适用于LED照明装置的温度补偿系统.doc

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本科毕业设计说明书（论文）第II页共43页

南京理工大学

毕业设计说明书（论文）

作者:

许世超

准考证号：

044910209048

教学点:

常州轻工职业技术学院

专业:

机电一体化工程

题目:

适用于LED照明装置的温度补偿

系统

讲师

吴正明

指导者：

（姓名）（专业技术职务）

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

年月

南京理工大学

毕业设计（论文）评语

学生姓名：

许世超准考证号：

044910209048

题目：

适用于LED照明装置的温度补偿系统

综合成绩：

指导者评语：

指导者（签字）：

年月日

毕业设计（论文）评语

评阅者评语：

（指导者与评阅者不宜为同一人）

评阅者（签字）：

年月日

答辩委员会（小组）评语：

答辩委员会（小组）负责人（签字）：

年月日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

发光二极管（LED）是21世纪最具发展前景的一种新型固态光源，由于其特性随温度的变化，使得其不能满足显示效果要求比较高的应用场合。

针对此，本文提出一种具有温度补偿功能的LED驱动器的设计，实现了LED在全工作温度范围的亮度恒定。

在便携式设备领域里，白光LED驱动器芯片已成为研究热点。

本文首先搭建了芯片的整体构架，采用了便携式应用的首选，电感式升压转换器来驱动白光LED，芯片采用了电流模式PWM控制方式，环境温度限流技术和两种调光方法，从而提高了芯片的快速性，可靠性，经济性和适用性。

接着，利用温度补偿技术设计了芯片中的环境温度限流电路，带隙基准电路和过热保护电路，并给出了仿真结果。

其中，环境温度限流电路能够按照白光LED电流的温度特性曲线，动态地调节驱动芯片的输出电流，从而保证了芯片在全工作温度范围内输出最大的电流值，因此可以用较少的白光LED来实现同样的亮度，降低了应用方案的成本，而且高温时LED不会因为驱动电流过大而损坏（过热保护），提高了可靠性。

最后，使用CadenceVirtuoso软件和TSMCO.35TS5工艺对芯片进行了全局仿真和分析。

仿真的结果表明，各电路模块工作正常，

关键词LED驱动器环境温度限流过热保护

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleApplytotheLEDilluminationdevicetemperaturecompensationsystem

Abstract

Lightemittingdiode（LED）isthe21stcenturyofthemostpromisinganewsolid-statelightsource,becauseitspropertieswiththechangeofthetemperature,makingitsdisplayeffectcannotmeetthedemandishigherapplications.Accordingtothis,thispaperproposesatemperaturecompensationfunctionhasLEDdrivedesign,realizationLEDinalltheworkingtemperaturerangeofbrightnessconstant.

Inportabledevicesfield,whiteLEDdrivechiphasbecomeahotspot.Thispaperfirstsetuptheoverallarchitectureofthechip,usingaportableapplicationfirstchoice,inductiveboostconvertertodrivethewhiteLED,chipadoptthecurrentmodePWMcontrolmode,theenvironmenttemperaturefaultcurrenttechnologyandtwodimmermethod,soastoenhancetheefficiencyofthechip,reliability,andappropriatenessoftheeconomy.

Then,usingthetechniqueoftemperaturecompensationofthechipdesignenvironmenttemperaturefaultcurrentcircuit,thebandgapbenchmarkcircuitsandoverheatingprotectioncircuit,andthenthesimulationresult.Amongthem,theenvironmenttemperaturefaultcurrentcircuitcanaccordingtothetemperatureofthewhiteLEDcurrentcharacteristiccurve,dynamicallyadjustingdrivechipoutputcurrent,soastoensurechipinalltheworkingtemperaturerangeofthelargestoutputcurrentvalue,socanuselesswhiteLEDtoachievethesamebrightness,reducethecostofsolutions,andhightemperaturewillnotbecauseofexcessivecurrentdriverLEDtodamage（overheatingprotection）,improvethereliability.

Finally,byusingCadenceVirtuososoftwareandTSMCO.35TS5processontheglobalchipsforsimulationandanalysis.Thesimulationresultsshowthatthecircuitmoduleworkingnormally.

KeywordsLEDDrivers；Environmentaltemperaturelimit；flowthermalprotection

目次

1绪论 1

1.1LED的广阔应用前景 1

1.2LED温度补偿技术的研究现状和发展趋势 2

1.3计内容简介 3

2 LED简介 4

2.1LED物理性质 4

2.2LED电学特性 5

2.3LED热学特性 7

3LED驱动技术 8

3.1负载连接方式 8

3.2驱动源类型 10

4芯片拓扑结构优化 13

4.1芯片的总体框图 13

4.2芯片引脚介绍 13

4.3芯片模块功能介绍 14

5 温度补偿系统 17

5.1环境温度补偿电路 17

6 芯片分析及全局仿真 25

6.1典型应用电路 25

6.2外围元器件选择 26

6.3全局性能仿真 28

7 结论 30

致谢 32

参考文献 33

本科毕业设计说明书（论文）第33页共34页

1绪论

1.1LED的广阔应用前景

自爱迪生1879年发明碳丝白炽灯之后，照明技术便进入一个崭新的时代。

近年来，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的开发与应用，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，色度方面也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。

LED以其固有的特点，如发光效率高、耗电量少、使用寿命长、无屏闪、安全可靠性强、有利于环保、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于日常照明、指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域。

长期以来，由于LED光效低的原因，其应用主要集中在各种显示领域。

随着超高亮度LED的出现，国内许多城市积极用上LED发光源，首先政府强调使用LED路灯，让人们不断认识并使用LED发光源。

国际权威机构预测，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代，被称为第四代新光源。

除了寿命长、耗能低之外，LED有三点更大的长处：

一是应用非常灵活，可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品；二是环保效益更佳，由于光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，属于典型的绿色照明光源，而且废弃物可回收，没有污染；三是控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光，不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。

“绿色照明”是国外照明领域在上世纪80年代末提出的新概念，我国“绿色照明工程”实施始于1996年。

实现这一计划的重要步骤就是要发展和推广高效的节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。

但是，距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。

目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%,大大降低了照明用电是节省能源的重要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。

许多国家以法律法规形式约束禁止生产出售白炽灯，我国也推出相应的法规来约束高能耗、低光效照明器具的使用，积极推广低能耗、高光效光源的使用。

现在，能源危机和地球温度升高已经成为威胁人类生存的两大要素。

LED发光源作为绿色能源，必将替代传统照明及影视行业的光源，对节能减排有着深远的意义。

LED作为第四代新光源，在城市景观灯建设领域中已得到了有效的应用，但要在路灯建设和维护中取代大功率的高压钠灯、高压汞灯、金卤灯等光源，还需进一步的研究和探讨，认真解决LED光源在照明应用中存在的技术问题，更需要LED光源生产厂家结合路灯行业的实际情况，生产符合路灯建设和维修所需的新产品，使第四代新光源在城市照明建设中发挥更大的作用，LED也将得到更好的发展。

1.2LED温度补偿技术的研究现状和发展趋势

LED的结温变化导致其亮度、光谱、和导通电压发生变化，其中亮度变化从而导致的颜色偏移问题尤其突出，这在对颜色显示要求严格的显示场合时不可以接受的。

最近，LED的温度补偿问题已经为学术界和业界所注意，近几年围绕这个问题的研究呈现上升的趋势。

在LED驱动技术越来越成熟的今天，提高LED全温度稳定性的研究成为LED技术领域的一个热门话题。

目前，对LED进行温度补偿主要有以下几个方案:

（l）通过改良封装和焊接方式改善LED的散热条件通过改良LED的封装和焊接方式，可以减低LED的热阻，更利于LED散热，使LED的温度变化维持在一个比较低的水平。

一种低温熔结的芯片引脚绑定方法，有效地提高了LED的温度特性。

然而，这类方法只能减少LED的温度变化，并不能消除LED的温度变化，LED温度变化带来的问题依然存在。

（2）通过检测LED的正向电压和正向电流进行亮度控制LED的亮度与通过LED的正向压降和正向电流存在着固定的关系，通过检测LED的正向压降和正向电流来估计LED的亮度，通过温度补偿电路对LED进行温度补偿。

这种方法的优点是不需要外部检测器，可以减少检测器产生的误差。

然而，这种方法的控制回路复杂，参数之间互相干扰。

（3）通过检测LED的温度对LED的进行亮度控制。

在业界，LED温度控制的比较常用的方法是首先用温度传感器检测LED阵列的温度，通过反馈回路进行恒温控制。

一款比较典型的具有温度控制功能的LED驱动器，是国家半导体的一款背光驱动器产品。

这款采用数字的方式进行温度控制，首先通过模数转换器把温度信号转换成数字信号，作为内部数字电路的输入，然后通过索引存储器单元中的相关数据，得到温度补偿系数，以此温度补偿系数对LED进行温度补偿。

这种方法的优点是把模拟控制转换为数字控制，反应速度快，控制精确，便于与计算机接口，然而大量的数字电路增加的芯片的功耗和成本。

逐渐重视在知识产权方面的前期积累，学习运用科学技术武装自己，运用专利开拓国内外市场，有了好的试验田和突破方向。

1.3计内容简介

本课题主要针对LED驱动器和温度补偿系统的设计，通过电压转换器、LED阵列、电流检测模块、温度传感器、温度补偿电路、调光开关以及过压、开路保护模块。

温度反馈信号通过温度补偿及驱动电路与外部调光信号合成输出调光信号，控制调光开关，从而控制LED的电流，实现亮度调节。

系统大致框图如图1.1所示：

图1.1系统总体方案

2LED简介

2.1LED物理性质

发光二极管（Light-EmittingDiode，LED）是一种固体光源，当它两端加上正向电压时，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。

采用不同的材料，可制成不同颜色的发光二极管。

相对于其他传统光源，LED具有以下优点：

1.坚固耐用：

LED是一种PN结二极管，属于固体器件，因此机械强度大、耐振动、耐冲击。

2.体积小：

LED基本上都是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小、非常轻。

3.耗电量低：

LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2～3.6V，工作电流是0.02～0.03A。

这就是说，它消耗的电不超过0.1W。

4.使用寿命长：

在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。

5.高亮度低热量：

因为LED特别的构成材料在电子转移的过程中LED释放的能量主要集中在可见光的范围内，不像其他的钨丝灯泡，它发出的电磁能很多集中在红外线区，这些令人感觉到非常的热，也就是说LED几乎把所有的电能都转化为光能，所以LED是高效能、低热量的产品。

现在市面上最好的LED的每瓦32流明，这几乎是钨丝灯泡的两倍，现在人们预测每瓦发出60流明，像荧光灯一样亮的LED将会在2008年出现。

6.环保：

LED是由无毒的材料做成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

现在白光LED的发展已经达到了一个很高的程度，具有成本低、发光强度大、发光效率高、寿命长等特点。

主要应用有：

交通讯号显示光源的应用，具有抗震耐冲击，光响应速度快，省电寿命长等特点；其次是汽车工业上的应用；第三是LED背光源，特别是高效侧部发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长，出光效率高，无干扰和性价比高等特点。

因此我们可以相信，白光LED将会在我们今后的生活中发挥更大的作用！

2.2LED电学特性

LED的PN结电特性，决定了LED在照明应用中区别于传统光源的电气性能，即单向非线性导电特性、低电压驱动以及对静电敏感等特点。

目前主要的测量参数包括正向驱动电流、正向压降、反向漏电流、反向击穿电压。

①I-V特性

I-V特性表征LED芯片PN结制备性能主要参数。

LED的I-V特性具有非线性、整流性质。

单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

如图2.1所示：

图2.1I-V特性曲线

（1）正向死区：

（图oa或oa′段）a点对于Vo为开启电压，当V

（2）正向工作区：

电流IF与外加电压呈指数关系IF=IS（eqVF/KT-1） 式中，IS为反向饱和电流。

V>0时，V>VF的正向工作区IF随VF指数上升，IF=ISeqVF/KT

（3）反向死区：

V<0时PN结加反偏压

（4）反向击穿区:

V<-VR，VR称为反向击穿电压，VR电压对应的IR为反向漏电流。

当反向偏压一直增加至V<-VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。

由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。

正向电流和正向电压值，反向电压和反向电流测量原理如图2.2、图2.3所示：

图2.2在额定电流下，两极间产生的电压降

图2.3反向电压和反向电流的测量

当流过LED器件的反向电流为额定值时，在两极之间产生反向电压，调节稳压电源，使电流表的读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件的反向电压。

一般的发光二极管导通电流为20mA，正向电压降为1～3V，而电流的测量一般转换为电压的测量。

使用的A/D板卡的电压转化范围为0～10V，故选用150Ω的电阻，并且使该电阻上的电压降为大约3V。

当电压通过A/D板的转化之后，就可以通过公式计算出电流值的大小。

而发光二极管上的电压降则可以直接测量出来。

由于整个测量过程是自动进行的，没有人为的因素在其中，故测试的精度比较高，速度较快。

②C-V特性

鉴于LED的芯片有9×9mil（250×250um），10×10mil，11×11mil（280×280um），12×12mil（300×300um）四种类型，故PN结面积大小不一，使其结电容C≈n+pf左右。

C-V特性呈二次函数，如图2.4所示：

图2.4C-V特性曲线

③最大允许功耗PFm

当流过LED的电流为IF、管压降为UF时，功率消耗为P=UF×IF。

LED工作时，外加偏压、偏流一定会促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。

若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj>Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸功率表示为P=KT（Tj-Ta）。

④响应时间

响应时间——表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢，主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。

响应时间从使用角度来看，就是LED点亮和熄灭的延迟时间。

LED点亮时间——上升时间Tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。

LED熄灭时间——下降时间Tr是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

2.3LED热学特性

热性能：

照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一，与此同时，LED的PN结温度及壳体散热问题也显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。

LED的光学参数与PN结结温有很大的关系。

一般工作在IF<10mA的小电流中，或者10～20mA长时间连续点亮LED温升不明显。

若环境温度较高，LED的主波长或λp就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示幕的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。

LED的主波长随温度关系可表示为λp（T′）=λo（To）+△Tg×0.1nm/℃

由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。

这对于那些要求通过小型化、密集排列来提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其重要，应注意用散热好的灯具外壳或专用设备，确保LED能够长期工作。

图2.5LED正向电压随温度变化曲线

图2.6LED正向电流随温度变化曲线

3LED驱动技术

3.1负载连接方式

一般来说，一个驱动电路往往要驱动多个白光LED，根据应用的不同，目前主要有并联和串联两种驱动方式。

（1）LED采用串联方式。

采用串联方式要求LED驱动器输出较高的电压。

当LED的一致性差别较大时，分配在不同的LED两端的电压不同，但通过每颗LED的电流相同，因此保证了LED的亮度一致。

当某一颗LED因品质不良导致短路时，由于采用恒流驱动，不会对其他LED产生影响。

当某一颗LED因品质不良导致断路后，串联在一起的LED将全部不亮。

解决的办法是在每个LED两端并联一个齐纳管。

需要说明的是，齐纳管的导通电压需要比LED的导通电压高，否则LED就不亮了。

图3.1采用齐纳二极管保护的串联驱动方案

（2）LED采用并联方式。

采用并联方式要求LED驱动器输出较大的电流，负载电压较低。

并联方式又可具体分为完全恒流驱动和部分恒流驱动两种。

（a）完全恒流驱动

（b）部分恒流驱动

图3.2并联驱动方案

完全恒流驱动中每个支路使用一个电流调整器，或者所有并联支路共用一个电流调整器。

在每个支路使用一个电流调整器的情况下，若一条支路上某个LED发生短路，则其余LED不会受到影响，而当某个LED发生断路时，若采用了齐纳二极管保护，则其余LED同样不会受到影响；在使用一个电流调整器恒定总电流的情况下，若一条支路上某个LED发生短路，则其余LED因驱动电压不足而不亮；若一条支路上某个LED发生断路时，其他支路电流增加。

对于部分恒流驱动，即一条支路采用反馈检测电阻Rs恒流，其余支路采用和Rs阻值相同的镇流电阻Rb驱动（由于没有反馈，实际上属于恒压驱动）。

当恒压驱动支路上的LED断路时，驱动器输出电流将减小，并不影响余下所有LED正常工作。

但如果是恒流驱动支路上的LED断路，若驱动电路没有过压保护功能，则驱动输出电压升高，容易损坏剩下的所有LED。

当恒压驱动支路上的LED发生短路时，由于短路电流很大，足以将其烧成断路而不影响其他支路。

当恒流驱动支路上的LED短路时，由于输出电压变低，所有的LED将不亮。

3.2驱动源类型

从提供驱动源的类型分为：

电压源驱动型和电流源驱动型。

通常白光LED的驱动分类是结合上面两种分类，分为四种常用的电源驱动方式：

电压源与镇流电阻，电流源与镇流电阻，多路电流源，一路电流源升压驱动串联LED。

1.电压源与镇流电阻驱动方式

下图所示电路用稳压源配合镇流电阻控制LED的电流，这种结构的优点是选择电压源的余地很大，调节器与LED之间只需要一个连接端点，外围储能元件只需要若干电容就可以从2.6~5V的输入电压得到稳定的5V输出电压，不需要使用电感，使整个应用电路所占体积很小，没有电感引入的噪声，电磁干扰问题也就不存在了。

缺点是由于白光LED的正向电压离散性很