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陈兵毕业设计
大功率LED光源的驱动电源设计
摘要：
稳定可靠的驱动电源是大功率LED应用的关键。
本文设计了一款高精度原边反馈的大功率LED光源的驱动电路。
采用原边反馈模式，单级条件下实现了大功率的恒流输出、输出电流达0.3安培、效率达82%。
此外、该大功率LED驱动电路中通过采用光敏探测器对外界光强检测、结合单片机实现了不同光照强度下的LED智能调控、使其可根据外界环境自动调整LED输出光强。
该设计将可能进一步促进LED在智能照明系统中应用。
关键词：
LED光源;恒流源;智能调控
DrivingPowerDesignforHigh-powerLEDLightSource
Abstract：
StableandreliabledrivingpowersupplyisthekeytothehighpowerLEDapplication.Thispaperdesignedahigh-precisionprimarysidefeedbackofhighpowerLEDlightsourcedrivercircuit.Adopttheoriginaledgefeedbackmode,undertheconditionofsinglestagetoachievethehighpowerconstantcurrentoutput,theoutputcurrentof0.3amps,efficiencyupto82%.Inaddition,thehighpowerLEDdrivercircuitbyadoptingphotosensitivedetectorfordetectingtheoutsidelightintensityandmicrocontrolleriscombinedwiththedifferentlightintensityoftheLEDintelligentcontrol,makeitsLEDoutputlightintensitycanbeadjustedaccordingtoexternalenvironmentautomatically.ThedesignwouldbelikelytofurtherpromotetheLEDapplicationintheintelligentlightingsystem.
Keywords：
TheLEDlightsource;Constantcurrentsource;Intelligentcontrol
1.引言
在当今物质生活达到如此高水平的的时代下,我们的各种能源飞速的消耗,节约能源成为必不可少的话题。
而提高照明电器的效率是非常有效的方式。
根据2016年最新调查，各种照明用电大概占全世界用电总量的五分之一。
假如我们能够提高照明用电的电器的用电效率，那么就可以在很大程度上较少能源的消耗。
在提高照明系统（灯泡）的电能利用率这个最大的问题上，增加各种用电器的的使用寿命，进而代替家用白炽灯、灯泡、家用节能灯的新一代代照明灯具是什么？
经过我们一代又一代人的摸索，新型的LED照明系统将给我们解决这个问题。
经过我们的测试，一个标准的LED灯（功率1W）平均1W的流明数将达到120lm。
这是什么概念呢？
我们家用的40W的灯泡1W的流明大概是10lm，LED灯的平均流明数是它的十倍还多。
不仅如LED灯有更好的用户体验，其不仅亮度大而且无闪频很稳定，不比。
LED灯珠的寿命达到了10万个小时以上。
两者相比较而言LED灯更加节能。
从其他方面来说，LED灯是一种冷光源、无闪频、直流工作、低电压工作、无辐射、不含汞元素，这些性质都说明LED的种种优点。
不仅如此，LED灯具具有更好的用户体验，它不会闪频，亮度大且稳定。
不仅如此其中值得一提的是光电转化率接100％，但是由于他需要5V直流供电，那么在其电源的设计方面就可以大做文章，即提高输出功率和输入功率之比，增加电源的使用效率。
我们本文将要介绍的是一个外围元器件很少的直流恒流的电路。
如果能达到这种效果，那么LED灯珠将会更加简单，应用更加广泛。
值得一提的是我们在整个照明系统的基础上加上了一个由光敏电阻和单片机控制的智能控制开关，我们控制其在不同的外部自然光亮度下发出不同的亮度，使之更加人性化。
综合来说，这种电能利用率极高的、寿命极长的LED光源由于其优良的性质将会在未来有长足的发展。
1.1LED的研究和发展现状
大多数人看到了LED产品指数型的增长速度，但是没有看到在实际中LED所面临的问题也不乏存在。
由于国内LED发展起步比国外晚和其爆炸式的发展速度，国内的LED发展情况很混乱，并且生产的LED产品质量不是很高，更重要的是我们缺乏一个统一的标准。
以上种种都非常严重的限制了LED产品的发展，给相关的LED企业带来了一定困难。
除此之外，LED产业界目前还面临以下几个重大挑战。
就现有的研究和发展水平来讲，由于技术尚不够成熟，因此LED照明相关的应用成本还比较高，LED实际在照明市场上的占有比重还不够高，但是LED凭借其在性能上节能、环保、稳定性好等优势也必将决定其发展的优势。
总而言之，LED的发展势头不可阻挡，取代现有的照明光源是必然所趋。
当今世界，各个国家都在抢占科技的制高点，让自己国家的经济多一个绿色的动力。
LED不经能够带来巨大的经济收益，还能够减少本国的相关资源的消耗和污染。
因此大多数经济实力雄厚国家都大力发展LED及其相关产业链，并且给与相关企业很多政策上的倾斜。
在武汉和深圳这两个地方，国家都投入了很大的金钱来发展LED照明系统。
图1-1给出了2009年到2014年期间，中国在大功率LED照明领域进口额模型分析图（其中2013年和2014年为预测数据）[1].
图1-1中国大功率LED照明领域进口额
1.2大功率LED驱动电源的作用
LED照明系统中，驱动电源的作用就相当于汽车的发动机，是LED灯具的关键部位。
大功率LED光源驱动电路有大概有以下四个方面的作用。
首先，驱动电源的作用是提供恒定的电压或者电流，并且一定要是直流电。
这是因为LED灯珠不能通过交流电，这也是由其本身具有发光二极管的原因造成的。
其提供的稳定的电流或者是电压也是LED灯具能够稳定发光的关键。
否则，将会发生闪频现象，不能用带来更好的用户体验。
第二，稳定可靠的LED驱动电路，将会给整个LED组成的照明系统带来更好的光电转换率，那么我们LED灯具将会更加节能和环保；第三，LED驱动电路的种类有很多，我们为了满足实际中的各种需要可以根据其工作环境中的温度、湿度等因素合理的设计驱动电源。
第三点，如今社会，能源短缺成为这个时代不变的主题，如何提高电能的利用率，减少能源的浪费是我们必须要做的事。
高效率的驱动电源能够最大程度的减少电能的消耗和系统的整体寿命，因此一个优良的驱动电源设计方案是极为重要的事情。
第四点，LED灯珠对驱动电源的要求非常之高，其不比家用的节能灯可以直接接220V的外接电压。
因此，我们必须设计一种驱动电源使其能够向LED灯珠供电，而且还必须满足LED对其两端电压的要求。
国际市场上对LED驱动电源的效率转化，功率因素、恒流精度、电源寿命、电磁兼容等要求非常高[2].
2.大功率LED光电特性和控制方式
作为第四代照明光源，LED的问世便得到了极为迅速的发展，其不仅在家用照明也在工业照明，军用照明及我们社会生活的方方面面得到了广泛的应用。
在LED的应用中，大功率LED光源的使用占有举足轻重的地位。
那么是什么让大功率LED光源有现在的发展呢？
下面我们将对对大功率LED光源的各种性质及大功率LED光源的驱动电路的设计原则、分类做出细致的分析。
2.1大功率LED的特性
作为第四代照明光源，灯具LED在实际应用中的主要性能指标有：
亮度、色温差、抗静电力、光照强度、辐射强度、光通量和光能转化率。
下面我们就LED主要的光学特性和电学特性进行了收集和整理。
2.1.1大功率LED的光电特性
发光二极管的发光颜色和流明效率主要是由发光二极管的光谱特性决定的，主要是指发光二极管的发光的中心波长和光谱宽度。
因为发光二极管的发光是带间跃迁或带边发射的，因此它的发光中心波长λ与禁带宽度Eg（ev）之间满足下面的关系式：
2-1
式中h为普朗克常数，c为光速。
而一般在光的波长λ为400mm－760mm（可见光）的范围内，根据测试禁带宽度大约是是1.79ev－3.20ev。
不同禁带宽度材料构成的LED灯，其发光的波长也不会一样。
。
当温度慢慢的升高的时候，发光二极管的中心波长向长波侧移动，而短波侧基本不变，因此光谱宽度也会随之增加，这是载流子能量分布、晶格振动和带隙宽度等其他因素在温度的影响下相互作用的结果。
一般高亮度发光二极管发光光谱的宽度小于30nm。
2.1.2大功率LED的伏安特性
LED本质上是一发光二极管，不仅能发出光，还具有半导体整流二极管的特性。
它的伏安特性曲线分为正向特性区、反向特性区和反向击穿区，如图2-1。
图2-1LED伏安特性曲线
OA段是正向死区，VA为LED发光的最低电压（开启电压），例如红光、黄光LED的开启电压大多数为2V－2.5V。
AB段为工作区，在这一区域内，随着LED发光二极管两端电压的升高，通过其的电流也会近似的成正比例饿的增加，这样LED发光二极管的发光强度也会变大，功率也会变大。
当LED两端的电压超过这一范围内到达一定值后，流过LED灯的电流会超过其极限，从而超过其极限值，一旦出现这种情况LED灯将会烧毁。
OC段为反向击死区，当加上的电压相反的时候，就如同二极管一样，流过LED的电流将会很小。
OD段为反向击穿区。
一般情况下，在LED两端的反向电压最大不能加大于15V的电压。
一旦超过，那么LED将会由于电压过大导致反向击穿而损毁。
值得一提的是，随着温度的变化，LED的伏安特性曲线也会发生变化。
即使在使用中（恒流供电中）其电压也会随着温度的变化而变化，这也是其具有负温度系数的性质的原因。
2.1.3大功率LED的色温和光效特性
色温：
把某个黑体加热到一个温度，其发射的光的颜色与某个光源所发射的光的颜色相同时，这个黑体加热的温度称之为该光源的颜色温度，简称色温[3]。
其单位用“K”（开尔文温度单位）表示。
不同的色温下，人的感觉不一样，色温在3000K以下我们的感觉是非常温暖的；色温在3000K-5000K这个区域内我们的感觉是凉爽的感觉；当色温在5000K以上的时候我们的感觉就是冷了。
而LED的色温都在5000K以上，这就是我们为什么称LED为冷光源的原因。
的下图2-2显示了1mmX1mm的大尺寸的GaN基蓝光LED芯片和YGA，Ge黄光粉在食人鱼支架上封装的大功率白光LED的色温和光功率随着电流的变化而变化的关系。
图2-2色温和光功率随着电流的变化关系
从上图我们可以知道，当电流从0mA增加到50mA时，LED的色温大幅度的降低，从5300K迅速降到了4800K，当流过的电流超过50mA时，LED的色温基本没有什么变化，在4800左右。
而当流过LED的电流从0mA增加到200mA的时候，LED的光功率是不断增大了，接近正比例的增加,当电流达到200mA的时候LED的光功率没有明显的停滞,这说明此LED的散热性能比较好。
也就是说随着流过LED的电流的增加，LED的发光强度不断增加，但是LED得色温却不断降低最终在色温为4800K是趋于饱和。
光效[4]（lm/w）等于LED发光的光通量除以光源所消耗的功率,即每W发光的流明数。
这是照明系统是否节能关键,也是重要指标。
总的来说,很大程度上蓝光芯片决定了白光LED的电光转化效率。
不仅如此,掺荧光粉也可以改变白光LED光效。
但是这也造成了温度将给LED带来很大影响的又一个问题。
一般来说,由于荧光粉涂层受激发的不同的程度,随着光功率的增加,初期LED的色温将剧烈变化；但是当达到一定程度后,LED的色温将趋于稳定。
2.2大功率LED驱动电源设计的原则
虽然LED灯珠本身的光电转化效率非常之高,几乎到达了100%,但是由于LED灯珠本身不能接受220V交流供电,我们必须设计出5V直流供电的电源。
那么针对LED的光电特性、伏安特性等其他特性和电源效率我们将有不同的设计方案。
下面将要介绍的是我们在设计大功率LED驱动电源时的原则。
2.2.1基于大功率LED特性的设计原则
对于LED灯具来说，我们要选择一个合适的方案可以有很多种方案。
那么我们是根据什么来选择具体的方案。
对于很多LED生产厂商来说，这并不是一个简单的问题，甚至是很复杂的问题。
一般来说，我们是根据LED本身的特性（光电特性、散热要求、伏安特性、色温和光功率）来选择合适的大功率LED光源的驱动电路设计。
1：
在选择大功率LED光源的驱动设计的时候，我们首先必须要解决的问题是选择恒压驱动电路还是恒压驱动电路。
这是一个仁者见仁智者见智的问题。
对于大多数LED生产厂家来说，他们一般热衷于选择产品不容易损坏的方案。
因为这样可以大大减少LED的售后和客户投诉。
所以很多生产厂家选则恒压驱动电路，因为如果并联LED灯珠的话，一个灯珠坏了的话，其余灯珠还可以继续工作;如果串联，那么是一个LED灯珠坏了，那么这一个LED灯具就会由于断路全部熄灭。
但是这又不可避免的出现了另外一个问题，采用恒压驱动电路如果没有进行大量的实验和相关的优化，LED灯珠很有可能出线闪频的问题。
对于恒流驱动电路来说，是不是这就限制了其自身的发展了呢?
有没有什么办法解决这个问题了呢?
2：
LED是一个具有PN节结构的半导体器件，因此就有LED就具有一个开启电压。
当加在LED两端的电压超过这一值时，LED才会充分工作，从而发光。
而LED的门限电压一般是2.5V或者以上，工作的时候管压降为3-4V。
3：
LED的电流-电压特性是非线性的。
流过LED的电流和加载其两端的电压不成正比。
这不仅是受发光时温度的影响，最重要的是LED内部又一个势垒电压，驱动电源所提供的电压必须等于势垒电压加上正常LED的开启电压。
2.2.2基于电源效率的设计原则
1必须根据LED实际需要来设计和选用驱动电源。
由于LED具有和普通二极管相似的正向伏安特性曲线，当外加电压有一点点变化时，其电流将产生很大的变化，LED的发光的功率也会快速变化。
当其发光功率快速变大时，LED的发热将会非常严重，这会引起很大的内部损耗，其色温和发光稳定性也会发生很大的变化，这是LED推广的一个巨大的阻碍。
当然为了进一步的提高LED供电电源的效率，较少发热，其两端的电压也不能太高，使其值在扣除内部降压后同电流一样。
内部损耗变少之后，电流源的可靠性才能得到保证
2必须竟可能会减少外部电源的损耗，从而达到技能减排的效果，提高电源的使用效率。
因此我们在设计电源时，必须控制外围元器件的数量，采用合理的芯片从而设计出简单有效的电路。
这就要求我们应用AC-DC降压器[5]来担当电压转换功能。
2.3大功率LED驱动电路的分类
在LED的大范围应用中，我们设计了很多大功率LED的驱动电路。
但是总的来说就只有两种驱动电路恒流驱动和恒压驱动。
针对不同的需求我们将采用不同的驱动方式来对LED进行供电。
下面我们将介绍两种驱动电路的主要元器件和其重要的性质。
2.3.1恒压驱动电路
如图2-2所示，这些恒压源具有的共同特点是由工频变压器，整流滤波电路，恒压电路组成。
2-2工频变压器线稳压源电路的构成和工作原理
一般来说，变压器主要适用于电压变换，但是除了此主要功能外其还有阻抗变换、稳压、隔离电路的作用。
本电路的采用的是工频变压器也就是低频变压器，除了变换电压之外还起到了隔离和降压的作用。
家用的交流电压一般是220V，2其电压经过工频变压器的变换变成60-70V电压，然后经过整流电路的作用变成直流电。
而电路中由基准电压、串联晶体管调整器、误差放大电路、采样构成的结构主要是在直流电经过该电路流入LED用电器时，通过采样经过串联晶体管调整器的作用使其和基准电压（我们所要很定的电压）保持一致。
恒压驱动电源如果要加载多个LED灯具，其必须是并联在一。
但是由于LED灯具的差异性，在其使用时，其两端的电压会有一定的差别，可能会造成恒压源的不稳当。
总的来看，该电路的外围元器件较多，散热比较困难，质量大。
最为关键的是该电路对元器件的要求较高特别是串联晶体管调整器。
由于没有体积较大的散热设备所以该电路组成的电源体积小。
最为关键的是该电源的输出电压是由激励信号的占空比决定的，工频输入信号的电压可以通过脉冲调制来进行补偿，所以在温度升高电压不稳时，仍可以保证比较稳定的电压。
2.3.2恒流驱动电路
如图2-3所示，恒流驱动电路和恒压驱动电路所具有的共同特点是：
变压器、滤波电路。
所不同的是该电路是为了实现流入LED灯的电流基本不变。
家用220V电压首先要经过整流电路的作用才能进过高频变压器，整流电路的作用主要是为了把220V的家用电转换成高压直流电，整流电路采用的是桥式整流。
高压直流电进过高频变压器和高频滤波的作用后边为低压直流，这就得到了我们需要电流。
恒流控制电路和脉冲调制电路的作用是控制我们需要的电流保持不变。
一般来说，该驱动电源所加载的LED灯珠一般是串联，并且每个电路所能提供的LED（1W）灯珠的个数也是不同的。
但只要在这个数值内，流过LED电流只会在很小范围变化。
这就是所谓的恒流驱动电路。
该电路基本解决了大功率LED串联的亮度不稳定问题，从而保证了大功率LED照明灯发光强度的稳定问题。
并且该驱动方式也符合大功率白光LED的伏安特性曲线。
当需要有多个LED串联时我们不必多担心其受到其数量的限制，也不会产生较大的主路电流从而发生危险。
为了满足不同的要求，我们可以串联一定数量的LED灯珠即可实现我们需要的照度。
但是该电路并不能给并联LED灯珠供电，因为一旦供电，为了把保证主路电流的一致性，并联的支路的电流将会很小，不能满足LED灯的发光要求。
这两种电路相比较而言，无疑是高频恒流电压源更胜一筹。
因为无论是在电能的转换效率上还是在发光亮度的稳定性方面恒流电压源更加出色发挥LED的优点，更适合在实际照明中使用。
图2-3恒电流模式的电流构成和工作图
3.大功率LED恒流驱动电路设计
基于前面开关恒压电源和横恒流电源的分析与比较，虽然开关恒压电源在性能和效率等方面具有明显的优势。
但是其涉及到开关电源的理论知识，而我们专业只开设过基本电路设计课程，其设计制作难度不言而喻，而且开关电源的硬件成本相对来说很高。
结合自身实际出发，选择设计制作一款恒流电源作为大功率LED的驱动电源是可行性最高的。
查阅了大量大功率LED驱动电源研究设计文献，发现在恒流驱动电源的设计上大多都采用集成电源芯片加外围辅助电路的方式。
这种方式成本更低，开发难度也更小，设计出来的电源体积很小，完全是按照产品的要求去设计的。
其实大学生在做毕设的时候很多同学都只追求如何实现功能，而忽略了成本控制，这样的毕设如果从产品的角度来看是完全没有市场竞争力的。
作为即将步入社会工作的我们来说，要想做为一名合格的电子工程师，成本控制是设计成品最先就要考虑的问题。
经过仔细的对比决定采用BP3126集成电路作为大功率开关电源的核心电路，再加上外围辅助电路完成大功率LED驱动电源的设计。
3.1整体驱动电源电路的设计
在本文所设计的大功率白光LED驱动电源电路中，220V的家用交流电经过保护电路和整流滤波电路之后，进入功率因数增强电路，其中主要经过高频变压器的作用，然后输出稳定的直流，再通过以BP3126芯片[6]为核心的恒流输出电路，最终实现稳定的直流输出。
其框架图如图3-1所示。
其具体的电路图如3-1。
3-1整体结构框架图
图3-2具体电路图
3.2恒流驱动电路设计
恒流驱动电路作为目前应用最为广泛的大功率LED光源的驱动电路，必然有其独特优势和特点。
我们要应用和发展由其驱动的LED光源就必须对其性能和特点进行深入的研究。
小面我们将对整个电路进行具体的分析。
3.2.1电路的分析
本文所设计的恒流驱动电源外接230V（实验室）电压，其经过四个电容组成的桥式整流的作用后变为高压直流。
然后才输入到高频变压器中进行电压变换。
本文的高频变压器部分由高频变压器和高频滤波电路组成。
在高频变压器电路之后我们得到了低压直流电路，其经过BP3126的4号引脚后，有此芯片采集到电流，当电流经过由此为中心的芯片的电路在经过一次整流然后流入LED灯珠。
一般恒流驱动电源所需要的反馈电路都有BP3126芯片可以实现。
其采用的恒流控制方式可以得到优异的线性调整率和负载调整率。
BP3126有很多优良的特性：
1.内部集成650V功率管
2.原边反馈恒流控制，无需次级反馈电路
3.正负3%LED输出电流精度
4.芯片超低工作电流，功耗低
5.超低（33uA）启动工作电流
6.ZCD反馈电阻值高，功耗低
7.LED开路/短路保护
8.电流采样电阻开路保护
9.逐周期原边电流限流
10.芯片供电过压/欠压保护
11.ISEN采样电阻开路保护
12.过温保护功能
13.无需环路补偿
BP3126引脚图如图3-3，内部框架如图3-4。
图3-3BP3126的引脚图
BP3126内部框架如图3-4。
图3-4BP3126的内部框架图
BP3126芯片内部大致可以分为保护电路，采集电路，控制电路，反馈电路组成。
由VDD接口、基准电压、欠压保护电路、过压保护电路组成。
其主要作用是保护芯片在高低电压时停止工作，防止芯片的损坏。
由ZCD接口和ZCD采样电路及ZCD短路保护电路组成的电路构成其采集电路，其主要的作用是采集流进LED灯珠的电流和流出LED灯珠的电流，把数值反馈给其控制电路。
而控制电路主要由恒流控制、逻辑控制电路、电流检测、前沿消隐、功率管组成其主要作用是根据采集电路控制的数据控制其流过LED灯珠电流的恒定。
LED输出电流计算方法：
3-2
式中，NP是初级变压器的匝数；NS是次级变压器的匝数；IP_PK是初级侧的峰值电流。
本文的采样电路中ZCD的作用主要是采集流过LED灯珠的电流的状态来反馈给控制电路的。
同时ZCD根据其两端电压的变化还可以进行线电压补偿，补偿系数为：
3-3
式中，RZCDH是反馈网络的上分压电阻。
整个系统在工作的时候，其环路的最大占空比大概是39%。
工作频率大概在50KHZ左右。
为了保障LED灯珠工作的稳定性，使其发出稳定的光强度，我们必须给其工作的频率设置一个工作范围。
工作频率的计算式为：
3-4
式中：
LP为变压器初侧电感。
3.2.2降压模块
本电路的降压模块都是由高频变压器及高频整流模块构成的。
一般来说，变压器有两种一种是低频变压器一种是高频变压器。
低频变压器主要是由原副线圈组成的，而此降压模块则多了驱动变压器和高频滤波变压器。
3.2.3滤波模块
如图3-5所示，滤波模块由L2组成，主要起EMI滤波作用。
EMI滤波器[7]可以有效地减少电磁干扰和电磁兼容。
这将大大的减少有滤波电路产生的电磁辐射，有利于减少其退该驱动电源的电磁污染。
电磁辐射会对其他电器设备和人体造成干扰和不良影响，因此抑制电磁辐射可以增加驱动电源的绿色性。
并且减少生活中的电磁辐射污染。
图3-5滤波结构图
我们知道电容滤波的主要主要原因是因为电容的特性决定的。
当电流经过端口1和端口2
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