白光LED驱动电路的研究【毕业论文】.doc

1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 白光 LED 驱动电路的研究 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 在能源问题日趋严重的今天，以高效、节能以及长寿命为主要特点的大功率白光 LED 获得了人们的重视。伴随着半导体材料的发展，白光 LED 成为许多照明领域的首选器材。于此同时，大功率照明白光 LED 驱动集成电路的开发也由于功率 LED 应用的逐渐普及得到了长足的发展。 本文分析了四种最常见的白光 LED 驱动模式的基本原理，包括（ 1）恒压输出加镇流电阻的并联驱动方式，（ 2）单恒流源加镇流电阻的并联驱动方式，

2、（ 3）多路恒流源的并联驱动方式，（ 4）电感升压的串联驱动方式。 详细分析了 Buck（降压） 拓扑结构、 PWM 调制型开关电源电流控制模式和电压控制模式的优缺点 ，提出了一种基于 PWM 调制型 Buck 模式开关电源恒流驱动电路原理 ，利用LT3755 芯片 驱动大功率 白光 LED 的设计电路 。该驱动电路 具有 1000:1 高调光比 （ PWM 调光 ） 、 低电流消耗、高 效率、 欠压保护、 短路保护和开路 LED 保护等 功能 ， 适合驱动高亮度大电流 LED。 关键词： 大功率 LED；开关电源； PWM；恒流驱动； LT3755 - 2 - Abstract Nowada

3、ys the problems of energy sources become more and more serious, semiconductor lighting has won peoples attention for its unique attributes of low energy consumption, long life and high efficiency. With the development of semiconductor materials, white LEDs are main selection of illuminating devices.

4、 At the some time, the research of its driving IC has also been greatly accelerated with the development of power LED. In this paper, we analyzed basic theories of four kinds of white LED driver,which including(1)Parallel connection driving with constant voltage output adding adjusted resistance;(2)

5、Parallel connection driving with single constant current resource adding adjusted resistance;(3)Parallel connection driving with many constant current resources;(4)In series driving with increasing voltage by inductance. The operating principles of Buck converter for driving High Power LED are analy

6、zed in detail. Compared with other driving mode, switching power technology has high efficiency, so the thesis gives a LED buck mode driver using Chip LT3755 based on switching power technology. The driver in this paper is a high frequency step-down DC-DC converter with the features of low power los

7、s, high efficiency, 1000:1 PWM dimming, short-circuit protection, open-voltage protection, and is ideal for driving high current LED. Key Words: high-power LED; Switching Power; PWM; constant-current driving; LT3755 - 3 - 目 录 1 白光 LED 驱动电路发展概况 .1 1.1 白光 LED 的发展历程 .1 1.2 白光 LED 的产生方式 .2 1.3 白光 LED 的特

8、性 .3 2 白光 LED 的连接方式及驱动方式 .6 2.1 白光 LED 的连接方式 .6 2.1.1 串联驱动 .6 2.1.2 并联驱动 .7 2.1.3 混联驱动 .7 2.2 白光 LED 的驱动方式 .8 2.2.1 电压源加镇流电阻驱动 .8 2.2.2 电流源加镇流电阻驱动 .9 2.2.3 多路电流源驱动方式 .10 2.2.4 串联 LED 驱动 .10 3 脉宽调制型（ PWM）开关电源原理 .12 3.1 电压控制模式 .12 3.2 电流控制模式 .15 4 LED 恒流电路驱动设计 .19 4.1 大功率 LED 驱动芯片的比较 .19 4.2 LT3755 芯片

9、介绍 .20 4.3 LT3755 工作原理 .22 4.4 设计电路 .23 5 结论 .28 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .29 - 1 - 1 白光 LED 驱动电路发展概况 1.1 白光 LED的发展历程 LED 是 Light Emitting Diode 的缩写，中文译为“发光二极管”。白光 LED所谓的白光是由多种颜色混合而成的光，人眼所能看见的白光形成至少需两种色光混合。 1907 年 Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到了电致发光现象，由于其发出的黄光太暗而被摒弃； 20 世纪 50 年代，英国科学家在电致发光的试验中使用半导体砷化

10、镓（ GaAs），发明了第一个具有现代意义的 LED,并于20 世纪 60 年代面世；全球第一款商用 LED 是在 1965 年用锗材料制成的，随后不久孟山都公司和惠普公司也推出了用 磷砷化镓 (GaAsP)材料制作的商用LED1。 20 世纪 70 年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。LED 采用双层磷化镓芯片（一个红色，另一个绿色）能够发出黄光；于此同时，前苏联科学家利用金刚砂制造出黄光 LED2。 20 世纪 80 年代早期的重大技术突破是开发出了铝镓砷（ AlGaAs） LED,它能以每瓦 10lm 的发光效率发出红光。这一技术进步使 LED 能够应用于各种室外信息

11、发布以及汽车信号灯。砷化镓（ GaAs）、磷化铝（ Alp）的使用促使了第一代高亮度 LED 的诞生，先是红色，接着就是黄色， 最后为绿色 1。 20 世纪 90 年代早期，出现了第一只具有历史意义的蓝光 LED。中期出现了超亮度的氮化镓（ GaN） LED，随即又制造出了能产生高强度绿光和蓝光的铟氮镓（ InGaN） LED。超亮度蓝光芯片是白光 LED 的核心，在这个发光芯片上涂上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片的蓝色光源，再转化为白光。这就是1996 年日亚公司首先制成的白光 LED,此后白光 LED 得到迅速发展，之后人们通过各种方法获得了白光 LED。在 1991 2001 年期间

12、，材料技术、裸片尺寸和外形方面的进一步发展使商用 LED 的光通量提高了将近 20 倍。 白光 LED 的出现是 LED 从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光LED 最接近日光，更能较好地反映照射物体的真实颜色，所以，从技术角度看，白光 LED 无疑是 LED 最尖端的技术。目前，白光 LED 已开始进入一些应用领- 2 - 域，如应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。 LED 的主要应用领域包括大屏幕彩色显示、照明灯具、激光器、多媒体显像、 LCD 背光源、探测器、交通信号灯、仪器仪表、光纤通信、海洋光通信、图像识别等，但目前还主要是用于照明和显示。 1.2 白光 LED的产生方式 表

13、 1-1 产生白光 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 A

14、IInGaP 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 高亮度 LED 是一种固体电致发光体，是直接将电能转化成光能的半导体器件，由四元化合物及 GaN 系列化合物制成的半导体，和普通二极管一样，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- 3 - 间有一个过渡层，称为 PN 结 3。当在电极上加上正向偏压之后，电子和空穴分别注入 P 区和 N 区，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子 ；电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高；光子的能量反过来与光的颜色对应；由于不同的

15、材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光 1。 半导体 PN 结的发光机理决定了 LED 不可能产生白光，同时单只的 LED 也不可能产生两种以上的单色光。因此可以先产生蓝光，再通过荧光物质间接产生白光。现在，对于使用荧光粉的白光 LED，通过改变荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的浓度，可以获得色温为 3500-10000k 的各色白光，以满足不同照明场合的要求；除了采用荧光粉的方法以外，也可以采用将几种发出不同色光的芯 片封装在一起的方法，通过这些色光的混合构成发白光的 LED4。表 1-1 列出了目前生产白光 LED 的主要方案 5。 1.3 白光 LED的特性 从目前 LED 产品的结

16、构及产业发展的角度看，照明 LED 产品主要需考虑光学性能、电性能、热性能、辐射安全和寿命等几个方面的参数。下面就其电、光等方面的性能进行相关的介绍。 电性能参数 LED的 PN 结 电特性决定了 LED在照明应用中区别于传统光源的电气性能，即单向非线性导电特性、低电压驱动以及对静电敏感等特点。 图 1-1 显示的是不同白光 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，导致发出的白光亮度不同，如图中虚线所示；而且，

17、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 4。由于 LED 的发光亮度受其驱动电流的影响，所以我们可以通过控制 LED 的正向电流来控制其发光亮度。 - 4 - 图 1-1 不同白光 LED 的电流 电压特性之间的差异性 光学性能参数 图 1-2 光通量与电流的关系 LED 的光线性能主要涉及光谱、光度和色度等方面的性能要求。 总的光通量是以流明（ lm）为单位来计量的，流明是以正常人眼的感应程度为衡量标准，对 1W 功率的光照效果进行衡量的光学计量单位 6。图 1-2 显示的是光通量与电流的关系，可以看出，随着电流的增加，大功 率

18、LED 的光通量非线性增加，并逐渐趋于饱和 7。其原因主要是因为随着电流及时间的增大，大功率- 5 - 照明 LED 芯片内部将温度上升，发生在 PN 结结区的截流子复合几率下降，造成LED 发光效率降低。 - 6 - 2 白光 LED 的连接方式及驱动方式 驱动电路是一种专门为 LED 供电的特种电源，要具有简单的电路结构、较小的占用体积，以及较高的转换效率；大功率 LED 实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件， LED 驱动器应具有直流控制、高效率、 PWM 调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特性 8。 2.1 白光 LED的连接方式 白光 LED 按照负载连接方式有 3 种，分别是串联、并联和混联；从提供驱动源的类型分为电压驱动型和电流驱动型。下面分析各种连接方式的优缺点以及各自的应用场合。图 2-1 显示的是白光 LED 的 3 种连接方式。 图 2-1 白光 LED 的连接方式 2.1.1 串联驱动 串联驱动即串行控制驱动方式，这种方式保证了流过每个 LED 的电流均相等，而 LED 的发光亮度与其导通电流呈正比关系，因此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。串联驱动的缺点是其需要 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用较高