【正文】 評(píng) 閱 人 (簽章)成 績(jī) 答辯委員會(huì)主任 (簽章) 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)班 級(jí) 電子2009級(jí)2班 學(xué)生姓名 高 崇 波 學(xué) 號(hào) 20099027 發(fā)題日期： 2013 年 02月25日 完成日期： 2013年 06月 21日題 目 LED節(jié)能燈的設(shè)計(jì)與研究 本論文的目的、意義 進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著全球經(jīng)濟(jì)和人口的快速增加，能源問(wèn)題顯得越來(lái)越重要，受到各個(gè)國(guó)家的高度重視，有些國(guó)家甚至為爭(zhēng)奪能源而不惜發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)。像石油，煤炭等資源，隨著人類(lèi)的大力開(kāi)采，這些不可再生資源的數(shù)量越來(lái)越少，據(jù)估計(jì)石油可供開(kāi)采的年限為60年左右，煤炭可供開(kāi)采的年限為220年左右。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們發(fā)明了一種發(fā)光效率較高的燈，那就是LED燈，LED被公認(rèn)為是二十一世紀(jì)的新型半導(dǎo)體綠色照明光源，具有能耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間短、安全低壓、環(huán)保、應(yīng)用靈活、調(diào)節(jié)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)能夠接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)光，可根據(jù)人體的紅外信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)功能。 （2）學(xué)習(xí)并掌握LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)缺點(diǎn)。 （4）用Protel繪制出電路圖并進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試電路，以驗(yàn)證其功能。畢業(yè)論文要介紹LED的原理及特性、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及應(yīng)用等。LED作為一種新型的光源，以其環(huán)保、節(jié)能、效率高等特點(diǎn)，逐漸受到人們的親睞?，F(xiàn)在LED在家居照明方面的成果令人矚目，LED家居照明是潛力巨大的市場(chǎng)。并設(shè)計(jì)一套智能調(diào)光系統(tǒng)，此調(diào)光系統(tǒng)以STC12C5620AD為主控器，配合JF24D無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，使該系統(tǒng)具有自適應(yīng)式調(diào)光和手動(dòng)調(diào)光功能，并可以感應(yīng)人體紅外信號(hào)實(shí)現(xiàn)LED燈的自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。能源危機(jī)已經(jīng)成為世界各國(guó)面臨的最重要的問(wèn)題，如何合理開(kāi)發(fā)和高效利用能源成為各國(guó)家研究人員優(yōu)先研究的領(lǐng)域。很多國(guó)家相繼推出自己的投資計(jì)劃。中國(guó)現(xiàn)在也在加快發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)，比如深圳市政府制定了《20092015年深圳市LED發(fā)展規(guī)劃》,現(xiàn)在深圳集中了很多的LED制造商，加快促進(jìn)中國(guó)的LED走向世界。根據(jù)LED在線(xiàn)公司的的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表明，在2010年中國(guó)照明市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到120億美元左右（不包括汽車(chē)照明），在今后的幾年內(nèi)仍呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于LED自身特點(diǎn)，原來(lái)的電源不在適用于LED驅(qū)動(dòng)。在開(kāi)發(fā)的LED驅(qū)動(dòng)器中，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該具有效率高，過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，體積小，易安裝等特點(diǎn)。燈光照明的主要目的是為了在光線(xiàn)不足的情況下提供照明。但在某些情況下，將亮度調(diào)到較暗的程度（25%?50％），可以顯著地減少能量消耗（50％75％）。在一些如走廊，廁所燈場(chǎng)所，只需要保持適當(dāng)?shù)墓饩€(xiàn)，就可以方便人員的通行和避免安全死角。為了使LED更充分的體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)所在，把調(diào)光技術(shù)應(yīng)用在LED照明中可以大大提高節(jié)能效果。根據(jù)以上可知，在照明領(lǐng)域，LED作為一種新型綠色光源，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，在21世紀(jì)將進(jìn)入LED照明為代表的新時(shí)代。隨著光電子與微電子的結(jié)合，光電子產(chǎn)業(yè)將逐步走進(jìn)人們的生活，進(jìn)一步改善人們的生活水平，使信息的傳輸更加快捷，可靠，安全?，F(xiàn)在，來(lái)自全球的很多大學(xué)和公司等機(jī)構(gòu)開(kāi)始著手研究開(kāi)發(fā)LED材料、器件制作工藝等。這些公司都有自己的專(zhuān)利技術(shù)但他們都是在自己內(nèi)部使用，只銷(xiāo)售產(chǎn)品，不轉(zhuǎn)讓技術(shù)。有統(tǒng)計(jì)表明，中國(guó)在2005年LED的需求量已經(jīng)超過(guò)1000億只，高亮LED占35％，普通亮度占40％，其余為紅外LED。這足以證明中國(guó)的LED市場(chǎng)是非常龐大的。近些年來(lái)我國(guó)加大了LED研發(fā)的資金投入，有很多大學(xué)和研究所逐步加入LED的開(kāi)發(fā)中來(lái)。目前國(guó)內(nèi)的LED大屏幕供應(yīng)主要是由國(guó)內(nèi)的廠家生產(chǎn)，幾乎覆蓋了整個(gè)市場(chǎng)。該系統(tǒng)通過(guò) PWM 調(diào)制，應(yīng)用光敏感應(yīng)、人體感應(yīng)和無(wú)線(xiàn)接收模塊，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：根據(jù)外界環(huán)境光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈的亮度；根據(jù)感應(yīng)人體紅外信號(hào)自動(dòng)控制LED燈開(kāi)關(guān)機(jī)功能；接收無(wú)線(xiàn)遙控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模式的切換。2. 以L(fǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)以STC12C5620AD為主控器的其他電路，主要包括：光敏傳感器模塊、人體感應(yīng)模塊、無(wú)線(xiàn)遙控模塊。人體感應(yīng)模塊主要用于檢測(cè)一定范圍內(nèi)的人體熱釋電紅外信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)軟件處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)LED燈。 ，主要包括以下三個(gè)方面：PWM（Pulse Width Modulayion Dimming） 調(diào)光技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：通過(guò)改變PWM的占空比，調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn) LED 亮度的調(diào)節(jié)。 無(wú)線(xiàn)接收模塊軟件的設(shè)計(jì)：主要用切換工作模式，LED亮度調(diào)節(jié)和開(kāi)關(guān)機(jī)功能。LED結(jié)構(gòu)如圖22所示，是將半導(dǎo)體材料放在一個(gè)有引線(xiàn)支架上，然后用環(huán)氧樹(shù)脂密封。N型半導(dǎo)體電子為多數(shù)載流子，P型半導(dǎo)體空穴為多數(shù)載流子。由于空穴帶正電荷，電子帶負(fù)電荷，兩種載流子會(huì)在交界面復(fù)合，一個(gè)空間電荷區(qū)在交界面兩側(cè)形成，其電場(chǎng)方向由N指向P，這就是PN結(jié)。當(dāng) PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)作用，其結(jié)果是使內(nèi)電場(chǎng)減弱，從而空穴和電子可以再向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散形成穩(wěn)定的電流。 LED的IV特性IV 特性是用來(lái)表征LED性能的一個(gè)重要參數(shù)。(1) 正向死區(qū)（圖23中的oa或者o180。段）。啟動(dòng)電壓對(duì)于不同材料的LED它的啟動(dòng)電壓值不一樣，GaAs LED為1V，紅光GaAsP ，GaP ，GaN 。工作電流與外加電壓是指數(shù)關(guān)系。 在V的正向工作區(qū)，隨成指數(shù)規(guī)律上升。V0時(shí)PN結(jié)痂反偏壓；GaP LED的反向漏電流(V=5V)為0AGaN LED的反向漏電流(V=5V)為10μA。稱(chēng)為反向擊穿電壓，電壓對(duì)應(yīng)的電流稱(chēng)為反漏電流。由于所用化合物材料種類(lèi)不同，各種LED的反向擊穿電壓也不同。所以在恒定的電壓下，LED的電流隨溫度變化而發(fā)生較大變動(dòng)，將會(huì)直接影響LED的使用壽命，因此本文中采用 LED 恒流驅(qū)動(dòng)。LED是一種固態(tài)冷光源，大部分釋放的能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，LED照明的發(fā)光效率可達(dá)到50?200lm/W，普通白熾燈僅有12?24lm/ W，熒光燈50?70lm/ W，在相同的發(fā)光效率下,LED耗電量?jī)H為日光燈的1/3，白熾燈的1/10。(2) 使用壽命長(zhǎng)。(3) 容易調(diào)光控制。充分考慮LED調(diào)光特點(diǎn)，在不同光線(xiàn)強(qiáng)度調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)腖ED亮度，可以進(jìn)一步降低能耗，體現(xiàn)LED低碳環(huán)保的功能。LED照明燈不含汞、氙、鉛等有害元素，不污染環(huán)境，同時(shí)降低了棄置成本。LED燈響應(yīng)時(shí)間為s。LED具有體積小，可根據(jù)不同的需要由多只LED構(gòu)成燈具；LED的發(fā)光亮度由驅(qū)動(dòng)器工作的電流確定，色彩由端線(xiàn)控制，可以很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)光?！　。?）汽車(chē)部分：在汽車(chē)內(nèi)部?jī)x表盤(pán)，照明等，在汽車(chē)外部，轉(zhuǎn)彎燈，射燈等。　?。?）背光源部分：現(xiàn)在市場(chǎng)上的智能手機(jī)基本上都是LED背光源，液晶電視的背光源絕大部分也使用LED背光源，從這里可以看出LED的市場(chǎng)非常龐大。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)LED顯示器將完全替代傳統(tǒng)顯示器。 LED驅(qū)動(dòng)LED的驅(qū)動(dòng)方法一般可分為恒壓和恒流驅(qū)動(dòng)。在人們的長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)LED的正向壓降受結(jié)溫變化的影響相當(dāng)顯著，結(jié)溫每升高1℃，以此類(lèi)推。此外采用恒壓驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法為L(zhǎng)ED提供恒定的電流，盡管利用限流電阻可分別設(shè)定每個(gè)LED燈串的工作電流值，但限流電阻R會(huì)造成功耗。圖24（a）為開(kāi)關(guān)或線(xiàn)性穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路，F(xiàn)B為反饋端，,為取樣電阻。其特點(diǎn)是輸出電壓保持恒定，而輸出電流是可變的。其特點(diǎn)是輸出電流保持恒定，而輸出電壓時(shí)可變的。其中數(shù)字調(diào)光是微控制器通過(guò)單線(xiàn)借口、SMBus、SPI等串行借口給LED驅(qū)動(dòng)器發(fā)出數(shù)字信號(hào)，來(lái)調(diào)節(jié)LED照明燈亮度，可實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)調(diào)光。此外可利用數(shù)字電位器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。 模擬調(diào)光模擬調(diào)光也稱(chēng)線(xiàn)性調(diào)光。其特點(diǎn)是調(diào)光信號(hào)為模擬量，而且輸出電流是連續(xù)變化的，使LED的亮度能連續(xù)調(diào)節(jié)。但LED也存在以下缺點(diǎn)：（1） 容易發(fā)生色偏，因?yàn)長(zhǎng)ED的色譜由LED電流決定。遠(yuǎn)低于PWM調(diào)光，后者可達(dá)到幾百到幾千倍。 PWM調(diào)光在實(shí)際的生活中，人們發(fā)現(xiàn)我們的肉眼對(duì)于亮度的變化并不敏感，如果亮度變化的頻率超過(guò)100Hz,人肉眼幾乎就看不到閃爍，所以根據(jù)這一特性采用PWM方式來(lái)調(diào)節(jié)LED的輸出電流，從而可以改變LED的亮度。這種方法通過(guò)把頻率固定，占空比可調(diào)的PWM信號(hào)加LED驅(qū)動(dòng)器PWM端口上方可實(shí)現(xiàn)調(diào)光。設(shè)流過(guò)LED的最大電流為，流過(guò)最大直流電流的時(shí)間為t，脈寬調(diào)制信號(hào)的周期為T(mén)，則當(dāng) PWM 信號(hào)的占空比為D時(shí)，LED 的平均電流為 （25） 由式（25）可知，LED 的輸出平均電流與 PWM 信號(hào)的占空比D成正比。與模擬調(diào)光相比，PWM調(diào)光具有以下特點(diǎn)：（1）無(wú)論調(diào)光比有多大，LED一直在恒流條件下工作。（3）能夠提供更大調(diào)光范圍和更好的線(xiàn)性度。（4）低頻調(diào)光時(shí)的占空比調(diào)節(jié)范圍可高達(dá)1%~100%。輸入交流電源通過(guò)滑動(dòng)電阻 RP和 電阻R為電容 C充電，當(dāng) C上電壓達(dá)到雙向觸發(fā)二極管 DIAC 的觸發(fā)電壓（約 32V）時(shí)，DIAC 擊穿導(dǎo)通，從而使 TRIAC 導(dǎo)通。電阻 RP、R和 C使可以控制TRIAC 的導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)RP向上移動(dòng)，充電時(shí)間減少，延遲控制角減小，則 TRIAC 的導(dǎo)通角θ 增大，燈光將會(huì)變亮。 圖25 TRIACA典型調(diào)光電路 (a)輸入波形 (b) 調(diào)光波形 圖26 輸入波形與調(diào)光波形TRIAC調(diào)光的主要優(yōu)點(diǎn)是電壓調(diào)節(jié)速度快，調(diào)光精度高，調(diào)光比為100:1，調(diào)光參數(shù)能夠分時(shí)段、實(shí)時(shí)調(diào)整，體積小，成本低。因此，TRIAC調(diào)光會(huì)導(dǎo)致電源的效率和功率因數(shù)的降低。所以本文采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，PWM調(diào)光方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在純阻性電路中功率因數(shù)（Power Factor，PF）習(xí)慣用表示，其中是正弦電壓和正弦電流的相位差。為此，在開(kāi)關(guān)電源中一般用PF表示網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)。因此功率因數(shù)也看做是畸變因數(shù)與位移因數(shù)的乘積。 功率因數(shù)和THD的關(guān)系工程中，電流諧波或者電壓諧波的含量經(jīng)常用諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）來(lái)表示，即THD定義為諧波有效值與基波有效值之比： （36）由式（35）和（36）可得THD與畸變因數(shù)的關(guān)系為 (37) 所以功率因數(shù)可以表示為 （38）當(dāng)=0時(shí)，THD5%。所以要想提高功率因數(shù)，我們需要從電流的相位和諧波方面著手。 所謂PPFC技術(shù)，就是通過(guò)在電路中加入電感和電容等無(wú)源元件，而使電路輸入端電流波形接近正弦波的方法，它是傳統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波的主要手段，得到廣泛應(yīng)用?；舅枷胧牵涸谡髌骱蠼尤隓C/DC快關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入電流波形接近正弦波并且與輸入電壓同相位，進(jìn)而達(dá)到功率因數(shù)校正目的。DC/DC變換器可分為無(wú)變壓器隔離的DC/DC變換器和有變壓器隔離的DC/DC變換器。有變壓器隔離的DC/DC變換器，主要形式有正激式變換器、反激式變換器、橋式隔離變換器等。 反激式變換器反激式變換器是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器及開(kāi)關(guān)電源最基本的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。反激式變換器亦稱(chēng)回掃式變換器（Flyfactor Converter）。反激式變換器基本原理如圖31（a），（b）所示。V為MOSFET功率開(kāi)關(guān)管，其柵極接脈寬調(diào)制信號(hào)，漏極（驅(qū)動(dòng)端）接一次繞組下端。在脈寬調(diào)制信號(hào)的正半周時(shí)V導(dǎo)通，一次側(cè)有電流通過(guò)，將能量?jī)?chǔ)存在一次繞組中。負(fù)半周時(shí)V截止，一次側(cè)沒(méi)有電流通過(guò)，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，此時(shí)一次繞組上有感應(yīng)電壓產(chǎn)生,使二次繞組產(chǎn)生電壓，它的極性是上端為正、下端為負(fù)，此時(shí)VD導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)VD、C整流濾波得到輸出電壓，如圖31（b）。 (a) （b） 圖31 反激式變換器的基本原理 （a）功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)能力（b）功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)傳輸能力 反激式變換器主要有以下特點(diǎn)： （1）高頻變壓器一次繞組的同名端與二次繞組的同名端極性相反，并且一次繞組的同名端接的正端，另外一端接功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)端。高頻變壓器就相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能電感，不斷地儲(chǔ)存能量和釋放能量。 （3）輸出電壓的極性可正、可負(fù)