DCDC LED驱动电路设计毕业论文.docx
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DCDCLED驱动电路设计毕业论文
DC-DCLED驱动电路设计毕业论文
中文摘要I
英文摘要II
第一章绪论1
1.1白光LED发展的背景和意义1
1.2白光LED的发展简介2
1.3课题介绍与研究意义4
第二章用到相关知识5
2.1LED发光原理5
2.2白光LED的伏安特性5
2.3白光LED的连接方式7
2.3.1串联驱动8
2.3.2并联驱动8
2.3.3混联驱动8
2.4LED驱动现状研究8
2.4.1电阻限流电路8
2.4.2线性控制电路9
2.4.3电荷泵升压电路10
2.4.4开关变换电路11
2.5脉宽调制型（PWM）开关电源原理12
2.5.1电压控制模式13
2.5.2电流控制模式16
2.6STC89C52单片机简介18
2.6.1STC89C52单片机主要性能参数 18
2.6.2STC89C52单片机最小系统的设计19
2.6.3单片机时钟电路20
2.6.4单片机复位电路20
2.7PWM调光技术21
第三章设计总思路23
3.1设计思想23
3.2设计总框图23
第四章硬件电路设计24
4.1LED恒流驱动电路设计24
4.1.1芯片比较选取24
4.1.2PT4115芯片了解25
4.1.3设计电路28
4.2PWM调光电路设计30
4.3单片机供电电路32
4.3.1开关电源优点32
4.3.2LM2576芯片33
4.3.3电路设计34
第五章结果分析35
5.1实物35
5.2效率测定36
第六章总结36
参考文献38
致谢39
附件1全部电路原理图40
附件2PWM调光程序40
附件3外文翻译45
原文45
译文49
第一章绪论
在电光源发展的一百多年来，光源照明电器己经经历了三个重要的发展阶段，这三个阶段的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯。
现在人们普遍认为照明LED是第四代光源。
1.1白光LED发展的背景和意义
白炽灯时代即将和我们告别了。
整个20世纪，爱迪生发明的白炽灯经受住了时间的考验，成为标准的通用照明工具。
但新的照明技术－尤其是发光二极管必将最终代替白炽灯和荧光灯。
当整个世界都在因为日益上升的能源成本而节省能源预算时，白炽灯照明技术显然站在了错误的一边。
一个白炽灯消耗的能源中有97％被浪费。
荧光灯虽然稍好一些，但仍然浪费了85％的能量。
而且，这两种灯的平均使用寿命都只有大约5000个小时。
另外，荧光灯还使用了有毒的汞，发出的光更是颜色粗糙。
这两种技术都无法和白光LED相比－它不仅使用寿命是前者的10倍，也不使用有毒物质，而且几乎能发出任何颜色的光。
更重要的是，它的光转换效率绝不亚于荧光灯。
因此，在通用照明应用领域，向LED技术的过渡将大大降低能源消耗。
尽管白光LED是当今的大规模照明的一个理想方案，但若要把驱动LED的电子设备普及到每一个灯泡中，设计者还面临着不小的挑战。
主要问题是目前LED驱动电路的性能还没有实现高效率转换，其中关键的技术问题是驱动电子系统的电子能量转换效率由于离散围极大、参数难于控制，其高低和稳定性就成了整个LED实用技术与产品参数的重中之重。
其次，空间的限制要求LED驱动器必须小巧且高效。
接触过LED的人都知道：
由于LED正向伏安特性非常陡即正向动态电阻非常小，要给LED供电就比较困难。
不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。
为了稳住LED的工作电流，保证LED能正常可靠地工作，各种各样的LED驱动电路就应运而生。
白光LED的高效节能、绿色环保优点使得各个国家和地区投入了大量财力人力资源启动自己的半导体照明计划，如表1-1所示[11-12]：
表1-1各国半导体照明计划
国家/地区
立项时间
项目名称
项目预期目标
预计效益
日本
1998年
21世纪光计划
到2006年，50%的照明光源被白光LED取代
可减少1-2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗
欧洲
2000年
彩虹计划
通过欧共体的补助金推广LED的应用
应用半导体照明实现：
高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光
美国
2000年
国家半导体照明计划
到2010，年55%的荧光灯和白炽灯被白光LED取代
每年节约350亿美元电费，减少7.55亿吨二氧化碳排放量，形成500亿美元的大产业
中国
2003年
国家半导体照明工程
2006-2020年，投资50-100亿元发展半导体照明技术，形成自主知识产权，LED达到150-2001m/W，15元/klm
将建立半导体照明产业，全面进入通用照明市场，占有30%~50%的市场份额，实现节电30%以上，年照明节电1000亿千瓦时以上
1.2白光LED的发展简介
1962年，在美国通用电器公司工作的博士Holonyak用化合物半导体材料磷砷化镓（GaAsP）研制出第一批发光二极管[3]。
早期的LED只能发红、绿等单色光，且功率小，效率低，只适合于装饰灯、指示灯等应用场合。
1996年，日亚公司首先采用InGaN蓝光芯片加YAG（钇铝石榴石）黄色荧光粉的方法制成白光LED，此后白色LED得到迅速发展，人们通过各种办法获得了白光LED，开启了LED迈入照明市场的序幕。
表1-2列出了目前产生白光LED的主要方法。
从理论和技术的发展分析，白光LED的光效可以达到283lm/W。
但是早期的白光LED发光效率低，低于白炽灯和荧光灯的发光效率（白炽灯的发光效率为161m/W，40W荧光灯的发光效率601m/W，60W荧光灯的发光效率为100lm/W）。
此后由于材料、封装等技术进步，目前商业LED的发光效率水平已超过150lm/W，实验室最新成果达到208lm/W。
表1-2产生白光的LED的主要方案
芯片数
激光源
发光材料
发光原理
1
蓝色LED
InGaN/荧光粉
InGaN的蓝光与荧光粉的黄光混合成白光
蓝色LED
InGaN/荧光粉
InGaN的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光
紫外LED
InGaN/荧光粉
InGaN的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光
2
蓝色LED
InGaN
GaP
将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED
黄绿LED
3
蓝色LED
InGaN
AIInGaP
将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED
绿色LED
红色LED
3个以上
多种色光LED
InGaN
AIInGaP
GaPN
将遍布可见光区的多种色光芯片封装在一起构成白光LED
随着技术进步、亮度提升，高亮度白光LED正一步步进军潜力庞大无比的灯光照明市场。
据统计，当前全球照明市场的年均成长率约为5.5%，2000年市场规模达45亿美元。
若以每年白光LED发光效率平均成长60%的速度开发下去，要达到大型化、低价化、使用寿命长的照明用光源并非不可能。
目前Lumileds、日亚化工、丰田合成、住友电工等业者都已有较为成熟的照明产品问世，只是价格与常规灯泡相比仍有很大的差距。
预计未来，LED灯具对全球照明工业将造成巨大的冲击。
正因为此，各界都对白光LED寄以厚望，LED也享有“绿色照明光源”之称。
[11]
1.3课题介绍与研究意义
随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。
照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是19%,我国也达到12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。
LED作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源。
基于白光LED的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点，代表着照明技术的未来，并符合当前政府提出的"建设资源节约型和环境友好型社会"的要求。
可以预见不久的将来，LED必然会进入普通照明领域取代现有的照明光源。
目前，市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的灯普遍存在着低效率、高能耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害；而且部分台灯产品功能单一，缺少亮度调节，无法适应现代家庭生活的实际需求。
为解决当前问题，本文设计了以AT89C52单片机为核心的白光LED灯系统，采用PT4115大功率LED恒流驱动方案，可实现对LED台灯的PWM调光控制，在实现高效节能的同时，为家庭使用提供了极大的便捷。
第二章用到相关知识
2.1LED发光原理
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
在某些半导体材料PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
2.2白光LED的伏安特性
LED驱动电路就是能为LED的正常工作提供所需的电压和电流的电路。
要了解LED驱动电路的工作特性，就必须先了解LED的电学特性。
图2-1不同白光LED的电流—电压特性之间的差异性
图2-1所示的是不同白光LED之间，甚至是从同一产品批次中随机挑选的LED之间的正向电流电压特性的差异。
图中横坐标为通过不同LED的正向电流，纵坐标为对应的外加正向电压。
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，由于LED的发光亮度主要受其驱动电流的影响，从而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。
再如下图2-2（a）所示，为美国LumiledsLighting公司一种超高亮LED白光LED（HPWA-xH00）在常温（25℃）下，光通量Φ与其正向电流IF的关系曲线。
从该图中可以看出，LED的发光亮度与正向平均电流大小基本上成正比关系，因此可以通过控制LED的正向电流IF来控制其发光亮度。
图2-2（b）给出了该大功率LED在常温下（25℃）的I-V曲线，从图中可以看出通过控制其正向电压VF就可以控制其正向电流IF，从而控制其发光亮度。
在正向电压值小于某一值（阈值）时，电流极小，不发光。
当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，从而使LED发光。
但如果采用恒压源驱动，VF的微小变化就会引起IF的较大变化，从而会引起LED发光亮度的较大变化。
所以，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。
因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。
（b）
图2-2HPWA-xH00在常温下的光通量与IF曲线以及I-V曲线关系
2.3白光LED的连接方式
白光LED的连接方式有串联、并联、混联三种，如图2-3所示。
下文分析了各种连接方式的优缺点以及其各自的应用场合。
图2-3白光LED的连接方式
2.3.1串联驱动
串联驱动保证流过每个LED的电流相等，而LED的发光亮度和其导通电流呈正比关系，所以采用此种驱动方式可以使LED发光亮度均匀，适合对发光亮度的匹配性要求高的场合。
串联驱动的不足是其需要较高的驱动电压，所以需要升压电路将电源电压抬升或者直接的高电源电压，而高的电源电压往往要求芯片采用耐高压工艺制造，如BCD工艺。
另外，如果一个LED断开，则整个LED串就熄灭。
当采用恒定电压驱动时，如果某个LED短路，则余下的LED的正向压降会增加，致使电流增大，可能会烧毁LED灯和电路。
当然，采用恒定电流驱动时不会存在上述问题。
2.3.2并联驱动
并联驱动的优点是只需要低的电源电压就可以驱动多个LED，其要求驱动电路能提供大的驱动电流。
由前述知LED正向导通压降存在一定差异，所以并联驱动的最大不足是流过每个LED的电流不相等，致使LED的亮度不匹配。
当并联LED采用恒流驱动的方式时，如果某个LED灯断开，则会使余下LED流过的驱动电流增大，导致可能损坏所有的LED。
2.3.3混联驱动
当要驱动的LED数量很多时，若采用串联驱动，则会要求很高的电源电压;若采用并联驱动，则会要求很大的负载驱动电流，所以就出现了混联驱动。
混联驱动是串/并联两种方式的综合，适合于驱动大量LED的场合。
当然，以上分类并没有绝对的优劣之分，还要看实际的应用场合。
例如对于作为手持设备背光用的LED驱动电路，要求驱动电路的结构简单，封装较小，以实现小型化，而驱动方式上，多采用并联驱动。
对于照明用白光LED的驱动电路，要求有较大的驱动电流，较好的光匹配度，因此多采用串连驱动。
2.4LED驱动现状研究
LED恒流驱动常用方法有电阻限流、线性控制调节、电荷泵升压、开关变换器控制等。
下面对现有的各种控制方法进行简要的介绍。
2.4.1电阻限流电路
这类应用的原理图如图2-4所示，电阻限流电路控制方式是根据LED的I-V曲线来确定预期正向电流所需要的电压，过一个串联电阻来控制LED的电流。
一般根据LED参数和发光强度，可以得到LED的直流电流，从而可知LED两端的电压，限流电阻值：
（2-1）
式中：
Vin为电路的输入电压；IF为IED的正向电流；VF为LED在正向电流为IF时的压降；VD为防反二极管的压降（可选）。
图2-4电阻限流电路
这个应用方案简单易行，只需要一个限流电阻就可以控制LED的光强，但存在不少的缺点:
输入电压的微小变化都会导致LED电流的变化，从而影响光通量输出；限流电阻上会消耗大量的功率而使得整个系统效率不高；当这种调光方式在对白光LED灯进行亮度调节时，会使LED发出的白光颜色发生偏移，不利于把这种控制方式用于日常照明系统，所以这种方式多用在对光色要求不高的情况。
2.4.2线性控制电路
与电阻限流法相比，线性控制法在精度上有了很大的提高。
其基本的原理是:
线性控制是把工作于线性区的功率管等效为一个动态电阻，通过负反馈系统调节功率管的阻值大小使得流过LED的电流维持在一个恒定的值。
但是由于功率管工作在线性区，消耗了较多的功率，系统的效率不高。
线性调节器可以分为并联型和串联型两种。
图2-5并联型线性控制器和串联型线性控制器
并联型线性调节器又称为分流调节器。
它采用功率管与LED并联，分流掉负载的一部分电流。
与电阻限流电路相似，分流调节器也同样需要串联一个限流电阻Rload，如图2-5（a）所示。
当输入电压增大时，流过LED上的电流增加，反馈电压增大使得功率管Q1的动态电阻减小，流过Q1的电流将会增大，这样就增大了限流电阻Rload上的压降，从而使得LED上的电流和电压保持恒定。
分流调节器同样由于串入了限流电阻，系统的效率不高，并且在输入电压变化围比较宽的情况下很难做到恒流输出。
串联型调节器是采用功率管与LED串联，当输入电压增大时，使功率管的动态电阻增大，从而使得功率管上的压降增大，以保持LED上的电压（电流）恒定，如图2-5（b）所示。
这种控制方式与并联型线性调节器相比，由于少了串联的线性电阻，使得系统的效率较高。
但是由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此输入的最小电压必需大于功率管的饱和电压与负载电压之和，使得整个电路的电压调节围受限。
2.4.3电荷泵升压电路
电荷泵升压电路（图2-6）又称为开关电容升压控制器。
它利用分立电容将电能从输入端传送到输出端，整个电路不需要任何的电感。
电荷泵变换器设计比较简单，只需根据元件规格来挑选适合的电容。
但它的主要缺点是只能提供有限的输出电压围，大多数充电泵电路的输出电压增益为输入电压的1，3/2，或2倍。
若要驱动多个LED时，必须采用并联驱动方式。
此时为了防止并联支路上电流分配不均，每条并联支路上必须使用镇流电阻，这样会消耗大量的功率，整个系统的效率就会降低。
图2-6电荷泵升压电路
2.4.4开关变换电路
开关电源电路通过调节开关功率管的通断比可以调节输出电压的大小，理论上将功率管的损耗降低为0V。
开关电源作为能量变换中效率最高的一种方式，特别适用于大功率LED的亮度控制。
与传统的电压型Buck,Boost,Buck-Boost变换器不同的是大功率LED的驱动电路的反馈量是流过LED的电流信号而不是输出电压信号，如图2-7，以此来满足LED的恒流驱动要求。
采用Buck拓扑可以实现低于输入电源电压的输出。
这是一种定周期、定时刻导通的控制方式，通过控制LED的峰值电流来调节LED的亮度，整个控制电路结构比较简单。
采用Boost可以实现高于输入电源电压的输出幅值。
与电荷泵电路不同的是Boost理论上的升压增益可以无穷大，所以在连接多个LED方式时可以采用串联方式，保证了每个LED的发光亮度都相同，并且限流电阻也只需要一个，有效的提高了整个系统的效率，可以说是所有驱动电路中效率最高的。
不过与电荷泵升压电路相比，需要电感元件，增加了系统的成本和体积。
与传统的Buck-Boost变换器相比，用于大功率LED驱动的Buck-Boost型变换器电路是将开关管移至输入电压的负端，从而使得开关管的驱动更加简单。
通过控制LED的峰值电流及其导通占空比，来调节LED的平均电流，以达到LED亮度调节的目的。
图2-7Buck、Boost、Buck-Boost型大功率LED驱动电路
2.5脉宽调制型（PWM）开关电源原理
脉冲宽度调制方式（PWM），其开关频率恒定，通过调节导通脉冲的宽度来改变占空比，从而实现对能量向负载传递的控制，称之为“定频调宽”。
本节将介绍降压型脉宽调制型（PWM）开关电源DC/DC变换器Buck拓扑的基本结构，Buck结构的变换原理和控制方式。
开关电源DC/DC变换器从控制模式上可以分为两类，电压控制模式（VoltageControlMode）和电流控制模式（CurrentControlMode）。
下面分别介绍电压控制模式和电流控制模式的原理和特点。
2.5.1电压控制模式
取代线性变换器的开关型变换器早在20世纪60年代就开始应用。
它将快速通断的晶体管置于输入和输出之间，通过调节占空比来控制输出直流电压的平均值。
降压型的电压模式开关电源Buck变换器的原理图如图2-8所示。
其中开关器件Q1与直流输入电压VDC直接相连。
在每个周期T，Q1导通时间为Ton。
在Q1导通时，V1点电压为VDC（设Q1导通时两端的电压降为零）。
Q1关断时V1点的电压迅速下降为0V（假设续流二极管D1的两端的电压降也为零），则V1点的电压波形为矩形波，如图2-12所示，Ton时的电压为VDC，其余时间电压为零，则V1点一个周期的平均电压直流值为VDC*Ton/T。
LC滤波器接在V1和Vo之间它使输出点Vo成为幅值等于VDC*Ton/T的无尖锋无纹波的直流电压。
图2-8电压模式开关电源Buck拓扑的原理图
其逻辑关系是，当VDC上升时，则Vo上升，误差放大器输出电压Vea下降，锯齿波高于Vea的时间提前，也就是Q1导通时间Ton缩短，使得Vo=VDC*Ton/T保持不变；同理，如果VDC下降，则Q1导通时间Ton延长，最终的结果也保证Vo不变。
由此可以总结出，无论输入电压VDC如何波动，电压控制系统都会改变Q1的导通时间Ton，使得最终的输出电压维持在Vo=Vref（1+R2/R1）。
下面就详细的分析一下整个电路的工作过程和波形变化，假设输出为Vo。
图2-9Buck变换器连续工作模式下各节点波形
在每个周期开始时，电感L上的初始电流为I1，Q1由控制信号驱动后导通，二极管反偏截止，加在L上的电压的大小为VDC-Vo，由于电感两端的电压恒定，所以流过电感的电流线性上升到I2，其斜率为
。
当控制信号使Q1关断时，由于电感的电流不能突变，所以电感两端电压极性迅速颠倒，二极管导通续流，这种电压极性颠倒的现象称为电感反冲。
如果没有接二极管D1，则V1点的电位会变得很负以保持电感L上的电流方向不变，这会让Q1两端的电压差过大而损坏开关，接上二极管后，实际V1点的电压被箝位于比地低一个二极管导通压降。
电感两端的电压极性反转后，电感中的电流线性下降，其斜率为
。
Q1关断结束后，电感上的电流降低到I1。
当Q1再次导通时，D1的电流减少，Q1上的电流迅速增加并取代了二极管的D1正向电流直到D1上的电流为零，D1再次反偏，V1恢复到VDC，电感的电流开始重复前一个周期的变化过程。
在整个周期，电感的电流会有I2-I1的上下波动，输出电流Io的大小就是
。
虽然Io会根据负载的变化而变化，但是整个电感电流上升和下降的斜率却和负载无关。
以上讨论的Buck变换器的工作过程是基于稳定工作时电感上的电流在下降的过程中没有下降到0，也就是I1>0，我们称这种模式为连续工作模式，如图2-9中所示。
如果电感上的电流在下降的过程中下降至零，也就是在电感上的储能被完全释放，我们称这种工作模式为不连续模式，如图2-10所示。
图2-10不连续工作模式下的电流波形图
不连续工作模式输出电压和输入电压的关系推导如下。
在一个周期T，当Q1开启时，电流从0开始增加，则直到Q1关断时电感电流为
，Q1关断期间Toff，假设经过Tr时间（也就是二极管D1导通得时间）后电感中的能量完全释放供给负载，为保证L的电流在Q1下次导通之前已经下降到0，则
。
因电感电流上升和下降的绝对值相等，则
，化简得
。
从控制理论的角度分析，电压模式控制在整个控制电路中只有一个反馈环路，是一种单环控制系统。
电压控制型变换器是一个二阶系统，它有两个状态变量：
输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。
二阶系统是一个有条件稳定系统，只有对控制电路进行精心的设计和计算后，在满足一定的条件下，闭环系统方能稳定的动作，开关电源的电流流经电感，对电压信号有90度的相位延迟。
因此，仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号时产生振荡，从而损坏功率器件。
电压控制模式的优点是：
（1）单环反馈的设计和分析比较容易进行；
（2）锯齿波振幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余度；（3）低阻抗功率输出，对多输出电源具有较好的交互调节特性。
电压控制模式的缺点是：
（1）动态响应速度较慢；
（2）输出滤波对控制环增加了两个极点，这就需要一个零点补偿；（3）由于环路增益随输入电压而变化，使得补偿变得更加复杂化。
2.5.2电流控制模式
针对电压控制模式的缺点，最近十几年发展起来了电流控制模式技术。
电流控制模式可以分为峰值电流模式控制（PCM:
PeakCurrentMode）和平均电流模式控制（ACM:
AverageCurrentMode），ACM是在PCM的基础上发展起来的，通常情况下电流控制模式所说的就是峰值电流控制模式。
电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关电源变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和90度相位滞后，从而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。
根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统是最
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