1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 LED 驱动技术 摘要 ： 随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快，智能度越来越高，应用范围也得到了极大的扩展。在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。在娱乐方面，场地的装饰离不开彩灯。在建筑方面也采用彩灯来装饰高楼大厦。彩灯又灵活多变的点灯方式，装饰效果非常好，特别在晚上使得高楼大厦更加漂亮。 LED灯以寿命长、可靠耐用、抗震性好、高效低耗、点亮速度快、体积小、重量轻等优点得到广泛的应用 1。 LED是一种固体光源 ，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，
2、放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对 LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高。 关键词： LED；驱动；高功率； 1. 引言 09 年以来， LED 的市场需求呈现迅 速上升的势头，主要 LED 厂家的签约金额与去年同期相比增长 20，有的甚至较去年几乎翻了一番。还有许多新进入 LED 领域的公司，成绩也很优异。与往 年 。 比较，今年市场萌动得早，大项目多，已经实施的千万元以上的项目就有十几个。进入三季度，许多重大项目进入招投标阶段。另一个特点就是由企业投资的项目明显增加，这些项目包括在商业广告方面的应用。
3、可以说， LED 作为商业广告媒体，在沉寂了近十年以后，再一次受到广告界的青睐 2。同时， LED 出口的形势也令人鼓舞。九月初，在深圳举办了一年一度的光博会，这次展会，是一年来 LED 产业的大展示。 LED 大屏， LED照明， LED 交通信号灯， LED 生产设备、测试设备等琳琅满目，说明我国 LED 产业的新高潮已经到来。本次展会是一个标 志，标志我国 LED 产业走到了一个国产化的转折点。国际知名的 LED 发光管厂家，屏幕厂家，也开始大规模地转到中国内地，中国内地将成为 LED及其产品的制造中心。广阔的市场、良好的投资环境、低廉的劳动力成本，使得中国逐渐成为世界电子工业的制造中心
4、。正如电脑，手机，电视机等电子产品一样，中国也是 LED 大屏业的制造中心 。 可以说，我国 LED 行业正在迎来一个新的高潮。认真地研究市场发展和技术进步的新2 情况，采取正确的对策，抓住机遇，迅速提高并持续发 展。 2.LED驱动电路开发 作为近年来最具有革命性意义的技术发明形成的产业 ， LED 被称为继明火和白炽灯之后的第三次照明革命，有着广阔的发展前景。很多国家和地区相继出台各种政策扶持 LED 产业的发展，以希望该产业能够成为国家重要产业的重要组成部分。 LED 是一种节能、环保、小尺寸、快速、多色彩、长寿命的新型光源。近年来国内许多厂家都在积极研发 LED 新型灯具。但是一个不容
5、忽视的事实是与 LED 灯配套的驱动器却没有及时跟上来，驱动电路性能不佳，故障率高，成了 LED 推广应用的瓶颈，其中还有许多技术问题需要研究解决 3。 2.1 新型高功率 LED 驱动电路 图 1 是新型 LED 灯专用驱动电路。考虑照 明灯具整体效率时，电源效率与 LED 发光效率同样重要。基本上 LED 的顺向电压只有数 V 非常低，因此 LED 灯可以使用各种方法，转换 AC100110V 电源驱动 LED，然而 LED 灯专用驱动电路本身，就有各式各样的特性与问题，接着根据电源效率的观点，透过各种驱动电路的比较，深入探讨各种驱动方式的特征。 图 1 新型 LED 灯专用驱动电路 驱动
6、方式主要分成三大类，分别是： (1)降压、分压方式； (2)直接使用 AC100110V 方式； (3)使用 DC140V 方式 4。 有关第 (1)项降压、分压方式，本质上 LED 的顺向电 压非常低，因此可以使用变压器降压，或是使用平顺化电容器降压，类似这样降压、分压方式，主要缺点是损失非常大，经常3 高达 1020%。此外 LED 高辉度化时，必须提高输出、增加电流，然而电流稳定化却需要使用电流稳定化控制电路，其结果反而造成组件使用数量、制作成本有增加之虞。 有关第 (2)项，直接使用 AC100110V 方式施加至 LED 灯群，由于这种方式没有任电力何损失，因此它的电源效率几乎是 1
7、00%，目前所有交流驱动 LED 灯都采用这种方式。动作时它是直接对 LED 灯施加半波或是全波波形，由于这种方式并没有平顺化电路， 因此辉度会急遽降低，严重时会出现闪烁现象，此外 LED 的使用数量高达 2 倍，即使如此下列驱动方式同样会使全光束降低。 有关第 (3)项使用非降压 DC 方式，由于这种方式的 AC100110V 未作降压、分压，直接进行全波整流、平顺化取得 DC140V 的电源，因此电源效率非常高，可以施加到 LED 灯群的电压也超过 100V。非降压 DC 方式通常是串联连接 LED，它可以获得非常明亮的照明，不过这种方式使用大静电容量的平顺化电容器，因此会有许多突发电流流
8、动 5。 半导体继电型突波电流抑制电路构成的新型高 功率 LED 灯驱动电路，可以 有效削减不必要的电力消费， 90110V 的电源电压， 1020W 的输出电力，电源效率高达 80.791.7%，而且还可以降低突波电流，点灯时的电流降至 1A 以下，因此断电器完全没有跳脱之虞。一般认为今后照明用 LED，可望朝复数 LED 封装 化、高发光效率方向发展，届时 LED 顺向电压变高后，未作降压、分压直接使用 DC140V 的高功率 LED 灯驱动电路势必受到重视。 2.2 全数字控制可控硅调光 LED 驱动器设计 设计中 HBLED 由开关型变换器驱动，采用 PWM 调光方法， LED 驱动器
9、连接可控硅调光器，可控硅斩波后经整流到达 flyback 变压器，从而把能量传递到副边给 DC-DC 供电。副边 MCU初始化后，进行恒流和保护等参数设置，并通过辅助绕组和片内比较器检测可控硅的导通角，实现恒流、调光和保护等功能。为使可控硅可靠导通，在整流桥后接入了稳定可控硅导通电路。系统具有以下功能： (1)保证可控硅调光器可靠地导通； (2)功率因数在 0.95 以上； (3)驱动器效率在 72%以上； (4)LED 具有恒流功能； (5)具有可控硅调光功能（ 1% 100%）； (6)各种保护功能 6。 设计了一种可通过可控硅调光器进行调光的 LED 驱动系统，通过对变压器进行优化设计，
10、以软硬件结合的方式进行可控硅导通角的实时判断并快速、稳定地转化为调光信号，很好地保证了可控硅调光器的可靠工作，从而实现了可控硅对 LED 驱动器的全数字调光。 2.3 低成本 555 定时器取代微处理器对 LED 驱动器的控制 TLC5917 是一款专用 LED 驱动器，其控制八个独立的恒流电流阱。正常情况下，它要求一颗微处理器，以驱动四个数字输入信号。指令 /OE（允许输出）激活和关闭 IC.串行数4 据输入 （ SDI） 数 据在时钟（ CLK）上升沿被时钟输入至 IC 的输入移位寄存器。移位寄存器中的数据在 LE 下降沿（锁闭）转入内部开 /关锁存器中。当需要 LED 电流的简单 LED
11、开 /关控制时，下列电路使用随处可见的 555 定时器，来代替微处理器控制。 图 2 TLC555 定时器代替 LED 驱动器的微处理器 TLC5917 输出可以驱动八个独立 LED,或者也可以并联其输出以提高电流能力来驱动单个更高功率的 LED.其内部电流设置寄存器具有默认启动值。这些值与 Rext 共同设置 LED 电流。在这种应用中， Rext 将每个输出的电流设置为 IOUT= 18.75A / Rext = 18.75A / 178 ohm = 0.105A.将所有输出并联连接，得到 0.842 A 的 LED 电流 7。 上电时，内部开 /关锁存器默认将所有输出开或者关至 “0“,
12、因此在输出开启以前这些锁存器必须被设置为 “1“.555 定时器代替微处理器实现该功能。 CLK 和 LED 都同时连接至 555定时器的方波输出。在每个 CLK 上升沿， SDI 数据被移位至 TLC5917 输入移位寄存器中。在LE 的下降沿，该数据被锁存至开 /关锁存器中。由于数据的转移和锁存发生在不同的时钟沿，因此 CLK 和 LE 引脚可以 连接至相同输入时钟信号。通过硬连线 /OE 接地， IC 被永久性地激活。 SDI 可连接至 Vcc,以在上电时自动开启 LED.这种连接 “1s“连续计时，以开启所有输出。我们还可以将 SDI 连接至一个开关或者数字输入，以实现 LED 开 /
13、关控制。之后，可将 SDI拉至 Vcc,所有 “1s“连续计时，从而开启输出。否则其将被拉至接地，所有 “0s“连续计时以关闭输出。 555 定时器的时钟速度决定了 LED 开关的快慢。每个 LE 下降沿将 SDI 数据锁存至另一个八内部开 /关锁存器中时，八时钟脉冲期间 LED 电流在 0-100%之间斜坡变化，从而开启 或者关闭另一个八输出。图 2 显示了产生的阶梯状 LED 电流，其随每个连续 LE 下降沿而增加和减少。即使是相对较慢的 10 kHz 时钟频率，也会产生一个仅为 0.8mS 的关 -开和开 -关过渡，我们人眼对此的感觉仅是一瞬间。利用非常慢的时钟频率可以实现逐渐开和关。将
14、时钟频率设置为 0.1Hz,可以在 0.8 秒时间内逐渐开启和关闭 LED8。 5 2.4 用于 MR16 LED 灯的简单、可配置 LED 驱动器应用设计 CAT4201 采用降压拓扑结构，不要求输入 /输出 (I/O)电气隔离，输入电压为 12 Vac，输出功率为 2.7 W；其他规 格包括：输出电压为 9.1 V，额定输入功率 3.4 W，额定平均电流为 300 mA，最大平均电流 310 mA，最小平均电流 295 mA，典型能效为 83。图 3 是采用CAT4201 的 MR16 灯电路。 图 3 采用 CAT4201 的 MR16 灯电路 CAT4201 是一款降压型、易于配置的可
15、调光 LED 驱动器。该器件采用 5 引脚 SOT-23 封装；分立元件不到 10 个 (其中大部分是表面贴装元件 )，整个电路板可小到足以放入 MR16灯的灯座内。 VBAT、 CTRL 和 SW 引脚的额定电压为 40 V，所以可以用足够的电压驱动 12 个LED。 RSET 引脚决定输出直流电流； CTRL 用于调光信号输入 9。 SW 是内部 MOSFET 的输出引脚。 工作原理 该应用电路的工作原理并不复杂，是一个简单的降压转换器。在交流应用情况下，输入经整流桥进行整流。 VBAT 和 GND 直接连接至大容量电容 C1 的两个端点，从而降低了电流纹波。在第一开关相位期间，内部 MO
16、SFET 随线性上升电流对电感器充电，直到 MOSFET 关闭；在第二相位期间， MOSFET 被关断，而储存在电感器中的电流将通过肖特基二极管 (D5)放电，同时电流衰减， 直至下一个开关周期 10。输出电容用来减少 LED 中的电流纹波。 RSET 引脚的电压被调节在 1.2 V，因此连接至 RSET 的电阻决定 RSET 电流。 RSET 电流与 CAT4201 的恒流输出大致成正比。 该设计中提供了使用 CAT4201 设计驱动 3 颗 LED的 MR-16 灯所需的各种要素。 CAT4201有助于实现 MR-16 兼容适配器更小的尺寸和更少的元件。减少电容器和电感值，或不使用CTRL
17、 电阻有可能进一步降低成本和缩小 PCB 尺寸。使用小容量电容器会导致平均输出电流的大幅下降，因此不推荐这样做，但适用于亮度较低的 (200 至 250 mA)的应用。选择较小正向电压的高品质 LED 对实现更大输出电流的设计非常重要 11。 6 3.总结 近几年， LED 作为新型节能光源在全球和中国都赢得得了很高的投资热情和极大关注，并由户外向室内照明 应用 市场渗透，中国也涌现出大大小小上万家 LED 照明企业。让 LED照明大放异彩的最主要原因正是其宣扬的具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点。 我国 LED 行业正在迎来一个新的高潮。认真地研究市场发展和技术进步的新情况，采取正
18、确的对策，抓住机遇，迅速提高并持续发 展。 通过对各种 LED 驱动主要实现方法的分 析对比，让我对 LED 的发展还有一些新技术的特点有了一定的了解和认识。理想的 LED 驱动方式是采用恒压、恒流，采用串联方式级联多个LED。但驱动器的成本增加。其实每种驱动方式均有优缺点，根据 LED 产品的要求，应用场合，合理选用 LED 驱动方式，精确设计驱动电源成为关键。学习各种设计方案的技术要点和各自方案的优势特点，吸取其精华，为设计出系统更简单、稳定、精确、性价比高的 LED做了充分的准备。通过本次设计，参考了大量的资料，让我学到了很多，受益匪浅。 4.参考文献 1 范国平 .高功率因数软开关 A
19、C/DC 及软开关 DC/DC 变换技术的研究 D,西北工业大学 ,2001. 2 刘英斌 .林琳 .陈宏泰 .袁凤坡 .李云 .670nm 发光二极管材料的 MOCVD 外延生长 J,微纳电子技术 ,2010 年 02 期 ： 42-50. 3 任兵 .大功率 LED 照明驱动电路的研究设计 D,电子科技大学 ;2011 年 . 4 李珅 .大功率 LED 路灯设计 D,河北科技大学 ,2011 年 . 5 毛兴武 .新一代绿色光源 LED 及其应用技术 M,北京 :人民邮电出版社 ,2008. 6 阎石 .数字电子技术基础 4 版 M,北京 :高等教育出版社 ,1997.352-355.
20、7 郝鸿安 .555 集成电路实用大全 M,上海 :上海科学普及出版社 ,1996. 8 邬宽明 .80C51 系列微控制器系统原理、功能集成与应用 ,北京航空航天大学出版社 ,1995.1. 9 曾惠容 .LED 节能灯节能效果实证研究 J, 安徽农学通报 ,2011， 6： 70-81. 10 CHANG C K,CHEN T M.Sr3B2O6:Ce3+,Eu2+:a potential single-phased white-emitting borate phosphor for ultraviolet light-emitting diodesJ.Appl Phys Lett,2007,31（ 7） 35-42. 11 LI Pan-lai,YANG Zhi-ping,WANG Zhi-jun,et al.Spectrum characteristics of 7 Sr3SiO5:Eu2+ phosphorJ,Acta Photonica Sinica,2008,37(10):201-204.
