 因?yàn)殡娐吠ㄟ^電容降壓 ， 在閃動(dòng)時(shí)由于充放電的作用 ， 使得 通過 LED 的瞬間電流極大 ， 容易損壞芯片 ； （ 4）電阻降壓 ： 這種供電方式 原理簡單，但 電源效率很低 ， 而且系統(tǒng) 的可靠也較低 ， 電路通過電阻降壓 ， 受電網(wǎng)電壓 波動(dòng)的影響 較大 ， 不容易做成穩(wěn)壓電源 ，并且降壓電阻本身還要消耗很大部分的能量 ； （ 5） RCC 降壓式開關(guān)電源 ： 這種方式的 LED 電源優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高 ， 一般可在 70%80%， 應(yīng)用較廣 。電源轉(zhuǎn)換效率極高 ， 一般都可以高達(dá) 80%90%， 并且輸出電 壓、電流十分 紋波較小。 LED抗浪涌能力 比較差 ， 特別是抗反向電壓能力，設(shè)計(jì)時(shí)有必要加強(qiáng)這方面的考慮 。因此 LED 驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入 ， 以 保護(hù) LED 不被損壞。 LED 及其驅(qū)動(dòng)電源的 市場 近年來 [5]，世界上一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家圍繞 LED 的研制展開了激烈的技術(shù)競賽。 歐盟也在 2020 年 7 月宣布啟動(dòng)類似的“彩虹計(jì)劃” 。盡管從 LED自身性能上來看 ， 有著傳統(tǒng)照明方式所不可比擬的優(yōu)勢 ， 而且各國政府機(jī)構(gòu)、環(huán)保組織都對(duì) LED 照 明方式 報(bào)以積極 態(tài)度 ， 但令人尷尬的是 ， 各大 LED重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 1 緒論 8 燈具廠商卻連連發(fā)出無利可圖的感慨 ， 主要原因在于 LED 燈具雖然節(jié)能高效 ， 但是燈具本身價(jià)格較昂貴 ， 一次性投入成本太高 ， 以目前情況來看 至少在國內(nèi)市場 ，家用 LED 燈具的普及 尚需要時(shí)日。 例如 搜狐財(cái)經(jīng)指出： “ 陽光照明最新的 2020 年年報(bào)顯示 ， 即便公司為發(fā)展 LED 產(chǎn)業(yè)、提高 LED光源制造水平而 做出 了包括 ‘ 在廈門上虞設(shè)立了面積為 300 畝的 LED 生產(chǎn)基地 ； 斥資 1， 600 萬日元（折算人民 萬元）將日本 LIREN 公司 %股權(quán)收入囊中 ’ 在內(nèi)的諸多努力 ， LED照明產(chǎn)品的銷售卻仍未能對(duì)公司 2020 年業(yè)績 做出 實(shí)際上的利潤貢獻(xiàn)。我 國于 2020 年在上海大眾桑塔納 2020 型上首先使用 LED 高位制動(dòng)燈。目前 ， 國際上 LED 汽車前照燈處在研發(fā)過程之中 ， 已有概念燈具推出。 車用 LED 的流行除了節(jié)能、環(huán)保之外 ， 更重要的是能提升汽車的 使用價(jià)值。 （ 1） 智能化更易實(shí)現(xiàn)： LED 的電致發(fā)光特性使其與傳統(tǒng)的氣體放電、白熾燈相比 ， 更容易實(shí)現(xiàn)電子控制 ， 例如根據(jù)汽車行駛環(huán)境不同 ， 自動(dòng)設(shè)置不同的車內(nèi)外照明模式。 （ 2） 彰顯汽車品牌和用戶個(gè)性： LED 的顏色豐富 ， 體積小 ， 便于設(shè)計(jì)各類形狀和顏色組合 ， 傳達(dá)汽車和車主的個(gè)性。 基于以上各方面原因，本論文設(shè)計(jì)的 LED 驅(qū)動(dòng)電源將面向車用照明領(lǐng)域，在滿足車載使用方式的前提下，盡可能擴(kuò)大輸入電壓范圍，使其能經(jīng)過簡單改變供電方式后，適用于其他領(lǐng)域。 圖 21 開關(guān)電源系統(tǒng)組成框圖 開關(guān)電源 主電路 通常是由 輸入電源、 儲(chǔ)能電感、 開關(guān)管、 濾波電容和負(fù)載 組成的 。 而控制電路的作用是控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷 ， 按需要的脈沖 頻率和 寬度 ，控制開關(guān)管的通斷 ， 使主電路輸出合適的輸出電壓 或電流 ， 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流 以及 各種保護(hù)功能。 開關(guān)電源 的 特性 開關(guān)電源具有如下特點(diǎn)： (1)效率高 ： 開關(guān)電源的功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài) ， 開關(guān) 管的功耗小 ， 電源效率高 ， 一般在 80%90%， 高的可達(dá) 90%以上 ； (2)穩(wěn)壓范圍寬 ： 開關(guān)電源的交流輸入電壓變化時(shí) ，輸出電壓的變化在 177。 經(jīng)過精心 設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān)電源的高效率 ； (3)安全可靠 ： 在開關(guān)電源中，可以方便地設(shè)置各種形式的保護(hù)電路 ，如欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、空載保護(hù)等 ，因此當(dāng)電源 或 負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)， 能 保障 設(shè)備及人員的安全 ； (4)重量輕 ： 由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器 ， 節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片， 因而 使其重量只有同容量線性電源的 1/5， 同時(shí) 體積也大大縮小了 ； (5)功耗小 ： 由于開關(guān)電源的工作頻率高 ， 一般在 20KHz 以上 ， 因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小 ， 從而減小功耗 ； 特別是 ， 由 于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài) ，損耗小 ， 不需要采用大面積散熱器 ， 電源溫升低 ， 周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞 ， 延長了器件壽命。 BUCK 電路原理分析 BUCK 電路 基本原理 BUCK 電路 主電路包括輸入電源、開關(guān)管、 續(xù)流二級(jí) 管以及儲(chǔ)能電感、濾波電容和負(fù)載 ， 它們共同完成電能的轉(zhuǎn)換和傳遞 。 BUCK正常工作時(shí) ， 開關(guān) S被 控制電路的控制 ， 重復(fù)導(dǎo)通和關(guān) 斷 ， 等效于輸入電壓為方波電壓 ， 通過 L/C 濾波器 的濾波作用，最終獲得近似于 直流 的 輸出電壓 UOUT 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 2 降壓型開關(guān)電源 11 圖 22 BUCK 電路基本結(jié)構(gòu) 根據(jù) BUCK電路中， 流經(jīng)電感的電流是否 有一段 降為零 ， 可 將其工作模式區(qū)分為兩種： （ 1）連續(xù)導(dǎo)通模式（ Continuous Conduction Mode） ，即 穩(wěn)態(tài)工作時(shí) ， 在整個(gè)開關(guān)周期中 ， 電感中流過的電流不降至零 。 我們希望 電路 僅在一種模式 下工作 ， 因?yàn)樵趦煞N不同工作模式下 ， 電路 的 各參數(shù) 間的 關(guān)系 將發(fā)生重大的變化。 若 BUCK工作在 非連續(xù)導(dǎo)通模式 ， 輸入電壓、輸出電感、占空比、開關(guān)頻率和負(fù)載等效電阻 將 共同 影響輸出電壓的波形 ，輸出電壓與負(fù)載及輸入電壓均有關(guān) ， 電路各參數(shù)關(guān)系復(fù)雜，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電 路難度較大 ， 所以 本 論文設(shè)計(jì)的 LED驅(qū)動(dòng)電源將 采用 連續(xù)導(dǎo)通模式下 的 BUCK電路 。 本節(jié)的主要工作是 通過對(duì) BUCK轉(zhuǎn)換器主電路在連續(xù)工作模式下的穩(wěn)態(tài)分析 ， 推導(dǎo)出 電路間各參數(shù) 的關(guān)系。 定義 開關(guān) S導(dǎo)通狀態(tài)的持續(xù) 時(shí)間為 TON ， 開關(guān)管 S關(guān)斷狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為 OFT ，重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 2 降壓型開關(guān)電源 12 一個(gè)周