【正文】 美國(guó) 2021 年 國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃 到 2021，年 55%的熒光燈和白熾燈被白光 LED 取代 每年節(jié)約350 億 2021 年 國(guó)家半導(dǎo)體照明工程 20212020 年，投資 50100 億元發(fā)展半導(dǎo)體照明技術(shù)，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)， LED 達(dá)到 150~2021m/W， 15 元 /klm 將建立半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，全面進(jìn)入通用照明市場(chǎng)，占有 30% ~50%的市場(chǎng)份額，實(shí)現(xiàn)節(jié)電 30%以上，年照明節(jié)電 1000 億千瓦時(shí)以上 大功率 LED 發(fā)光原理 大功率 LED 是由 IIIIV 族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、 GaP（磷 化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是 PN 結(jié)。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。進(jìn)入對(duì)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 [2]。若要產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在 380nm紫光 ~780nm紅光范圍內(nèi)），半導(dǎo)體材料的 Eg 應(yīng)在 3. 26~1. 63 eV 之間。早期的 LED 只能發(fā)紅、綠等單色光，且功率小，效率低，只適合于裝飾燈、指示燈等應(yīng)用場(chǎng)合。表 13 列出了目前產(chǎn)生白光 LED 的主要方法 [4]。但是早期的白光 LED 發(fā)光效率低，低于白熾燈和熒光燈的發(fā)光效率（白熾燈的發(fā)光效率為161m/W， 40W熒光燈的發(fā)光效率 601m/W， 60W熒光燈的發(fā)光效率為 100lm/W [5]。 在大功率 LED 照明技術(shù)方面，美國(guó)在 LED 照明 的產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)上一直處于領(lǐng)先地位。該公司擁有多項(xiàng)功率型白光二極管封裝方面的專利技術(shù)。日亞公司由于在InGaN LED 技術(shù)和生產(chǎn)白色 LED 的熒光粉材料上擁有多項(xiàng)專利，在 InGaN 白色 LED芯片供應(yīng)上一直占有優(yōu)勢(shì)地位，目前其研制的 LED 的效率約為 30~401m/W。日亞化學(xué)工業(yè)從 2021 年 6 月開(kāi)始提供發(fā)光效率為 100lm/W 的白色 LED 樣品，并已開(kāi)始量產(chǎn)。根據(jù) Frostamp。若以每年白光 LED 發(fā)光效率平均成長(zhǎng)60%的速度開(kāi)發(fā)下去，要達(dá)到大型化、低價(jià)化、使用壽命長(zhǎng)的照明用光源并非不可能。預(yù)計(jì)未來(lái) 10 年內(nèi)，高亮度 LED 對(duì)全球照明工業(yè)將造成巨大的沖擊。 課題介紹與研究意義 隨著 LED 光效及總體發(fā)光量的不斷提高，大功率 LED 照明在普通照明方面的市 場(chǎng)也得到不斷拓展，相應(yīng)的電源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品也隨市場(chǎng)的升溫如雨后春筍般萌發(fā)。 具體設(shè)計(jì)時(shí)，首先闡述了的開(kāi)關(guān)電源 Buck 拓?fù)涞幕竟ぷ髟?，詳?xì)分析了 PWM 調(diào)制型開(kāi)關(guān)電源電流控制模式和電壓控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)；然后結(jié)合大功率LED 照明的應(yīng)用特點(diǎn)，采用 LT3755 芯片，設(shè)計(jì)了一款 PWM 調(diào)制的電流控制模式的驅(qū)動(dòng)電路，并初步分析了其工作過(guò)程。圖中橫坐標(biāo)為通過(guò)不同 LED 的正向電流，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的外加正向電壓。而且， LED 正向?qū)ê?，外加正向電壓的?xì)小變動(dòng)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。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(guò)控制 LED 的正向電流 IF 來(lái)控制其發(fā)光亮度。在正向電壓值小于某一值 閾值 時(shí)，電流極小，不發(fā)光。但如果采用恒壓源驅(qū)動(dòng)， VF 的微小變化就會(huì)引起 IF 的較大變化，從而會(huì)引起 LED 發(fā)光亮度的較大變化。因此，超高亮 LED 通常采用恒流源驅(qū)動(dòng) [8]。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(chǎng)合。串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的不足是其需要較高的驅(qū)動(dòng)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。當(dāng)采用恒定電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，如果某個(gè) LED 短路，則余下的 LED 的正向壓降會(huì)增加，致使電流增大，可能會(huì)燒毀 LED 燈和電路。 并聯(lián)驅(qū)動(dòng) 并聯(lián)驅(qū)動(dòng) 的優(yōu)點(diǎn)是只需要低的電源電壓就可以驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED，其要求驅(qū)動(dòng)電路能提供大的驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)并聯(lián)LED 采用恒流驅(qū)動(dòng)的方式時(shí)，如果某個(gè) LED 燈斷開(kāi)，則會(huì)使余下 LED 流過(guò)的驅(qū)動(dòng)電流增大，導(dǎo)致可能損壞所有的 LED 。若采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，則會(huì)要求很大的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流，所以就出現(xiàn)了混聯(lián)驅(qū)動(dòng)。 當(dāng)然，以上分類并沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣之分，還要看實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于照明用白光 LED 的驅(qū)動(dòng)電路，要求有較大的驅(qū)動(dòng)電流，較好的光匹配度，因此多采用串連驅(qū)動(dòng)。用市電驅(qū)動(dòng)大功率 LED 需要解決降壓和恒流問(wèn)題，還要有比較高的轉(zhuǎn)換效率，有較小的體積，長(zhǎng)時(shí)間工作，較低的成本，電磁干擾和功率因素等問(wèn)題 [9]。 如深圳天下明公司開(kāi)發(fā)的 T220C350W 系列產(chǎn)品，其電流脈沖的頻率和占空比可以調(diào)整，該驅(qū)動(dòng)器提供恒定的電流充分可控，所以可以根據(jù) LED 的性能調(diào)節(jié)最大流過(guò) LED 的電流 ，使得 LED 的發(fā)光量增加。另外，該驅(qū)動(dòng)器是高頻工作，充分利用了 LED 內(nèi)熒光粉的余輝效應(yīng)，不但不會(huì)有光的閃爍現(xiàn)象，還進(jìn)一步提高了LED 的發(fā)光效率。大功率 LED 電源設(shè)計(jì)的小型化發(fā)展是一個(gè)必然的趨勢(shì)，這對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)器提出了新的課題。恒定的電流在 LED照明中極其重要，這就需要 驅(qū)動(dòng)器提供過(guò)流保護(hù)功能。 4 功率因素 功率因數(shù)是加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間的相角余弦（若電壓波形與電流波形的相角差為，則 cos 便是電源的功率因數(shù)）。時(shí)（即 90），則功率因數(shù)等于零（處于最小值）；通常，電源的功率因數(shù)處于 0 到 1 之間，即 0≤ cos≤ 1，可用百分?jǐn)?shù)表示。導(dǎo)致的另外一個(gè)結(jié)果而且是更嚴(yán)重的后果，那就是電壓和電流的波形差產(chǎn)生過(guò)多的高次諧波。同時(shí)，這種高次諧波也會(huì)擾亂控制系統(tǒng)里的敏感低壓電路。 5 長(zhǎng)壽命 對(duì)于大功率 LED 要進(jìn)入普通照明領(lǐng)域，和其 匹配的驅(qū)動(dòng)電源同樣面臨著長(zhǎng)壽命的要求，已經(jīng)成為制約 LED 發(fā)展的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，各大驅(qū)動(dòng)電源廠商也都意識(shí)到這一點(diǎn)，更是 LED 應(yīng)用廠商更加關(guān)注的一點(diǎn)，它將決定 LED 整體節(jié)能高效的性能能否真正實(shí)現(xiàn)。下面對(duì)現(xiàn)有的各種控制方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹 [1015]。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 F 為 IED 的正向電流； VF 為 LED 在正向電流為 IF 時(shí)的壓降； VD為防反二極管的壓降 可選 圖 24 電阻限流電路 這個(gè)應(yīng)用方案簡(jiǎn)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(guò)負(fù)反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率管的阻值大小使得流過(guò) 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(guò) 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(guò) 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(kāi)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(guò)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(guò)控制 LED的峰值電流及其導(dǎo)通占空比，來(lái)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(kāi)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(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制輸出直流電壓的平均值。其中開(kāi)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(wú)尖鋒無(wú)紋波的直流電壓。由此可以總結(jié)出，無(wú)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(kāi)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(guò)電感的電流線性上升到 I2，其斜率為。如果沒(méi)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