毕业设计（论文）白光LED灯驱动电路设计

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1、浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书白光LED灯驱动电路设计摘 要对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。作为一种新型的光源，白光LED更具有无污染、长寿命、耐震动和抗冲击的鲜明特点。虽然白光LED的发光效率正逐步提高，但是LED灯配套的驱动器性能不佳，故障率高，成为了LED推广应用的瓶颈。本文介绍了一种照明用LED高效驱动电路的设计方法。本设计采用单独的驱动电路。通过脉宽调制方式来调节LED灯的亮度；采用开关电源供电方式，输入电压范围广、抗干扰性好、驱动效率高，保证了该驱动板在不同场合、不同区域都能正常使用。关键词： LED； 照明； 高效； 驱动White LED lamp

2、driver circuit designAbstractFor general lighting, people need more white light sources. As a new light source, white LED with pollution-free, long-life, vibration and shock resistant to the distinct characteristics. At present, the luminous efficiency white LED is gradually improving, the commercia

3、lization of the device has reached the level of the incandescent lamp, but the fact should not be overlooked that the LED lights and supporting, the driver did not keep up with a timely manner, the drive circuit poor performance, fault Rate is high and promote the use of LED become the bottleneck, t

4、here are many technical issues need to study and solve.This paper introduces a kind of LED lighting efficiently driving circuit design method. This design USES the separate drivers circuit. Through the pulse width modulation way to adjust LED lamp brightness, Using power switch mode, the input volta

5、ge range, anti-jamming good, driving with high efficiency, guarantee the driven plate in different situations, different regions can normal use.Keywords: LED; Lighting; High-efficiency; Driver目 录摘 要.1引 言.3第一章 绪 论.41.1 LED的结构以及发光原理41.2 LED用途介绍41.3 白光LED灯的特点61.3.1 白光LED灯的优点61.3.2 白光LED灯的缺点61.4 我国白光LED

6、发展前景6第二章 白光LED灯驱动电源.82.1 LED驱动电源要求82.2 LED电源的分类82.3 恒流驱动的理由9第三章 LED驱动器.123.1 白光LED驱动器的要求123.2 驱动器的分类123.2.1 恒流源133.2.2 电荷泵133.2.3 开关电源143.3 驱动电源效率15第四章 LED驱动电路设计.174.1 芯片LM3402/LM3402HV电路性能.174.2 PWM调光184.3 输出开路.18结论.20参考文献.21致 谢.21附 件一 实物照片.22引 言“绿色照明”是20世纪90年代初提出的照明领域的新方针，它是从节约能源、保护环境的角度提出的。“绿色照明”

7、是对节约电能、保护环境照明系统的形象说法。绿色照明的质量和水平已成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。“中国绿色照明工程”的宗旨是节约能源，保护环境，提高照明质量，是要在我国发展和推广高效照明器具，节约照明用电，建立优质高效、经济舒适、安全可靠、有意环境和改善人们生活质量，提高工作效率、照明环境的更高要求和减少环境污染的需要。我国照明用电在经济用电中仅次于电动机占居第二位，而且以低效照明光源为主，虽然我国组织实施了绿色照明工程，但仍于国外发达国家有着较大的距离。随着新材料、新技术的发展和运用，高效照明产品趋于向小型化、高效化、长寿命、无污染、自然光色

8、的方向发展。LED是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。高亮度的白光LED的开发成功，使得LED在照明领域得以推广应用，使照明技术面临一场新的革命。LED属于典型的绿色照明光源。LED作为新型光源，具有寿命长、启动时间短、无紫外线、色彩丰富饱满、可做全彩变化、低压安全等特点。LED不仅可用于大型广告显示屏、建筑和交通照明、城市重点建筑的夜景照明光源，而且正在迅速成为非豪华汽车的标准配置，白光LED已经成为便携式电子产品显示屏的主要光源，并朝着日常照明应用的方向发展。LED技术的发展引起了国内外光源界的普遍关注，现在成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。LED产品的开发研

9、制生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。目前，随着LED技术的广泛应用及潜在的市场，LED显示出了强大的发展潜力。第一章 绪 论1.1 LED的结构以及发光原理LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就

10、会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要

11、领域。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（p=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝

12、光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。上个世纪60年代，科技工作者利用半导体结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的，所用的材料是，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在近年才发展起来，这里向读者介绍有关照明用白光LED。1.2 LED用途介绍可见光的光谱和LED白光的关系 众所周之，可见光光谱的波长范围为380nm760nm，是人眼可感受到的七色光红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如LED发的红光的峰值波长为565nm。在可见光的

13、光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光也是由三基色红、绿、蓝合成。由此可见，要使LED发出白光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的LED，在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，即二波长发光（蓝色光黄色光）或三波长发光（蓝色光绿色光红色光）的模式。上述两种模式的白光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术，即当前各大LED制造公司追逐的“蓝光技术”。目前国际上掌握“蓝光技术”的厂商仅有少数几家，所以白光LED的推

14、广应用，尤其是高亮度白光在我国的推广还有一个过程。2白光LED的工艺结构和白色光源 对于一般照明，在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成，第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。第一种方法产生白光的系统如图所示，图中LED 芯片发蓝光（=465nm），它和YAG（钇铝石榴石）荧光粉封装在一起，当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光，结果，蓝光和黄光混合形成白光（构成的结构如图所示）。第二种方法采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光。3白光LED照明新光源的应用前景 为了说明白光LED的特点，先看看目前所用的照明灯

15、光源的状况。白炽灯和卤钨灯，其光效为1224流明瓦；荧光灯和HID灯的光效为50120流明瓦。对白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明瓦，到了1999年已达到15流明瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年时，白光LED的光效已达25流明瓦，这一指标与卤钨灯相近。有公司预测，到2005年，LED的光效可达50流明瓦，到2015年时，LED的光效可望达到150200流明瓦。那时的白光LED的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光源，将成可能的现实。普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作

16、照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间1000小时以上），几乎无需维护。目前，HELLA公司利用白光LED开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都的一条街道已用了白光LED作照明；我国的城市交通管理灯也正用白光取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光定会进入家庭取代现有的照明灯。LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点，虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为是它将不可避免地现有照明器件。1.3 白光LED灯的特点1.3.1 白光LED灯的优点LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。（1）体积小LED基

17、本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。（2）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。（3）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（4）高亮度、低热量（5）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。（6）坚固耐用LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。1.3.2 白光LED灯的缺点 （1）LED灯具在交流电驱动下和普通白炽灯

18、一样会有频闪现象，而普通节能灯没有频闪现象。频闪会使眼睛容易疲劳。 （2）每个led灯泡的光线过亮，会强烈刺激眼睛，不可直视，哪怕短时间，而普通节能灯相对要柔和些。 （3）照射角度有限制，一般只能照射120，而普通节能灯几乎可照射360。 （4）照射房间的亮度并不比节能灯出色，因为led只在直视的狭小角度内有高亮度，而偏离该角度后光线迅速减弱1.4 我国白光LED发展前景半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。进行半导体照明的关键技术攻关并开发相关产品，实现半导体照明的产业化和商品化，将加快我国半导体照明产业化进程，利用高新技术促进照明电器、汽车和建筑等传统行业的技术改造和技术水平升

19、级，同时将对能源与环境、电力电子和军事等高新技术领域的快速发展起到重要的推动作用。 我国在超高亮度和白光LED领域已具备一定的技术和产业基础，但是，照明工业也存在大而不强的问题，主要做低端产品，利润率低，缺乏国际市场竞争力。直到现在，照明和城市美化所用的大部分，只有5的电能转化成了光能。目前我国一年照明耗电量超过2000亿千瓦时，占全国用电总量的12。半导体灯替代传统灯后，我国每年可节约近1000亿千瓦时，超过2008年建成后的三峡电站的发电量。 为顺应半导体照明白光LED这一世界高新技术发展潮流，我国已于2003年6月17日成立了国家半导体照明工程协调领导小组，科技部会同信息产业部、建设部、

20、教育部、中国轻工业联合会、中国科学院等行业和地方，开始共同启动半导体照明工程。国家半导体照明工程协调领导小组的成立，对促进我国白光LED发展有着重大意义。 自从我国启动了半导体照明工程后，进展很快。有50多家企业和研发机构得到了“十五”科技攻关的立项支持，60多名海外留学人员回国创业，一批新企业应运而生。同时，我国科技部也启动了半导体照明示范工程项目，旨在建设一批具有代表性的工程，例如厦门鼓浪屿亮化工程，通过政府采购来推动半导体照明产品的应用，并在应用过程中逐步解决标准系列化的问题。 据国家半导体照明工程协调领导小组组长、科技部高新技术发展及产业化司李健司长分析，我国发展半导体照明产业的机遇很

21、好，有几大有利条件： 第一，我国拥有巨大的照明工业和照明市场。我国现在是世界上第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。去年销售收入达445亿元，出口创汇达43亿美元。美国的年照明用电为6000亿千瓦时，约占用电总量的20。我国人口5倍于美国，目前年照明用电才2000亿千瓦时，仅为美国的13，占全国用电总量的12。这意味着照明工业在我国有着巨大的发展空间。全面建设小康社会，广大群众对 新型照明更是有着旺盛的需求。 第二，我国在这个领域已具备一定的技术和产业基础。我国自主研制的第一个LED，比世界上第一个LED只晚几个月。专家认为，从总体上看，目前我国半导体LED产业的技术水平与发达国家只相差

22、3年左右。我国已初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装到集成应用的比较完整的产业链。尤其是封装已在国际市场上占有相当大的份额，我国生产的红光、黄光半导体灯在全球最有竞争力，优势就在于封装。 第三，半导体照明产业是一个技术密集型加劳动密集型产业，比较适合我们的国情，其风险和难度都低于微电子产业。 目前，我国发展半导体照明产业是要靠机制创新加政策拉动。发展我国半导体照明产业的战略目标不仅在于突破一批关键技术，掌握一批知识产权，更重要的是，要研究开发与资本运作并重。在继续倡导产学研联合攻关的同时，要发挥企业特别是民营企业的主体作用，使企业真正成为这个工程的投资主体、实施主体、受益主体。另一方面，还

23、要以应用促发展。半导体照明有外延、芯片、封装、应用几个环节，首先要抓离市场最近的终端产品应用，尽快实现产业化。第二章 白光LED灯驱动电源2.1 LED驱动电源要求LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点,近年来在各行业应用得以快速发展,LED的驱动电源成了关注热点,理论上,LED的使用寿命在10万小时以上,但在实际应用过程中,由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当,使LED极易损坏.随着LED的应用日益广泛,LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求. 我们设计LED驱动电源时,有必要知道LED电流、电压特性,由于LED的生产厂家及LED规格不同,电流、电压特性均有差异.现以白光LED典

24、型规格为例,按照LED的电流、电压变化规律,一般应用正向电压为3.0-3.6V左右,典型值电压为3.3V,电流为20mA,当加于LED两端的正向电压超过3.6V后,正向电压很小的增加,LED的正向电流都有可能会成倍增涨,使LED发光体温升过快,从而加速LED光衰减,使LED的寿命缩短,严重时甚至烧坏LED.根据LED的电压、电流变化特性,对驱动电源的设计提出严格要求.2.2 LED电源的分类LED明系统需要借助于恒流供电,目前主流的恒流驱动设计方案是利用线性或开关型DC/DC稳压器结合特定的反馈电路为LED提供恒流供电,根据DC/DC稳压器外围电路设计的差异,又可以分为电感型LED驱动器和开关

25、电容型LED驱动器.电感型升压驱动器方案其优点是驱动电流较高,LED的端电压较低、功耗较低、效率保持不变,特别适用于驱动多只LED的应用.在大功率LED驱动器设计中,主要采用开关电容型LED驱动方案,其优点是LED两端的电压较高、流过的电流较大,从而获得较高的功效及光学效率.LED电源按驱动方式可以分为两大类:1、恒流式恒流式驱动方式有以下特点：（1）恒流驱动电路驱动LED是很理想的,缺点就是价格较高。（2）恒流电路虽然不怕负载短路,但是严禁负载完全开路。（3）恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化。（4） 要限制LED的使用数量,因为它有最大

26、承受电流及电压值。（二）稳压式恒压式驱动方式有以下特点：（1）稳压电路确定各项参数后,输出的是固定电压,输出的电流却随着负载的增减而变化。（2）稳压电路虽然不怕负载开路,但是严禁负载完全短路。（3）整流后的电压变化会影响LED的亮度。（4）要使每串以稳压电路驱动LED显示亮度均匀,需要加上合适的电阻才可以。LED电源按电路结构可以分为六类:1、常规变压器降压这种电源的优点是体积小,不足之处是重量偏重、电源效率也很低,一般在45%60%,因为可靠性不高,所以一般很少用。2、电子变压器降压这种电源结构不足之处是转换效率低,电压范围窄,一般180240V,波纹干扰大。3、电容降压这种方式的LED电源

27、容易受电网电压波动的影响,电源效率低,不宜LED在闪动时使用,因为电路通过电容降压,在闪动使用时,由于充放电的作用,通过LED的瞬间电流极大,容易损坏芯片。4、电阻降压这种供电方式电源效率很低,而且系统的可靠也较低.因为电路通过电阻降压,受电网电压变化的干扰较大,不容易做成稳压电源,并且降压电阻本身还要消耗很大部分的能量。5、RCC降压式开关电源这种方式的LED电源优点是稳压范围比较宽、电源效率比较高,一般可在70%80%,应用较广.缺点主要是开关频率不易控制,负载电压波纹系数较大,异常情况负载适应性差。6、PWM控制式开关电源目前来说,PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的,因为这种开关

28、电源的输出电压或电流都很稳定.电源转换效率极高,一般都可以高达80%90%,并且输出电压、电流十分稳定.这种方式的LED电源主要由四部分组成它们分别是:输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分.而且这种电路都有完善的保护措施,属于高可靠性电源。2.3 恒流驱动的理由白光LED的顺向电压通常被规范成20mA时,最小为3.0V,最大为4.0V,也就是若单纯施加一定的顺向电压时,顺向电流会作大范围的变化. 采用恒流驱动方式,是比较理想的LED驱动方式,它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动,同时恒定的电流使LED的亮度稳定.因此众多厂家选用恒流方式驱动LED.还有

29、一种LED驱动方式是可行的,它即不恒压,也不恒流,但通过电路的设计,当LED正向电压升高时,使驱动电流减小,保证了LED产品的安全.当然正向电压的升高只能在LED承受范围,过高也会损坏LED。理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流.但驱动器的成本增加.其实每种驱动方式均有优、缺点,根据LED产品的要求、应用场合,合理选用LED驱动方式,精确设计驱动电源成为关键.LED虽然在节能方面比普通光源的效率高,但是LED光源却不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压,它必须配有专用电压转换设备,提供能够满足LED额定的电压和电流,才能使LED正常工作,也就所谓的LED专用电源.但由于各种规格不同的LE

30、D电源的性能和转换效率各不相同,所以选择合适、高效的LED专用电源,才能真正展露出LED光源高效能的特性.因为低效率的LED电源本身就需要消耗大量电能,所以在给LED供电的过程中就无法凸显LED的节能特点.总之,LED电源在LED工作中的稳定性、节能性、寿命长短,具备重要的作用.LED具有类似于二极管的正向V-I特性.在低于LED开启阈值(白光LED的开启电压阈值大约为3.5V)时,通经该LED的电流非常小.在高于该阈值时,电流会以正向电压形式成指数倍递增.这就允许将LED定型为带有一个串联电阻的电压源,其中带有一则警示说明:本模型仅在单一的工作DC电流下才有效.如果LED中的DC电流发生改变

31、,那么该模型的电阻也应随即改变,以反映新的工作电流.在大的正向电流下,LED中的功率耗散会使设备发热,此举将改变正向压降和动态阻抗.在确定LED阻抗时充分考虑散热环境是非常重要的.当通过降压稳压器驱动LED时,LED常常会根据所选的输出滤波器排列来传导电感的AC纹波电流和DC电流.这不仅会提高LED中电流的RMS振幅,而且还会增大其功耗.这样就可提高结温并对LED的使用寿命产生重要影响.如果我们设定一个70%的光输出限制作为LED的使用寿命,那么LED的寿命就会从74摄氏度度下的15,000小时延长到63摄氏度度下的40,000小时.LED的功率损耗由LED电阻乘以RMS电流的平方再加上平均电

32、流乘以正向压降来确定.由于结温可通过平均功耗来确定,因此即使是较大的纹波电流对功耗产生的影响也不大.例如,在降压转换器中,等于DC输出电流(Ipk-pk=Iout)的峰至峰纹波电流会增加不超过10%的总功率损耗.如果远远超过上面的损耗水平,那么就需要降低来自电源的AC纹波电流以便使结温和工作寿命保持不变.一条非常有用的经验法则是结温每降低10摄氏度,半导体寿命就会提高两倍.实际上,由于电感器的抑制作用,因此大多数设计就趋向于更低的纹波电流.此外,LED中的峰值电流不应超过厂商所规定的最大安全工作电流额定值.大功率LED被称为“绿色光源”,它将向大LED电流(300mA 至1.4A)、高效率(6

33、0至120 流明/瓦)、亮度可调的方向发展.由于大功率LED在寿命上具有很大优势,所以发展前景非常广阔,其中最被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境.但这些应用对LED驱动系统设计也提出了新的要求,包括:输入电压范围一般要求为6V到24V;具有冲击负载保护、反相和过压保护;待机功耗非常低;低带隙基准以减少电流检测损耗以及具有PWM调整亮度的功能等.驱动电源设计不好LED灯会出现的不良现象:1:有嘈音; 2:亮度随电压而变化; 3:关闭时闪耀; 4:开机时闪耀;5:温度很高;6:一批货功率相差很大,达二瓦以上.第三章 LED驱动器3.1 白光LED驱动器的要求驱动器可以看作

34、是向白光LED供电的特殊电源，可以驱动正向压降为3.04.3V的白光LED，并根据需要驱动串联、并联或串并联的多个白光LED，满足驱动电流的要求。对驱动器的主要要求如下： 为满足便携式产品的低电压供电，驱动器应有升降压功能，以满足13节充电电池或1节锂离子电池供电的要求，并要求工作到电池终止放电电压为止。 驱动器应有高的功率转换效率，以提高电池的寿命或两次充电之间的时间间隔。目前高的可达80%90%，一般可达到60%80%。 在多个白光LED并联使用时，要求各白光LED的电流相匹配，使亮度均匀。 功耗低，静态电流小，并且有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态电流应小于1A。 白光LED的最大电流

35、ILED可设定，使用过程中可调节白光LED的亮度（亮度调节）。 有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护。 小尺寸封装，并要求外围组件少而小，使所占印制板面积小。 对其他电路的干扰影响小。 使用方便，价位低。3.2 驱动器的分类从供电电压的高低可以将驱动器分成三类：由电池供电，电压一般低于5V，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光LED，它主要采用升压式DC/DC变换器或升压式（或升降压式）电荷泵变换器，少数采用LDO电路的驱动器；大于5V供电，如6V、9V、12V、24V（或更高），由稳压电源或蓄电池供电，它主要用降压式可升降压式DC/DC变换器；直接由

36、市电（110V或220V）或相应的高压直流电（如40400V）供电，主要用于驱动大功率白光LED，采用降压式DC/DC变换器驱动电路。过去认为有电感的升压式DC/DC变换器可输出较大的电流。近年来，电荷泵式驱动器可输出的电流已从几百毫安上升到1.2A，并且两者在转换效率上也不相上下。对于采用LDO电路的驱动器，无需外围组件及价位低是它的优点，其缺点是转换效率略低，并且电池往往不能用到终止放电电压就要充电。这种驱动器主要用于1节锂离子电池的场合，并需用正向电压低的白光LED。可以用作白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型。3.2.1 恒流源 绝大多数LCD

37、背景照明装置都配有亮度控制器以便使用中根据环境光线的强弱进行相应调节。由于LED的光子发射源于电子、空穴对的复合，故其发射速率以及发光强度均与LED的正向电流成比例。为此，可控恒流源应是实现亮度控制最简单的方案。但因白光LED的“色温”也与工作电流直接有关，这类控制方案会使光源在整个亮度调节范围内的颜色一致性变得很差，故而仅能用于按钮照明之类对于颜色保真度要求很低的场合。LCD背光装置则大多采用PWM电源为LED供电，以避免这一“色偏”问题。 从实用的角度来看，对于电源电压较高的车载设备，由于多个白光LED可以串联使用，所以采用配有脉宽调制器的集电极开路（OC）或电流镜输出级即可构成简单的LE

38、D驱动器。 在电源电压较为有限的应用场合，多个白光LED只能以并联方式工作。此时，按照传统的设计方法，通常需为每只白光LED配备独立的限流电阻，借以克服白光LED正向压降一致性差以及不可直接并联工作的弊端。不过目前多已改用集成恒流源为白光LED供电，可以消除电源电压变动所造成的不利影响。MAX1916和LX1190是两种较为常见的恒流源集成电路。3.2.2 电荷泵 白光LED的正向压降可以高达4V，但是目前的大量手持电子设备多以单一锂电池供电，此时已经无法再由设备电源直接驱动白光LED而必须借助于各类电源变换器件。可以用作白光LED驱动器的电源变换器件包括不少种类，其中应以电压输出型电荷泵电路

39、最为简单。此类典型的器件有LM3354型开关电容变换器，其电源电压范围为2.55.5V，输出电压有一系列标称值可供选择，用作白光LED驱动器时应选择4.1V标称输出电压。LM3354的开关工作频率为1MHz，故而可以采用较小的开关电容器。LM3354的最大输出电流为90mA，带有片内过热保护电路，静态电流与关断状态电流分别为475A和5A。控制白光LED亮度的脉宽调制信号可由器件的判断控制（SD）端送入，其重复频率应在60Hz以上，以免LED产生闪烁现象；但也不宜超过200Hz，以保证开关电容器具有足够的放电时间。 白光LED以恒流源供电有利于抑制电源电压变动所造成的不利影响，目前也确有不少电

40、流输出型电荷泵电路可供选用。LTC3200的反馈阈值电压则可由“引脚编程”方式设定为200mV、400mV或600mV(第四种编程组态为“关断”)，若以PWM信号令其间歇进入关断状态，便可平滑调节白光LED的亮度而不致产生明显的“色偏”。LTC3200的工作频率为1.5MHz，电源电压为2.74.5V时，最大输出电流为125mA，可以同时驱动八只白光LED。LTC3200-5电压输出型电荷泵集成器件与LM3354的结构相似，但体积较为小巧，而且仅需一个开关电容；工作电压为34.4V，工作频率为2MHz，输出电流可达100mA；唯其5V额定输出电压偏高，因而限流电阻的压降亦偏大，对整体电源变换频

41、率有一定的影响。 SC600电压输出型电荷泵集成器件包括44.5V/120mA与4.55V/60mA多种输出规格，电源电压范围为2.76.5V，利用“引脚编程”方式切换工作频率，在8650kHz范围内共分四挡，由此可以调整输出电流。其最大的特色在于电源电压超过某个阈值时会自动切换内部电路结构以取得更高的电源变换频率。该阈值具有80mV的“回差”，以防切换过于频繁而造成较大的输出纹波。 电流输出型电荷泵LM2794以电流镜作为输出级，因而可以省去限流电阻，但会增加器件的功耗。LM2794具有四路电流输出，每路为20mA。若欲调整白光LED的亮度，仍可在其关断控制端加入脉宽调制信号，也可采用引入外

42、部电流的方式改变其反馈阈值。该器件的电源电压范围为2.75.5V，电压超过4.7V时会自动切换内部电路，改以“直通”方式工作。该切换阈值也有250mV左右的回差以防输出纹波恶化。值得一提的是，该器件的外形尺寸仅为2mm2.4mm0.84mm，是同类器件中体积最小的。 S8813与LM2794的结构相近，但恒流原理属脉冲频率调制型。这种恒流方式对于变换效率的提高有些好处，但有一定的开关噪声。该器件的典型工作频率约为600kHz，具有三路电流输出，每路为518mA。3.2.3 开关电源 电荷泵是以电容器作为储能元件，但以升压式开关电源作为白光LED驱动器的应用也较为广泛。事实上，以电感器作为储能元

43、件的电感升压式开关换器，在电压提升的效能方面优于电荷泵式变换器。用作白光LED驱动器的电感升压式开关变换器多为电流输出型。 目前，小功率集成电感升压式开关变换器多带有作为功率开关的片内N沟道MOSFET管，但是储能电感通常仍需外接。MAX1848的开关频率为1.2MHz，以2.65.5V电源电压工作时，最高输出电压可达13V，足以驱动23只串联的白光LED。MAX1848还可同时驱动三路并联负载，每路负载包括两个串联的白光LED。此应用需要配用三个采样电阻，各路负载的电流匹配情况不令人满意。 LT1937电感升压式开关变换器片内功率开关的耐压值高达36V，可以驱动六只白光LED串联组成的单路负

44、载。采样电阻压降约为100mV，通过调整采样电阻的阻值可将输出电流设定为520mA。白光LED的亮度调整仍可采用在反馈节点引入外加控制电流可将脉宽调制信号送入关断控制端这两种方法。属于电感升压式开关变换器的器件还有LM2704和LX1993，LM2704可以在2.27V电压范围内工作，最高输出电压为20V，输出电流为20mA，可驱动两路共计八只白光LED。LM2704的特点在于片内功率开关峰值电流可达0.5A，导通电阻仅为0.7，故而电源变换效率较高，同时易于解决小型封装器件的散热问题。LX1993能以20mA的输出电流驱动单路四只白光LED，其优点在于电源电压可以低至1.6V。3.3 驱动电

45、源效率无论是车载、便携还是手持电子设备的设计，电源效率都是一个不可忽视的重要问题。然而，对于白光LED驱动电路来说，各类集成器件变效率的比较看来并不是那么简单。按照常规，器件生产厂商提供的电源变换效率指标均定义为输出电功率与输入电功率之比，但是白光LED的正向压降往往相差数百毫伏之多，足以影响其实际消耗功率在驱动器件输出总功率中所占的比例，即白光LED驱动电路中消耗于限流电阻或电流镜输出管压降之类的无用功率对于实际的电源变换效率往往具有很大影响，采用不同电路结构形式的驱动器件尤为显著。而测定白光LED工作于特定正向电流时的电源输入功率，才是比较驱动电路变换效率的可靠方法。采用多只白光LED串联

46、使用的方案有利于提高驱动电路的整体效率，但在实际应用时这一方法将会受到以下两方面的限制： 驱动电路的最高输出电压通常较为有限值，所以同一支路中白光LED的串联个数不可能太多。 目前白光LED产品的一致性并不令人满意，同一支路中通常须用同一厂商同一生产批次的白光LED，才能基本保证整个照明面积具有足够均匀的照度。 目前提高驱动电路变换效率的余地可以说已经相当有限，然而从白光LED本身的发光效率看来却还大有潜力。所谓的白光LED，其实是利用一种紫蓝光LED所发出的短波长紫蓝光激发涂布于输出光学透镜内壁的荧光材料，进而产生波谱较宽的白色复合光。由此可见，白光LED的紫蓝光管芯、荧光材料乃至光学透镜均

47、可影响其发光效率。近年白光LED生产厂商研发的新一代NSCW215系统产品的发光效率较上一代整整提高了50%。另外，在大功率白光LED的开发方面亦有所进展，目前已经研制成功正向电流达到数百毫安的LED，在作为交通信号等适应白昼使用的照明指示光源方面颇有竞争力。 鉴于白光LED在LCD背景照明领域的应用前景，已有相关的组件产品投入市场。如MTG-F2406FMNHSGW液晶显示器组件（WTS）、采用24064像素的液晶显示屏和T6963C型显示控制器（东芝）均以白光LED作为背景光源。若再配上电源变换器（可选件），整个组件便可以5V单电源供电。液晶屏有效显示面积为13239mm2，点距为0.51

48、mm。 最近几年便携式电子产品大多改用正向电压为3.6V（20mA）的白光LED作为背光照明单元。以移动电话为例，它使用了34只白光LED，然而一般锂离子电池放电时的电压经常低于3.6V，为了符合白光LED 3.6V正向电压的需求，必须借助于升压电路才能获得预期的效果。也就是说，白光LED驱动器必须具备以下功能：即使电池的输出电压下降，驱动器也能够为白光LED提供充足的正向电压VF。 第一代白光LED驱动器采用限流电阻进行电流匹配，以补偿正向电压的差异，从而保证白光LED亮度的一致性。然而，最新研制的白光LED驱动器不会受供电电压的影响而保证恒定的亮度。提升并调节电池电压的驱动器可以是开环或闭

49、环控制器、电荷泵，或带有电压或电流输出功能的电感变换器。 在大多数应用中，白光LED通过并联或串联方式连接在一起，但在个别情况下也可采用混合的串、并联配置方式。对LED进行连接时采用串联、并联或混联的方式联决于应用的需要，每种配置方案都有本身的优点和不足之处。 串联。白光LED具有类似普通二极管的正向电压和电流特性。由于白光LED的亮度几乎完全由电流控制，因此，只要使用相同或匹配的电流，两只白光LED即可获得相同的亮度，而无需考虑其正向电压的差异。采用串联方式连接可保证其电流相同，因此所有白光LED的亮度都是一致的。 并联。大多数并联白光LED都采用恒压或恒流白光LED驱动器，而驱动器的采用取

50、决于具体的应用要求。在恒压拓扑中驱动并联白光LED非常简单，驱动器可以是开环电压输出的开关式DC/DC稳压变换器。每只白光LED都有一个串行连接的限流电阻，用来设置电流值并匹配各只白光LED之间的电流。采用具有高限流电阻值的恒压驱动器，可以获得良好的电流匹配，但其负面作用是影响效率。相反，较低的限流电阻值将提供较高的效率，但白光LED的电流（亮度）匹配效果较差。 第一代恒流驱动器是带有整流功能的电荷泵，这些器件使用限流电阻来检测白光LED电流。利用检测到的电流来调节第一只白光LED的正向工作电流，余下白光LED的限流电阻的电流会与第一只白光LED的电流进行匹配。由于白光LED之间的正向电压各不

51、相同，因此电流匹配的精度非常有限。需要精确电流匹配的应用（如彩色LCD显示等），可以使用内部匹配恒流LED驱动器。这些驱动器可在白光LED之间提供精确的电流匹配，而无需考虑其正向电压。 白光LED需要的正向电压相对较高。最新的技术趋势是将白光LED的正向电压降低至3V以下。因单个锂离子电池的电压范围为2.74.2V，其标称电压值为3.6V，如果白光LED的正向电压低于3V，电池即可直接驱动白光LED电路（无需升压），从而减少部件数量和降低成本。与传统白光LED驱动器不同，如今的白光LED驱动器采用了主动匹配技术，为实现白光LED亮度恒定，由内置的数字、模拟和PWM控制单元对白光LED的亮度进行

52、调节。飞兆半导体最新的FAN5608系列LED驱动器整合了所有的亮度控制方式（数字、模拟、PWM），并支持特殊配置方案，容许两个恒流源驱动多个白光LED串，每串LED都具有独立的亮度控制，可以在两个白光LED串上连接4只串联白光LED，从而满足驱动8只白光LED的要求。第四章 LED驱动电路设计4.1 芯片LM3402/LM3402HV电路性能LM/3402、LM3402HV是一款由可控电流源衍生的降压型稳压器，设计该器件来驱动串联的大功率、高亮度发光二极管串。当使用LM3402时，可以接受范围在6-42V的输入电压，当使用引脚兼容的LM3402HV时，输入电压的上限可达到75V。按照需要对变

53、换器的输出电压进行调节，以维持通过LED阵列的恒定电流水平。LM3402/LM3402HV是一款真正的降压型稳压器，其输出电压范围冲Vo（min）为200mV（参考电压）扩展到由最小关断时间（典型值300ns）决定Vo9（max）。只要LED阵列的组合电压不超过Vo（max），则电路保持任意数量的LED中的调节电流不变。采用LM3402设计驱动单个LED，可提供350mA的恒定电流，其电压约3.5V(使用In-CaN技术的白光、蓝光和绿光LED的典型值)。当采用24V输入供电时，会维持LED的平均电流If在340mA-350mA范围内，纹波电流if不会超过70mA顶峰值。在输入电压6-42V的

54、范围内，开关频率为590kHz-610kHz。采用LM3402HV设计的驱动电路，可以为电压约为3.5V的单个LED提供350mA的恒定电流。采用48V输入电压供电时，维持LED的平均电流If在345mA到355mA范围以内，纹波电流将不会超过70mA顶峰值。在输入电压675V的范围内，开关频率为240kHz-260kHz。LED阵列的电流Iled为350mA，是许多1W功率LED的典型值，为了调节该值，电流设定电子Rsns值根据计算 Tsns=220ns。为能承受LED电流引起的功耗，应将该电阻功率容量取额定值，为了调节该值。例如，为设定350mA的LED电流，最接近5%误差的电阻为0.56

55、。稳定状态下该电阻将消耗69mW，表明设和采用1/8W额定功耗的电阻。4.2 PWM调光DDIM1端口为脉冲宽度调节（PWM）信号提供输入端，可对LED阵列进行调光。为了对LM3402/LM3402HV 进行完全赋能和止能，PWM信号的最大逻辑低电平应为0.8V，最小逻辑高电平为2.2V。最大的PWM调光频率应至少比LM3402/LM3402HV的开关频率第一个数量级。DIM1的逻辑是正向的，因此当DIM1端口为高电平时，LM3402/LM3402HV会输出稳定的店里；当DIM1的端口为低电平时，禁止任何电流输出。链接DIM到一个固定的逻辑低电平会禁止输出，DIM引脚处于开路状态时，对LM34

56、02/LM3402HV进行赋能。DIM1功能仅禁止功率NFET，IC内其他电路单元任然工作，由此可将变换器的响应时间降到最低。通过将DIM2连接到可选NFET Q1的栅极，DIM2为PWM调光提供了第二种方法，在标准设计上没有列出Q1，所以必须为执行DIM2的功能添加Q1。Q1提供LED电流的分流路径，这种小型NFET的开启和关闭比LM3402/LM3402HV启闭内置的NFET更加迅速，从而为更高频率和更高精度的PWM调光信号提供更快的响应时间。该方法所取的折中就是，当LED关闭会有满幅电流通过Q1，从而导致较低的效果。DIM2的逻辑是反相的，因此当DIM2为低电平时，LM3402/LM34

57、02HV会输出稳定的电流。当DIM2为高电平时，则禁止电流输出。将DIM2连接一个固定逻辑高电平则关闭LED，但不会关闭LM3402/LM3402HV。4.3 输出开路将OFF端口接地，从而将LM3402/LM3402HV置于一个低功率关机状态（典型值为90A），在正常工作期间，该端口应始终保持在开路状态。将DIM端口悬浮或者接至逻辑高电平，一旦输入到6V时，LM3402/LM3402HV就开始工作。在输入供电但输出未连接任何LED阵列的情况下，输出电压将会上升到和输入电压相等。电路的额定输出为50V（LM3402）或100V（LM3402HV），此时器件不会受到损坏，然而在稳定状态下，输出电

58、压高于LED阵列的预期电压时，则不要连接任何LED阵列。还有一种方法就是在位置Z1和RZ处放置齐纳二极管和齐纳限流电阻，在输出Z1处的一个意外开路将会使电路进入反向偏置，并迫使CS引脚电压上位拉至等于输出电压。一个内置的比较器监测CS引脚电压，在该情况下会禁止内置的NFET和输入电压源上的热应力。基于LM3402驱动LED电路如下图结论毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的白光LED灯驱动电路，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑

59、制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种管道的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求.提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中

60、表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，虽然我采用了一个的简单的驱动电路，他们有着很多地方但也存在一定的不足，这新不足在一定程度上限制了我们的创造力。比如我的设计LED灯驱动电源就有很大的不足，在这个能源紧缺节能被高度重视的社会中，这无疑是很让我自身感到遗憾的，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。参考文献

61、1 王成安.电子技术基础技能综合训练.北京：民邮电出版社，20052 王霖，钱可元，罗毅.新型LED航标灯光学系统J.光电工程，20073 周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计实例.北京：电子工业出版社，20034 蒋金波，杜雪，李荣彬.自由区面LED路灯透镜设计J.液晶与显示.北京:人民邮电出版社，20085 刘树林，高卫斌，尹卫平.低频电子电路.北京：电子工业出版社，20036 吴润宇，轩萌华，苗银梅等.使用稳定电源.北京：人民邮电出版社，19977 黄继昌.集成电路应用300例M.北京：人民邮电出版社，20028 罗毅，张贤鹏，王霖等.半导体照明中的非成像光学及其应用J.北京：电子工业出版社，20089 丁毅，顾培夫.实现均匀照明的自由区面反射器J.光学学报，2007 致 谢大学的学习生活即将结束，在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够成功的完成，要特别感谢我的导师唐常杰教授的关怀和教导，感谢各位师兄师姐特别是殷华蓓师姐的关心和帮助。最后还要感谢我的父母，是他们一直在背后支持着我。