完整版冷光源照明系统的研究毕业设计.docx

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毕业论文

冷光源照明系统的研究

摘要

随着能源危机的加剧，绿色高效的照明系统得到了人们的广泛重视。

我国在1996年也推出了“中国绿色照明工程"，旨在我国发展和推广高效照明器具，逐步替代传统的低效照明电光源，节约照明用电。

冷光源LED以其高效率、低功耗、低电压驱动、使用寿命长以及节能环保等优点，引起了全世界的广泛关注，被越来越多的应用于各种照明场合，在可预见的将来将有可能进入一般照明市场以替代传统的热照明方案成为新一代照明光源。

因此，研究针对冷光源LED驱动电路的研究设计有很重要的意义。

本文基于高性能、低功耗的8位AVR微处理器研究冷光源照明技术。

采用单通道输出的LED恒流驱动器驱动高达1安培的沈入电流（sinkcurrent），并可透过调整参考输入电流（）来任意设定输出电流的大小。

微调或使能偏压电压可校正LED间的亮度不一或实现多颗LED间整体亮度同时调整。

采用LNK306来替代输出电流小于360mA的所有线性及电容降压式非隔离电源。

其系统成本与所替代的电源相等，但性能更好、效率更高。

采用AD590温度检测，适用于150℃以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。

低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。

应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

关键词：

LED恒流驱动

Abstract

Astheaggravationofenergycrisis，greenandefficientlightsystemgetsmoreandmoreattention．In1996，Chinalaunched“ChinaGreenLightingProject'’，whichwasinordertodevelopandpromotehigh-efficientlightingapparatuses，graduallysubstitutethetraditionallow-efficientlightingapparatuses，andsavelightingelectricity．PowerwhiteLEDhasarousedworldwideinterestbecauseofitshighefficiency，lowpowerloss，lowdrivevoltage，longservicelife，energy-conversationandotheradvantages，tobeappliedinmanykindsofilluminancesituation．Intheforeseeablefuture，powerwhiteLEDmayenterthecommonlightingmarkettodisplacethetraditionalilluminancemethodsandbecomethenewgenerationlightingsource．So，ithastheveryvitalsignificancetoresearchthedrivingcircuitofpowerwhiteLED．

Basedonhigh-performance,low-power8-bitAVRmicrocontrollersstudycold-lightilluminationtechnology.Single-outputLEDDriverdriveupto1Ampsinkcurrent（sinkcurrent）,andcanbearbitrarilysetthesizeoftheoutputcurrentbyadjustingthereferenceinputcurrent（IREF）.Fine-tuning,ortoenablethebiasvoltagecanbecorrectedbrightnessvariesbetweentheLEDortheoverallbrightnessoftheLEDatthesametimetoadjust.TheadoptedLNK306toreplacetheoutputcurrentislessthan360mAofalllinearandcapacitor-isolatedpowersupply.Thesystemcostequaltothealternativepower,butbetterperformance,moreefficient.AD590temperaturedetectedbelow150℃,usingconventionalelectricaltemperaturesensortemperaturesensingapplications.Low-costsingle-chipintegratedcircuitsandcircuitcharacteristicswithoutsupport,makingit

thenumberoftemperaturemeasurementapplicationsanattractivealternative.ApplicationAD590,withoutlinearizationcircuits,precisionvoltageamplifiers,resistancemeasuringcircuitryandcoldjunctioncompensation.

Keywords：

LED，Constantcurrentdriver

第1章绪论

1.1冷光源照明系统研究的背景及意

发光二极管（Light-EmittingDiode，LED）是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件，依靠材料中的正负电荷复合来发光，材料使用III-V族化学元素，如磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）等。

在20世纪70年代，LED最早应用作指示灯、数字和文字显示。

随着第三代半导体材料氮化镓（GaN）的突破，高亮度蓝光二极管的出现解决了发光二极管的三原色缺色问题，因此彻底解决了大屏幕全彩色显示问题，有了红橙黄绿青蓝紫七色全彩，更为重要的是由此产生了白光半导体灯。

随着白光发光二极管的问世，LED开始逐渐走进了人们的日常生活。

LED从显示领域进入照明领域的关键是发光效率的提高，发光效率20lm/W以上的白色LED（白炽灯的发光效率一般是15lm/W）的出现，使白色LED灯成为新世纪引人注目的节能照明光源。

目前一般1W白光LED的发光效率为30-45lm/W，发光效率突破50lm/W的白光LED器件已经达到实用化水准，日亚化学工业已经开始供应发光效率100lm/W的白色LED样品，其他LED供应商也都开始纷纷生产100lm/W及以上的高效白光LED，LED的发光效率还将继续上升。

许多研究显示在本世纪的前十年，LED产业将会继续迅速发展。

因此，白光LED被普遍认为是在未来成为替代传统照明器具的一大潜力商品。

作为新型的发光器件，LED具有体积小、效率高、寿命长、环保、节能等优点，能量转化效率非常高，理论上，发射相同光通量的耗电量大约是白炽灯的10%，相比荧光灯，LED也可以达到50%的节能效果。

照明用电占发电总量的比例在发达国家占19%，在我国占10‰而且在我国以低效照明为主，是终端节电的主要对象之一。

随着经济发展，我国的照明用电还将有大幅度的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视，LED照明就是在这样的形势下发展起来的。

据中国绿色照明工程促

进项目办公室专项调查，我国照明用电每年在3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯和部分荧光灯，可节省的照明用电，相当于三峡工程全年的发电量。

LED还有其他优点，如LED作为全固态发光体，耐震耐冲击、不易破碎、发热量低、无热辐射、不含汞、钠等可能危害健康的元素，废弃物可回收、无污染。

LED已经进入很多应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各部门，广泛用作普通照明、车灯、景观灯、路灯照明、液晶板背光源、手机背光源、数码相机闪光灯等。

1.2冷光源照明系统的发展与国内外研究现状

1.2.1冷光源系统的发展

1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。

由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处理的是碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。

20世纪20年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光，但再一次因发光暗淡而停止研究。

1936年,GeorgeDestiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。

随着电子器件的研发和业界认识的逐步深入，最终出现了“电致发光”这个术语。

20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。

在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，需要进一步研究以便能高效率的在室温下工作。

第一个商用LED虽然仅能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。

60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。

磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。

20世纪70年代中期，磷化镓开始被用作发光光源，随后可发出灰白绿光。

LED采用双层磷化镓芯片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。

就在此时，

前苏联科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。

尽管它不如欧洲的LED高效，

但在70年代末，它能发出纯绿色的光。

几乎与此同时，HP公司与TI公司也推

出了带7段红光显示屏的计算器。

20世纪80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用,使得第一代高亮度LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。

到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。

第一个有历史意义的蓝光LED也出现在20世纪90年3代早期，再一次利用金钢砂—早期的半导体光源的障碍物，依当今的技术标准去衡量，它与前苏联以前开发的黄光LED一样光线暗淡。

20世纪90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。

超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光并将其转化为白光。

利用这种技术制造出任何可见光的LED。

今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。

LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。

1.2.2冷光源照明系统的国内外研究现状

中国LED产业起步于20世纪70年代。

经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链，中国发展得比较快的LED企业很多：

雷士照明、长方照明、华威凯德、迪博特公司。

在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。

长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。

目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。

2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。

国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但在室内通用照明市场方面仍显落后。

2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让人们对LED有了全新的认识，有力推

动了中国半导体照明产业的发展。

当前中国半导体产业产业大而不强，核心竞争力

仍有待于进一步提升。

对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首

要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。

再早期，由于光色、发光效率、光通量和价格等方面的限制，LED主要应用于指示、显示领域，如用作指示灯、警戒灯以及显示牌等。

随着LED光色的不断丰富，特别是白光LED技术的不断成熟，发光效率不断提高，价格逐渐降低，大功率超高亮的LED有1W、3W、5W等规格在市场上销售，其中功率大于1W的白光LED的开发研究已成为主攻方向。

由于大功率白光LED的应用受到了世界上的广泛关注，大功率白光LED的驱动电路设计也因此成为热点，大功率LED的驱动电路多采用恒流驱动方式，LED恒流驱动电路有电荷泵、Buck、Boost等多种驱动方式。

电荷泵、Buck、Boost实质上都是电压输出型，通过电流反馈控制电路来实现输出恒定电流。

电荷泵电路利用电容对电荷的积累效应储存电能，在时钟周期的一部分时间内为电容充电，在时钟周期的剩余时间内释放能量，根据电容的不同连接方法得到不同的输出电压。

论文[6]设计的LED驱动电路是恒流输出反馈式电荷泵PFC电路，电荷泵PFC电路由谐振电感、充电电容、箝位二极管、调节开关等组成。

当断开调节开关时，充电电容通过谐振电感的谐振从AC电源吸收能量，能量储存在充电电容中，转移到DC总线电容中或在当调节开关打开时转移到负载中。

流过LED的电流反馈到控制器，控制器根据反馈电流调节变压器原边调节开关的占空比，通过改变占空比调节输出电流使其稳定。

Buck和Boost电路都是开关电源方式，利用电感的储能作用储存电能，在时2钟周期的一部分时间内为电感充电，在时钟周期的剩余时间内释放能量得到输出电压，电路中电容、电感和续流二极管的结构不同，实现升压或降压功能，Buck是降压电路，Boost是升压电路。

提出了一种基于Boost升压方式的恒流恒照度LED驱动电路。

Boost电路将输入电压提升，采样电阻检测流过LED电流并经过放大电路反馈到恒流恒照度控制电路中，光电二极管检测LED的照度，将照度值转换成适当的电压值，并与额定电压比较，差值放大后送入到恒流恒照度控制电路中，改变Boost电路调节开关的控制信号，使输出电流或输出照度保持恒定，恒定照度控制同样是通过控制输出电流来维持照度值。

基于电荷泵、Buck、Boost电路的LED驱动电路还应用于很多LED驱动芯片的原理，如LTC3200／LTC3200-5、

LM2794、MAX1848等。

LED应用于应急灯照明，所设计的照明电路利用电网电压为蓄电池充电，蓄电池再通过驱动电路为LED供电，同时也可以采用电网电压通过驱动

电路为LED供电。

由于人眼对光线的感受是非线性的，因此，就有可能将亮度级降低10%以上而人却觉察不到亮度的变化，这样就可以节省近10%的电能。

如果将调光级别降低50%，则可以节省约40%的电能。

采用智能调光可将灯渐渐调到预设级别。

白炽灯无法做到这一点，因为冷的灯丝会受到热冲击。

将灯亮度渐渐调到设定级别，也称为“软启动”，这会极大地延长灯的使用寿命。

使用10%的调光级别可将灯的使用寿命延长两倍，而50%调光级别可延长20倍。

调光方式分为变电阻型调光和脉冲宽度调制方式（Pulse．WidthModulation，PWM）两种。

变电阻型调光方式通过调节电阻性负载的电阻值改变电流，从而改变灯的发光亮度，变电阻型调光在电阻上将多余的电能转变为热能，这是能量的损失。

PWM方式通过每秒钟多次的接通和断开电源调节发光亮度，开关之间的时间比率与发光亮度成正比。

但并不是所有的灯都是可调光的，LED的响应时间很短，只有几到几十纳秒，尤其适合于PWM方式调节亮度。

自适应调光方式利用控制器，以及用于检测环境光的传感器为核心，传感器向控制器提供发光照度值，控制器做出判断并根据所得信息将照明回路打开或调节光亮度到预定级别。

由于LED的快速响应特点，使得PWM调光非常可行。

美国NorthernIllinoisUniversity针对2串6并的LED灯组，在恒流驱动电路基础上并接了N型MOSFET功率器件实现PWM控制，调节范围为0-100%，当占空比低到1%时输出电流仍能保持稳定。

传统的PWM调光方式是将调光开关与负载串联，当开关打开时，LED支路没有电流流过，当开关关闭时，LED支路有电流流过，LED灯发光。

1.3本文主要研究内容

LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处

可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。

但由于其亮

度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。

近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断

进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。

曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。

第2章冷光源照明系统的基本特征及电路原理

2.1LED的基本特征及连接方式

2.1.1LED伏安特性

由于LED的核心是PN结，因此LED的伏安特性与普通二极管的伏安特性相

同。

理论上，二极管的正向电压VF与正向电流I的关系式为：

（式2-1）

式中，VF为二极管正向电压，是反向饱和电流，为定值，q为电子电荷1．6×10-19，k为波尔兹曼常数1．38×，T是热力学温度，常数β近似取2，当外加电压较高，电流I以扩散电流为主时，β近似等于1。

二极管伏安特性曲线如图2-1所示。

图2-1普通二极管伏安特性曲线

在室温（T=300K）条件下，≈26mV，在正向电压大于零点几伏时，就有>>1

，因此式（2-2）可以化简为

I≈I0（式2-2）

式（2-3）说明照明LED的电流与电压呈指数关系，但指数关系并不适合用等效模型来描述。

对于工作在额定电流附近的LED用折线化来近似模拟LED的特性，如式（2-4）：

（式2-3）

其中，是LED的导通电压，r是等效内阻，导通电压是由材料PN结的内建势垒电场决定的，一般大功率LED的导通电压在3V左右，当加在LED两端的电压小于导通电压时，LED中几乎没有电流流过。

随着外加正向电压增加达到PN结内建势垒电场时，可认为正向电流I与正向电压VF成指数关系，正向电流急剧增大，正向电压的较小波动就会导致正向电流的急剧变化，此时电流与电压近似呈线性关系。

2.1.2LED光特性

发光二极管的核心是PN结。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

因此流动的少子和多子数量越多，发出的光线越强；同时在PN结内流动的少子和多子数量越多，也说明单位时间内流过PN结横截面的电荷数越多，那么流过LED的电流也就越大，因此LED的发光亮度基本随流过LED的电流正向变化。

控制大功率LED的发光亮度，实质是控制它的输出光通量。

图2-2所示为美国LumiledsLighting公司1W大功率白光LED在常温下（25℃）相对光通量Φ与正向电流IF的关系曲线。

图2-2相对光通量Φ与正向电流IF关系

LED光源最大的优点就是长寿命，各LED厂商均声称其LED的使用寿命可达50，000～100，000小时，但通常LED不会完全损坏，而是在其工作中光输出逐渐减少。

大功率LED的相对光输出随时间的变化的一般趋势是：

在开始的一段时间内光输出衰减较快，随后的一段时间内衰减较慢，但在即将耗尽或发生灾变性失效阶段，光输出急剧衰减。

在前两个阶段，LED的光输出随时间的衰减曲线可近似为如下的指数形式：

（式2-4）

式中：

y表示相对光输出，a表示衰减系数，t是以小时为单位的LED点亮时间。

a越大，y值衰减越快。

通常把光输出衰减50％所经历的时间定义为发光二极管的寿命。

大功率白光LED在实际使用过程中各种因素的影响都会引起LED寿命的下降，往往达不到50，000dx时。

影响LED寿命的因素包括：

制备过程中引入的缺陷；LED电极材料不均；静电影响；封装中各种材料的热膨胀系数失配；以及通过蓝光LED激发荧光粉方法得到的白光LED在工作过程中，由于荧光粉量子效率降低将导致宽谱带黄光相对峰值蓝光衰减更快，使得器件色温升高从而影响发光的颜色。

LED的光学稳定性是一个需要考虑的问题。

Philips公司研究中心对基于RGB的白光LED进行了大量实验，发现其波长和输出光通量受到驱动电流、温度、使用时

间的影响，采用光敏二极管进行色度检测反馈结合PI恒流闭环控制后，白光输出色

差得到明显改善。

2.1.3LED热特性

LED的高发光效率是它的最大优点，对于大功率LED而言，这个优势更是明显。

但是LED的光提取效率较低，且热量不容易辐射散发，从而导致器件温度过高，影响LED的光通量、寿命以及可靠性，并会导致LED发光红移，尤其对于采用蓝光激发荧光粉的方式实现白光的方案而言，其中荧光粉对温度特别敏感，最终会引起波长偏移，造成颜色不纯等一系列问题。

相对于一般的LED来说，大功率LED的PN结上的发热更严重。

大功率LED的热稳定性问题已成为LED照明的一个技术瓶颈。

目前LED输入电功率的约80％转变为热，对于目前应用比较成熟的1WLED而言，其热流密度可达，这些热量的累积将引起LED的温升效应：

结温升高直接减少芯片出射光子，取光效率降低，实验结果表明，室温环境下LED温度每升高1℃，光效下降1%。

85℃时的光输出约是25℃时的一半。

结温升高会导致芯片出射光线红移，色温质量下降，尤其对于蓝光LED激发黄色荧光粉的白色LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随结温升高而降低。

温度升高还会导致光衰加剧及器件寿命呈指数下降。

随着芯片技术的成熟，单个LED的功率可以达到5W甚至更高，因此防止LED的热量累积就更显重要，LED的热管理已经成为其取代常规照明光源的主要瓶颈。

目前减小LED温升效应的方法主要采用外加各种冷却模块以提高器件的散热能力。

由于LED的光输出与其电流成正比，且长期工作在大电流下有可能导致LED失效，而电流不仅受蓄电池电量影响，而且受外界温度影响，因此从光输出均匀性、稳定性和LED可靠性角度考虑，高层次LED应采用恒流驱动方式。

2.1.4连接方式

图2-3（a）串联连接方式

图2-3（b）并联连接方式

LED可以采用串联、并联或串并混联的连接方式。

串联方式如图2-3（a）所示，串联方式的优点是流过串联支路上各LED的电流相同，因此各LED的发光亮度也会一致。

如果其中任意一颗LED出现断路故障时，会导致该支路串联上所有的LED都不发光；如果某颗LED短路时，在恒流方式下电路没有影响，但在恒压驱动时，其

他每个LED的正向电压均会因此升高，因此流过的电流增大，可能会造成损坏。

并联方式如图2-3（b）所示，当采用恒流驱动时，如果某LED断开，总电流不