一种恒流型DCDC大功率LED驱动电路的设计Word下载.docx
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浙江大学硕上学位论文
Ｋｅｙｗｏｒｄ：
ＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬＥＤ；
ＤＣ．ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
Ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｄｒｉｖｅｒ；
Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；
浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成
果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
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同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
裴馈
签字日期：
≯ｐ年／月叼日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解
逝婆盘堂
有权保留并向国家有关部门或机构送交奉
论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的
全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
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导师筝名：
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浙江大学硕十学位论文
致谢
作者在攻读硕士学位期间，得到了陈辉明教授、王正仕导师和吴新科博士的悉心指导、极大的鼓励和帮助，在此表示非常的感谢，老师们敏锐的洞察力，渊博的知识、严谨和开明的治学态度、一丝不苟的工作作风和先进的管理理念将使我一生受益。
感谢实验室的师兄、师弟和师妹们在学＞－－ｊ和生活中给予我的大力支持和无私帮助。
同时也深深感谢电气工程学院的领导和老师们，谢谢你们辛勤工作为我们创造了良好的学＞－－ｊ
条件。
感谢合作公司各位同仁所给予的无私的帮助和大力指导，同时也感谢公司能给予这次学＞－－ｊ的机会。
最后，要感谢我的家人，谢谢你们的关心和支持，正是你们的全力支持，才使得我能顺利完成学业。
衷心感谢百忙之中抽出时间参加论文评阅和评议的各位专家学者，感谢他们为审阅本文所付出的辛勤劳动。
半导体照明ＬＥＤ驱动电路的发展与现状
１半导体照明ＬＥＤ驱动电路的发展与现状
１．１
大功率照明ＬＥＤ的特性及发展
１．１．１照明器件的发展史纵观人类照明史的发展，主要经历了光火照明、白炽灯照明、荧光灯照明三大阶段。
最近兴起的半导体固体照明被认为是继荧光灯照明之后，人类照明史上的又一次历史性飞越。
从本质上讲，照明史的发展就是人类不断提高照明效率的过程。
最初的火光照明采用燃烧化学染料的方法来获得人类所需的光源。
但由于火光的大部分光谱位于可见光光谱的范围之外，而且燃烧产生的９０％的能量均转化成了热能，因此光火照明的效率非常低。
加上化学燃料的燃烧经常伴随着对环境有污染的气体的产生，人们便开始了寻找和开发发光效率更高的照明器件的历程。
白炽灯的发明是人类照明史上的一次重大飞越。
首先，它摒弃了传统的化学燃料，而采用电能作为发光驱动能源，因此具有无污染、易输运的优点。
其次，虽然其发光频谱大部分还是落在可见光频谱之外，但它的出射光的峰值位于可见光谱的附近，因此发光效率比燃烧发光高得多。
一般来说，普通的白炽灯的发光效率为１６ｌｍ／Ｗ。
第三种照明技术是荧光灯照明，荧光灯利用电能作为驱动能源来激发低压汞蒸气产生波长约为２５３．７ｎｍ的窄带紫外出射光，该紫外光照射灯管内壁上的荧光粉，激发它产生占满整个可见光谱的自光。
由于荧光灯的出射光波长几乎全部集中在可见光谱的某一窄带范围内，因此其发光效率大大高于白炽灯，一般为８５ｌｍ／Ｗ。
半导体固体发光器件为近几年兴起的第四代照明器件。
它的发光机理为：
当在半导体发光二极管（ＬＥＤ）的两端加上正偏的电压时，大量的电子空穴对注入半导体，当电子和空穴在半导体中的某些特殊活性区域中复合时，即产生光子，这些光子的能量和半导体的禁带宽度有关。
像荧光灯一样，由于ＬＥＤ的出射光为位于可见光光谱范围内的窄带光，所以看上去是有颜色的。
要使它变成接近自然光的白光还需将出射的窄带有色光转化成占满整个可见光光谱的白光。
１．１．２１．１．２．１
大功率照明ＬＥＤ的特性大功率照明ＬＥＤ的优势
随着ＬＥＤ效率的迅速提高、成本的不断下降，ＬＥＤ市场正在由手机的背光源和汽车仪表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景观照明领域向普通白光照明领域扩展…。
大功率（≥１ｗ）ＬＥＤ照明光源ｎ１与传统的白炽灯，荧光灯照明光源相比，有如下优点：
①节能
大功率ＬＥＤ照明第一个突出的优点就是节能。
虽然按一般光效定义的ＬＥＤ的发光效率并不算高，但由于ＬＥＤ的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达到８０％一９０％，而白炽灯的可见光转换效率仅为１０％一２０％。
预计未来大功率ＬＥＤ照明的耗电量仅为相同亮度
白炽灯的１０％一２０％。
②光色纯，光线质量好单一颜色ＬＥＤ的光谱狭窄，谱线单一集中在可见光波段。
③寿命长
普通白炽灯和荧光灯的寿命只有１０００小时，而大功率ＬＥＤ灯的寿命却可达到１０万小
时。
④可靠、耐用
大功率照明ＬＥＤ以其特殊的电子结构保证其工作时有良好的稳定性和可靠性，甚至在水下也能长时间稳定地工作。
而且它没有传统灯泡的钨丝、玻璃壳等易损部件，维护费用低廉。
ＬＥＤ的工作温度范围也很宽，在－４０。
Ｃ－－８５℃之间均能正常工作。
⑤应用灵活
体积小，便于造型，可做成点、线、面等各种形式。
⑥响应快
白炽灯的响应时间为毫秒级，而大功率照明ＬＥＤ的开关响应时间为纳秒级，无频闪。
因其响应时间短，作汽车灯反应快，可延长刹车的反应时间，故能减少交通事故的发生几
率。
⑦环保
大功率照明ＬＥＤ的工作电压为３－４伏左右的直流电，因而没有电磁干扰。
而且不同于日光灯点亮后会产生汞蒸气及二氧化碳和其它温室气体等污染物，ＬＥＤ产生的废物很少。
同时，其荧光粉的用量也仅为普通荧光灯的十分之一，利于稀土资源的可持续利用。
⑧控制灵活
通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效果。
虽然与传统照明光源相比，大功率照明ＬＥＤ有着诸多优势，但目前大功率ＬＥＤ要广泛应用于照明领域还存在以下问题：
发光效率较低，单管发射功率小，价格昂贵。
与现有照明灯具相比，半导体照明要进入普通照明市场还需满足以下基本要求Ｄ１：
首先要求单颗ＬＥＤ
有足够大的光通量，这样才能使被照的物体产生足够的亮度。
现在单颗ＬＥＤ的光通量是以流明，甚至是以毫流明为单位来量度的。
与一般的照明需要千流明甚至更高光通量的要求相距甚远。
其次，照明光源不应是单色的，而应是白色的。
根据照明场合的不同，光源的色温可高或低，但它们的色度坐标点都应该非常接近黑体辐射的轨迹。
另外，它们的光谱特性应保证它们有很好的显色性，能真实再现受照物体自身原有的色彩。
这就需要在单色ＬＥＤ的基础上研究，开发白光ＬＥＤ。
第三，现在普遍采用的照明光源，如白炽灯、荧光灯和高强度放电（ＨＩＤ）灯产生光的成本都比较低，大功率照明ＬＥＤ只有大幅度地降低自身的生产成本才有可能与它们竞争。
当然，由于ＬＥＤ寿命长，灯具的利用效率高，成本略高于普通光源也还是可以接受的。
总而言之，为了实现真正意义上的半导体照明，我们需要研究、开发并生产出光效高、单颗功率大、价格合理的白光ＬＥＤ。
１．１．２．２
大功率照明ＬＥＤ的电学、光学特性
作为照明光源，我们关心的大功率ＬＥＤ的性能指标主要有亮度、光强、色坐标、色温、显色指数和发光效率。
虽然大功率白光ＬＥＤ是当前的研究热点，但是关于其电学、光学特性的报道还很少。
下面主要就搜集到的大功率ＬＥＤ的相关电学和光学特性进行了整理。
（１）ＬＥＤ的正向伏安特性
图ｉ．１不同白光ＬＥＤ的电流一电压特性之间的差异性
图１．１显示的是不同白光ＬＥＤ之间，甚至是从同一产品批次中随即挑选的ＬＥＤ之间的正向电力电压特性的差异¨
１。
可以看出，在恒定电压的驱动下，不同ＬＥＤ上流经的正向电流大小不同，导致发出的白光亮度不同，如图中虚线所示。
而且，ＬＥＤ正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起ＬＥＤ电流的很大变化，从而导致出射光光强的变化。
虽然尚未搜集到有关大功率ＬＥＤ正向伏安特性的直接数据资料，但可以肯定它也存在着类似图
１．１表征的不同ＬＥＤ正向伏安特性之间的离散性。
３
（２）光学特性（主要包括光通量，出射光的峰值波长等）
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电ｉｉＥ／ｍＡ图１．３光通量与电流关系
图１．２光通量与时间关系
光源的光通量是指单位时间内通过４ｎ立体角的可见光能量，它的单位是流明（１ｍ）。
上面两张图分别是光通量与时间以及电流的关系图。
首先关于时间特性，随着时间的增长，大功率ＬＥＤ的光通量下降较快，之后逐渐趋于平稳，最后光通量下降了１０％。
其次，在电流与光通量关系图上，可以看出，随着电流的增加，大功率ＬＥＤ的光通量非线性增加，并逐渐趋于饱和。
其原因主要是因为随着电流及时间的增大，大功率照明ＬＥＤ芯片内部将温度上升，发生在ｐｎ结结区的载流子复合几率下降，造成ＬＥＤ发光效率降低。
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图１．４ＬＥＤ峰值波长与驱动电流的关系
图１．４显示的是大功率ＬＥＤ峰值波长与驱动电流的关系。
为了避免时间因素的影响，采用瞬时的恒定电流来驱动大功率ＬＥＤ。
可见，随着电流的增加，峰值波长向短波方向偏移。
在２００ｍＡ以下的电流点亮时，峰值波长偏移比较大，而在更大的电流点亮时，峰值波
长趋于稳定。
４
（３）白光ＬＥＤ的温度特性①温度对白光ＬＥＤ正向电压的影响ＬＥＤ伏安特性的数学模型可以表示为：
环＝Ｖａ，ｒ。
＿ｏ．＋Ｒｓ
ｘ‘＋等（Ｔ－２５。
Ｃ）…………………………（虬１）
其中，Ｖ。
。
”卜。
是ＬＥＤ的启动电压，Ｒ。
表示伏安曲线的斜率，Ｉ，表示ＬＥＤ的正向电流，Ｔ环境温度，△Ｖ，／△Ｔ是ＬＥＤ正向电压的温度系数，对于大多数ＬＥＤ而言，它的典型值为－２ｖ／
℃１９】ｏ
从ＬＥＤ的伏安曲线及数学模型看，ＬＥＤ在正向导通后其正向电压的细小变动将引起ＬＥＤ电流的很大变化，并且，环境温度，ＬＥＤ老化时间等因素也将改变影响ＬＥＤ的电气性能。
而ＬＥＤ的光输出直接与ＬＥＤ电流相关，所以ＬＥＤ驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制ＬＥＤ电流的大小。
否则，ＬＥＤ的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。
②温度对白光ＬＥＤ正向电流的影响白光ＬＥＤ的正向电流的大小也是随温度变化而变化的，图１．５是日亚公司提供的常用自光ＬＥＤ的允许正向电流随温度的变化曲线ｂ１。
当环境温度一旦超过５０℃，白光ＬＥＤ的允许正向电流会大幅度降低，在此情况下如果仍旧施加大电流，很容易造成白光ＬＥＤ的老化。
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Ｔ（℃）
图１．５白光ＬＥＤ正向电流随温度变化曲线
５
（４）发光效率与功率之间的特性关系
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Ｐ／Ｗ图１．６发光效率与功率之间的特性关系
图１．６给出大功率白光ＬＥＤ功率与发光效率的关系，从图中可以看出，当大功率表白光ＬＥＤ功率大于０．１１ｗ时，发光效率随功率增加开始缓慢减少，随着功率继续增加，发光效率降低的速度也越来越快，在功率为１ｗ时，白光ＬＥＤ的发光效率为１３１ｍ／Ｗ。
这种现象是在半导体照明中遇到的最大障碍之一，即发光效率与功率不能同时达到最大，但是可以通过分析这种现象产生的原因来尽量克服和减少这一矛盾。
主要原因是：
ａ）在相同的热阻下，功率的增加必然导致芯片温度升高，增加载流子非辐射复合机率，导致辐射复合机率下降，造成发光效率随着功率增加而非下降。
ｂ）随着功率和电流密度的增加，会出现所谓“电流泄漏”现象，即发生在ｐｎ结区的载流子复合几率下降，造成ＬＥＤ发光效率降低。
通过设计新型发光层结构，如优化量子阱结构、增加电子反射层、采用量子隧穿结构等，都有可能减少电流泄漏对发光效率的降低。
（５）脉冲工作状态下的ＬＥＤ特性ｎ９】由于正向电流会影响色彩坐标，因此ＬＥＤ白光会随着光强的变化而改变。
使色彩坐标不发生移动的调光方案叫做脉宽调制。
它能够由绝大多数可以提供使能或者关断控制的电源器件实现。
ＭＡＸｌ９１６就是这样的一款可为白光ＬＥＤ提供可调的脉冲驱动电流的芯片，ＥＮ端是可使欠压锁存器、基准源和误差放大器做ＯＮ／ＯＦＦ的端子。
通过拉低ＥＮ端电平禁止器件工作可以将流经ＬＥＤ的泄漏电流限定在１“Ａ，使发射光为零；
拉高ＥＮ端电平可以管理可控的ＬＥＤ正向电流。
如果对ＥＮ端施加脉宽调制信号，那么白光ＬＥＤ就会以某种速度作ＯＮ／ＯＦＦ，其亮度就与该信号的占空比成正比。
６
通过改变脉冲电流占空比的方法来调节白光ＬＥＤ的亮度时，由于每个脉冲周期内的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移，但是，肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。
人眼无法分辨超过２５Ｈｚ的频率，因此２００－－３００Ｈｚ的开关频率是ＰｗＭ调光的很好选择。
更高的频率也会产生问题，在用来切换ＬＥＤ开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化。
１．１．３大功率照明ＬＥＤ的国内外发展现状与趋势
１．１．３．１
大功率照明ＬＥＤ国内外发展现状Ｄ’卜１４１
对于ＬＥＤ这种将电能转化为光能的发光器件的研究很早就开始了。
第一只ＬＥＤ产品是１９６２年在ＧＥ公司做出的。
如今，ＬＥＤ照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光ＬＥＤ。
高亮度红、黄ＬＥＤ于１９９３年开始量产。
１９９５年，高亮度蓝色、绿色ＬＥＤ也相继进入量产，使ＬＥＤ的发光波长覆盖从红色到蓝色整个可见光谱范围，而且具有高达３０％的发光效率。
随之而来的白色ＬＥＤ的成功研制，更大大拓展了ＬＥＤ的应用领域，从此开始形成了一个朝
阳无限的ＬＥＤ照明产业。
我国在高亮度ＬＥＤ这一领域起步较晚，从１９９３年开始，中科院半导体所、北京大学等单位在国家８６３计划和自然科学基金的支持下，在相关领域开始了许多研究工作。
但目前在材料质量、期间指标等方面与国际先进水平还有很大差距，特别是在半导体用于照明的一些关键性产业技术上还未能攻克。
ＬＥＤ产品中技术壁垒最高的是上中游产品的生产，目前窥视这一巨大商机的厂家不少，但由于技术、资金和产业化工艺的限制，国内真正能实现规模化生产的企业屈指可数。
目前，ＬＥＤ照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光ＬＥＤ。
各国政府均大力扶持白光ＬＥＤ的发展，美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项积极推行，如日本的“２１世纪的照明计划”计划将耗费６０亿日元推行半导体照明，目标是在２００６年用白光ＬＥＤ替
代５ｏ％的传统照明；
美国的“下一代照明计划”时间是从２０００—２０１０年，计划投资５亿美
元；
欧盟的“彩虹计划”已在２０００年７月启动，通过欧共体的资助推广应用白光ＬＥＤ。
美国在ＬＥＤ照明的产业技术开发上一直处于领先地位。
由ＰｈｉｌｉｐｓＬｉｇｈｔｉｎｇ和Ａｇｉｌｅｎｔ（原ＨＰ）于１９９８年合资兴办的Ｌｕｍｉｌｅｄｓ是一家致力于功率型白光ＬＥＤ生产和封装
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