led大功率電源設(shè)計綜合課程設(shè)計

1、<p>　　《綜合課程設(shè)計》課程報告</p><p>　　大功率LED電源設(shè)計</p><p>　　姓名： </p><p>　　學(xué)號： </p><p>　　專業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　

2、任課教師： </p><p>　　成績： </p><p>　　2013年11月20日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　LED（light emitting diode）又稱為發(fā)光二極管，是一種新型光源

3、， 具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、使用壽命非常長，LED元件的體積非常小，LED的發(fā)出的光線能量集中度很高，LED的發(fā)光指向性非常強，LED使用低壓直流電即可驅(qū)動，顯色性高（不會對人的眼睛造成傷害）等其他光源無法比擬的優(yōu)點，作為綠色光源產(chǎn)品，國家綠色照明推廣使用的產(chǎn)品，代表著未來照明技術(shù)的發(fā)展方向， 本設(shè)計主要介紹了以STC89C52控制為核心，利用PWM調(diào)光技術(shù)，通過調(diào)整PWM的周期，PWM的占空比從而控制電流，從而達(dá)到對LED進(jìn)行光度亮暗

4、的控制調(diào)節(jié)的效果，實現(xiàn)對LED的PWM的調(diào)光控制，并且采用恒流驅(qū)動方式實現(xiàn)驅(qū)動電路，并且提出一種基于恒流驅(qū)動芯片PT4115的高效率的大功率LED恒流驅(qū)動解決方案。該種驅(qū)動電路簡單、高效、成本低，適合當(dāng)今太陽能產(chǎn)品的市場化發(fā)展。。</p><p>　　關(guān)鍵詞：大功率LED ；驅(qū)動電路；恒流驅(qū)動芯片PT4115</p><p>　　一、LED 主要性能指標(biāo)：</p><p

5、>　　1）LED的顏色：目前LED的顏色主要有紅色,綠色,藍(lán)色,青色,黃色,白色,暖白,琥珀色等其它的顏色；</p><p>　　2）LED的電流：一般小功率的LED的正向極限電流多在20mA。但大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。1W LED的額定功率為350mA,3W LED的750mA。</p><p>　　3）LED的正向電壓：L

6、ED的正極接電源正極,負(fù)極接電源負(fù)極。一般1W的大功率LED的正向電壓為3.5V~3.8V。</p><p>　　4）LED的反向電壓：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞　</p><p>　　LED發(fā)光強度：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(度)，單位為坎德拉（cd）。 </p><p>　　5）LED

7、光通量：光源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量。單位為流明(lm)。如1W 大功率LED的光通量一般為60~80LM。 </p><p>　　6）LED光照度：1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度.，單位為勒克斯(lx)。 </p><p>　　7）LED顯色性：光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度。</p><p>

8、　　8）LED的使用壽命：LED一般可以使用50,000小時以上。</p><p>　　9）LED發(fā)光角度：二極管發(fā)光角度也就是其光線散射角度，主要靠二極管生產(chǎn)時加散射劑來控制。</p><p>　　二、大功率LED的驅(qū)動方式：</p><p>　　LED驅(qū)動簡單的來講就是給LED提供正常工作條件(包括電壓,電流等條件)的一種電路,也是LED能工作必不可少的條件,好

9、的驅(qū)動電路還能隨時保護LED，避免LED被損壞。 LED驅(qū)動通常分為以下三種方式：</p><p>　　鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動：就是簡單的的在LED的回路中串接電阻,通過調(diào)節(jié)電阻的阻值,可以改變LED的驅(qū)動電流.。</p><p>　　LED的工作電流為：</p><p>　　所以I與鎮(zhèn)流電阻R成反比；當(dāng)電源電壓U上升時，R能限制I的過量增長，使I不超出LED 的允許范圍。此

10、電路的優(yōu)點是簡單，成本低；缺點是電流穩(wěn)定度不高；電阻發(fā)熱消耗功率，導(dǎo)致用電效率低，僅適用于小功率LED 范圍，所以不選這種方案。</p><p>　　(2) 恒壓驅(qū)動：就是保持LED兩端的電壓不變，因為每一種顏色的LED的電壓都不一樣,所以很少用恒壓的方式來驅(qū)動LED。 </p><p>　　(3) 恒流驅(qū)動：顧名思異就是保持LED的電流一直不變,讓LED在恒定電流的條件下工作。 <

11、/p><p>　　由于大功率LED是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，當(dāng)LED電壓變化很少時，電流變化很大。LED發(fā)光的強度由流過LED的電流決定，電流過強會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發(fā)光強度，因此LED的驅(qū)動需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時達(dá)到理想的發(fā)光強度。如果采用恒壓方式驅(qū)動，LED正向電壓的任何變化都會導(dǎo)致LED電流的變化。由溫度或電壓變化引起的特定壓變，導(dǎo)致正向電流降低，正向電壓

12、變化11％會導(dǎo)致更大的正向電流變化，達(dá)30％。電流的變化較大，使LED的亮度不能恒定。所以一般都選擇恒流驅(qū)動IC。</p><p>　　三、恒流驅(qū)動方式電路</p><p>　　LED驅(qū)動電路除了要滿足安全要求外，還應(yīng)具備兩個基本功能：一是盡可能保持恒流特性，又使其在電源電壓發(fā)生的變動時，仍應(yīng)能保持輸出的電流在的范圍內(nèi)變動；二是應(yīng)保持較低的自身功耗，這樣才能使LED的系統(tǒng)效率保持在較高水平

13、。隨著更新一代大功率LED所需的驅(qū)動電流的增加，要更多的考慮到LED本身和電流驅(qū)動電路的散熱管理和功耗等問題。本設(shè)計框圖如下所示：</p><p>　?。?）適配器的選擇：</p><p>　　本設(shè)計首先要將高壓的交流電變換成低壓的直流恒流源，然后經(jīng)過驅(qū)動芯片輸出恒流才能點亮LED 光源。最經(jīng)濟有效的方法降壓和進(jìn)行交直流變換是使用當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品使用交流電源的交直流降壓變換器--適配器（

14、Adapter），既經(jīng)濟實惠、又現(xiàn)成、又好用。適配器的輸出電壓要求穩(wěn)定在DC12V，適配器的輸出電流要根據(jù)LED 的光源的功率來選擇，一般要給予30%的余量，1W的白光LED 的標(biāo)準(zhǔn)工作電流應(yīng)為350mA，因而3 個LED 光源串聯(lián)其電路需要的電流也是350mA，考慮到延長LED 壽命和降低光衰，可以設(shè)計為300mA--330mA，不會明顯的影響LED 發(fā)光的亮度，所以適配器的輸出電流應(yīng)選750mA~1A 的。</p>&

15、lt;p>　?。?）驅(qū)動芯片：由于本設(shè)計采用恒流驅(qū)動方式，所以驅(qū)動芯片可以選擇PT4115恒流驅(qū)動芯片，PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，適合綠色照明LED燈的驅(qū)動電路。它具有較寬的直流8V到30V輸入電壓范圍,擊穿電壓大于45V，輸出200~1200mA恒定直流，可滿足驅(qū)動點亮1~7顆串聯(lián)的大功率LED或N顆串并聯(lián)的小功率LED,驅(qū)動恒流大小可按應(yīng)用方案設(shè)定.。PT4115采用頻率抖動技術(shù)有效地改善EMI；采用

16、從滿量程向下到零的PWM調(diào)光；安全可靠，調(diào)光比可達(dá)5000:1；采用SOT89-5的封裝，芯片的管芯可通過直接連通到封裝外的金屬板散熱；導(dǎo)熱十分有效；PT4115內(nèi)部設(shè)置了過溫保護功能，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。當(dāng)IC芯片溫度超出160℃,IC即會進(jìn)入過溫保護狀態(tài)并停止電流輸出,而當(dāng)溫度低于140℃時,IC即會重新恢復(fù)至工作狀態(tài)。PT4115可利用模擬調(diào)光的原理以及溫度對LED電流的負(fù)反饋實現(xiàn)LED燈具動態(tài)溫度控制,只要在調(diào)光端(DIM

17、端)加一熱敏電阻或PN結(jié)即可。加上整流橋PT4115可應(yīng)用于交流12V、24V供電的LED燈具。PT4115的工作效率高達(dá)97%,是真正的綠</p><p>　　? 輸出電流高達(dá)1.2A，內(nèi)置大功率MOFET</p><p><b>　　? 效率高達(dá)97％</b></p><p><b>　　? 超低的關(guān)斷電流</b>&l

18、t;/p><p>　　? ± 5％輸出電流精度</p><p><b>　　? LED開路保護</b></p><p>　　? 模擬PWM調(diào)光功能選擇，高達(dá)5000:1的PWM調(diào)光比</p><p>　　? 內(nèi)部含有抖頻特性，有效地改善了EMI</p><p>　　恒流驅(qū)動芯片PT4115的

19、5腳封裝的管腳圖如右圖所示，其管腳描述如下：</p><p>　　管腳1：SW，功率開關(guān)的漏端；</p><p>　　管腳2：GND，信號和功率；</p><p>　　管腳3：DIM，開關(guān)使能、模擬和PWM 調(diào)光端；</p><p>　　管腳4：CSN，電流采樣端，采樣電阻接在CSN和VIN端之間；</p><p>　

20、　管腳5：VIN，電源輸入端，必須就近接旁路電容。</p><p>　　(3)大功率LED：可以選擇1W白光LED，其參數(shù)如下：</p><p>　　? 功 率 ：1W? 光 通 量：20-30LM? 順向電壓：3.5-3.8V? 額定電流：350mA? 光 衰 ：≤5%每千小時光衰。? 角 度 ：120度</p><p>　　四、設(shè)計電路原理圖如下：&l

21、t;/p><p><b>　　原理圖器件說明：</b></p><p>　　D1~D4組成單相橋式整流電路，將交流變成直流，即不管U1輸出的是直流還是交流，經(jīng)過這個整流橋之后輸出的電流總是直流的，給驅(qū)動芯片PT4115輸入穩(wěn)定的直流，保證電路正常工作，橋式整流電路二極管常用1N4007。</p><p>　　C1是濾波電容，把脈沖直流變換成平滑的直

22、流。應(yīng)選電解電容，型號為100uF/25V。</p><p>　　R1是取樣電阻，控制PT4115輸出電流的大小，它決定恒流源的絕對精度。R1的阻值與負(fù)載電流大小有關(guān)，一般用下面公式計算：</p><p>　　由于負(fù)載是3個串聯(lián)的1W LED，額定電流為350mA，則采樣電阻R1的大小為：</p><p>　　所以R1可以選擇阻值約為0.2857歐姆的金屬膜電阻。&

23、lt;/p><p>　　L是整流電感，是這個電路中的關(guān)鍵元件，功能是把100KHz的脈沖電流變換成三角波電流，L的電感量會影響工作電壓范圍內(nèi)恒流源的穩(wěn)定性。因為PT4115 的設(shè)計最佳工作頻率在1MHz 以下，電感量大了小會影響其工作頻率，本方案的電感設(shè)計在68uH 以上，這樣系統(tǒng)工作頻率可以控制到1MHz 以下。電感量小了，工作頻率趨高，由于PT4115內(nèi)部電流檢測電路響應(yīng)速度限制，對內(nèi)部電流正常檢測出現(xiàn)影響，不能

24、更好的實現(xiàn)對內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷控制。另外電感量太小還會導(dǎo)致PT4115的SW 端燒壞，而無輸出。所以此設(shè)計中L的電感量應(yīng)選用68uH—100uH，Q值大于50，飽和電流大于800mA 的磁路閉合電感器。</p><p>　　D5是續(xù)流二極管，在晶片內(nèi)部MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)時為儲存在電感中的電流提供放電回路。由于工作在高頻脈沖狀態(tài)，D5應(yīng)選用正向壓降小，恢復(fù)速度快的肖特基二極管。</p><p

25、>　　芯片PT4115的DIM端可外接PWM脈沖或直流電壓調(diào)光，也可以接熱敏電阻作輔助溫度控制和自動亮度控制。由于本設(shè)計中不用到調(diào)節(jié)LED燈亮度，故DIM端懸空。</p><p>　　五、PT4115的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)和過溫保護</p><p>　　PT4115具有動態(tài)溫度調(diào)節(jié)的功能，并且可以在此功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)過溫保護。動態(tài)溫度調(diào)節(jié)的電路圖如下左圖所示。從圖中可見，DIM端內(nèi)部是一個1

26、M的上拉電阻，連接到內(nèi)部5V電源上。所以DIM端電壓由內(nèi)部上拉電阻和熱敏電阻NTC分壓決定。從熱敏電阻的特性可以知道，溫度的變化會影響NTC的阻值，進(jìn)而影響DIM端電壓，以實現(xiàn)PT4115的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)。</p><p>　　過溫保護的實現(xiàn)從如下右圖中可見，相對于左圖多了一個三極管，當(dāng)溫度升高時。NTC電阻的阻值減小，其上的分壓也減小，則相應(yīng)的其下面電阻上的分壓升高，當(dāng)超過三極管的開通電壓時，三極管導(dǎo)通，DIM端

27、接地，關(guān)斷LED電流，當(dāng)溫度降低時，PT4115重啟，因此實現(xiàn)了PT41 15的過溫保護。</p><p>　　六 、PWM調(diào)光原理</p><p>　　PT4115可以采用PWM調(diào)光措施，當(dāng)DIM引腳電壓低于0.3V時關(guān)斷LED電流，高于2.5V時開啟LED電流。PWM調(diào)光措施相對于傳統(tǒng)的線性調(diào)光，不影響LED的光效。PWM調(diào)光的基本原理是保持LED正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和

28、關(guān)斷的時間比列，即控制每個周期電流導(dǎo)通的時間，也保證LED發(fā)光的色度，本設(shè)計采用單片機STC89C52,通過其引腳P0.1輸出PWM波連接到PT4115的DIM端。其調(diào)節(jié)光暗基本原理電路圖如下：</p><p><b>　　七、附錄程序</b></p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　unsig

29、ned char count; //0.5ms次數(shù)標(biāo)識</p><p>　　sbit pwm =P0^1; //PWM信號輸出</p><p>　　sbit jia =P1^0; //角度增加按鍵檢測IO口</p><p>　　sbit jan =P1^6; //角度減少按鍵檢測IO口</p&

30、gt;<p>　　unsigned char jd; //角度標(biāo)識</p><p>　　void delay(unsigned char i)//延時</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char j,k;</p><p>　　for(j=i;j&g

31、t;0;j--)</p><p>　　for(k=110;k>0;k--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Time0_Init() //定時器初始化</p><p><b>　　{</b></p><p>　　

32、TMOD = 0x01; //定時器0工作在方式1 </p><p>　　IE = 0x82;</p><p>　　TH0 = 0xfe;</p><p>　　TL0 = 0x33; //11.0592MZ晶振，0.5ms</p><p>　　TR0=1; //定時器開

33、始</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Time0_Int() interrupt 1 //中斷程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0 = 0xfe; //重新賦值</p><p>

34、　　TL0 = 0x33;</p><p>　　if(count<jd) //判斷0.5ms次數(shù)是否小于角度標(biāo)識</p><p>　　pwm=1; //確實小于，PWM輸出高電平</p><p><b>　　else</b></p><p>　　pwm=

35、0; //大于則輸出低電平</p><p>　　count=(count+1); //0.5ms次數(shù)加1</p><p>　　count=count%10; //次數(shù)始終保持為40 即保持周期為20ms</p><p><b>　　}</b></p><p>　　

36、void keyscan() //按鍵掃描</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　if(jia==0) //角度增加按鍵是否按下</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(10);

37、 //按下延時，消抖</p><p>　　if(jia==0) //確實按下</p><p><b>　　{</b></p><p>　　jd++; //角度標(biāo)識加1</p><p>　　count=0; //按鍵按下 則2

38、0ms周期從新開始</p><p>　　if(jd==11)</p><p>　　jd=10; //已經(jīng)是180度，則保持</p><p>　　while(jia==0); //等待按鍵放開</p><p><b>　　}</b></p><p><

39、b>　　}</b></p><p>　　if(jan==0) //角度減小按鍵是否按下</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(10);</p><p>　　if(jan==0)</p><p><b>　　

40、{</b></p><p>　　jd--; //角度標(biāo)識減1</p><p><b>　　count=0;</b></p><p><b>　　if(jd==0)</b></p><p>　　jd=0; //已經(jīng)是0度，則保持&

41、lt;/p><p>　　while(jan==0);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p>

42、<b>　　{</b></p><p><b>　　jd=7;</b></p><p><b>　　count=0; </b></p><p>　　Time0_Init(); </p><p><b>　　while(1)</b>

43、</p><p><b>　　{</b></p><p>　　keyscan(); //按鍵掃描</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　八、設(shè)計總

44、結(jié)：</b></p><p>　　本設(shè)計論文從LED的特性和驅(qū)動方式出發(fā)，論述了LED的各種驅(qū)動方式，并以流過LED的電流恒定為基本目的，設(shè)計了一個簡單的LED驅(qū)動電路。在整個設(shè)計中，首先闡述了該驅(qū)動電路的基本原理，給出了理論依據(jù)。然后根據(jù)功能需要設(shè)計了一個驅(qū)動31W的LED驅(qū)動電路，并針對應(yīng)用特點提出了設(shè)計中還存在的不足，用實驗的方法論證了方案的可行性。在LED光源的設(shè)計中，考慮各種因素，成功的完成

45、了用LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，使光源兼有節(jié)能、環(huán)保、長壽和美觀等特點。以下是設(shè)計中需要注意的問題：</p><p>　　1、驅(qū)動芯片PT4115是40V的CMOS工藝制造的，電子功率器件要安全可靠地工作，必須要留有足夠的冗余度，這樣才有利于器件的散熱，所以輸入電壓最好在12V左右；</p><p>　　2. PT4115內(nèi)部自帶過溫保護功能，外部過溫保護可設(shè)，對LED實現(xiàn)雙重保護；<

46、/p><p>　　3.PT4115可利用模擬調(diào)光的原理以及溫度對LED電流的負(fù)反饋實現(xiàn)LED燈具動態(tài)溫度控制，只要在調(diào)光端（DIM）加一熱敏電阻或PN結(jié)即可實現(xiàn)PWM調(diào)光，但PWM 調(diào)光有其劣勢，主要反映在PWM調(diào)光很容易使得白光LED的驅(qū)動電路產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲，所以本設(shè)計中沒有設(shè)計PWM調(diào)光。</p><p>　　3.驅(qū)動3個1W的LED燈比只驅(qū)動一個3W的LED燈的發(fā)光效率更高。<