畢業(yè)論文--dc-dc led驅(qū)動電路設(shè)計(jì) (含外文翻譯）

1、<p>　　畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）</p><p>　　中文題目： DC-DC LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì) </p><p>　　英文題目: The DC-DC Driver Cricuit Design of LED </p><p>　　DC-DC LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>&

2、lt;b>　　中文摘要</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著大功率LED在燈光裝飾和照明中的普遍使用，大功率LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)顯得越來越重要。在LED迅速發(fā)展的今天，LED驅(qū)動電路也隨之快速跟進(jìn)，多種驅(qū)動方式并存，不同的設(shè)計(jì)方案在完善。在LED照明領(lǐng)域，沒有好的驅(qū)動器的匹配，LED照明的優(yōu)勢將無法體現(xiàn)。大功率L

3、ED是電流型器件，嚴(yán)格的控制流過LED的電流是恒定的及其重要，而且還要實(shí)現(xiàn)可以對LED調(diào)光，滿足各種需求。 本論文對LED的驅(qū)動方式進(jìn)行了深入探討，并基于集成電路PT4115設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本、高效率、發(fā)光可調(diào)的恒流驅(qū)動電路，用以實(shí)現(xiàn)大功率LED的驅(qū)動。對驅(qū)動電路原理進(jìn)行分析后，動手制作了實(shí)物電路，并用示波器觀察了電路輸出波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路能保證LED的穩(wěn)定高效率發(fā)光，在工程上有廣泛地應(yīng)用前景。</p>

4、;<p>　　【關(guān)鍵詞】：大功率LED、開關(guān)電源、PWM、恒流驅(qū)動、PT4115、STC89C52</p><p><b>　　英文摘要</b></p><p>　　The DC-DC Driver Cricuit Design of LED </p><p>　　Author： Zhou Biaoping Major：E

5、lectronic Information Engineering</p><p>　　Teacher：Cao Jianzhong Title：professor</p><p>　　(Electronic Science Deparment of Huizhou University，Guangdong，Huizhou，516007)</p><p>&l

6、t;b>　　Abstract</b></p><p>　　With the widespread use of high-power LED in the lighting and decoration ,the driver circuit design of high-power LED is becoming increasingly important. Today at the rap

7、id development of LED, LED drive circuit also will fast track, multi-drive circuit modes exist,and different designs options is in improving. in the area of LED lighting, if there is no good driver circuit using, the adv

8、antages of LED will not be reflected. High-power LED is current-mode devices, strict control of constant curre</p><p>　　The dissertation discusses in depth the driving LED mode, and based on IC PT4115 I desi

9、gn a lowcost,high efficiency, longer life,dimmable and constant current drive circuit to drive high-power LED. Then to analysis the driving circuit, I made the physical circuit and watched the circuit output with an osci

10、lloscope waveform. The experimental results show that the design of the drive circuit can guarantee the stability of high-efficiency light-emitting LED, and I think that the driver circuit will</p><p>　　【key

11、 words】: High-power LED;Switching power supply;PWM;Constant current driver circuit;PT4115;STC89C52</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p><b>

12、;　　英文摘要II</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1 白光LED發(fā)展的背景和意義1</p><p>　　1.2 白光LED的發(fā)展簡介2</p><p>　　1.3 課題介紹與研究意義4</p><p>　　第二章 用到相關(guān)知識5</p>&

13、lt;p>　　2.1 LED發(fā)光原理5</p><p>　　2.2 白光LED的伏安特性5</p><p>　　2.3 白光LED的連接方式7</p><p>　　2.3.1 串聯(lián)驅(qū)動8</p><p>　　2.3.2 并聯(lián)驅(qū)動8</p><p>　　2.3.3 混聯(lián)驅(qū)動8</p>&l

14、t;p>　　2.4 LED驅(qū)動現(xiàn)狀研究8</p><p>　　2.4.1 電阻限流電路8</p><p>　　2.4.2 線性控制電路9</p><p>　　2.4.3 電荷泵升壓電路10</p><p>　　2.4.4 開關(guān)變換電路11</p><p>　　2.5 脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源原理1

15、2</p><p>　　2.5.1 電壓控制模式13</p><p>　　2.5.2 電流控制模式16</p><p>　　2.6 STC89C52單片機(jī)簡介18</p><p>　　2.6.1 STC89C52單片機(jī)主要性能參數(shù) 18</p><p>　　2.6.2 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)的

16、設(shè)計(jì)19</p><p>　　2.6.3 單片機(jī)時(shí)鐘電路20</p><p>　　2.6.4 單片機(jī)復(fù)位電路20</p><p>　　2.7 PWM調(diào)光技術(shù)21</p><p>　　第三章 設(shè)計(jì)總思路23</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)思想23</p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)總框

17、圖23</p><p>　　第四章 硬件電路設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.1 LED恒流驅(qū)動電路設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.1.1 芯片比較選取24</p><p>　　4.1.2 PT4115芯片了解25</p><p>　　4.1.3 設(shè)計(jì)電路28</p><p>　　

18、4.2 PWM調(diào)光電路設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.3 單片機(jī)供電電路32</p><p>　　4.3.1 開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)32</p><p>　　4.3.2 LM2576芯片33</p><p>　　4.3.3 電路設(shè)計(jì)34</p><p>　　第五章 結(jié)果分析35</p><p&g

19、t;<b>　　5.1 實(shí)物35</b></p><p>　　5.2 效率測定36</p><p>　　第六章 總 結(jié)36</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　致 謝39</b></p><p>　　附

20、件1 全部電路原理圖40</p><p>　　附件2 PWM調(diào)光程序40</p><p>　　附件3 外文翻譯45</p><p><b>　　原文45</b></p><p><b>　　譯文49</b></p><p><b>　　第一章 緒 論&l

21、t;/b></p><p>　　在電光源發(fā)展的一百多年來，光源照明電器己經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)重要的發(fā)展階段，這三個(gè)階段的代表性光源分別為白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈?，F(xiàn)在人們普遍認(rèn)為照明LED是第四代光源。</p><p>　　1.1 白光LED發(fā)展的背景和意義</p><p>　　白熾燈時(shí)代即將和我們告別了。整個(gè)20世紀(jì)，愛迪生發(fā)明的白熾燈經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，成

22、為標(biāo)準(zhǔn)的通用照明工具。但新的照明技術(shù)－尤其是發(fā)光二極管必將最終代替白熾燈和熒光燈。</p><p>　　當(dāng)整個(gè)世界都在因?yàn)槿找嫔仙哪茉闯杀径?jié)省能源預(yù)算時(shí)，白熾燈照明技術(shù)顯然站在了錯誤的一邊。一個(gè)白熾燈消耗的能源中有97％被浪費(fèi)。熒光燈雖然稍好一些，但仍然浪費(fèi)了85％的能量。而且，這兩種燈的平均使用壽命都只有大約5000個(gè)小時(shí)。另外，熒光燈還使用了有毒的汞，發(fā)出的光更是顏色粗糙。這兩種技術(shù)都無法和白光LED相比

23、－它不僅使用壽命是前者的10倍，也不使用有毒物質(zhì)，而且?guī)缀跄馨l(fā)出任何顏色的光。更重要的是，它的光轉(zhuǎn)換效率絕不亞于熒光燈。因此，在通用照明應(yīng)用領(lǐng)域，向LED技術(shù)的過渡將大大降低能源消耗。</p><p>　　盡管白光LED是當(dāng)今的大規(guī)模照明的一個(gè)理想方案，但若要把驅(qū)動LED的電子設(shè)備普及到每一個(gè)燈泡中，設(shè)計(jì)者還面臨著不小的挑戰(zhàn)。主要問題是目前LED驅(qū)動電路的性能還沒有實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，其中關(guān)鍵的技術(shù)問題是驅(qū)動電子系統(tǒng)

24、的電子能量轉(zhuǎn)換效率由于離散范圍極大、參數(shù)難于控制，其高低和穩(wěn)定性就成了整個(gè)LED實(shí)用技術(shù)與產(chǎn)品參數(shù)的重中之重。其次，空間的限制要求LED驅(qū)動器必須小巧且高效。</p><p>　　接觸過LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡即正向動態(tài)電阻非常小，要給LED供電就比較困難。不能像普通白熾燈一樣，直接用電壓源供電，否則電壓波動稍增，電流就會增大到將LED燒毀的程度。為了穩(wěn)住LED的工作電流，保證LED能正常可

25、靠地工作，各種各樣的LED驅(qū)動電路就應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　白光LED的高效節(jié)能、綠色環(huán)保優(yōu)點(diǎn)使得各個(gè)國家和地區(qū)投入了大量財(cái)力人力資源啟動自己的半導(dǎo)體照明計(jì)劃，如表1-1所示[11-12]：</p><p>　　表1-1 各國半導(dǎo)體照明計(jì)劃</p><p>　　1.2 白光LED的發(fā)展簡介</p><p>　　1962年，在美國通用電

26、器公司工作的博士Holon yak用化合物半導(dǎo)體材料磷砷化鎵(GaAsP)研制出第一批發(fā)光二極管[3]。早期的LED只能發(fā)紅、綠等單色光，且功率小，效率低，只適合于裝飾燈、指示燈等應(yīng)用場合。1996年，日亞公司首先采用InGaN藍(lán)光芯片加YAG（釔鋁石榴石）黃色熒光粉的方法制成白光LED，此后白色LED得到迅速發(fā)展，人們通過各種辦法獲得了白光LED，開啟了LED邁入照明市場的序幕。表1-2列出了目前產(chǎn)生白光LED的主要方法。</p

27、><p>　　從理論和技術(shù)的發(fā)展分析，白光LED的光效可以達(dá)到283lm/W。但是早期的白光LED發(fā)光效率低，低于白熾燈和熒光燈的發(fā)光效率（白熾燈的發(fā)光效率為161m/W，40W熒光燈的發(fā)光效率601m/W， 60W熒光燈的發(fā)光效率為100lm/W )。此后由于材料、封裝等技術(shù)進(jìn)步，目前商業(yè)LED的發(fā)光效率水平已超過150lm/W，實(shí)驗(yàn)室最新成果達(dá)到208lm/W。</p><p>　　表1-

28、2 產(chǎn)生白光的LED的主要方案</p><p>　　隨著技術(shù)進(jìn)步、亮度提升，高亮度白光LED正一步步進(jìn)軍潛力龐大無比的燈光照明市場。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全球照明市場的年均成長率約為5.5 % ，2000年市場規(guī)模達(dá)45億美元。若以每年白光LED發(fā)光效率平均成長60%的速度開發(fā)下去，要達(dá)到大型化、低價(jià)化、使用壽命長的照明用光源并非不可能。目前Lumileds、日亞化工、豐田合成、住友電工等業(yè)者都已有較為成熟的照明產(chǎn)品問世，

29、只是價(jià)格與常規(guī)燈泡相比仍有很大的差距。預(yù)計(jì)未來，LED燈具對全球照明工業(yè)將造成巨大的沖擊。正因?yàn)榇耍鹘缍紝Π坠釲ED寄以厚望，LED也享有“綠色照明光源”之稱。[11]</p><p>　　1.3 課題介紹與研究意義</p><p>　　隨著全球能源危機(jī)和氣候變暖問題的日益嚴(yán)重，綠色節(jié)能已經(jīng)成為全球普遍關(guān)注的話題，人們正通過各種途徑尋找新的節(jié)能方式。照明是人類消耗能源的重要方面，在電能消

30、耗中，發(fā)達(dá)國家照明用電占發(fā)電總量的比例是19%,我國也達(dá)到12%.隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的照明用電將有大比例的提高，因此綠色節(jié)能照明的研究越來越受到重視。LED 作為一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度放電燈（如高壓鈉燈和金鹵燈）之后的第四代新光源?；诎坠釲ED 的固態(tài)照明，是一種典型的綠色照明方式，與傳統(tǒng)光源相比，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、安全可靠等特點(diǎn)，代表著照明技術(shù)的未來，并符合當(dāng)前政府提出的"建設(shè)資源節(jié)約型和

31、環(huán)境友好型社會"的要求?？梢灶A(yù)見不久的將來，LED 必然會進(jìn)入普通照明領(lǐng)域取代現(xiàn)有的照明光源。</p><p>　　目前，市場上采用白熾燈、鹵素?zé)簟晒鉄魹楣庠吹臒羝毡榇嬖谥托省⒏吣芎?、不易調(diào)光等缺點(diǎn)；至于壽命結(jié)束的含汞燈，一旦處理不當(dāng)，將對環(huán)境造成嚴(yán)重危害；而且部分臺燈產(chǎn)品功能單一，缺少亮度調(diào)節(jié)，無法適應(yīng)現(xiàn)代家庭生活的實(shí)際需求。為解決當(dāng)前問題，本文設(shè)計(jì)了以AT89C52 單片機(jī)為核心的白光LED

32、燈系統(tǒng)，采用PT4115 大功率LED 恒流驅(qū)動方案，可實(shí)現(xiàn)對LED 臺燈的PWM 調(diào)光控制，在實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的同時(shí)，為家庭使用提供了極大的便捷。</p><p>　　第二章 用到相關(guān)知識</p><p>　　2.1 LED發(fā)光原理</p><p>　　發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在

33、某些半導(dǎo)體材料PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。</p><p>　　2.2 白光LED的伏安

34、特性</p><p>　　LED驅(qū)動電路就是能為LED的正常工作提供所需的電壓和電流的電路。要了解LED驅(qū)動電路的工作特性，就必須先了解LED的電學(xué)特性。</p><p>　　圖2-1 不同白光LED的電流—電壓特性之間的差異性</p><p>　　圖2-1所示的是不同白光LED之間，甚至是從同一產(chǎn)品批次中隨機(jī)挑選的LED之間的正向電流電壓特性的差異。圖中橫坐標(biāo)為通

35、過不同LED的正向電流，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的外加正向電壓。可以看出，在恒定電壓的驅(qū)動下，不同LED上流經(jīng)的正向電流大小不同，由于LED的發(fā)光亮度主要受其驅(qū)動電流的影響，從而導(dǎo)致發(fā)出的白光亮度不同，如圖中虛線所示。而且，LED正向?qū)ê?，外加正向電壓的?xì)小變動都將引起LED電流的很大變化，從而導(dǎo)致出射光光強(qiáng)的變化。</p><p>　　再如下圖2-2 (a) 所示，為美國Lumileds Lighting公司一種超高亮L

36、ED白光LED (HPWA-xH00)在常溫 (25℃) 下，光通量Φ與其正向電流IF的關(guān)系曲線。從該圖中可以看出，LED的發(fā)光亮度與正向平均電流大小基本上成正比關(guān)系，因此可以通過控制LED的正向電流IF來控制其發(fā)光亮度。</p><p>　　圖2-2(b)給出了該大功率LED在常溫下(25℃)的I-V曲線，從圖中可以看出通過控制其正向電壓VF就可以控制其正向電流IF，從而控制其發(fā)光亮度。在正向電壓值小于某一值(

37、閾值)時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，從而使LED發(fā)光。但如果采用恒壓源驅(qū)動，VF的微小變化就會引起IF的較大變化，從而會引起LED發(fā)光亮度的較大變化。所以，采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動。</p><p><b>　　(b)</b></p><p>

38、　　圖2-2 HPWA-xH00在常溫下的光通量與IF曲線以及I-V曲線關(guān)系</p><p>　　2.3 白光LED的連接方式</p><p>　　白光LED的連接方式有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種，如圖2-3所示。下文分析了各種連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及其各自的應(yīng)用場合。</p><p>　　圖2-3 白光LED的連接方式</p><p>　　2.3.1

39、 串聯(lián)驅(qū)動</p><p>　　串聯(lián)驅(qū)動保證流過每個(gè)LED的電流相等，而LED的發(fā)光亮度和其導(dǎo)通電流呈正比關(guān)系，所以采用此種驅(qū)動方式可以使LED發(fā)光亮度均勻，適合對發(fā)光亮度的匹配性要求高的場合。串聯(lián)驅(qū)動的不足是其需要較高的驅(qū)動電壓，所以需要升壓電路將電源電壓抬升或者直接的高電源電壓，而高的電源電壓往往要求芯片采用耐高壓工藝制造，如BCD工藝。另外，如果一個(gè)LED斷開，則整個(gè)LED串就熄滅。當(dāng)采用恒定電壓驅(qū)動時(shí)，如

40、果某個(gè)LED短路，則余下的LED的正向壓降會增加，致使電流增大，可能會燒毀LED燈和電路。當(dāng)然，采用恒定電流驅(qū)動時(shí)不會存在上述問題。</p><p>　　2.3.2 并聯(lián)驅(qū)動</p><p>　　并聯(lián)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是只需要低的電源電壓就可以驅(qū)動多個(gè)LED，其要求驅(qū)動電路能提供大的驅(qū)動電流。由前述知LED正向?qū)▔航荡嬖谝欢ú町?，所以并?lián)驅(qū)動的最大不足是流過每個(gè)LED的電流不相等，致使LED的亮

41、度不匹配。當(dāng)并聯(lián)LED采用恒流驅(qū)動的方式時(shí)，如果某個(gè)LED燈斷開，則會使余下LED流過的驅(qū)動電流增大，導(dǎo)致可能損壞所有的LED 。</p><p>　　2.3.3 混聯(lián)驅(qū)動</p><p>　　當(dāng)要驅(qū)動的LED數(shù)量很多時(shí)，若采用串聯(lián)驅(qū)動，則會要求很高的電源電壓;若采用并聯(lián)驅(qū)動，則會要求很大的負(fù)載驅(qū)動電流，所以就出現(xiàn)了混聯(lián)驅(qū)動?；炻?lián)驅(qū)動是串/并聯(lián)兩種方式的綜合，適合于驅(qū)動大量LED的場合。&

42、lt;/p><p>　　當(dāng)然，以上分類并沒有絕對的優(yōu)劣之分，還要看實(shí)際的應(yīng)用場合。例如對于作為手持設(shè)備背光用的LED驅(qū)動電路，要求驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)簡單，封裝較小，以實(shí)現(xiàn)小型化，而驅(qū)動方式上，多采用并聯(lián)驅(qū)動。對于照明用白光LED的驅(qū)動電路，要求有較大的驅(qū)動電流，較好的光匹配度，因此多采用串連驅(qū)動。</p><p>　　2.4 LED驅(qū)動現(xiàn)狀研究</p><p>　　LED恒

43、流驅(qū)動常用方法有電阻限流、線性控制調(diào)節(jié)、電荷泵升壓、開關(guān)變換器控制等。下面對現(xiàn)有的各種控制方法進(jìn)行簡要的介紹。</p><p>　　2.4.1 電阻限流電路</p><p>　　這類應(yīng)用的原理圖如圖2-4所示，電阻限流電路控制方式是根據(jù)LED的I-V曲線來確定預(yù)期正向電流所需要的電壓，過一個(gè)串聯(lián)電阻來控制LED的電流。一般根據(jù)LED參數(shù)和發(fā)光強(qiáng)度，可以得到LED的直流電流，從而可知LED兩

44、端的電壓，限流電阻值：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：Vin為電路的輸入電壓；IF為IED的正向電流；VF為LED在正向電流為IF時(shí)的壓降；VD為防反二極管的壓降(可選)。</p><p>　　圖2-4 電阻限流電路</p><p>　　這個(gè)應(yīng)用方案簡單易行，只需要一個(gè)限流電阻

45、就可以控制LED的光強(qiáng)，但存在不少的缺點(diǎn):輸入電壓的微小變化都會導(dǎo)致LED電流的變化，從而影響光通量輸出；限流電阻上會消耗大量的功率而使得整個(gè)系統(tǒng)效率不高；當(dāng)這種調(diào)光方式在對白光LED燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)時(shí)，會使LED發(fā)出的白光顏色發(fā)生偏移，不利于把這種控制方式用于日常照明系統(tǒng)，所以這種方式多用在對光色要求不高的情況。</p><p>　　2.4.2 線性控制電路</p><p>　　與電阻限流

46、法相比，線性控制法在精度上有了很大的提高。其基本的原理是:線性控制是把工作于線性區(qū)的功率管等效為一個(gè)動態(tài)電阻，通過負(fù)反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率管的阻值大小使得流過LED的電流維持在一個(gè)恒定的值。但是由于功率管工作在線性區(qū)，消耗了較多的功率，系統(tǒng)的效率不高。線性調(diào)節(jié)器可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。</p><p>　　圖2-5 并聯(lián)型線性控制器和串聯(lián)型線性控制器</p><p>　　并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器又稱

47、為分流調(diào)節(jié)器。它采用功率管與LED并聯(lián)，分流掉負(fù)載的一部分電流。與電阻限流電路相似，分流調(diào)節(jié)器也同樣需要串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rload，如圖2-5(a)所示。當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，流過LED上的電流增加，反饋電壓增大使得功率管Q1的動態(tài)電阻減小，流過Q1的電流將會增大，這樣就增大了限流電阻Rload上的壓降，從而使得LED上的電流和電壓保持恒定。分流調(diào)節(jié)器同樣由于串入了限流電阻，系統(tǒng)的效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒流輸

48、出。</p><p>　　串聯(lián)型調(diào)節(jié)器是采用功率管與LED串聯(lián)，當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，使功率管的動態(tài)電阻增大，從而使得功率管上的壓降增大，以保持LED上的電壓(電流)恒定，如圖2-5(b）所示。這種控制方式與并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器相比，由于少了串聯(lián)的線性電阻，使得系統(tǒng)的效率較高。但是由于功率三極管或MOSFET管都有一個(gè)飽和導(dǎo)通電壓，因此輸入的最小電壓必需大于功率管的飽和電壓與負(fù)載電壓之和，使得整個(gè)電路的電壓調(diào)節(jié)范圍受限。

49、</p><p>　　2.4.3 電荷泵升壓電路</p><p>　　電荷泵升壓電路（圖2-6）又稱為開關(guān)電容升壓控制器。它利用分立電容將電能從輸入端傳送到輸出端，整個(gè)電路不需要任何的電感。電荷泵變換器設(shè)計(jì)比較簡單，只需根據(jù)元件規(guī)格來挑選適合的電容。但它的主要缺點(diǎn)是只能提供有限的輸出電壓范圍，大多數(shù)充電泵電路的輸出電壓增益為輸入電壓的1，3/2，或2倍。若要驅(qū)動多個(gè)LED時(shí)，必須采用并聯(lián)驅(qū)

50、動方式。此時(shí)為了防止并聯(lián)支路上電流分配不均，每條并聯(lián)支路上必須使用鎮(zhèn)流電阻，這樣會消耗大量的功率，整個(gè)系統(tǒng)的效率就會降低。</p><p>　　圖2-6 電荷泵升壓電路</p><p>　　2.4.4 開關(guān)變換電路</p><p>　　開關(guān)電源電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)功率管的通斷比可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，理論上將功率管的損耗降低為0V。開關(guān)電源作為能量變換中效率最高的一種方

51、式，特別適用于大功率LED的亮度控制。與傳統(tǒng)的電壓型Buck, Boost, Buck-Boost變換器不同的是大功率LED的驅(qū)動電路的反饋量是流過LED的電流信號而不是輸出電壓信號，如圖2-7，以此來滿足LED的恒流驅(qū)動要求。</p><p>　　采用Buck拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)低于輸入電源電壓的輸出。這是一種定周期、定時(shí)刻導(dǎo)通的控制方式，通過控制LED的峰值電流來調(diào)節(jié)LED的亮度，整個(gè)控制電路結(jié)構(gòu)比較簡單。采用Boo

52、st可以實(shí)現(xiàn)高于輸入電源電壓的輸出幅值。與電荷泵電路不同的是Boost理論上的升壓增益可以無窮大，所以在連接多個(gè)LED方式時(shí)可以采用串聯(lián)方式，保證了每個(gè)LED的發(fā)光亮度都相同，并且限流電阻也只需要一個(gè)，有效的提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，可以說是所有驅(qū)動電路中效率最高的。不過與電荷泵升壓電路相比，需要電感元件，增加了系統(tǒng)的成本和體積。與傳統(tǒng)的Buck-Boost變換器相比，用于大功率LED驅(qū)動的Buck-Boost型變換器電路是將開關(guān)管移至輸入

53、電壓的負(fù)端，從而使得開關(guān)管的驅(qū)動更加簡單。通過控制LED的峰值電流及其導(dǎo)通占空比，來調(diào)節(jié)LED的平均電流，以達(dá)到LED亮度調(diào)節(jié)的目的。</p><p>　　圖2-7 Buck、Boost、Buck-Boost型大功率LED驅(qū)動電路</p><p>　　2.5 脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源原理</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制方式（PWM），其開關(guān)頻率恒定，通過調(diào)節(jié)

54、導(dǎo)通脈沖的寬度來改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對能量向負(fù)載傳遞的控制，稱之為“定頻調(diào)寬”。</p><p>　　本節(jié)將介紹降壓型脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源DC/DC變換器Buck拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)，Buck結(jié)構(gòu)的變換原理和控制方式。開關(guān)電源DC/DC變換器從控制模式上可以分為兩類，電壓控制模式（Voltage Control Mode）和電流控制模式（Current Control Mode）。下面分別介紹電壓控制模式和電流

55、控制模式的原理和特點(diǎn)。</p><p>　　2.5.1 電壓控制模式</p><p>　　取代線性變換器的開關(guān)型變換器早在20世紀(jì)60年代就開始應(yīng)用。它將快速通斷的晶體管置于輸入和輸出之間，通過調(diào)節(jié)占空比來控制輸出直流電壓的平均值。降壓型的電壓模式開關(guān)電源Buck變換器的原理圖如圖2-8所示。其中開關(guān)器件Q1與直流輸入電壓VDC直接相連。在每個(gè)周期T內(nèi)，Q1導(dǎo)通時(shí)間為Ton。在Q1導(dǎo)通時(shí)，

56、V1點(diǎn)電壓為VDC（設(shè)Q1導(dǎo)通時(shí)兩端的電壓降為零）。Q1關(guān)斷時(shí)V1點(diǎn)的電壓迅速下降為0V(假設(shè)續(xù)流二極管D1的兩端的電壓降也為零)，則V1點(diǎn)的電壓波形為矩形波，如圖2-12所示，Ton時(shí)的電壓為VDC，其余時(shí)間電壓為零，則V1點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓直流值為VDC*Ton/T。LC濾波器接在V1和Vo之間它使輸出點(diǎn)Vo成為幅值等于V DC*Ton/T的無尖鋒無紋波的直流電壓。</p><p>　　圖2-8電壓模式開

57、關(guān)電源Buck拓?fù)涞脑韴D</p><p>　　其邏輯關(guān)系是，當(dāng)VDC上升時(shí)，則Vo上升，誤差放大器輸出電壓Vea下降，鋸齒波高于Vea的時(shí)間提前，也就是Q1導(dǎo)通時(shí)間Ton縮短，使得Vo =V DC *Ton/T保持不變；同理，如果VDC下降，則Q1導(dǎo)通時(shí)間Ton延長，最終的結(jié)果也保證Vo不變。由此可以總結(jié)出，無論輸入電壓VDC如何波動，電壓控制系統(tǒng)都會改變Q1的導(dǎo)通時(shí)間Ton，使得最終的輸出電壓維持在Vo =V

58、ref(1+R2/R1)。</p><p>　　下面就詳細(xì)的分析一下整個(gè)電路的工作過程和波形變化，假設(shè)輸出為Vo。</p><p>　　圖2-9 Buck變換器連續(xù)工作模式下各節(jié)點(diǎn)波形</p><p>　　在每個(gè)周期開始時(shí)，電感L上的初始電流為I1，Q1由控制信號驅(qū)動后導(dǎo)通，二極管反偏截止，加在L上的電壓的大小為VDC-Vo，由于電感兩端的電壓恒定，所以流過電感的

59、電流線性上升到I2，其斜率為。當(dāng)控制信號使Q1關(guān)斷時(shí)，由于電感的電流不能突變，所以電感兩端電壓極性迅速顛倒，二極管導(dǎo)通續(xù)流，這種電壓極性顛倒的現(xiàn)象稱為電感反沖。如果沒有接二極管D1，則V1點(diǎn)的電位會變得很負(fù)以保持電感L上的電流方向不變，這會讓Q1兩端的電壓差過大而損壞開關(guān)，接上二極管后，實(shí)際V1點(diǎn)的電壓被箝位于比地低一個(gè)二極管導(dǎo)通壓降。電感兩端的電壓極性反轉(zhuǎn)后，電感中的電流線性下降，其斜率為。Q1關(guān)斷結(jié)束后，電感上的電流降低到I1。當(dāng)Q

60、1再次導(dǎo)通時(shí)，D1的電流減少，Q1上的電流迅速增加并取代了二極管的D1正向電流直到D1上的電流為零，D1再次反偏，V1恢復(fù)到VDC，電感的電流開始重復(fù)前一個(gè)周期的變化過程。在整個(gè)周期內(nèi)，電感的電流會有I2-I1的上下波動，輸出電流Io的大小就是。雖然Io會根據(jù)負(fù)載的變化而變化，但是整個(gè)電感電流上升和下降的斜率卻和負(fù)載無關(guān)。</p><p>　　以上討論的Buck變換器的工作過程是基于穩(wěn)定工作時(shí)電感上的電流在下降的

61、過程中沒有下降到0，也就是I1>0，我們稱這種模式為連續(xù)工作模式，如圖2-9中所示。如果電感上的電流在下降的過程中下降至零，也就是在電感上的儲能被完全釋放，我們稱這種工作模式為不連續(xù)模式，如圖2-10所示。</p><p>　　圖2-10 不連續(xù)工作模式下的電流波形圖</p><p>　　不連續(xù)工作模式輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系推導(dǎo)如下。在一個(gè)周期T內(nèi)，當(dāng)Q1開啟時(shí)，電流從0開始增加，

62、則直到Q1關(guān)斷時(shí)電感電流為，Q1關(guān)斷期間Toff，假設(shè)經(jīng)過Tr時(shí)間（也就是二極管D1導(dǎo)通得時(shí)間）后電感中的能量完全釋放供給負(fù)載，為保證L的電流在Q1下次導(dǎo)通之前已經(jīng)下降到0，則。因電感電流上升和下降的絕對值相等，則，化簡得。</p><p>　　從控制理論的角度分析，電壓模式控制在整個(gè)控制電路中只有一個(gè)反饋環(huán)路，是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。電壓控制型變換器是一個(gè)二階系統(tǒng)，它有兩個(gè)狀態(tài)變量：輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感

63、的電流。二階系統(tǒng)是一個(gè)有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對控制電路進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和計(jì)算后，在滿足一定的條件下，閉環(huán)系統(tǒng)方能穩(wěn)定的動作，開關(guān)電源的電流流經(jīng)電感，對電壓信號有90度的相位延遲。因此，僅用電壓采樣的方法穩(wěn)壓，響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號時(shí)產(chǎn)生振蕩，從而損壞功率器件。</p><p>　　電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)是：（1）單環(huán)反饋的設(shè)計(jì)和分析比較容易進(jìn)行；（2）鋸齒波振幅較大，對穩(wěn)定的調(diào)制過程可提供較好的噪聲余度；（3

64、）低阻抗功率輸出，對多輸出電源具有較好的交互調(diào)節(jié)特性。</p><p>　　電壓控制模式的缺點(diǎn)是：（1）動態(tài)響應(yīng)速度較慢；（2）輸出濾波對控制環(huán)增加了兩個(gè)極點(diǎn)，這就需要一個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償；（3）由于環(huán)路增益隨輸入電壓而變化，使得補(bǔ)償變得更加復(fù)雜化。</p><p>　　2.5.2 電流控制模式</p><p>　　針對電壓控制模式的缺點(diǎn)，最近十幾年發(fā)展起來了電流控制模式技

65、術(shù)。電流控制模式可以分為峰值電流模式控制（PCM: Peak Current Mode）和平均電流模式控制（ACM: Average Current Mode），ACM是在PCM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通常情況下電流控制模式所說的就是峰值電流控制模式。</p><p>　　電流控制模式是在電壓控制模式的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)電流負(fù)反饋的環(huán)節(jié)，電感電流不再是一個(gè)獨(dú)立變量，從而使開關(guān)電源變換器成為一個(gè)一階無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，它只

66、有單個(gè)極點(diǎn)和90度相位滯后，從而很容易不受約束的得到大的開環(huán)增益和完善的小信號、大信號特性。根據(jù)最優(yōu)控制理論，實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)反饋的系統(tǒng)是最優(yōu)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)最小的動態(tài)響應(yīng)的誤差平方積分指標(biāo)。因此，在PWM中取輸出電壓和電感電流兩種反饋信號實(shí)現(xiàn)雙環(huán)控制是符合最優(yōu)控制規(guī)律的。</p><p>　　圖2-11為PWM峰值電流控制模式的原理框圖。與電壓控制模式不同的是，電流控制模式的PWM電壓比較器的輸入由電壓控制模式中的

67、鋸齒波信號換成了對電感電流采樣值轉(zhuǎn)換成的電壓Vs，比較器的另一端仍然是輸出電壓采樣值與參考基準(zhǔn)的誤差放大值。每個(gè)周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號控制將開關(guān)開啟，流過開關(guān)和電感的電流增大，當(dāng)電流增大到Vs超過Vea時(shí)，觸發(fā)器R端置高電位，開關(guān)被關(guān)斷。如果VDC增大，則開關(guān)導(dǎo)通時(shí)Vs上升速度加快，Vs超過Vea所需要的時(shí)間縮短，于是Ton被縮短；反之VDC減小，則Vs超過Vea讓PWM控制信號翻轉(zhuǎn)所需時(shí)間更長，增加了Ton維持對負(fù)載提供的能量大小。由此

68、可總結(jié)出，無論輸入電壓VDC如何波動，電流控制模式同樣也能通過改變開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間Ton（也就是改變了占空比），使得最終的輸出電壓維持在Vo =Vref(1+R2 /R1)。</p><p>　　從圖3-4上觀察可以發(fā)現(xiàn)，與電壓模式控制單一閉環(huán)相比，電流控制模式是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由輸出電壓反饋電路形成，由電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)，即內(nèi)環(huán)電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)上升，直到達(dá)到電壓外環(huán)設(shè)定的誤差電壓閾值，電流內(nèi)環(huán)是瞬時(shí)快速

69、地對每個(gè)周期的脈沖電流采樣，檢測輸出電感的電流動態(tài)變化，電壓外環(huán)只負(fù)責(zé)控制輸出電壓。因此電流型控制模式具有比起電壓控制模式大得多的帶寬，無論是理論分析還是電路測試，都證明電流型控制比電壓型控制有許多優(yōu)點(diǎn)，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)。</p><p>　　圖2-11 PWM峰值電流型控制原理框圖</p><p>　　(1) 對輸入電壓變化的響應(yīng)快。這可直觀的從電路的工作原理中分析出來：電源輸入

70、電壓的變化，必然會引起周期初始電流上升的斜率的變化，如電壓升高，則電流增長變快，反之則變慢，但是只要電流脈沖幅值達(dá)到預(yù)定的幅度，電流控制回路就動作，使得脈沖寬度發(fā)生改變，保證輸出電壓的穩(wěn)定。而在電壓控制模式電路中，檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接的反應(yīng)，一直要等到輸出電壓發(fā)生一定的變化后才會調(diào)節(jié)脈沖寬度。一般電壓控制模式要5～10個(gè)周期才能響應(yīng)輸入電壓的變化。</p><p>　　(2) 過流保護(hù)和可并聯(lián)性。在電

71、流控制型DC/DC變換器中，由于內(nèi)環(huán)采用了直接的電感電流峰值限制，可以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測功率開關(guān)管和電感上的瞬態(tài)電流，自然形成了對每個(gè)周期內(nèi)峰值電流脈沖檢測電路。只要給定或者限制參考電流，就可以準(zhǔn)確地限制流過功率開關(guān)管和電感中的最大電流，也可以有效地克服輸入電壓浪涌產(chǎn)生很大地尖峰電流從而損壞功率開關(guān)管等這類故障誘因。同時(shí)，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)不必給開關(guān)管的最大電流限制和電感最大儲能留有較大的余度，在保證可靠工作的前提下，盡可能的降低了成本。&l

72、t;/p><p>　　由于電流控制模式特有的電流限制能力，當(dāng)多臺開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每臺電源都有獨(dú)立的電流負(fù)反饋，并聯(lián)輸出電壓有一個(gè)總的電壓負(fù)反饋控制電路，使各個(gè)電流反饋系統(tǒng)有相同的電流參考值，這樣就可以有多臺開關(guān)電源之間并聯(lián)均流，這在當(dāng)今電源規(guī)格要求繁多，電子設(shè)備整機(jī)可靠性要求提高的形式下，為模塊化電源系統(tǒng)和電源冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了捷徑。</p><p>　　(3) 回路穩(wěn)定性好，負(fù)載響應(yīng)快。

73、電流型控制可以看作是一個(gè)受輸出電壓控制的電流源，而電流源的大小就反映了電源輸出電壓的大小，這是因?yàn)殡姼兄须娏鞯姆凳桥c直流輸出電流的平均值成比例的，因而電感的延遲作用就沒有了。</p><p>　　在本章的前面部分已經(jīng)比較詳細(xì)的介紹了Buck電路的兩種控制方式以及特點(diǎn)，因?yàn)殡娏骺刂颇Ｊ骄哂辛己玫目刂铺匦?，所以電流模式控制LED的驅(qū)動方式是較為理想的選擇。但是電流控制模式并不是完美無缺的，依舊存在兩個(gè)比較大的缺點(diǎn)：

74、平均電流非恒定及電流擾動。</p><p>　　2.6 STC89C52單片機(jī)簡介</p><p>　　STC89C52是低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和256 bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU

75、)和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大STC89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。因此，在這里我選用STC89C52單片機(jī)來完成，它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、經(jīng)濟(jì)、易于連接等優(yōu)點(diǎn)，特別是其內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)資源豐富，有應(yīng)用價(jià)值。[12]</p><p>　　STC89C52單片機(jī)的主要性能特點(diǎn)有：</p><p>　　1.增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051CPU

76、</p><p>　　2.工作電壓：5.5V-3.4V</p><p>　　2.6.1 STC89C52單片機(jī)主要性能參數(shù) </p><p>　　3.工作頻率范圍：0-40MHz，相當(dāng)于普通8051的0-80MHz。實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz</p><p>　　4.用戶應(yīng)用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K

77、字節(jié)</p><p>　　5.片上集成1280字節(jié)、512字節(jié)RAM</p><p>　　6.通用I/O(32/36個(gè))，復(fù)位后為P1/P2P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O 口），PO口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)， 需加上拉電阻</p><p>　　7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無

78、需專用編程器/仿真器，可通過串 口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片</p><p>　　8.EEPROM功能</p><p><b>　　9.看門狗</b></p><p>　　10.外部晶體20M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路</p><p>　　11.共3

79、個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用</p><p>　　12.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低 電平觸發(fā)中斷方式喚醒</p><p>　　13.通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART</p><p>　　14.工作電壓溫度范圍：0-75℃/-40-

80、+85℃</p><p>　　STC89C52單片機(jī)同時(shí)還具有加密性強(qiáng)，低功耗，高速，高可靠，強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　STC89C52單片機(jī)的引腳封裝如圖2－12所示。</p><p>　　圖2－12 STC89C52單片機(jī)的引腳封裝圖</p><p>　　2.6.2 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p

81、><p>　　STC89C52單片機(jī)為40引腳雙列直插芯片,有四個(gè)I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51單片機(jī)共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨(dú)立地作輸出或輸入。</p><p>　　單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2-13所示,18引腳和19引腳接時(shí)鐘電路,XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入,XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的

82、另一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出。結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求采用內(nèi)部振蕩方式，所選的晶振為12MHz。第9引腳為復(fù)位輸入端,接上電容,電阻構(gòu)成上電復(fù)位電路。</p><p>　　圖2－13 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　2.6.3 單片機(jī)時(shí)鐘電路</p><p>　　STC89C52單片機(jī)的時(shí)鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在本設(shè)計(jì)中

83、，采用內(nèi)部振蕩方式。電路見圖2－14所示。</p><p>　　圖2－14 時(shí)鐘電路圖</p><p>　　單片機(jī)引腳XTAL1和XTAL2外接晶振12MHz，構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩，并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。電容器C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率，快速起振作用。</p><p>　　2.6.4 單片機(jī)復(fù)位電路&l

84、t;/p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的復(fù)位電路見圖2－15所示。</p><p>　　圖2－15復(fù)位電路圖</p><p>　　復(fù)位操作完成單片機(jī)內(nèi)電路的初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。當(dāng)STC89C52單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)5ms以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就完成了復(fù)位電路操作。需要注意的是，當(dāng)復(fù)位端RST持續(xù)高電平的時(shí)間過長，單片機(jī)就會處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，這樣，單

85、片機(jī)就無法執(zhí)行程序。因此，要求單片機(jī)復(fù)位后能夠脫離復(fù)位狀態(tài)。本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用上電開關(guān)復(fù)位電路。上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)已經(jīng)在運(yùn)行時(shí)，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電開關(guān)復(fù)位的功能。</p><p>　　2.7 PWM調(diào)光技術(shù)</p><p>　　了解PWM調(diào)光原理，先得了解一下占空比概念。占空比的解釋可以歸納為如下幾種：1）在一串理想

86、的脈沖序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。例如：脈沖寬度1μs，信號周期4μs的脈沖序列占空比為0.25。2）在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖占用的時(shí)間與總時(shí)間的比值。3）在周期型的現(xiàn)象中，現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間與總時(shí)間的比。</p><p>　　其實(shí)歸納一下也就是電路釋放能量的有效時(shí)間與總釋放時(shí)間的比。</p><p>　　脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制

87、的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換及LED照明等許多領(lǐng)域中。</p><p>　　通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。</p><p>　　簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)

88、具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。</p><p>　　下圖2-19顯示了三種不同的PWM信號。圖2-16（a）是一個(gè)

89、占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中，10％的時(shí)間通，其余90％的時(shí)間斷。圖2-16（b）和圖2-16（c）顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強(qiáng)度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號值。例如，假設(shè)供電電源為9V，占空比為10%，則對應(yīng)的是一個(gè)幅度為0.9V的模擬信號。</p><p>　　圖2-16 三種不同的PWM信號</p><

90、;p>　　下圖2-17是一個(gè)可以使用PWM進(jìn)行驅(qū)動的簡單電路。圖中使用9V電池來給一個(gè)白熾燈泡供電。如果將連接電池和燈泡的開關(guān)閉合50ms，燈泡在這段時(shí)間中將得到9V供電。如果在下一個(gè)50ms中將開關(guān)斷開，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內(nèi)將此過程重復(fù)10次，燈泡將會點(diǎn)亮并象連接到了一個(gè)4.5V電池(9V的50%)上一樣。這種情況下，占空比為50%，調(diào)制頻率為10Hz。</p><p>　　圖2-17

91、 簡單PWM驅(qū)動電路</p><p>　　大多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開……。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內(nèi)將點(diǎn)亮，在下一個(gè)5秒鐘內(nèi)將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負(fù)載對開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時(shí)間相比必須足夠短。要想取得調(diào)光燈(但保持點(diǎn)亮)的效果，必須提高調(diào)制頻率。在其他PWM應(yīng)用場合也

92、有同樣的要求。通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。</p><p><b>　　第三章 設(shè)計(jì)總思路</b></p><p><b>　　3.1 設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　LED驅(qū)動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)生的變動時(shí)，仍應(yīng)能保持輸出的電流在的

93、范圍內(nèi)變動；二是應(yīng)保持較低的自身功耗，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)動電流的增加，要更多的考慮到LED本身和電流驅(qū)動電路的散熱管理和功耗等問題。本著設(shè)計(jì)一款節(jié)能，成本低，高效，可調(diào)光，長壽，恒流LED驅(qū)動電源的思想，使LED更容易走進(jìn)各家各戶。</p><p><b>　　3.2 設(shè)計(jì)總框圖</b></p><p>　　本設(shè)

94、計(jì)根據(jù)LED的電學(xué)特性采用恒流輸出，輸出電壓隨負(fù)載大小自動調(diào)節(jié)的適用廣泛設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中用適配器為LED恒流控制芯片提供12V的直流電壓?？紤]到能對LED燈的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的PWM高光技術(shù)，用單片機(jī)STC89C52輸出PWM調(diào)光信號接入到芯片自帶的調(diào)光信號輸入引腳。為了避免另外單獨(dú)給單片機(jī)提供5V電源供電，本設(shè)計(jì)同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)供電驅(qū)動電路，此電路可以同LED驅(qū)動電路使用同一個(gè)適配器為其提供12V直流電壓。本設(shè)計(jì)的總框圖

95、如下圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 總設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　第四章 硬件電路設(shè)計(jì) </p><p>　　4.1 LED恒流驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　此部分的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，大體設(shè)計(jì)過程是先經(jīng)過了芯片比較選取，芯片了解，設(shè)計(jì)電路幾步。</p><p>　　4.1.1 芯

96、片比較選取 </p><p>　　使用LED的新型照明設(shè)計(jì)一般都比白熾燈設(shè)計(jì)昂貴，所以從長遠(yuǎn)來看，必須用更高效率的發(fā)光來極大地降低耗電成本。</p><p>　　為了確保最佳性能和長工作壽命，LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動電路。無論輸入電壓如何變化，LED驅(qū)動器都要向LED串提供恒定電流，以保持恒定光輸出和顏色不變。出于這個(gè)原因，常常需要恒定頻率、電流模式LED驅(qū)動器拓?fù)?。與電壓模式控制相比，電

97、流模式控制改善了環(huán)路動態(tài)特性并提供逐周期限流，從而向LED提供恒定電流。同時(shí)，LED驅(qū)動器必須提供高于90%的效率，以最大限度減少對外部散熱器的需求并保持照明系統(tǒng)的高效率。表4-1所列為當(dāng)前主要大功率LED驅(qū)動控制芯片性能比較，在應(yīng)用大功率LED驅(qū)動控制芯片時(shí)，可以依據(jù)不同的應(yīng)用場合進(jìn)行選擇：</p><p>　　1)當(dāng)需要較高功率時(shí)可選擇功率器件沒有集成在芯片內(nèi)的控制器，這樣就可以按照實(shí)際的功率需求單獨(dú)選擇功率

98、器件；</p><p>　　2)當(dāng)需要較高的變換效率時(shí)，如便攜式設(shè)備等，可選擇開關(guān)電源類的驅(qū)動電路；</p><p>　　3)當(dāng)應(yīng)用于可靠性高的設(shè)備中，可選擇有溫度保護(hù)、故障報(bào)警等控制功能全面的芯片。 </p><p>　　表4-1 當(dāng)前大功率LED主要驅(qū)動芯片比較</p><p>　　綜合考慮設(shè)計(jì)簡單、低電流消耗、高效率、短路保護(hù)、開路LE

99、D保護(hù)和高調(diào)光比（PWM調(diào)光）等要求，本設(shè)計(jì)采樣PT4115 LED驅(qū)動芯片。6V至30V的輸入電壓范圍使其適用于多種應(yīng)用，如汽車等蓄電池供電、太陽能供電、工業(yè)和建筑照明。</p><p>　　4.1.2 PT4115芯片了解</p><p>　　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)動電路。它具有較寬的直流6V到30V輸入電壓范圍,擊穿電壓大于45V

100、，輸出200-1200mA恒定直流，可滿足驅(qū)動點(diǎn)亮1-7顆串聯(lián)的大功率LED或N顆串并聯(lián)的小功率LED,驅(qū)動恒流大小可按應(yīng)用方案設(shè)定.。PT4115采用頻率抖動技術(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即會進(jìn)入過

101、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LED電流的負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)LED燈具動態(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、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IC，PT4115被廣泛應(yīng)用于使用LED燈的MR11、MR16、水燈、路燈等各類LE</p>

102、<p>　　? 輸出電流高達(dá)1.2A，內(nèi)置大功率MOFET</p><p><b>　　? 效率高達(dá)97％</b></p><p><b>　　? 超低的關(guān)斷電流</b></p><p>　　? ± 5％輸出電流精度</p><p><b>　　? LED開路保護(hù)<

103、;/b></p><p>　　? 模擬PWM調(diào)光功能選擇，高達(dá)5000:1的PWM調(diào)光比</p><p>　　? 內(nèi)部含有抖頻特性，有效地改善了EMI</p><p>　　恒流驅(qū)動芯片PT4115的5腳封裝的管腳圖如圖4-1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2，其管腳</p><p>　　圖4-1 PT4115封裝管腳</p>

104、<p><b>　　描述如下：</b></p><p>　　管腳1：SW，功率開關(guān)的漏端；</p><p>　　管腳2：GND，信號和功率；</p><p>　　管腳3：DIM，開關(guān)使能、模擬和PWM 調(diào)光端；</p><p>　　管腳4：CSN，電流采樣端，采樣電阻接在CSN和VIN端之間；</p>

105、;<p>　　管腳5：VIN，電源輸入端，必須就近接旁路電容。</p><p>　　(3)大功率LED：可以選擇1W白光LED，其參數(shù)如下：</p><p>　　? 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</p><p>　　圖

106、4-2 PT4115內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)PT4115內(nèi)部框圖（如上圖4-2）我們可以看到，PT4115和電感（L）、電流采樣電阻（RS）形成一個(gè)自振蕩的連續(xù)電感電流模式的降壓型恒流LED控制器。VIN上電時(shí)，電感（L）和電流采樣電阻（RS）的初始電流為零。這時(shí)候，CS比較器的輸出為高，內(nèi)部功率開關(guān)導(dǎo)通，SW端直接跟GND連接，所以SW的電位為低。電流通過電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和內(nèi)部

107、功率開關(guān)從VIN流到地，電流上升的斜率由VIN、電感（L）和LED壓降決定，在RS上產(chǎn)生一個(gè)壓差Vcsn。當(dāng)（Vin-Vcsn）>115mV時(shí)，CS比較器的輸出變低，內(nèi)部功率開關(guān)關(guān)斷，電流以另一個(gè)斜率流過電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和肖特基二極管（D），如圖4-3；當(dāng)（Vin-Vcsn）<85mV時(shí)，功率開關(guān)重新打開，電流通過電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和內(nèi)部功率開關(guān)從VIN流到地，如圖4-4，這樣使