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LED驱动电路设计
摘要
随着信息时代高新技术的飞速发展，人们对及时获取并显示各类信息的愿望日益强烈，由此带动了信息传媒的飞速发展，发光二极管（LED）显示屏就是信息显示的重要传媒之一。
LED显示技术是将光电、计算机及控制等技术综合一体的现代新技术。
由于它在工业、农业、医药和城市照明方面应用很广泛，因此对其驱动电路的设计显得尤为重要。
本文详细的分析了LED的驱动方式，给出了LED显示控制系统具体的设计方案。
整个系统分文电源设计部分和时间控制部分。
电源部分采用5V直流稳压电源，电源设计采用了变压、滤波、稳压、整流这4个部分。
每个部分都有不同的选择，选择不同的电路达到的目的和效果也和不同，因此本文通过仿真和实际详细分析了每个部分的功能和为什么选择这种连接方式。
时间控制部分主要采用了555定时器，因为其灵活、功能强大、价格便宜受到很多人的喜欢。
根据外围电路的不同连接可组成单稳态触发，多稳态触发和多谐振荡三种方式。
本次设计主要采用多稳态触发方式达到定时的目的，定时部分采用二极管的亮灭来显示。
总体实现一个定时系统，该系统可以控制LED亮灭时间。
关键词：
LED，电源，时间控制，定时，发光二极管显示
Abstract
Withtherapiddevelopmentofhigh-techinformationage,peoplehavedesireinacquiringanddisplayingalltypesofinformationtimelystrong,thusdrivingtherapiddevelopmentofinformationmedia,light-emittingdiode（LED）displayisoneoftheimportantdisplayinformationmedia.LEDdisplaytechnologyisintegratedoptical-electronic,computerandcontroltechnologiesasamoderntechnology.Asitsapplicationsisverywideinindustry,agriculture,medicine,andurbanlighting.Sothedesignofitsdrivingcircuitisveryimportant.
ThispaperanalysesLEDdrivingmodedetailed,givethespecialdesignschemeinLEDdisplaycontrolsystem.Thewholesystemisdividedinpowerdesignsectionandtimecontrolsection.Partoftheoverallsystempowersupplydesigndimeandtimecontrolsection.
Thepowersectionadopt5VDCregulatedpowersupplyandpowerdesignismadeoffourpartsuchastransforming,filtering,voltageregulatingand commutation.Everyparthasdifferentchoiceanddifferentchoiceincircuitgetdifferentobjectandeffect.Sothispaperanalysesdetailedinfunctionwitheverypartandthereasonofchoosingthislinkmodethroughcircuitsimulationandactul.
The555timeristhemainpartoftimecontrol,Owetoitsflexible,powerful,inexpensivethatmanypeoplelike.Accordingtothevariousperipheralcircuitsconnectedtothemonostabletriggercomponent,multi-triggerandmulti-harmonicsteady-stateoscillationinthreeways.Thisdesignismainadoptmulti-steadytriggertogetthepurposeoftiming,thepartoftimingadoptLEDbrightornottodisplay.
ThewholedesigngettherealizationofantimingsystemandthissystemcancontrolthetimeforLEDbrightornot.
Keywords:
LED,powersupply,timecontrol,timing,LEDdisplay
1绪论
1.1引言
如今全世界对LED研究已经很成熟了，为什么科学家发明了LED这种光源呢？
LED相比于热光源有很多优点：
体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、坚固耐用、多变幻、高新尖。
在城市工业中，城市夜景照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，小功率的LED产品应该能够找到他的用武之地。
LED发光角度小，方向性强，可作局部重点照明。
问题是要给设计师提供有足够大的选择范围，外观上也应有美观的要求。
可以肯定地说，LED将会在未来引领照明的时尚与新潮。
在设施农业中,通常所采用的人工光源是荧光灯与高压钠灯。
近年来，随着光电技术的发展,发光二极管（LED）的亮度与效率也大幅度提高,使得这种光源在设施农业生产中的应用变为可行，尤其对封闭可调控的设施农业环境（如植物工厂，组织培养室、植物生长箱等）是一种非常合适的人工光源.为此,主要介绍了LED在设施农业中的应用及发展趋势[1]。
市景观照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，LED产品应该能够找到它的用武之地。
发光角度小的LED方向性强，可作局部重点照明；在封装材料中添入散射剂可以实现175度的发光角适合较大范围内的照明，问题是目前城市夜景照明中建设单位过于追求高亮度难以给设计师提供足够大的选择范围，目前在城市夜景照明工程中常用的LED光源主要有：
线性发光灯具、装饰草坪灯、景观灯、球泡、水下灯、地面灯具：
地埋灯、发光地砖、石灯、利用太阳能电池作为能源的LED灯具[2]。
国际上LED的医学应用研究工作从20世纪90年代开始，1993年美国太空总署（NASA）首先提出LED生物医学应用研究。
其研究内容包括：
利用LED照射舒缓宇航员运动疲劳、处理伤口，用于肿瘤的光动力治疗和消除皮肤炎症、溃疡，促进创伤愈合以及面部嫩肤、除皱、除斑，治疗座疮等等。
相继推出LED医疗应用成果的还有以色列和英国。
通过大量临床实践，各国生物医学界专家一致认为LED医疗器械是目前最能替代He-Ne激光器进行光疗的器械，在医学应用领域有着极其广泛的开发前景[3]。
故LED电路的设计显得尤为重要，没有驱动LED永远发不了光。
每个厂家所用LED都是一样的，不同之处在于驱动电路的不同，好的驱动电路能使其工作时间更长，发挥更多的作用，节约更多的能源，LED相比于普通的白炽灯所用电量更少，但能发出同样的光芒，使用年限也更长，正因为有各种高性能高质量的电路使得LED能发挥其历史性的作用，来为我们照福，为国家照福，为人类照福。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1国外LED电路发展现状
半导体照明技术的开发研究引起了全球研究机构和企业的重视。
国外共有近200家公司参与GaN器件、材料和设备的开发，近300所大学和研究所参与GaN的研发。
目前，功率型白光LED光视效能（发光效率）已经达到100lm/W，研究水平达到160lm/W。
经过技术发展和市场竞争，世界主要LED厂商已经形成各自的技术特色。
日本日亚化学处于全球技术领先水平，垄断高端白色、蓝、绿色LED的市场，丰田合成在白光LED及车灯照明技术开发据国际前端；美国Cree的碳化硅衬底生长GaN外延片国际领先，传统照明巨头Philips绝对控股的美国Lumileds功率型白光LED国际领先；传统照明巨头Osram欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型LED封装和车用LED灯具开发国际领先[4]。
1.2.2国内LED电路发展现状
国内的外延片生长技术主要源于美国、基本上是进口美国的有机金属化学气相沉淀（MOCVD）装备，这些装备在美国就不是一流的装备，在整个LED产业外延片的生长、芯片、芯片封装3个环节中，外延片生长投资要占到70%，外延片成本要占到封装成成品的70%，同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏，简单的说，外延片的水平决定了整个LED产业水平，国内近几年也陆续引进了50多台MOCVD装备，均处理大生产工艺摸索阶段，一旦工艺成熟，则会上10倍地增大装备数量形成规模生产，市场需求巨大。
国家“863”计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相外延炉和MOCVD设备的研发（中科院半导体所、中电科技集团公司第四十八所），通过整机消化吸收，关键技术再创新等措施，填补了国内空白，使长期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。
随着国家照明工程的起步，国内LED芯片设备的巨大需求再次引起了国外半导体设备生产商的积极响应，他们日益重视中国这个巨大的市场，但是，这里面也存在着一个隐忧，国外芯片设备高昂的价格，相对制约了国内企业的规模化、产业化发展，也消耗了国家大量宝贵的外汇。
同样也挤占了国内设备生产商的发展空间。
1.3本文研究的内容
论文在查阅了大量有关文献的基础上，详细的分析了LED光源特性和LED的驱动方式，给出了LED显示控制系统具体的设计方案。
整个系统分为电源部分和时间控制部分。
1.3.1LED光源特性
了解LED光源特性及种类，不同种类LED应用于不同的场合。
因为其发光效率高、耗电少、使用寿命长、安全可靠性强、环保。
所以在恶劣的场合应使用寿命长、精度要求不需太高的LED发光管。
在实验室或者精密测量的场合应使用精度高、电气特性好的LED发光管。
同时按照材料的不同LED的种类也很多，有单管、七段数码管、LED显示屏等等。
可根据不同的要求选用不同的LED。
1.3.2LED驱动方式
了解LED的四种驱动方式直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动。
并知道每种方式应用于什么场合。
1.3.3LED电源部分
电源部分采用5V直流稳压电源。
由于该电源主要由变压、滤波、稳压、整流这4部分组成。
所以本文电源部分主要从这4部分入手，每部分都有不同的选择，主要通过仿真观看波形来最终选择合适的电路。
选择该电源的主要原因是简单而且很实用，毕竟提供LED发光不需要太高的电压和电流，而且这次设计所用的是单管LED，因此对电源的要求很低。
1.3.4时间控制部分
时间控制部分主要采用555定时器。
该芯片比较器灵敏度高、输出驱动电流大、功能灵活，因此在电子电路中获得广泛应用。
555时基电路可用作：
脉冲发生器、方波发生器、单稳态多谐振荡器、双稳态多谐振荡器、自由振荡器、内振荡器、定时电路、延时电路、脉冲调制电路、仪器仪表的各种控制电路。
在本次设计中仅用到其定时的功能，来控制LED发光管的亮灭时间。
该定时电路在日常生活中很常见，如电饭煲、空调等家用电器需要定时开关的。
所以非常实用。
第二章LED控制电路总体方案
2.1LED光电特性
2.1.1LED器件的发光原理
发光二极管，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流通过它的时候，产生可视的光。
当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，LED显示屏接口电路设计相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在注入和复合中产生辐射而发光。
利用这个特性来实现发光[8]。
如图2-1所示。
通过电流的表达式见（2-1）式：
（2-1）
其中V代表二级管两端的电压，R代表限流电阻，I代表通过的电流。
2.1.2LED光源特点
（1）电压：
LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
（2）效能：
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
（3）适用性：
很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
（4）稳定性：
10万小时，光衰为初始的50%。
（5）响应时间：
其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
（6）对环境污染：
无有害金属汞。
（7）颜色：
改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。
如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。
（8）价格：
LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。
2.1.3LED的分类
我们所说的LED知识一个概括的名词，其实随着LED在60年代进出商业后，经过几十年的发展已经发展了很多很多种类，其主流的大类有[5]：
（1）LED（Lightemittingdiode）
我们有叫它LAMPLED产品的、有叫它P2产品的、也有叫它插件LED的，不管怎么样只要是直插式的都归与一种。
而LED种类里面还有很多种类：
1）按胶体形状分：
3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、方形、椭圆形、墓碑形、还有一些特殊形状等等。
2）按胶体颜色分：
无色透明、有色透明、有色散射、无色散射等。
3）按颜色分：
红色（red）、橙色（orange）、黄色（yellow）、黄绿色（greenyellow）、绿色（green）、蓝绿色（bluegreen）、蓝色（blue）、紫色（pink）、紫外线（uv）、白色（white）、红外线等等。
（2）SMD（Sufacemountdevice）
表面贴装二极管或表面贴装元器件都是他的叫法，这个里面也有多中类别：
1）按形状大小分：
0603、0805、1210、5060、1010等等，一般smd都是菱形的，所以其叫法都是根据长*宽的尺寸来叫，行业善用的都是英寸，不是毫米，也有用毫米叫的，不如1608（1.6*0.8mm）等。
2）发光颜色和胶体的种类和LED产品一样，只是产品的形状发生了很大的变化。
（3）食人鱼（Fluxled）
这个是因LED的发光效率不能满足汽车使用其要求，所以就开发了这个产品，是小功率产品，其驱动电流一般在50MA、一般LED用的20MA，最高电流可以达到70mA，就是因为其散热比较好，一般用在汽车后尾灯。
他的分类也是按胶体形状不同分的：
3mm、5mm平头的，还有，还有根据顶部的珠子不同满足不同客户角度的要求等等。
你像30、50、70、120度等等。
（4）大功率（powerled）
这个大家应该都比较熟悉了，现在是这个行业炒的最热火的。
都争先恐后的还取代现有照明的产品。
不知道的看看图片是什么样子的：
1）按功率分：
1w、3w、5w、等等。
2）按顶部发光透镜分:
平头、聚光、酒杯形状等。
3）按工艺还有铝基板的和防luminous的。
（5）数码管（Display）
这个大家是最早用在来做显示屏和数码显示用的。
1）按外形分：
1位、2位、3位、4位等等。
2）表面颜色：
灰面黑胶的、也有黑面白胶的等等。
3）极性：
共阴、共阳。
4）颜色也和LED一样可以做很多种类。
（6）点阵（LEDDotMatrix）
从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件加正向电压时流过器件的正向电流使其发光。
因此LED的驱动就是要使它的PN结处于正偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。
具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，本论文LED器件的驱动方式为直流驱动方式【6】。
2.2LED的驱动方式
2.2.1直流驱动
直流驱动是最简单的驱动方法，由滑阻R2与发光二极管LED串联以后连接到电源Vcc上，R1为限流电阻。
如图2-2所示：
图2-2LED的直流驱动
连接时令LED的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向。
只要保证LED处于正偏置，发光二极管与电阻的位置是可以互换的。
直流驱动时，LED的工作点由电源电压k、串联电阻R和LED器件的伏特性共同决定。
对应于工作点的电压电流分别为vf和I，。
改变R2的值，可以调解I的值，从而调节LED的发光强度。
如图2-3所示:
图2-3LED特性曲线
直流驱动方式适合于LED器件比较少、发光强度恒定的情况，例如目前有的公交车上用于固定显示“XX”字样的显示器上，就可以用这种驱动方式。
一方面它显示的字数很少，另一方面它的显示内容固定不变。
因此只要在需要显示字样的笔画上排列LED发光灯就可以了。
这样一块屏上大约有100只管子。
采用直流驱动可以简化电路，降低造价。
2.2.2恒流驱动
由于LED器件的正向特性比较陡，加上器件的分散性，使得在同样电影电压和同样的限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，引起发光强度的差异。
如果能够对LED正向电流直接进行驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近（同样存在着法光强度与正向电流之间各个器件的分散性，但是这种分散性没有伏安特性那么陡，所以影响也就小得多）。
晶体管输出特性具有恒流性质。
如图2-4所示。
图2-4LED恒流驱动
2.2.3脉冲驱动
脉冲驱动方式主要利用人眼视觉暂留现象驱动LED发光，利用该方式驱动LED可以通过改变驱动频率从而达到改变LED发光时间以及亮度。
2.2.4扫描驱动
扫描驱动通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。
如图2-5所示。
图2-5LED扫描驱动
LED显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。
在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制：
也可以按列扫描，按行控制。
扫描就是指依次循环接通整行的LED器件，某一列的LED器件是否应该点亮，由列控制电路来负责。
依据上述分析，本文由于控制一个发光二极管，故只用直流驱动，既简单又实用，所用元器件少。
也可以用滑动变阻器代替定值电阻来调节LED的亮度。
2.3电源的设计方案
2.3.1开关电源
开关电源主要采用开关式稳压电路，电路中的调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。
由于管子饱和导通时管压降和截止时管子的电流都很小，管耗主要发生在状态开于关的状态转换过程中，电源效率可提高到75%～95%。
由于省去了电源变变压器和调整管的散热装置，所以其体积小、重量轻。
它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子装备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件要求较高。
但由于工艺已经成熟，而优点又突出，已成为宇航、计算机、通信、家用电器和功率较大的电子设备中电源的主流，应用日趋广泛【7】。
2.3.2线性电源
线性电源主要采用串联反馈式稳压电路，由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗先当大，电源效率较低，一般为40%～60%，有时还要配备庞大的散热装置。
但其电路结构简单，输出电压中所含纹波较小，所以广泛应用于小信号、小功率电路中。
2.3.3比较与选取
从上面对两种电源的分析并结合本次设计的要求，决定选用线性电源。
理由如下：
（1）输出电压方面
开关电源输出电压纹波较大，线性电源较小。
而本次设计是对LED和555提供电源，这些小型的器件对电压的稳定性要求较高，故选择线性电源。
（2）电路整体方面
开关电源整体电路复杂，对元器件要求高，线性电源则相反。
根据本次设计属于简单的定时电路。
电路相对简单，故选取线性电源。
（3）电源转换效率方面
开关电源转换效率高，功耗小，线性电源转换效率低，功耗高。
但是由于LED的特性可知，其需要的电流很低，所以也不需要大功率的电源，线性电源足以。
所以综上所述，选择线性电源。
在设计过程中困难在于变压、整流、滤波、稳压这4个部分的选取和链接以及完成后对电路的仿真。
2.4时间控制的设计方案
2.4.1用555定时器组成的施密特触发器
其功能主要是将输入任何波形转变为矩形波，由正、负阈值电压决定高低电平。
可用于滤波电路，滤除噪声等等干扰。
2.4.2用555定时器组成的单稳态触发器
其功能是用作失落脉冲检测，或对电机转速或人体的心律进行监视，如果转速不稳或人体的心律不齐时，输出低电平可用作报警信号。
如果将单稳态电路的电压控制端加入一个变化的电压，当控制电压升高时，电路的阈值电压升高，输出的脉冲宽度随之增加；而当控制电压降低时，电路的阈值电压也降低，单稳的输出脉宽则随之减小。
如果加入的控制电压是三角波，则在单稳的输出端便可得到一串随控制电压变化的脉宽调制波形。
可用该电路作为定时电路【8】。
2.4.3用555定时器组成的多谐振荡器
其功能是产生多谐振荡，每隔一段时间就有电平触发，其占空比是根据外围RC元件的参数决定的，时间主要由电容的冲放电时间决定。
因此改变RC的参数就可以改变触发时间。
如果将电阻用滑动变阻器代替，则可实现频率可调的驱动电路。
综上所述，结合本次设计要求应当选择555定时器组成的多谐振荡器和单稳态触发器。
其优点在于比较器的灵敏度高、输出驱动电流大、功能活，在电子电路中获得广泛应用。
但是选择该电路存在一个问题，就是定时时间不能太长，而且时间精度不高。
不适于那些精密仪器的定时。
当然，可以将做好后的电路通过精密的仪器测量其定时时间，也就是测量其触发电平时间间隔。
也可以用示波器观看输出波形来计算时间。
第三章LED控制电路设计
2.2系统的功能
系统的总体结构如图3-1所示，在该系统中以5V直流稳压电源为各器件提供电源，采用555定时器定时功能和波形产生功能驱动LED发光。
该系统可控制LED发光时间及频率，达到定时预报的功能。
图3-1系统总体结构图
2.3LED驱动设计
3.2.1LED脉冲驱动
脉冲驱动方式，采用向LED器件重复通断供电的方法使之点燃．就是利用人眼的视觉暂留特性，采用这种方式时应该注意两个问题：
脉冲电流幅值的确定和重复颇率的选择。
首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度的话，脉冲驱动电流的平均值Ia就应该与直流驱动的电流值相同。
如图3-2所示，平均电流Ia是瞬时电流i的时间积分，对于矩形波来说，其表达式如（3-1）式所示：
（3-1）
其中Ia代表买中电流的平均值。
图3-2LED的脉冲驱动
脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大。
其次是脉冲重复频率的问题，通过视觉暂留特性的分析，己经知道脉冲重复频率必须高于24Hz，否则会产生闪烁现象。
脉冲驱动的主要应用有两个方面扫描驱动和占空比驱动。
3.3电源的设计
线性电源（5V直流稳压电源）由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。
其流程图如图3-3所示：
图3-35V直流稳压电源流程图
3.3.1电源变压器
图3-4所示是一种简单
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