LED大功率電源設(shè)計(jì)綜合課程設(shè)計(jì)

1、綜合課程設(shè)計(jì)課程報(bào)告 大功率LED電源設(shè)計(jì)姓名： 鄧曉婿 學(xué)號(hào)： 10360203 專業(yè)： 電子信息工程 任課教師： 譚家杰 成績： 衡陽師范大學(xué)物電系2013年11月20日 摘要 LED（light emitting diode）又稱為發(fā)光二極管，是一種新型光源， 具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、使用壽命非常長，LED元件的體積非常小，LED的發(fā)出的光線能量集中度很高，LED的發(fā)光指向性非常強(qiáng)，LED使用低壓直流電即可驅(qū)動(dòng)，顯色性高（不會(huì)對(duì)人的眼睛造成傷害）等其他光源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，作為綠色光源產(chǎn)品，國家綠色照明推廣使用的產(chǎn)品，代表著未來照明技術(shù)的發(fā)展方向， 本設(shè)計(jì)主要介紹了以STC89C52控制為

2、核心，利用PWM調(diào)光技術(shù)，通過調(diào)整PWM的周期，PWM的占空比從而控制電流，從而達(dá)到對(duì)LED進(jìn)行光度亮暗的控制調(diào)節(jié)的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的PWM的調(diào)光控制，并且采用恒流驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路，并且提出一種基于恒流驅(qū)動(dòng)芯片PT4115的高效率的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)解決方案。該種驅(qū)動(dòng)電路簡單、高效、成本低，適合當(dāng)今太陽能產(chǎn)品的市場(chǎng)化發(fā)展。 關(guān)鍵詞：大功率LED ；驅(qū)動(dòng)電路；恒流驅(qū)動(dòng)芯片PT4115一、LED 主要性能指標(biāo)：1）LED的顏色：目前LED的顏色主要有紅色,綠色,藍(lán)色,青色,黃色,白色,暖白,琥珀色等其它的顏色；2）LED的電流：一般小功率的LED的正向極限電流多在20mA。但大功率LED的

3、功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。1W LED的額定功率為350mA,3W LED的750mA。3）LED的正向電壓：LED的正極接電源正極,負(fù)極接電源負(fù)極。一般1W的大功率LED的正向電壓為3.5V3.8V。4）LED的反向電壓：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞LED發(fā)光強(qiáng)度：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(qiáng)(度)，單位為坎德拉（cd）。 5）LED光通量：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量。單位為流明(lm)。如1W 大功率LED的光通量一般為6080LM。 6）LED光照度：1流

4、明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度.，單位為勒克斯(lx)。 7）LED顯色性：光源對(duì)物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度。8）LED的使用壽命：LED一般可以使用50,000小時(shí)以上。9）LED發(fā)光角度：二極管發(fā)光角度也就是其光線散射角度，主要靠二極管生產(chǎn)時(shí)加散射劑來控制。二、大功率LED的驅(qū)動(dòng)方式：LED驅(qū)動(dòng)簡單的來講就是給LED提供正常工作條件(包括電壓,電流等條件)的一種電路,也是LED能工作必不可少的條件,好的驅(qū)動(dòng)電路還能隨時(shí)保護(hù)LED，避免LED被損壞。 LED驅(qū)動(dòng)通常分為以下三種方式：(1) 鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)：就是簡單的的在LED的回路中串接電阻,通過

5、調(diào)節(jié)電阻的阻值,可以改變LED的驅(qū)動(dòng)電流.。 LED的工作電流為： 所以I與鎮(zhèn)流電阻R成反比；當(dāng)電源電壓U上升時(shí)，R能限制I的過量增長，使I不超出LED 的允許范圍。此電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，成本低；缺點(diǎn)是電流穩(wěn)定度不高；電阻發(fā)熱消耗功率，導(dǎo)致用電效率低，僅適用于小功率LED 范圍，所以不選這種方案。 (2) 恒壓驅(qū)動(dòng)：就是保持LED兩端的電壓不變，因?yàn)槊恳环N顏色的LED的電壓都不一樣,所以很少用恒壓的方式來驅(qū)動(dòng)LED。 (3) 恒流驅(qū)動(dòng)：顧名思異就是保持LED的電流一直不變,讓LED在恒定電流的條件下工作。 由于大功率LED是低電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)器件，當(dāng)LED電壓變化很少時(shí)，電流變化很大。LED發(fā)

6、光的強(qiáng)度由流過LED的電流決定，電流過強(qiáng)會(huì)引起LED的衰減，電流過弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此LED的驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。如果采用恒壓方式驅(qū)動(dòng)，LED正向電壓的任何變化都會(huì)導(dǎo)致LED電流的變化。由溫度或電壓變化引起的特定壓變，導(dǎo)致正向電流降低，正向電壓變化11會(huì)導(dǎo)致更大的正向電流變化，達(dá)30。電流的變化較大，使LED的亮度不能恒定。所以一般都選擇恒流驅(qū)動(dòng)IC。三、恒流驅(qū)動(dòng)方式電路 LED驅(qū)動(dòng)電路除了要滿足安全要求外，還應(yīng)具備兩個(gè)基本功能：一是盡可能保持恒流特性，又使其在電源電壓發(fā)生的變動(dòng)時(shí)，仍應(yīng)能保持輸出的電流在的范圍內(nèi)變動(dòng)；二是應(yīng)保

7、持較低的自身功耗，這樣才能使LED的系統(tǒng)效率保持在較高水平。隨著更新一代大功率LED所需的驅(qū)動(dòng)電流的增加，要更多的考慮到LED本身和電流驅(qū)動(dòng)電路的散熱管理和功耗等問題。本設(shè)計(jì)框圖如下所示：3個(gè)1W LED串 聯(lián)恒流驅(qū)動(dòng)芯片適配器降壓市電(AC220V)（1）適配器的選擇：本設(shè)計(jì)首先要將高壓的交流電變換成低壓的直流恒流源，然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片輸出恒流才能點(diǎn)亮LED 光源。最經(jīng)濟(jì)有效的方法降壓和進(jìn)行交直流變換是使用當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品使用交流電源的交直流降壓變換器-適配器（Adapter），既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、又現(xiàn)成、又好用。適配器的輸出電壓要求穩(wěn)定在DC12V，適配器的輸出電流要根據(jù)LED 的光源的功率來選擇

8、，一般要給予30%的余量，1W的白光LED 的標(biāo)準(zhǔn)工作電流應(yīng)為350mA，因而3 個(gè)LED 光源串聯(lián)其電路需要的電流也是350mA，考慮到延長LED 壽命和降低光衰，可以設(shè)計(jì)為300mA-330mA，不會(huì)明顯的影響LED 發(fā)光的亮度，所以適配器的輸出電流應(yīng)選750mA1A 的。（2）驅(qū)動(dòng)芯片：由于本設(shè)計(jì)采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，所以驅(qū)動(dòng)芯片可以選擇PT4115恒流驅(qū)動(dòng)芯片，PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，適合綠色照明LED燈的驅(qū)動(dòng)電路。它具有較寬的直流8V到30V輸入電壓范圍,擊穿電壓大于45V，輸出2001200mA恒定直流，可滿足驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮17顆串聯(lián)的大功率LED或N顆串并聯(lián)的小

9、功率LED,驅(qū)動(dòng)恒流大小可按應(yīng)用方案設(shè)定.。PT4115采用頻率抖動(dòng)技術(shù)有效地改善EMI；采用從滿量程向下到零的PWM調(diào)光；安全可靠，調(diào)光比可達(dá)5000:1；采用SOT89-5的封裝，芯片的管芯可通過直接連通到封裝外的金屬板散熱；導(dǎo)熱十分有效；PT4115內(nèi)部設(shè)置了過溫保護(hù)功能，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。當(dāng)IC芯片溫度超出160,IC即會(huì)進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)并停止電流輸出,而當(dāng)溫度低于140時(shí),IC即會(huì)重新恢復(fù)至工作狀態(tài)。PT4115可利用模擬調(diào)光的原理以及溫度對(duì)LED電流的負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)LED燈具動(dòng)態(tài)溫度控制,只要在調(diào)光端(DIM端)加一熱敏電阻或PN結(jié)即可。加上整流橋PT4115可應(yīng)用于交流12V

10、、24V供電的LED燈具。PT4115的工作效率高達(dá)97%,是真正的綠色驅(qū)動(dòng)IC，PT4115被廣泛應(yīng)用于使用LED燈的MR11、MR16、水燈、路燈等各類LED燈具。PT4115主要參數(shù)如下： 輸入范圍從8V到30V，擊穿電壓>45V 輸出電流高達(dá)1.2A，內(nèi)置大功率MOFET 效率高達(dá)97 超低的關(guān)斷電流 ± 5輸出電流精度 LED開路保護(hù) 模擬PWM調(diào)光功能選擇，高達(dá)5000:1的PWM調(diào)光比 內(nèi)部含有抖頻特性，有效地改善了EMI恒流驅(qū)動(dòng)芯片PT4115的5腳封裝的管腳圖如右圖所示，其管腳描述如下：管腳1：SW，功率開關(guān)的漏端；管腳2：GND，信號(hào)和功率；管腳3：DIM，

11、開關(guān)使能、模擬和PWM 調(diào)光端；管腳4：CSN，電流采樣端，采樣電阻接在CSN和VIN端之間；管腳5：VIN，電源輸入端，必須就近接旁路電容。(3)大功率LED：可以選擇1W白光LED，其參數(shù)如下： 功 率 ：1W 光 通 量：20-30LM 順向電壓：3.5-3.8V 額定電流：350mA 光 衰 ：5%每千小時(shí)光衰。 角 度 ：120度四、設(shè)計(jì)電路原理圖如下：原理圖器件說明：D1D4組成單相橋式整流電路，將交流變成直流，即不管U1輸出的是直流還是交流，經(jīng)過這個(gè)整流橋之后輸出的電流總是直流的，給驅(qū)動(dòng)芯片PT4115輸入穩(wěn)定的直流，保證電路正常工作，橋式整流電路二極管常用1N4007。C1是濾

12、波電容，把脈沖直流變換成平滑的直流。應(yīng)選電解電容，型號(hào)為100uF/25V。R1是取樣電阻，控制PT4115輸出電流的大小，它決定恒流源的絕對(duì)精度。R1的阻值與負(fù)載電流大小有關(guān)，一般用下面公式計(jì)算：由于負(fù)載是3個(gè)串聯(lián)的1W LED，額定電流為350mA，則采樣電阻R1的大小為： 所以R1可以選擇阻值約為0.2857歐姆的金屬膜電阻。L是整流電感，是這個(gè)電路中的關(guān)鍵元件，功能是把100KHz的脈沖電流變換成三角波電流，L的電感量會(huì)影響工作電壓范圍內(nèi)恒流源的穩(wěn)定性。因?yàn)镻T4115 的設(shè)計(jì)最佳工作頻率在1MHz 以下，電感量大了小會(huì)影響其工作頻率，本方案的電感設(shè)計(jì)在68uH 以上，這樣系統(tǒng)工作頻率

13、可以控制到1MHz 以下。電感量小了，工作頻率趨高，由于PT4115內(nèi)部電流檢測(cè)電路響應(yīng)速度限制，對(duì)內(nèi)部電流正常檢測(cè)出現(xiàn)影響，不能更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷控制。另外電感量太小還會(huì)導(dǎo)致PT4115的SW 端燒壞，而無輸出。所以此設(shè)計(jì)中L的電感量應(yīng)選用68uH100uH，Q值大于50，飽和電流大于800mA 的磁路閉合電感器。D5是續(xù)流二極管，在晶片內(nèi)部MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)為儲(chǔ)存在電感中的電流提供放電回路。由于工作在高頻脈沖狀態(tài)，D5應(yīng)選用正向壓降小，恢復(fù)速度快的肖特基二極管。芯片PT4115的DIM端可外接PWM脈沖或直流電壓調(diào)光，也可以接熱敏電阻作輔助溫度控制和自動(dòng)亮度控制。由于本設(shè)

14、計(jì)中不用到調(diào)節(jié)LED燈亮度，故DIM端懸空。五、PT4115的動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)和過溫保護(hù) PT4115具有動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)的功能，并且可以在此功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)。動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)的電路圖如下左圖所示。從圖中可見，DIM端內(nèi)部是一個(gè)1M的上拉電阻，連接到內(nèi)部5V電源上。所以DIM端電壓由內(nèi)部上拉電阻和熱敏電阻NTC分壓決定。從熱敏電阻的特性可以知道，溫度的變化會(huì)影響NTC的阻值，進(jìn)而影響DIM端電壓，以實(shí)現(xiàn)PT4115的動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)。過溫保護(hù)的實(shí)現(xiàn)從如下右圖中可見，相對(duì)于左圖多了一個(gè)三極管，當(dāng)溫度升高時(shí)。NTC電阻的阻值減小，其上的分壓也減小，則相應(yīng)的其下面電阻上的分壓升高，當(dāng)超過三極管的開通電壓時(shí)，

15、三極管導(dǎo)通，DIM端接地，關(guān)斷LED電流，當(dāng)溫度降低時(shí)，PT4115重啟，因此實(shí)現(xiàn)了PT41 15的過溫保護(hù)。六 、PWM調(diào)光原理 PT4115可以采用PWM調(diào)光措施，當(dāng)DIM引腳電壓低于0.3V時(shí)關(guān)斷LED電流，高于2.5V時(shí)開啟LED電流。PWM調(diào)光措施相對(duì)于傳統(tǒng)的線性調(diào)光，不影響LED的光效。PWM調(diào)光的基本原理是保持LED正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比列，即控制每個(gè)周期電流導(dǎo)通的時(shí)間，也保證LED發(fā)光的色度，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC89C52,通過其引腳P0.1輸出PWM波連接到PT4115的DIM端。其調(diào)節(jié)光暗基本原理電路圖如下： 七、附錄程序#include &l

16、t;reg52.h>unsigned char count; /0.5ms次數(shù)標(biāo)識(shí)sbit pwm =P01; /PWM信號(hào)輸出sbit jia =P10; /角度增加按鍵檢測(cè)IO口sbit jan =P16; /角度減少按鍵檢測(cè)IO口unsigned char jd; /角度標(biāo)識(shí)void delay(unsigned char i)/延時(shí) unsigned char j,k; for(j=i;j>0;j-) for(k=110;k>0;k-);void Time0_Init() /定時(shí)器初始化TMOD = 0x01; /定時(shí)器0工作在方式1 IE = 0x82;TH0 =

17、0xfe;TL0 = 0x33; /11.0592MZ晶振，0.5ms TR0=1; /定時(shí)器開始void Time0_Int() interrupt 1 /中斷程序TH0 = 0xfe; /重新賦值TL0 = 0x33; if(count<jd) /判斷0.5ms次數(shù)是否小于角度標(biāo)識(shí) pwm=1; /確實(shí)小于，PWM輸出高電平 else pwm=0; /大于則輸出低電平 count=(count+1); /0.5ms次數(shù)加1 count=count%10; /次數(shù)始終保持為40 即保持周期為20msvoid keyscan() /按鍵掃描 if(jia=0) /角度增加按鍵是否按下 d

18、elay(10); /按下延時(shí)，消抖 if(jia=0) /確實(shí)按下 jd+; /角度標(biāo)識(shí)加1 count=0; /按鍵按下 則20ms周期從新開始 if(jd=11) jd=10; /已經(jīng)是180度，則保持 while(jia=0); /等待按鍵放開 if(jan=0) /角度減小按鍵是否按下 delay(10); if(jan=0) jd-; /角度標(biāo)識(shí)減1 count=0; if(jd=0) jd=0; /已經(jīng)是0度，則保持 while(jan=0); void main() jd=7; count=0; Time0_Init(); while(1) keyscan(); /按鍵掃描 八、設(shè)計(jì)總結(jié)： 本設(shè)計(jì)論文從LED的特性和驅(qū)動(dòng)方式出發(fā)，論述了LED的各種驅(qū)動(dòng)方