【正文】 區(qū)。 理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長幾與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度 Eg 有關(guān)，即： (11)1240/()Enmg??式中 Eg 的單位為電子伏特（eV )。 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(dǎo)體材料磷砷化鎵(GaAsP)研制出第一批發(fā)光二極管 [3]。1996 年，日亞公司首先采用 InGaN 藍(lán)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。從理論和技術(shù)的發(fā)展分析，白光 LED 的光效可以達(dá)到 283lm/W。此后由于材料、封裝等技術(shù)進(jìn)步，目前商業(yè) LED 的發(fā)光效率水平已超過 150lm/W，實(shí)驗(yàn)室最新成果達(dá)到 208lm/W。由 Philips Lighting 和 Agilent（原 HP）于 1998 年合資興辦的 Lumileds 是一家致力于功率型白光 LED 生產(chǎn)，封裝研究和開發(fā)的公司。日本在大功率白光 LED 的研制方面一直處于世界前列。2022 年 8 月，松下電工開發(fā)出亮度達(dá)到 300lm 的白光照明燈具，相當(dāng)于 40W 白熾燈的亮度，并于2022 年春季開始了商品化銷售。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)光原理藍(lán)色 LED InGaN/熒光粉InGaN 的藍(lán)光與熒光粉的黃光混合成白光藍(lán)色 LED InGaN/熒光粉InGaN 的藍(lán)光激發(fā)的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)白光1紫外 LED InGaN/熒光粉InGaN 的紫外激發(fā)的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)白光藍(lán)色 LED2黃綠 LEDInGaNGaP將具有補(bǔ)色關(guān)系的兩種芯片封裝在一起，構(gòu)成白色 LED藍(lán)色 LED綠色 LED3紅色 LEDInGaNAIInGaP將發(fā)三原色的三種小片封裝在一起，構(gòu)成白色 LED3 個(gè)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(gòu)成白光 LED隨著技術(shù)進(jìn)步、亮度提升，高亮度白光 LED 正一步步進(jìn)軍潛力龐大無比的燈光照明市場。Sullivan 的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全球照明市場的年均成長率約為 % ，2022 年市場規(guī)模達(dá) 45 億美元。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(jià)格與常規(guī)燈泡相比仍有很大的差距。正因?yàn)榇耍鹘缍紝?duì)白光 LED 寄以厚望，LED 也享有“綠色照明光源”之稱。本課題研究的是大功率照明 LED 開關(guān)電源的技術(shù)，現(xiàn)在處于一個(gè)新興的熱潮中。本設(shè)計(jì)的輸入電壓范圍為 15V 至 40V，具有低電流消耗、高效率、短路保護(hù)和開路LED 保護(hù)等功能。整個(gè)設(shè)計(jì)在照明領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。第二章 大功率 LED 驅(qū)動(dòng)電路 白光 LED 的伏安特性LED 驅(qū)動(dòng)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。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(jī)挑選的 LED 之間的正向電流電壓特性的差異 [6]?？梢钥闯觯诤愣妷旱尿?qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電流的影響，從而導(dǎo)致發(fā)出的白光亮度不同，如圖中虛線所示。再如下圖 22 (a) 所示 [7]，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(guān)系曲線。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。當(dāng)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。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。圖 22 HPWAxH00 在常溫下的光通量與 IF 曲線以及 IV 曲線關(guān)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。 串聯(lián)驅(qū)動(dòng) 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)保證流過每個(gè) LED 的電流相等，而 LED 的發(fā)光亮度和其導(dǎo)通電流呈正比關(guān)系，所以采用此種驅(qū)動(dòng)方式可以使 LED 發(fā)光亮度均勻，適合對(duì)發(fā)光亮度的匹配性要求高的場合。另外，如果一個(gè) LED 斷開，則整個(gè) LED 串就熄滅。當(dāng)然，采用恒定電流驅(qū)動(dòng)時(shí)不會(huì)存在上述問題。由前述知 LED 正向?qū)▔航荡嬖谝欢ú町悾圆⒙?lián)驅(qū)動(dòng)的最大不足是流過每個(gè) LED 的電流不相等，致使 LED 的亮度不匹配。圖 23 白光 LED 的連接方式 混聯(lián)驅(qū)動(dòng) 當(dāng)要驅(qū)動(dòng)的 LED 數(shù)量很多時(shí)，若采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，則會(huì)要求很高的電源電壓?；炻?lián)驅(qū)動(dòng)是串/并聯(lián)兩種方式的綜合，適合于驅(qū)動(dòng)大量 LED 的場合。例如對(duì)于作為手持設(shè)備背光用的 LED 驅(qū)動(dòng)電路，要求驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)簡單，封裝較小，以實(shí)現(xiàn)小型化，而驅(qū)動(dòng)方式上，多采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。 大功率 LED 驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展趨勢(shì)隨著大功率 LED 在燈光裝飾和照明中的普遍應(yīng)用，功率型 LED 驅(qū)動(dòng)顯得越來越重要。(1) 驅(qū)動(dòng)器需要適合 LED 的工作特性大功率 LED 是低電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過 LED 的電流決定，電流過強(qiáng)會(huì)引起 LED 的衰減，電流過弱會(huì)影響 LED 的發(fā)光強(qiáng)度，因此，LED 的驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率 LED 使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。由于采用脈沖供電， LED 處于間歇工作的狀態(tài)，延長了大功率 LED 的使用壽命。(2) 體積小型化隨著 LED 的進(jìn)一步發(fā)展，向照明領(lǐng)域的不斷進(jìn)軍，向民用市場的逐漸普及。(3) 多功能保護(hù)LED 在電流過強(qiáng)時(shí)，引起 LED 衰減，導(dǎo)致 LED 的壽命縮短。良好的 LED 的驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能是必不可少的，如過流保護(hù)、過溫保護(hù)、短路保護(hù)、安全保護(hù)等。當(dāng)加在負(fù)載上的電壓和電流波形相位一致φ時(shí)(即相角差 =0)，則功率因數(shù) cos =1 是理想的情況；當(dāng)加在負(fù)載上的電壓和電流波φ形相角差為 90176。加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間存在相位差導(dǎo)致的結(jié)果之一是供電效率降低，即產(chǎn)生所要求的電力需要輸入更大的電力。大量的高次諧波反饋到主輸入線（電網(wǎng)） ，造成電網(wǎng)被高次諧波污染成為惡性事故的隱患。隨著節(jié)能理念的深入人心，大功率 LED 的發(fā)展日趨成熟， “功率因素”的指標(biāo)也被LED 電源驅(qū)動(dòng)行業(yè)提上議題，交流系統(tǒng)里實(shí)際功率等于視在功率乘以功率因素。 大功率 LED 驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀研究大功率 LED 恒流驅(qū)動(dòng)常用方法有電阻限流、線性控制調(diào)節(jié)、電荷泵升壓、開關(guān)變換器控制等。 電阻限流電路這類應(yīng)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(yù)期正向電流所需要的電壓，過一個(gè)串聯(lián)電阻來控制 LED 的電流。圖 24 電阻限流電路這個(gè)應(yīng)用方案簡單易行，只需要一個(gè)限流電阻就可以控制 LED 的光強(qiáng)，但存在不少的缺點(diǎn):輸入電壓的微小變化都會(huì)導(dǎo)致 LED 電流的變化，從而影響光通量輸出；限流電阻上會(huì)消耗大量的功率而使得整個(gè)系統(tǒng)效率不高；當(dāng)這種調(diào)光方式在對(duì)白光 LED 燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)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(duì)光色要求不高的情況。其基本的原理是:線性控制是把工作于線性區(qū)的功率管等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻，通過負(fù)反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率管的阻值大小使得流過 LED 的電流維持在一個(gè)恒定的值。線性調(diào)節(jié)器可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。它采用功率管與 LED 并聯(lián)，分流掉負(fù)載的一部分電流。當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，流過 LED 上的電流增加，反饋電壓增大使得功率管Q1 的動(dòng)態(tài)電阻減小，流過 Q1 的電流將會(huì)增大，這樣就增大了限流電阻 Rload 上的壓降，從而使得 LED 上的電流和電壓保持恒定。串聯(lián)型調(diào)節(jié)器是采用功率管與 LED 串聯(lián)，當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，使功率管的動(dòng)態(tài)電阻增大，從而使得功率管上的壓降增大，以保持 LED 上的電壓(電流)恒定，如圖 18(b）所示。但是由于功率三極管或 MOSFET 管都有一個(gè)飽和導(dǎo)通電壓，因此輸入的最小電壓必需大于功率管的飽和電壓與負(fù)載電壓之和，使得整個(gè)電路的電壓調(diào)節(jié)范圍受限。它利用分立電容將電能從輸入端傳送到輸出端，整個(gè)電路不需要任何的電感。但它的主要缺點(diǎn)是只能提供有限的輸出電壓范圍，大多數(shù)充電泵電路的輸出電壓增益為輸入電壓的 1，3/2 ，或 2 倍。此時(shí)為了防止并聯(lián)支路上電流分配不均，每條并聯(lián)支路上必須使用鎮(zhèn)流電阻，這樣會(huì)消耗大量的功率，整個(gè)系統(tǒng)的效率就會(huì)降低。開關(guān)電源作為能量變換中效率最高的一種方式，特別適用于大功率LED 的亮度控制。采用 Buck 拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)低于輸入電源電壓的輸出。采用 Boost 可以實(shí)現(xiàn)高于輸入電源電壓的輸出幅值。不過與電荷泵升壓電路相比，需要電感元件，增加了系統(tǒng)的成本和體積。通過控制 LED 的峰值電流及其導(dǎo)通占空比，來調(diào)節(jié) LED 的平均電流，以達(dá)到LED 亮度調(diào)節(jié)的目的。本章將介紹降壓型脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源 DC/DC 變換器 Buck 拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)，Buck 結(jié)構(gòu)的變換原理和控制方式。下面分別介紹電壓控制模式和電流控制模式的原理和特點(diǎn) [16][17][18]。它將快速通斷的晶體管置于輸入和輸出之間，通過調(diào)節(jié)占空比來控制輸出直流電壓的平均值。其中開關(guān)器件 Q1 與直流輸入電壓 VDC 直接相連。在 Q1 導(dǎo)通時(shí)，V1 點(diǎn)電壓為VDC（設(shè) Q1 導(dǎo)通時(shí)兩端的電壓降為零） 。 LC 濾波器接在 V1 和 Vo 之間它使輸出點(diǎn) Vo 成為幅值等于 V DC*Ton/T 的無尖鋒無紋波的直流電壓。由此可以總結(jié)出，無論輸入電壓 VDC 如何波動(dòng)，電壓控制系統(tǒng)都會(huì)改變 Q1 的導(dǎo)通時(shí)間Ton，使得最終的輸出電壓維持在 Vo =Vref(1+R2/R1)。圖 32 Buck 變換器連續(xù)工作模式下各節(jié)點(diǎn)波形 在每個(gè)周期開始時(shí)，電感 L 上的初始電流為 I1，Q1 由控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)后導(dǎo)通，二極管反偏截止，加在 L 上的電壓的大小為 VDCVo，由于電感兩端的電壓恒定，所以流過電感的電流線性上升到 I2，其斜率為 。如果沒有接二極管 D1，則 V1 點(diǎn)的電位會(huì)變得很負(fù)以保持電感 L 上的電流方向不變，這會(huì)讓 Q1 兩端的電壓差過大而損壞開關(guān)，接上二極管后，實(shí)際 V1 點(diǎn)的電壓被箝位于比地低一個(gè)二極管導(dǎo)通壓降。Q1 關(guān)斷結(jié)束后，電感上的電流降低到D1O(V+)dI=tLI1。在整個(gè)周期內(nèi)，電感的電流會(huì)有 I2I1 的上下波動(dòng)，輸出電流 Io的大小就是 。以上討論的 Buck 變換器的工作過程是基于穩(wěn)定工作時(shí)電感上的電流在下降的過程中沒有下降到 0，也就是 I10，我們稱這種模式為連續(xù)工作模式，如圖 32 中所示。圖 33 不連續(xù)工作模式下的電流波形圖不連續(xù)工作模式輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系推導(dǎo)如下。因電感電流上升ronT+和下降的絕對(duì)值相等，則 ，化簡得 。電壓控制型變換器是一個(gè)二階系統(tǒng)，它有兩個(gè)狀態(tài)變量：輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。因此，僅用電壓采樣的方法穩(wěn)壓，響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生振蕩，從而損壞功率器件。電壓控制模式的缺點(diǎn)是：（1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢；（2）輸出濾波對(duì)控制環(huán)增加了兩個(gè)極點(diǎn)，這就需要一個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償；（3）由于環(huán)路增益隨輸入電壓而變化，使得補(bǔ)償變得更加復(fù)雜化。電流控制模式可以分為峰值電流模式控制（PCM: Peak Current Mode）和平均電流模式控制（ACM: Average Current Mode） ，ACM 是在 PCM 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通常情況下電流控制模式所說的就是峰值電流控制模式。根據(jù)最優(yōu)控制理論，實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)反饋的系統(tǒng)是最優(yōu)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)最小的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的誤差平方積分指標(biāo)。圖 34 為 PWM 峰值電流控制模式的原理框圖。每個(gè)周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)控制將開關(guān)開啟，流過開關(guān)和電感的電流增大，當(dāng)電流增大到 Vs 超過 Vea 時(shí)，觸發(fā)器 R 端置高電位，開關(guān)被關(guān)斷。由此可總結(jié)出，無論輸入電壓 VDC 如何波動(dòng)，電流控制模式同樣也能通過改變開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間 Ton