毕业设计(论文)-led照明系统工作原理及电路设计[管理资料]

天津电子信息职业技术学院

毕业设计

课题名称LED照明驱动电路设计

姓名

学号8

班级通信S09-1

专业通信技术

所在系电子技术系

指导教师

完成日期

天津电子信息职业技术学院

毕业设计（论文）任务书课题名称：LED照明驱动电路设计

完成期限：2011年10月31日至2011年12月5日

姓名指导教师

专业通信技术职称副教授所在系电子技术系主任

接受任务日期批准日期

天津电子信息职业技术学院页号（1）

毕业设计（论文）进度计划表

毕业设计（论文）开题报告

毕业设计（论文）

LED照明驱动电路设计

摘要

发光二极管（Light Emitting Diode,LED）是21世纪最具发展前景的一种新型固态光源。LED的迅速发展及广泛应用，将引发照明领域的一场革命。 LED具有环保性好，使用寿命长，单色性好，色彩鲜艳丰富，体积小，重量轻，响应速度快，发光效率高，能量消耗低等优点。

目前，LED在景观照明等一些应用中大多利用交流市电电源供电。LED的发展和应用的目标是取代白炽灯等传统光源，LED应用照明领域的能源仍然主要来自于电网。我国的市电电源是220V/50HZ,国际通用交流线路为85~265V,50/60HZ。由于LED要求在直流低电压下工作，采用市电电源供电，则需要通过适当的电路拓扑，也就是LED驱动电路将其转换为符合LED工作要求的直流电源。

现在设计驱动电路的一般思路是先将220V的高压电通过一个变压器，使其变成低电压的交流电。在通过一个桥式整流电路，把交流电转换成直流电。在整流桥后并上两电容，一个是平滑电容，滤除剩余的交流电，一个是高频旁路电容，滤除高频分量。这样就留下所需的低压直流电。后面可根据设计的需要，连上不同的芯片，实现所需要的功能。如恒压，恒流，反馈，温度补偿等。

关键词：发光二级管；照明；直流电；低电压；驱动电路

目录

绪论 (1)

一、LED发展前景及应用 (1)

(1)

(2)

（1）信号指示应用 (2)

（2）显示应用: (2)

（3）照明应用: (2)

二、LED的发光原理，基本结构及特性3

(3)

(3)

(5)

(7)

(7)

(8)

7．极限参数的意义 (8)

三、常用的LED驱动电路 (9)

(9)

(10)

(12)

⑴引脚功能描述 (14)

⑵电路原理描述 (15)

(15)

(16)

四、LED照明应用 (16)

(16)

(17)

(18)

五、心得体会 (18)

六、谢辞 (19)

七、参考文献 (19)

绪论

发展半导体照明产业具有重大的战略意义，其具体如下：

1，节约能源，推动环保。本亚泰中研信息咨询有限公司的报告针对世界能源危机，照明节能是实现国家节能的有效途径。我国是仅次于美国的第二发电大国，%用于照明，到2010年照明用电将达到3500亿度。专家预测，2015年后，我国半导体照明年节电将超过三峡电站全年的发电量。我国的电力生产80%为火力发电，燃烧大量的原煤和石油，产生大量的粉尘和二氧化碳、二氧化硫等气体，环境污染严重，通过半导体照明的应用可以减少电力使用及少污染物的排放;同时，半导体照明本身易于回收，没有汞等有害污染问题。

2，提升传统照明产业，带动相关产业转型。中国是世界照明电器生产和出口大国，2003年产值超过1000亿元，出口创汇54亿美元。但我国照明工业大而不强，主要做低端产品，利润率低，缺乏国际市场竞争力。通过半导体照明产业的发展，可以提升我国照明产品的技术含量和附加值，提高国际市场竞争力。半导体照明已广泛应用于景观装饰照明、背光源、大屏幕显示、交通信号、汽车等各类运输工具照明、军用照明及旅游、轻工产品等特殊照明领域。将继续带动信息显示、汽车产业、家电产业、建筑行业、轻工行业的产品升级。专家预测，我国在2005至2015年间，半导体白光照明将累计创造1500亿元产值。

3，增加就业机会，为国防现代化做贡献。半导体照明产业具有技术密集和劳动密集型双重特点，非常适合我国的国情，可以充分发挥我国劳动力资源优势。专家预测，我国在2005-2015年期间，半导体照明将解决100万人口就业。半导体照明由于具有体积小、寿命长、效率高、低电压、使用安全、节能等优点，已被各国首先用于国防、军事用途。在我国，利用固态照明灯具优势的潜力很大，可使国防的所有装备长备不懈，所有的指挥所彻夜长明，保证我国强大的国防力量。

一、LED发展前景及应用

当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链，中国发展得比较快的LED企业很多：雷士照明、长方照明、华威凯德。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED

产业发展的聚集地。

目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但在室内通用照明市场方面仍显落后。

2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让人们对LED有了全新的认识，有力推动了中国半导体照明产业的发展。当前中国半导体产业产业大而不强，核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。

（1）信号指示应用:

信号照明是LED单色光应用比较广泛也是比较早的一个领域，约占LED应用市场的4%左右。

（2）显示应用:

指示牌、广告牌、大屏幕显示等，LED用于显示屏幕的应用约占LED应用的20%—25%，显示屏幕可分为单色和彩色。

（3）照明应用:

①便携灯具:手电筒、头灯、矿工灯、潜水灯等；

②汽车用灯:高位刹车灯、刹车灯、转向灯、倒车灯等，大功率的LED已被大量用于汽车照明中。

③特殊照明:太阳能庭院灯、太阳能路灯、水底灯等；由于LED尺寸小，便于动态的亮度和颜色控制，因此比较适合用于建筑装饰照明。

④背光照明:普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸超大尺寸LCD 显示器背光源等，LED作为手机显示的背光源是LED应用最广泛的领域。

⑤投影光源:投影仪用RGB光源；

⑥普通照明:各类通用照明灯具、照明光源等；

驱动方案一般来说有两种: 线性驱动和开关型驱动。

二、LED的发光原理，基本结构及特性

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密。LED结构图如下图所示

图2-1发光二极管的构造图

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。在某些半导体材料的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。

LED的伏安特性是流过PN结的电流随施加到PN结两端上的电压变化的特性，它是衡量PN结性能的主要参数，是PN结制作得优劣的重要标志。完整的LED伏安特性包含正向

和反向特性两个方面。与普通整流二极管一样，LED同样具有单向导电性和非线性特性。LED的伏安特性曲线可以划分为正向特性，反向特性和反向击穿区三个区。

⑴正向特性区，在LED两端加以正向电压，就产生正向电流。但是，当这个电压比较小的时候，由于外部电场还不足以克服内部电场对载流子扩散运动所造成的阻力，因此，当LED的电流很小，LED呈现的电阻较大。当LED两端的电压超过一定数值（这个数值通常称为死区电压）以后，内部电场被大大削弱，LED的电阻变得很小，电流于是增长得很快。

⑵反向特性区，当LED外加反向电压时，由于P型半导体中还存在着少数自由电子，在N型半导体中也还存在着少数空穴，这些少数载流子在反向电压作用下很容易通过PN 结，因此形成反向电流。反向电流有两个特点。第一个特点是它随温度升高增长得很快，第二是只要外加的反向电压在一定范围内，反向电流不随反向电压变化，在这种情况下的反向电流被称为反向饱和电流。反向电流是LED的一个重要参数。反向电流越小，说明LED 单向导电性能越好。

⑶反向击穿区，当LED的反向电压增加到一定数值后，反向电流急剧增大，出现反向击穿现象，这个电压叫做反向击穿电压。由于LED所用的材料种类不同，反向击穿电压也不一样。

图2-2 LED的伏安特性曲线

作为照明用的电光源的光谱引进应尽可能的与太阳光的光谱相接近。一般的评判方法是评判光源与白光的接近程度，即显色性。

图2-3在海平面上的太阳的可见光光谱

可以看到这个光谱与6500K的黑体辐射的光谱基本相同，其差异部分是太阳光给太阳上的化学元素吸收以及经过大气层时被吸收掉的部分。要想让LED发出的光谱能够与太阳光相近，需要利用三基色原理将红、绿、蓝三种光通过合适的比例混合成“白光”。一般的白光LED的实现方法是在蓝色LED表面涂黄色荧光粉来获得所谓的白光，这种白光LED的光谱特性如图2-4.

图2-4白光LED光谱

很明显，这种“白光”LED带有强烈的令人讨厌的蓝光，因此在实际应用时可能会感到不适。因此也可以利用红、绿、蓝三种颜色的LED组和获得白光LED。

图2-5利用红、绿、蓝三种颜色的LED组和获得白光LED

很显然，如图2-5的显色性优于图2-4的显色性，但使用三种单色LED组合成图2-3的光谱特性相对利用蓝光LED附加荧光粉的方法要复杂的多，而且一旦工作条件稍有改变，其光谱特性就会随之改变。

不同色温的LED的光谱特性也不相同，图2-6为CREE公司的不同色温白光LED的光谱特性。

图2-6 CREE公司的不同色温白光LED的光谱特性

与白炽灯和荧光灯相比，1颗LED发出的光比较少，所以需要使用多颗LED。同时，由于LED的发光面积小，亮度高，人眼直视的话很容易眩晕。为了降低亮度，需要使用扩散板。但是，使用扩散板的话，光向各个方向发散，降低了光的效率。

LED、白炽灯、荧光灯的配光分布各不相同。所谓配光分布是指光源的方向以及各方向的发光强度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也会不同。有时也会出现本来想要照射的地方照度减小，其余部分反而照度增加的情况。

要减少光的浪费，控制配光分布，需要使用透镜和反光镜。LED本身就具有发光面积小、光的放射范围在半球内、配光分布旋转对称等优点，再加上透镜和反光镜，就能构成一个好的光源。

其他在光源属性中，还有光谱。LED的发光光谱集中在特定波长的一个很窄的范围，不放射红外线。因此，在不想使照射物变热的时候，使用LED较好。但是，LED自身会发热，所以需要注意防止其导热。另外还需要注意，荧光粉类型的LED，温度变化，色温也会随之变化。

LED的光学参数与PN结结温有很大的关系。一般工作在小电流If

LED的主波长随温度关系可表示为：

λp=λ0+△Tg×℃

由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。

虽然LED发热很少，但是由于LED照明中，需要使用多颗数瓦级的LED，所以就会产生很高的热量。虽然LED效率比较高，但是高效率仅支持在微小电流中的运行。大电流、高温状态下，效率较低。

另外，荧光粉型的LED，在转换波长的时候会损失能量，从而产生热量。持续高温就会导致LED芯片、荧光粉、封装树脂寿命降低。因此，为了使LED的“高效率”、“长寿命”的优势保持下去，就必须控制LED的结温。

LED电源与白炽灯、荧光灯有很大的区别。白炽灯可以直接连接到220V的交流电上。荧光灯虽然有镇流器和转换开关，但也使用220V的交流电。而LED的电源则需要直流的恒定电流，所以需要将220V的交流转换为直流。电源的效率不高将直接影响到整个照明灯具的效率，因此提高电源效率对于提高LED照明效率来说显得尤为重要。

调节LED光的方法主要有两种。一种是改变恒定电流，一种是改变脉冲调制。LED是电子与空穴再结合时发光，光束依赖于电流。电流小的情况下，光束和电流基本是成正比的，但当LED电流增大，热量随之增大，导致发光效率变低，光束和电流就不成正比了。

在改变脉冲占空比的方法中，由于Talbot-Plateau 效应（反复接受瞬间闪光后，人眼会感受到反复时间内的平均亮度），可以根据脉冲占空比改变亮度。

（1）体积小

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。（2）耗电量低

LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（），电光功率转换接近30%。，；这就是说，，相同照明效果比传统光源节能近80%。

（3）使用寿命长

有人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

（4）高亮度、低热量

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

（5）环保

LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

（6）坚固耐用

LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。

（7）多变幻

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

（8）技术先进

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光源“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

7．极限参数的意义

（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。

（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。

（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

不改变材质的前提下，在LED的极限范围内，提高亮度的手段就是提高电流，随着电流升高，LED发热量会剧增。使用过LED光源便携投影机的，或微投的朋友，一定都深有体会，LED光源的投影机，非常热，而且普遍会有明显的噪音。这些产品，机身小是一方面，关键还是其自身发热量较大所致。

随着功率的增加，LED的散热问题显得越来越突出，大量实际应用表明，LED不能加

大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等等，严重影响LED的光电参数。甚至使功率LED失效。因此，对于LED器件，降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。

三、常用的LED驱动电路

LED 驱动电路除了要满足安全要求外，另外的基本功能应有两个方面，一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15％的变动时，仍应能保持输出电流在±10％的范围内变动。二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED 的系统效率保持在较高水平。

传统的低效率电路：图3-1是传统的低效率电路，电源通过降压变压器降压；桥式整流滤波后，通过电阻限流来使3 个LED 稳定工作，这种电路的致命缺点是：

图3-1传统的低效率电路

电阻R 的存在是必须的，R 上的有功损耗直接影响了系统的效率，当R 分压较小时，R 的压降占总输出电压的40％，输出电路在R 上的有功损耗已经占40％，再加上变压器损耗，系统效率小于50％。当电源电压在±10％的范围内变动时，流过LED 的电流变化将≥25％，LED 上的功率变化将达到30％。当R 分压较大时，在电源电压在±10％的范围内变动时，虽说能使输出到LED 的功率变化减少，但系统效率将更低。

图3-2 是在图3-1 的基础上加了一个集成稳压元件MC7809，使输出端的电压基本稳定在9V，限流电阻R 可用得很小也不会因为电源电压的不稳定造成LED 的超载。

图3-2 改进后的传统电路

但是此电路除了保证LED 的基本恒定输出外，效率还是很低的。因为MC7809 和R1 上的压降仍占很大比例，其效率仅为40％左右。上述这类电路的应用，系统总的每瓦输出流明仅为20lm/W～25lm/W，是根本不能称为节能的照明产品的。为了达到既能使LED 稳定工作，又能保持高的效率，应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提高。图3-3是采用集成恒流源NUD4001 的LED 驱动电路，这一电路的显著特点是当电源电压在±15％的范围内变动时，输出波动≤1％，可称为恒功率驱动电路，另外这一IC 电路可在很低的串联分压下工作（即1 脚与输出的各引脚之间的电压在≥时尚能工作），所以可保证在几乎恒功率输出的情况下，保持1 左右就能使系统效率达70％左右。这一IC 电路的输入电源可采用工频交流，但最好采用卤钨灯电子变压器作为前级，这样能保证谐波和电源端子干扰都符合标准的要求。当电子变压器内部实现Ⅱ类电器的隔离，绝缘输出时，图3-3电路可用于Ⅱ类灯具中，并且输出端可以做成可触及式。

图3-3 进一步改进的电路

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。例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理