1、本科毕业设计（20 届）LED 驱动控制电路的设计仿真与实现所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 一种 LED 驱动控制电路的设计仿真与实现【摘要】本毕业设计采用 APW7207 芯片作为本 LED 驱动电路的主要芯片，用 555 芯片产生 PWM 波控制芯片开关以达到节省功耗的目的，并且为驱动电路设计了前置+5V 的电源电路。本次设计的驱动电路，直接接入 220V/50HZ 交流电压，经过变压器变压、整流、滤波以及线性稳压电源芯片稳压，以+5V 的输入电压成功驱动 6 枚高亮 LED 灯，电路中为 20mA 电流，亮度大；再加入 1KHZ、占空比
2、可变的 PWM 波控制 APW7207 的开关，不但可以改变亮度，还在保持了应有的照明效果上，大大降低了功耗。【关键词】APW7207；555 芯片； PWM；稳压电源A LED drive control circuit design simulation and implementationAbstract This graduation design adopts APW7207 chips as the main chip of the LED driver circuit, using 555 chip to produce PWM wave to control switch ch
3、ip to achieve the purpose of saving power consumption, and for driving circuit front + 5 v power supply circuit is designed.The design of drive circuit, direct access to 220 v / 50 hz ac voltage, through transformer transformer, rectifier, filter and linear regulated power supply chip voltage regula
4、tor, to + 5 v input voltage drive success 6 highlight LED lights, circuit for 20 ma current, brightness;Add 1 KHZ, changing duty ratio of PWM wave to control APW7207 switch, maintain the proper lighting effect, but greatly reduces the power consumption. Key Words APW7207;555 chips;PWM.Regulated powe
5、r supply目 录1 概述 .11.1 设计背景 .11.2 国内外研究现状及发展趋势 .11.2.1 国外 LED 电路发展现状.11.2.2 国内 LED 电路发展现状1.3 研究的内容 .11.3.1 LED 光源特性.21.3.2 LED 驱动方式.21.3.3 LED 电源部分.21.3.4 PWM 波发生部分.21.3.5 LED 电流驱动部分.32、 电路设计.32.1 电源部分 .32.1.1 降压电路.32.1.2 整流电路.32.1.3 滤波电路.42.1.4 稳压电路.52.1.5 电源部分整体电路.62.2 LED 电流驱动部分 .62.3 PWM 波发生电路 .8
6、2.3.1 PWM 简介 .82.3.2 PWM 电路设计 .93 Multisim 电路仿真 .93.1 multisim 软件简介 .93.2 multisim 电路仿真 .113.2.1 电源电路仿真 .113.2.2 PWM 发生电路仿真序 .134 组装与调试 .164.1 制作所需的元器件 .164.2 仿真过程中遇到的问题及解决方法 .164.3 硬件制作时 遇到的问题以及解决方法 .185 实物测试图 .186 总结 .207 致谢 .21参考文献 .22附录 1 系统原理图 .22附录 2 系统 PCB 图 .2311 概述1.1 设计背景现在全世界对 LED 的研究已经很成
7、熟了，为什么科学家会发明 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。 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
8、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。在城市工业中，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
9、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
10、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 100 lm/W， 研究水平达到 160 lm/W。经过
11、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
12、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2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
13、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 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、PWM 波发生部分和 LED 电流驱动部分。
14、1.3.1 LED 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。 1.3.2 LED 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。1.3.3 LED 电源部分电源部分采用 5V 直流稳压电源。
15、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，1.3.4 PWM 波发生部分 该部分主要采用 555 定时器。NE555 (Timer IC)大约在 1971由 Signetics Corporation 发布，在当时是唯一非常快速且商业化的 TimerIC，在往后的 30非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电，尽管近CMOS 技术版本的 Timer IC 如 MOTOROLA 的 MC1455
16、 已被大的使用，但原规格的NE555 依然正常的在市场上供应，尽管新版 IC 在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前可直接的代用。NE555 是属于 555 系列的计时 IC 的其中的一种型号，555 系列 IC 的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而 555 是一个用途很广且相当普遍的计时 IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。a. NE555 的特点有：31.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源电压范围极
17、大，可与 TTL，CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜 5。在本次设计中将 555 芯片作为 1KHZ、占空比可变的 PWM 波发生电路芯片。1.3.5LED 电流驱动部分该部分主要用到的是 APW7207 芯片。APW7207 芯片是由茂达电子推出的 LED 驱动器，APW7207，内建 N 通道开关，可驱动 6 颗串联白光 LED。APW7207 固定的 1MHz 切换频率，可以有效减少外部电感及电容的体积，内建 28V 过电压保护
18、功能，可避免负载空接而产生不预期高压，最高效率可达 88%，内部提供 0.25V 参考电压，当做 LED 限流可以得到最高效率，并延长电池使用寿命。此外，APW7207 使用 TSOT-23-6A 包装，对于节省电路板空间有很大的帮助。APW7207 可操作在2.5V 至 6V 输入电压范围之间，适合使用于单一锂电池供电的应用上。3、电路设计2.1 电源部分设计并制作直流稳压电源，其输入电压 Ui=220 V/50HZ，电网电源波动10%；输出电压Uo=5V。根据设计要求，采用图 2-1 所示线性直流稳压电源方案。要设计的电源由降压、整流、滤波、稳压 4 个部分组成 2。先利用变压器将 220
19、V 的交流电变成合适的交流电，再将此交流电压变成单向脉动的直流电，滤波的主要任务是滤除脉动直流电中的交流成分，提升脉动直流中的直流成分，最后利用稳压电路自动稳定输出电压，使输出电压不受电网电压波动和负载大小的影响。图 2-1 线性直流稳压电源2.1.1 降压电路降压使用的是常见的小功率变压器，输入 220V、50HZ ，输出 9V/0V/9V 的 三端输出变压器。2.1.2 整流电路整流电路的作用是 将 交 流 降 压 电 路 输 出 的 电 压 较 低 的 交 流 电 转 换 成 单 向 脉 动 性 直 流 电 。 但 是这 种 直 流 电 的 幅 值 变 化 很 大 。 主 要 通 过 由
20、 整 流 二 极 管 组 成 。方 案 一 ： 单 相 半 波 整 流 电 路 ： 直 接 在 交 流 电 路 中 串 接 一 个 合 适 的 二 极 管 ， 如 图 2-2 所 示 ， 利 用 二 极 管 的 单 相 导 电 性 ， 把 交 流 电 转 换 为 直 流 电 ， 产 生 图 2-3所 示 的 电 压 波 形 。4图 2-2 单 相 半 波 整 流 电 路 图 2-3 半 波 整 流 电 路 输 出 电 压 波 形方 案 二 ： 单 相 桥 式 整 流 电 路 ： 采 用 的 是 全 波 整 流 ， 由 四 只 二 极 管 组 成 。 其 构 成 原 则就 是 保 证 在 变 压
21、 器 副 边 电 压 的 整 个 周 期 内 ， 负 责 上 电 压 和 电 流 的 方 向 始 终 不变 ， 利 用 四 只 二 极 管 桥 式 连 接 ， 可 满 足 这 一 要 求 ， 如 图 2-4 所 示 ， 其 输 出电 压 波 形 如 图 2-5。图 2-4 单 相 桥 式 整 流 电 路图 2-5 桥 式 整 流 电 路 输 出 电 压 波 形方案比较：单相半波整流电路的优点是使用元器件少，电路简单；缺点是效率低，输出出电压脉动系数大。这种电路仅适用于电路较小，对电流脉动程度要求不高的场合。而桥式整流电路，对二极管的参数要求与半波整流一样，但有输出电压高、变压器利用率高、脉动小
22、等优点，因此得到了广泛的应用。但它所需要二极管的数量多，由于实际二极管的正向电阻不为零，必然会使整流电路的内阻增大，从而使损耗较大。结合以上，本设计选择单相桥式整流电路。最后，我所选用的元件为型号为 RS405L 的封装式整流桥。2.1.3 滤波电路滤波电路主要用于滤去整流输出电压中的纹波，对于滤波电路的选择有以下两种方案。方案一：采用电感滤波电路。在整流电路与负载之间串联一个电感线圈就构成了电感了电感滤波电路。5由于电感在电路中有储能的作用，在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加是，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感有平波的作用。在电感滤波电路
23、中，整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁心的存在，笨重、体积大，容易引起电磁干扰，一般只用于低电压、电流大的场所，也减轻了电路设计和实际焊接的工作。图 2-6 为电容滤波电路原理图，图 2-7 为电容滤波电路输出电压波形图。图 2-6 电容滤波电路原理图图 2-7 电容滤波电路输出电压波形图基于上述分析，选择方案二。当 时 VUO3.Vi57.FC60当 时 O5i1当 时 VUO2Vi08.2FC4经整流后电路大小约为 13V，为了电路安全故选择容量大和耐压高的电容，故选择 4700uf/63V的电容。2.1.4 稳压电路稳压电路主要用于提供更加稳定的直流电源。考虑
24、整流滤波电路的输出电压和理想直流电源还有相当的距离，主要存在两个方面的问题：第一，当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压将随着发生变化；第二，当电网电压波动时，整流电路的输出电压直接于变压器副边6电压有关，因此输出直流电压也相应发生变化。已知从变压器降压后得到的电压大约为 Uo=9*1.414=13V，故若是直接用稳压芯片降到+5V，则将有大部分的功率耗散在稳压芯片上，故我们采用分次稳压的方式，先是稳压至+12V，再通过+12V 稳压至+5V 。本次采用的芯片分别为常见的 7805 三端稳压芯片（如图 2-8） ，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 78 系
25、列和负电压输出的 79系列。顾名思义，三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有 9013 样子的 TO-92 封装。用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 7806 表示输出电压为正 6V，7909 表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。图 2-8 78
26、05 三端稳压集成电路2.1.5 电源部分整体电路电源部分整体电路如图 2-9 所示，图 2-9 +5V 线性稳压电源2.2 LED 电流驱动电路APW7207 是电流型和固定频率提高转换器集成 N-FET 开车 6 白色 led 系列。串联允许均匀亮度的LED 电流是相同的。它的低 on-resistance 场效应电晶体和反馈电压降低功率损耗,达到效率高。电流型7PWM 操作快 1 mhz 用于输入和输出电容和小型 l 感应或输入供应同时最小化的涟漪。OVP 销监视器输出电压和停止开关如果超过过电压阈值。一个内部启动期间 soft-start 电路消除了涌流。APW7207 还集成了欠压锁定,过热保护,电流限制电路。图 2-10 为芯片内部结构，图 2-10 APW7207 芯片内部结构图 2-11 APW7207 管脚说明通过查看 APW7207 的 Datasheet，我们可知，该芯片可以通过+5V 驱动 6 个串联的高亮 LED 灯，且电流仅为 20mA。
