毕业论文LED节能灯驱动电源设计.docx

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毕业论文LED节能灯驱动电源设计

毕业论文-LED节能灯驱动电源设计

毕业论文-LED节能灯驱动电源设计

摘要

本文概述了LED的发明、工作原理、LED照明应用的国内外现状，对LED的三种驱动方式：

阻容降压式驱动、恒压、恒流式开关驱动进行了较详细的讨论，并且用UC3842设计了一款LED高效率恒流PWM开关电源,UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚，UC3842是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。

该集成电路主要特点有内含欠电压锁定电路，低起动电流，稳定的内部基准电压源，大电流推挽输出，工作频率可到500kHz。

本设计采用UC3842设计一款PWM开关电源，该电源同时具有恒压﹑横流驱动的特点。

效率可达80%以上，非常适合LED照明应用，充分发挥LED的发光效率高，寿命长等特点。

关键字：

效率开关PFCPWM驱动

Abstract

Thispapersummarizestheprincipleofinvention,LEDlighting,LEDtotheapplicationsituationathomeandabroad,thethreedriversLEDresistanceandcapacitancestep-downtype:

driver,constantpressure,flowswitchdrivediscussedindetail,andthedesignofaUC3842LEDefficiencyconstant-currentPWMswitchpower,usingfixedfrequencyUC3842pulsewidthmodulationpatterns,controllableconsistsofeightfeet,LEDbycurrentUC3842isswitchpowercontrolPWMintegratedcircuits.Themainfeaturesareembeddedintegratedcircuits,lowvoltagecircuitowethelock,stableinternalstartingcurrent,voltagesourcecurrentbenchmarkpush-pulloutput,workingfrequencyto500kHz.ThisdesignUC3842aPWMswitchpower,thepowerandtheconstantpressure,transversedrivefeatures.Efficiencycanreachmorethan80%,verysuitableforLEDlightingapplications,fullofledsluminousefficiency,longlife,etc.

Keywords:

efficiencyswitchPFCPWMdrive

1引言

LED这几年发展较快，在大功率照明市场使用LED越来越变为可能，虽说还不是特别成熟，最少是广众关心的话题之一，照明未来被LED光源取代将无可置疑。

受世界经济影响，都在寻找未来的新的经济增长点，投资LED方面的资金，会越来越多，加速LED进程是必然的。

LED由于环保，寿命长，光电效率高等众多优点，近年来在各行业得以快速发展，LED的驱动电源也成了关注的热点，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应用的日益广泛，LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。

本文主要概述LED的驱动方式简介及特点，用UC3842设计一款LED驱动电源及对其进行分析。

2概述

2.1LED的发明

发明LED的是NickHolcnyakJR,LED的学理名称是正式发光二极体，是一种半导体固体发光器件，固体半导体芯片作为发光材料，透过环氧树脂封装，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛.

在业界有人称LED光源为长寿灯，意为永不熄灭的灯。

由于LED体积小、响应快、寿命长，LED灯具抗震动性好且小，可以提高汽车有限空间的利用率，尤其是在节能问题上，LED成为前照灯新光源的不二之选。

目前石油价格飞速上涨，当我们在前照灯上使用普通灯泡时，每个所需的功率为55-60瓦，而使用LED后可能只要3-5瓦，这样就节省了许多能源和消耗。

而LED灯具造型的多变不仅为前照灯的设计提供了更大的设计空间和自由度，甚至会导致汽车造型的变革，也就是可能会更具流线型、更新颖时尚。

火热的LED议题成为举世焦点，那麼最早发明LED的人又是谁呢？

很多人也许还不知道，在1962年发明LED的NickHolonyakJr.，他当时只是美国大厂通用电气公司（GeneralElectricCompany，GE，又称为奇异）的一名普通研究人员，打造出了第一颗红光LED，而且他还认为未来能够发出其他波长的光，意味着LED将有很多种不同的顏色光，未来白炙灯一定会被LED取代掉

。

2.2LED工作原理

2.2.1、LED发光机理

PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。

由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。

这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。

这就是PN结发光的原理。

2.2.2、LED发光效率

一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。

所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如组件材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。

而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。

因此，关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。

而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。

早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。

在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的，因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。

目前的方法主要是：

晶粒外型的改变——TIP结构，表面粗化技术

。

2.2.3、LED电气特性

电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。

在实际使用中，应选择。

LED正向电压随温度升高而变小，具有负温度系数。

LED消耗功率，一部分转化为光能，这是我们需要的。

剩下的就转化为热能，使结温升高。

散发的热量（功率）可表示为。

2.2.4、LED光学特性

LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+2~3A/。

LED发光亮度L与正向电流I近似成比例：

K=L/I，K为比例系数。

电流增大，发光亮度也近似增大。

另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。

2.2.5、LED热学特性

小电流下，LED温升不明显。

若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。

尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。

所以散热设计很关键。

2.2.6、LED寿命

LED的长时间工作会光衰引起老化，尤其对大功率LED来说，光衰问题更加严重。

在衡量LED的寿命时，仅仅以灯的损坏来作为LED寿命的终点是远远不够的，应该以LED的光衰减百分比来规定LED的寿命，比如35%，这样更有意义

3LED照明应用的国内外现状

3.1国内外发展现状：

半导体灯作为典型的绿色照明光源，孕育出诱人的市场前景。

LED应用市场的规模，2004年全球超过120亿美元；2010年全球将达到500亿美元，中国将达到600亿元人民币。

据中国光学光电子协会统计，国内市场将保持30%以上的成长速度。

据专门对高亮度发光二极管和氮化镓的市场调研公司StrategiesUnlimited的主管罗伯特.斯蒂尔表示，由于移动应用的需求巨增（手机，掌上电脑和数码相机）2004年全球高亮度发光二极管市场增长了37%增至37亿美元。

斯蒂尔表示，高亮度发光二极管在移动领域的应用的收入为21.5亿美元，占了58%的市场，比2003年增长了7个百分点。

不过它在标志、信号以及汽车等领域会稳健增长，会占有13%的市场。

至于产品细分，斯蒂尔就表示，白光发光二极管占需求的50%，而蓝/绿光发光二极管就占29%。

以生产地区来分，45%的高亮度发光二极管来自台湾，韩国和中国的制造商，而25%是由美国生产。

另外，白光发光二极管在手持应用的全色彩显示背光的渗透率已经达到75%。

随着移动应用趋于饱和，高亮度发光二极管的增长速度在未来几年会放缓。

因此，斯蒂尔建议那些发光二极管的制造商应该集中在其它应用领域比如说汽车照明领域，更大的LCD背光和交通信号灯领域的应用上.

科技部建议，在将半导体照明产业纳入国家重点发展的高新技术产业的同时，以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明中的应用。

国家计划先从863计划和攻关计划中拿出8000元作为引导经费，安排一些急需上马的项目。

2003年3月，随着大连方大集团“大功率高亮度半导体芯片”等我国“十五”科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目的正式立项，国家半导体照明工程已进入实质性推进阶段。

2003年6月17日，“国家半导体照明工程”协调领导小组召开了第一次电视电话会议。

这一会议的举行，表明“国家半导体照明工程”正式启动。

2004年3月22日协调领导小组又同中国照明协会中国照明电器协会联合主办了“2004年中国（上海）国际半导体照明论坛”。

接着又批准建立上海、厦门、大连、南昌四个半导体照明基地。

去年4月，国家科技部确定厦门、上海、大连和南昌为首批4个国家半导体照明产业基地，今年4月深圳又成为第5个国家半导体照明产业基地。

2004年深圳LED产值已超过50亿元，有些企业的产值也达到10亿元，分布在上中下游产业链上的企业有300多家。

到2004年全国已有LED各类企业约3500余家，从业人员50余万人，LED器件产量400亿只/年以上（LED应用产品的产量与规模则无法统计），年市场规模大于300亿人民币。

国内近年许多高校、研究所和企业在发光材料器件结构封装方式等方面做了大量的研究开发工作，目前功率LED器件光通量已能达到25－30lm/瓦。

内地众多后道封装企业中，国内较有基础的有佛山光电、宁波升谱光电、厦门华联等企业。

台湾LED封装产能在迅速的膨胀已成为世界上最大的LED生产基地，目前主要有光宝、亿光、百鸿等企业。

据有关资料，我国针对国外发展趋势和国内的实际情况，去年正式实施了国家半导体照明工程，政策鼓励企业研究开发半导体照明工程，尽快实现产业化，推动传统照明工程转型。

3.2全球LED产业现状与发展趋势

目前，全球有近200家公司和300多所大学以及研究机构从事氮化镓基LED的材料生长、器件制作工艺和相关装备制造的研究和开发工作，居于领先水平的公司主要有日本的Nichia、ToyotaGosei、索尼、三洋、美国的CreeLumileds，欧洲的Osram、菲利普、中国台湾的芯片厂家主要有国联、晶元、光磊、广镓、灿元、连威等，封装方面主要有亿光电子、鼎元光电、佰鸿工业等。

这些跨国大公司多有原创性的专利，引领技术潮流，占有绝大多数的市场份额，其中日本的日亚公司是全世界研究和生产LED的"顶尖"单位，十余年来其氮化镓基LED的研究和开发水平一直领先其它单位2-3年。

日亚公司在生产白色LED的荧光粉材料方面拥有多项专利，在InGaN白色LED芯片供应上一直占统治地位，但专利技术一直控制在内部使用。

Lumileds公司也已开发出最大发光功率达120lm的白光LED，美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出效率为200lm/W的白光LED。

面对半导体照明将要形成的巨大市场，世界上各半导体公司和照明公司纷纷投入巨资进军半导体照明市场，美国自2000年起投资5亿美元实施"国家半导体照明计划"。

美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体照明所替代，目前，世界上掌握半导体照明技术的半导体公司，都已经纷纷和老牌灯泡制造商结盟，如美国HP联合了日本Nichia和德国西门子，美国Cree、西门子和德国欧斯郎联合，美国EMCORE和GE联合，日本的东芝和本田联合等，其中欧斯郎和GE公司都是世界著名的灯泡制造巨商，通用电气、飞利浦、欧斯郎等世界三大照明巨头，全都启动大规模商用开发计划，与半导体公司合作或并购，成立半导体照明企业，他们还指出，要在2010年前使半导体灯的发光效率再提高8倍，价格降低到现在的1%。

3.3国内外LED产业发展现状与态势呈现出的特点

全球产业格局呈现垄断局面，主要集中于日本与台湾地区半导体照明产业已形成以亚洲、美国、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。

全球LED产业主要分布在日本、台湾两大地区，其中日本20052F的LED产值达287亿美元，占据全球LED产值近50％，台湾（包括台湾岛内及大陆分厂生产）LED产值2{305年达12亿美元，约占全球LED产值的21％列第二。

国际大厂引领产业发展，利用技术优势占据高附加值产品的生产日本NIchIa、Toyod{aG0sel，美国Cree、Lumlleds、GelC0re、欧卅i0rsam等国际厂商代表了LED的最高水平，引领着半导体照明产品产业的发展。

日本和美国两大区域的企业利用其在新产品和新技术领域中的创新优势，主要从事最高附加价值产品的生产。

其中日本几乎垄断全球高端蓝、绿光LED市场，为全球封装产量第二大、产值第一大的生产地区。

产业投资继续加大，国际知名厂商间合作步伐加快，以占据有利市场地位随着市场的快速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产加快抢占市场份额。

日本Nlcha、T0vodaG0sel，美国Cree、-umJ1eds等国际著名半导体照明厂两均加大了投资力度。

随着LED产业分工与竞争的加剧，国际大厂间的参股投资、代加工、代理销售、专利交互授权、策略联盟等合作步伐正日益加快。

如日本住友电工成为美国cree在日本的销售总代理、cree和0sram签署长期供货协议，种种迹象表明国际厂商的合作步伐正在加快，以策略联盟共同占据有利市场地位。

我国已成为重要封装基地，海内外企业纷纷投资抢占国内巨大市场自2003年买行半导体照明工程以来，我国LED产业已进八快速发展时期，我国下游封装已实现了大批量生产，正在成为世界重要的中低端LED封装基地。

受国内下游应用产品巨大的制造能力及市场消费的吸引，除积极介入的民营资本外，台湾地区、香港、韩国及日本的众多投资者都已在我国投资，在提高我国的半导体照明产业技术水平和产业国际竞争力同时，也加剧了国闪市场的抢夺大战。

行业发展关键驱动因素：

（1）新兴市场不断形成，持续推动产业规模增长随着LED发光效率与性能的持续提升与改善，LED已从指示灯、手机背光、显示屏、交通信号灯等成熟应用领域，正逐步向中大尺寸LCD背光、汽车、照明等新兴应用市场渗透应用。

从市场发展情况看，中大尺寸液晶背光和汽车灯用LED正在成为增长最快的应用市场，预计未来几年高亮LED的市场仍将以14％的速度增长，2009年高亮度LED市场将达到72亿美元。

（2）技术创新步伐明显加快，推动L印熙明实用化进程面对巨大的市场机会，世界主要公司的新技术不断取得突破性进展，半导体照明技术创新的步伐正在不断加快。

日本Nchla继2006年6月推出100m／w@20mA的白光LED产品后，2006年12月又开发出了150m／w的实验室内照明灯用白光LED20062}7月Cree开发出了发光效率达131m／w@20mA的白光LED，2007年初LumIIeds成功开发出了发光效率达115m／w@350mA，光通量为136Jm的大功率白光LED。

可以说，白光LED进入普通照明领域的曙光已经显现。

（3）联合制定检测与安全标准，规范与促进照明市场发展美日等LED发达国家已广泛联合业界相关机构与厂而，共同协商制定白光LED照明技术标准。

检测标准与安全认证的制定出台，将为LED的消费使用保驾护航。

如2006~E8月美国能源部和北美照明工程（IESNA）联合制定固态照明技术的产业规则和标准，这些规则将是把固态照明产业带入“能源之星”计划的基础之一。

“能源之星”标准计划有助于消费者认清市场上LED照明产品的能源效率和高性能，从而促进LED照明产品的采购使用。

（4）传统照明巨头主动出击，垂直整合加速形成L印照明体系传统照明巨头Ph…ps、Osram、GE等纷纷看好LED照明发展前景，均已通过外部收购或内部培植组建LED照明业务公司，并已形成LED与照明技术的垂直整合的优势体系。

随着LED产业的在照明领域的快速发展，传统照明巨头也希望通过引八新光源的设计而使照明产品更富创新性。

因此，LED照明和传统照明两个领域正逐步合二为一，加速形成一种新的照明商业模式，这非常有利于LED照明的迅速推广使用.

4LED的驱动方式简介及特点

4.1阻容降压式原理及电路

将交流市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，当受体积和成本等因素的限制时，最简单实用的方法就是采用电压式降压电源

。

电容降压的工作原理并不复杂。

他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。

此电路的优点是：

电路简单，便宜，缺点是：

效率低，是非隔离式，安全性差，稳定性差。

4.1.1电路原理

电容降压式简易电源的基本电路如图4.1，C1为降压电容器，D2为半波整流二极管，D1在市电的负半周时给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。

在实际应用时常常采用的是图4.2的所示的电路。

当需要向负载提供较大的电流时，可采用图4.3所示的桥式整流电路。

图4.1

图4.2

图4.3

4.1.2设计原则

1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。

因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io，实际上是流过C1的充放电电流Ic。

C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。

当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。

2.为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。

3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷

。

4.1.3设计举例

图4.2中，已知C1为0.33μF，交流输入为220V/50Hz，求电路能供给负载的最大电流。

C1在电路中的容抗Xc为：

Xc=1/（2πfC）=1/（2*3.14*50*0.33*10-6）=9.65K

流过电容器C1的充电电流（Ic）为：

Ic=U/Xc=220/9.65=22mA。

通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：

C=14.5I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。

电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电。

4.2开关式

4.2.1、开关式稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。

因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

    调宽式开关稳压电源的基本原理可参见图4.4

。

图4.4

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。

直流平均电压Ｕ。

可由公式计算，

   即Uo=Um×T1/T

  式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。

从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。

这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

4.2.2、开关式稳压电源的原理电路

图4.5

开关式稳压电源的基本电路框图如上图4.5

所示

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

    控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。

这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。

控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

4.2.3开关电源的种类

一、单端反激式开关电源

     单端反激式开关电源的典型电路如图4.6所示。

电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。

所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。

当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。

图4.6

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。

唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

    单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－200kHz之间。

二、单端正激式开关电源

    单端正激式开关电源的典型电路如图4.7所示。

这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。

当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

图4.7

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。

为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50％。

由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200Ｗ的功率。

电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

三、自激式开关稳压电源

    自激