50WLED驱动电路的设计
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 本论文的背景和意义 1
1.2 LED的发光原理和优势 1
1.3 LED驱动电路的研究现状及发展方向 3
1.4 本论文的主要内容 4
第二章LED驱动电路的研究 4
2.1 典型LED驱动电路的研究 4
2.2 本章小结 8
第3章 LED驱动电路的参数指标 8
3.1 LED驱动电路参数指标 8
3.2 系统整体架构 9
3.3 本章小结 9
第四章 LED驱动电源电路设计 9
4.1 输入保护电路设计 9
4.2 EMI滤波器设计 10
4.3 整流电路设计 11
4.4 输出滤波电容设计 13
4.5 准谐振反激变换器的设计 14
4.6 恒流电路 24
4.7 整体电路图设计 26
4.8 设计实物情况展示 28
4.9 本章小结 29
结 论 30
致 谢 31
1 绪 论
1.1 本论文的背景和意义
LED(Light Emitting Diode)即发光二极管，它能够将电能转变为光和辐射能，是一种发光的半导体器件。LED是能够生产可见光的高性能产品，可以直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白八种颜色的光。
随着国家对绿色节能的大力倡导，LED在近些年来取得了空前的快速发展，我国的LED照明将通过下面几个方面实施改变：首先，通过LED的广泛普及，环保意识、低碳社会渗透人们的内心； *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
其次，在当局的指点文件和世博会、奥运会等形象工程的指引下，LED照明改变了中国照明产业发展方向；再次，在市场需求的推动下，我国的背光、景观和家居照明等将有重大发展。应用前景极好的普通照明白光LED被誉为21世纪的绿色照明光源，用于固态照明设备效率显著，和更好的环保效果。在现在这个阶段主要用于商业照明，对促进企业降低能源消耗，节能减排很有益处。据相关资料显示，传统的白炽灯和荧光灯等照明产品，由于其效率比较低功耗相对大而使电能的利用率降低，不符合节能减排的目标。2013 年五月份，科技部在半导体照明专项规划中指出，俩年之后，我国就将建成“十城万盏”示范城市，30%的通用照明将LED照明；在国务院会议国家基本公共服务体系规划中指出，提供资金大力推广LED照明和节能灯产品[1]。
近年来LED照明技术有了不断创新和快速发展，其驱动电路的需要也日益增长。基于开关电源技术的LED驱动电路通过工程应用表明其在集成度、性价比以及性能指标等方面具有强大的竞争力。
1.2 LED的发光原理和优势
LED是能直接把电能转换为光能的固态半导体器件。半导体晶片分为两部分，一端是N型半导体，在它里面电子占主导地位，另一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位。假如把P型和N型半导体连接到一起，它们之间就会产生P-N结。把晶片连接到电路中并通电，在电场作用下电子向P区移动，在P区里与空穴结合，然后以辐射光子的方式将过剩能量变换为光能，由公式算得辐射出的光的波长从而知道是什么颜色的光，在一定程度上也跟形成P-N结的材料有关。
组成发光二极管的元素[12,13,14]在元素周期表中属于Ⅲ-Ⅳ族化合物。LED的核心部分是P-N 结，所以它也具有正常P-N结的I-V特征，即LED是正向导通、反向截止，在某些情况下LED也有发光特征。对LED两端加上正向电压，电场作用使得电子从N区转移到P区，空穴从P区转移到N区，进来对方地域的少数载流子，一部分与多数载流子发生结合并发出对应波长的光，原理如图2.1所示。
图 1.1 LED发光原理示意图
我们先假设P区产某些波长的光，电子在电场作用下漂移到P-N结附近，与P区里面的价带空穴相结合发出相应波长的光。另外还有一种情形，有些电子被位于价带和导带中间附近的非发光中心发现，然后再与P区的空穴相结合，这种情形产生的能量很小，小到不足以产生可见光。在P-N结附近电子与空穴结合的数量越多，产生的光量子效率也就越高，产生的光线基本上是在P-N结表面附近微米数量级范围内发出，因为少数载流子只有通过转移扩散区才能结合。
科学家通过大量的理论计算与试验证实，所产生光的波长λ和发光区域的半导体材料的禁带宽度Eg（单位：eV）相关，用公式表示为：
λ≈1240/Eg（nm） （1-1）
要想产生可见光，该当确保半导体质料的Eg在3.26~1.63eV这个限度。到目前为止，有许多颜色的LED，包括红色，黄色，绿色，蓝色和红外LED。
LED为固体冷光源，它是第四代光源，在白炽灯，荧光灯，高强度气体灯后LED光源与传统光源相比较,拥有一下的优点：
1.LED发出的光方向性很强。
2.不需要玻璃外壳，耐冲击，不易破碎。
3.灯源单位较小并且能够更好地完成夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果[2]。
4.光源中不添加汞，更环保。
5.使用低压直流电，拥有干扰弱、负载小的长处[3]。
1.3 LED驱动电路的研究现状及发展方向
1.3.1 LED电源和驱动电路主要技术概况???
1)电压变换技术?
??电源是对于LED光源的可靠性和适应性务必优先思考的一个重要部分。当前我们日常用电为220V交流电(AC),而LED通常由一个低压直流电源供电,这决定了要在这些灯具或外部设置交流变直流（即整流）的转换电路,适应LED电流驱动的特点。可供选取的电源有开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等,根据今朝的稳定性、瞬态超调以及的安全性和可靠性不同选择不同。
2)电源与驱动电路的寿命与成本?
??虽然单个LED可以100000小时的使用，但必须使用电源转换电路，是以LED照明设备的整体寿命必须考虑其光电整合应用。考虑到寿命长、不要添加太多的成本,电源和驱动电路的寿命和成本通常不应高出三分之一的照明体系的总成本,在LED照明灯具产品开发早期阶段,必须在电源和驱动电路的寿命和成本之间做好均衡。
3)驱动程序的可编程技术?
? LED作为光源，一个显著的特征是，在驱动电流的情况下，它仍能保持其发光效率，在同一时间为R.G.B.类型多晶混合形成白光，通过发展数字RGB LED混合控制系统,使用户可以在很大范围内调整亮度和颜色，给人以一种全新视觉享受；在城市景观照明应用中,LED光源可以在微处理器掌管下可以根据不同的变化模式变化，形成晚上壮观的动态效果[4]。
2.1.3 电荷泵驱动
电荷泵型是一种直流升降压型驱动，输出电压可以高于或者低于电池电压，驱动LED的原理图如图2.4所示。
电荷泵驱动通过一个电容储能，一个电容提供输出，不需要额外的电感元件，应用灵活多变[7][8]。优点包括高工作频率、小体积、低电磁干扰、高效率[9]。但是电荷泵只能提供有限的输出电压比及有限的输出功率，在锂电池供电设备中，电荷泵驱动LED只能并联，由于LED是电流驱动元件，电压的微小变化可引起电流较大变化，并联的LED由于本身元件的差异和电压的波动，容易导致各LED灯电流不一样、光强和光色亦不一样。对于对各个LED光强和光色有严格要求的背光系统来说，电荷泵驱动并不适用。
第一章 绪 论 1
1.1 本论文的背景和意义 1
1.2 LED的发光原理和优势 1
1.3 LED驱动电路的研究现状及发展方向 3
1.4 本论文的主要内容 4
第二章LED驱动电路的研究 4
2.1 典型LED驱动电路的研究 4
2.2 本章小结 8
第3章 LED驱动电路的参数指标 8
3.1 LED驱动电路参数指标 8
3.2 系统整体架构 9
3.3 本章小结 9
第四章 LED驱动电源电路设计 9
4.1 输入保护电路设计 9
4.2 EMI滤波器设计 10
4.3 整流电路设计 11
4.4 输出滤波电容设计 13
4.5 准谐振反激变换器的设计 14
4.6 恒流电路 24
4.7 整体电路图设计 26
4.8 设计实物情况展示 28
4.9 本章小结 29
结 论 30
致 谢 31
1 绪 论
1.1 本论文的背景和意义
LED(Light Emitting Diode)即发光二极管，它能够将电能转变为光和辐射能，是一种发光的半导体器件。LED是能够生产可见光的高性能产品，可以直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白八种颜色的光。
随着国家对绿色节能的大力倡导，LED在近些年来取得了空前的快速发展，我国的LED照明将通过下面几个方面实施改变：首先，通过LED的广泛普及，环保意识、低碳社会渗透人们的内心； *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
其次，在当局的指点文件和世博会、奥运会等形象工程的指引下，LED照明改变了中国照明产业发展方向；再次，在市场需求的推动下，我国的背光、景观和家居照明等将有重大发展。应用前景极好的普通照明白光LED被誉为21世纪的绿色照明光源，用于固态照明设备效率显著，和更好的环保效果。在现在这个阶段主要用于商业照明，对促进企业降低能源消耗，节能减排很有益处。据相关资料显示，传统的白炽灯和荧光灯等照明产品，由于其效率比较低功耗相对大而使电能的利用率降低，不符合节能减排的目标。2013 年五月份，科技部在半导体照明专项规划中指出，俩年之后，我国就将建成“十城万盏”示范城市，30%的通用照明将LED照明；在国务院会议国家基本公共服务体系规划中指出，提供资金大力推广LED照明和节能灯产品[1]。
近年来LED照明技术有了不断创新和快速发展，其驱动电路的需要也日益增长。基于开关电源技术的LED驱动电路通过工程应用表明其在集成度、性价比以及性能指标等方面具有强大的竞争力。
1.2 LED的发光原理和优势
LED是能直接把电能转换为光能的固态半导体器件。半导体晶片分为两部分，一端是N型半导体，在它里面电子占主导地位，另一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位。假如把P型和N型半导体连接到一起，它们之间就会产生P-N结。把晶片连接到电路中并通电，在电场作用下电子向P区移动，在P区里与空穴结合，然后以辐射光子的方式将过剩能量变换为光能，由公式算得辐射出的光的波长从而知道是什么颜色的光，在一定程度上也跟形成P-N结的材料有关。
组成发光二极管的元素[12,13,14]在元素周期表中属于Ⅲ-Ⅳ族化合物。LED的核心部分是P-N 结，所以它也具有正常P-N结的I-V特征，即LED是正向导通、反向截止，在某些情况下LED也有发光特征。对LED两端加上正向电压，电场作用使得电子从N区转移到P区，空穴从P区转移到N区，进来对方地域的少数载流子，一部分与多数载流子发生结合并发出对应波长的光，原理如图2.1所示。
图 1.1 LED发光原理示意图
我们先假设P区产某些波长的光，电子在电场作用下漂移到P-N结附近，与P区里面的价带空穴相结合发出相应波长的光。另外还有一种情形，有些电子被位于价带和导带中间附近的非发光中心发现，然后再与P区的空穴相结合，这种情形产生的能量很小，小到不足以产生可见光。在P-N结附近电子与空穴结合的数量越多，产生的光量子效率也就越高，产生的光线基本上是在P-N结表面附近微米数量级范围内发出，因为少数载流子只有通过转移扩散区才能结合。
科学家通过大量的理论计算与试验证实，所产生光的波长λ和发光区域的半导体材料的禁带宽度Eg（单位：eV）相关，用公式表示为：
λ≈1240/Eg（nm） （1-1）
要想产生可见光，该当确保半导体质料的Eg在3.26~1.63eV这个限度。到目前为止，有许多颜色的LED，包括红色，黄色，绿色，蓝色和红外LED。
LED为固体冷光源，它是第四代光源，在白炽灯，荧光灯，高强度气体灯后LED光源与传统光源相比较,拥有一下的优点：
1.LED发出的光方向性很强。
2.不需要玻璃外壳，耐冲击，不易破碎。
3.灯源单位较小并且能够更好地完成夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果[2]。
4.光源中不添加汞，更环保。
5.使用低压直流电，拥有干扰弱、负载小的长处[3]。
1.3 LED驱动电路的研究现状及发展方向
1.3.1 LED电源和驱动电路主要技术概况???
1)电压变换技术?
??电源是对于LED光源的可靠性和适应性务必优先思考的一个重要部分。当前我们日常用电为220V交流电(AC),而LED通常由一个低压直流电源供电,这决定了要在这些灯具或外部设置交流变直流（即整流）的转换电路,适应LED电流驱动的特点。可供选取的电源有开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等,根据今朝的稳定性、瞬态超调以及的安全性和可靠性不同选择不同。
2)电源与驱动电路的寿命与成本?
??虽然单个LED可以100000小时的使用，但必须使用电源转换电路，是以LED照明设备的整体寿命必须考虑其光电整合应用。考虑到寿命长、不要添加太多的成本,电源和驱动电路的寿命和成本通常不应高出三分之一的照明体系的总成本,在LED照明灯具产品开发早期阶段,必须在电源和驱动电路的寿命和成本之间做好均衡。
3)驱动程序的可编程技术?
? LED作为光源，一个显著的特征是，在驱动电流的情况下，它仍能保持其发光效率，在同一时间为R.G.B.类型多晶混合形成白光，通过发展数字RGB LED混合控制系统,使用户可以在很大范围内调整亮度和颜色，给人以一种全新视觉享受；在城市景观照明应用中,LED光源可以在微处理器掌管下可以根据不同的变化模式变化，形成晚上壮观的动态效果[4]。
2.1.3 电荷泵驱动
电荷泵型是一种直流升降压型驱动，输出电压可以高于或者低于电池电压，驱动LED的原理图如图2.4所示。
电荷泵驱动通过一个电容储能，一个电容提供输出，不需要额外的电感元件，应用灵活多变[7][8]。优点包括高工作频率、小体积、低电磁干扰、高效率[9]。但是电荷泵只能提供有限的输出电压比及有限的输出功率，在锂电池供电设备中，电荷泵驱动LED只能并联，由于LED是电流驱动元件，电压的微小变化可引起电流较大变化，并联的LED由于本身元件的差异和电压的波动，容易导致各LED灯电流不一样、光强和光色亦不一样。对于对各个LED光强和光色有严格要求的背光系统来说，电荷泵驱动并不适用。
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