畢業(yè)設計-高亮度led驅動電路設計

1、<p>　　市電供電高亮度LED驅動電路設計</p><p>　　學 號: ***** </p><p>　　姓 名: **** </p><p>　　專 業(yè):***</p><p>　　指導老師: *** </p><p><b>　　二零一四年六月四號<

2、;/b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著大功率LED在照明、燈飾以及顯示屏中的普遍使用，大功率下的LED驅動顯得越來越重要。在LED快速發(fā)展的今天，LED驅動電路也要求著研發(fā)者們快速跟進，多種驅動并存的方式，不同的設計方案也在完善著。在LED照明領域，沒有好的驅動器與之匹配，LED照明的優(yōu)點將無法體現出來。大功率LED

3、是電流型器件，嚴格的控制其流過的電流的恒定顯得尤為重要。然而，選擇大功率LED的驅動方案，還要根據LED的電氣特性考慮到諸多對電路有影響的因素。 </p><p>　　本設計基于市供電對LED的相控調光驅動方式進行了探討，設計了一個利用導通時間和頻率控制實現LED亮度控制。本設計對LED照明功能的功能及其工作原理進行研究與分析，全面綜合的介紹并分析了LED作為光源在道路照明領域應用的情況和特點。重點介紹了該系統(tǒng)中

4、LED和開關電源的相關知識、驅動電路的設計，并給出了基于NXP公司的SSL2103驅動控制器的LED驅動的實際電路。在對驅動控制器SSL2103的特點、控制功能、組成的LED驅動電路的主要技術特點以及電路的工作原理進行分析后，確定所設計的驅動電路能保證LED的亮度變化可控制性以及實際性。</p><p>　　關鍵詞：大功率LED； 市供電； 亮度控制； 工作原理</p><p><b

5、>　　Abstract</b></p><p>　　With the widespread use of high power LED lighting, lighting and display, high power LED drive becomes more and more important. In LED rapid development today, the LED drivi

6、ng circuit also requires developers to fast track, many driving coexisted means, different design also is in perfect. In the field of LED lighting, no good driver with matching, advantages of LED lighting will not be ref

7、lected. High power LED is a current mode device, a constant current flows through the strict control of the</p><p>　　The design of the LED phase control dimming driving mode are discussed,designed by using a

8、 time and frequency control LED brightness control. LED lighting function on the function and work principle of the design of research and analysis, a comprehensive introduction and analysis of the situation and characte

9、ristics of the application of LED as a light source in the field of road lighting. Introduces the design of the driving circuit of LED related know LED ge,and switching power supply in the s</p><p>　　Keyword

10、s: High power LED; Power supply; Brightness control; Working principle</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>

11、<b>　　目 錄III</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1 本論文的背景和意義1</p><p>　　1.2 本論文的主要方法和研究進展1</p><p>　　1.3 本論文的主要內容1</p><p>　　1.4 本論文的結構安排1&

12、lt;/p><p>　　第二章 LED照明與有關技術特性2</p><p>　　2.1 LED照明與有關術語2</p><p>　　2.1.1 LED照明的優(yōu)點2</p><p>　　2.1.2 LED照明的有關術語3</p><p>　　2.2 LED的主要參數與特性4</p><p>

13、　　2.2.1 LED電學特性4</p><p>　　2.2.1.1. I-V特性4</p><p>　　2.2.1.2. C-V特性5</p><p>　　2.2.1.3. 最大允許功耗6</p><p>　　2.2.1.4. 響應時間6</p><p>　　2.2.2 LED光學特性7</p>

14、;<p>　　2.2.2.1. 發(fā)光法向光強及其角分布7</p><p>　　2.2.2.2. 發(fā)光峰值波長及其光譜分布8</p><p>　　2.2.2.3. 光通量9</p><p>　　2.2.2.4. 發(fā)光效率和視覺靈敏度10</p><p>　　2.2.2.5. 發(fā)光亮度11</p><p

15、>　　2.2.2.6. 壽命12</p><p>　　2.2.3 LED熱學特性12</p><p>　　2.3 本章小結13</p><p>　　第三章 相控調光14</p><p>　　3.1 LED驅動電路的主要功能14</p><p>　　3.1.1 LED的恒流工作特性14</p>

16、;<p>　　3.1.2 低功耗和可靠工作14</p><p>　　3.2 LED常用調光的方法15</p><p>　　3.3 LED相控調光的主要技術指標15</p><p>　　3.4 本章小結16</p><p>　　第四章 常用LED相控調光電路與應用17</p><p>　　4.1

17、SSL2102特點17</p><p>　　4.2 SSL2013特點與控制功能20</p><p>　　4.2.1 SSL2103特點20</p><p>　　4.2.2 SSL2103控制功能23</p><p>　　4.2.3 SSL2103典型應用電路26</p><p>　　4.3 采用SSL210

18、3的17W相控晶閘管調光LED驅動電路28</p><p>　　4.3.1 電路主要技術特點28</p><p>　　4.3.2 電路工作原理29</p><p>　　4.4 本章小結31</p><p>　　第五章 LED燈具系統(tǒng)的現狀與發(fā)展趨勢32</p><p>　　5.1 目前LED燈具的主要應用領域

19、32</p><p>　　5.2 LED的發(fā)展方向32</p><p>　　5.3 本章小結32</p><p><b>　　結 論33</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　參考文獻35<

20、/b></p><p>　　附 錄 1 SSL2103的17W相控調光LED驅動電路各項數據指標36</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 本論文的背景和意義</p><p>　　LED的發(fā)展和應用目標是取代白熾燈等傳統(tǒng)光源，LED應用于普通照明領域的能源仍然將主要

21、來自電網。</p><p>　　本論文的意義是LED照明電路具有許多優(yōu)點（詳細見第二章的LED照明的優(yōu)點）。節(jié)能、環(huán)保、構建環(huán)境友好社會和促進社會和諧可持續(xù)發(fā)展是當前社會關注的主題及焦點。</p><p>　　1.2 本論文的主要方法和研究進展</p><p>　　LED調光具有節(jié)能的優(yōu)良特性，適應人們對照明效果的需求。利用照明調節(jié)可以營造舒適的照明環(huán)境和特殊的照

22、明效果，也可以使照明效果靈活多變。</p><p>　　本論文主要討論利用導通時間和頻率控制實現LED照明的調光，主要是使用NXP公司的SSL2103驅動控制器，控制電路實現亮度變化的特點。</p><p>　　1.3 本論文的主要內容</p><p>　　本論文主要介紹LED照明與有關技術特性、LED相控調光、常用LED相控調光電路與應用（主要是基于NXP公司的

23、SSL2103的LED相控調光驅動電路）和LED燈具系統(tǒng)的現狀與發(fā)展趨勢。</p><p>　　1.4 本論文的結構安排</p><p>　　本論文主要內容是目錄所展示的，論文正文的結構是第二章是LED照明與有關技術特性，主要講述LED照明的優(yōu)點和有關術語以及LED的主要參數與特性。第三章是LED相控調光，主要講述LED驅動電路的主要功能、LED常用的調光方法以及LED相控調光的主要技術

24、指標。第四章是常用LED相控調光電路與應用，主要講述了NXP公司的基于SSL2102驅動控制器的驅動電路的特點、SSL2103驅動控制器的控制電路的特點以及該公司的SSL2013的17W相控晶閘管調光電路工作原理。第五章LED燈具系統(tǒng)的現狀與發(fā)展趨勢，主要講述目前LED燈具的主要應用領域以及LED的發(fā)展方向。</p><p>　　第二章 LED照明與有關技術特性</p><p>　　2.1

25、 LED照明與有關術語</p><p>　　2.1.1 LED照明的優(yōu)點</p><p>　　1962年Nick Holonyak，Jr.做出了世界上第一只LED（Light Emitting Diode）。Nick Holonyak，Jr. 是IEEE榮譽金獎的獲得者，自1963年以來一直是美國伊利諾伊州大學教授。</p><p>　　Nick Holonyak，

26、Jr的學生M.George Craford在1972年做出了一只黃光LED，也是世界上第一個有單個顏色的LED，同時他也是目前美國同時獲得國家技術金獎和國家科學金獎的13人之一。</p><p>　　至今，LED的出現已有50余年的歷史，LED在應用范圍、技術性能上已有很大進步。起初，LED主要用于指示燈的應用場合，且發(fā)光亮度有限。現LED已廣泛用于室內外照明、汽車的照明、LCD背光顯示照明、大屏幕顯示等場合。由

27、于LED的發(fā)光效率較白熾燈的發(fā)光效率高許多，比熒光燈、金鹵燈、鈉燈等HID燈的發(fā)光效率高、體積小、易于使用、無環(huán)境污染、調光控制靈活，被認為是應用前景非常好的第4代新型電光源。</p><p>　　據有關資料報道，目前LED實驗室水平的發(fā)光效率已高達208lm/W（APEC 2011年會議介紹），并且隨著技術進步LED的發(fā)光效率還會進一步提高許多。</p><p>　　至今，LED的技術性

28、能已有很大的提升，在手機、平板電視、室內外照明等場合得到了很廣泛的應用。</p><p>　　安捷倫公司的一位科學家 Roland Haitz 從1962年LED開發(fā)出來到商業(yè)化的今天的發(fā)展歷程中觀察得出結論，LED的價格每10年會降為原來的1/10，性能則提高20倍。以此結論為基礎提出了關于LED發(fā)展的Haitz 定律。實際工作中得出的結論與預測結果，如圖1-1所示，可以發(fā)現幾乎和Haitz定律所推測的一樣。&

29、lt;/p><p>　　表1-1 LED發(fā)展演進（DOE 2011 MYPP）</p><p>　　注：1.對冷白光封裝LED假定：相關色溫（CCT）=4746~7040和顯色指數（CRI）=70~80，對暖白光封裝LED假定：相關色溫=2580~3710和顯色指數=80~90。</p><p>　　2.測得發(fā)光效率的結果的外部條件是驅動電流密度為35A/cm

30、78;和溫度為25℃。</p><p>　　LED照明的主要有以下優(yōu)點：</p><p>　　使用較為安全，一般工作電壓在1.5V~3.5V之間；</p><p>　　只要在低溫環(huán)境下，就不會存在冷啟動的問題；</p><p>　　具有良好的發(fā)光方線性，易于收集和設置；</p><p>　　環(huán)境友好，不存在汞等有害的金

31、屬，廢棄物可回收；</p><p>　　啟動時間短（納秒級），而HID燈則需要不小于10ms的時間，適用于頻繁開關以及高頻開關運作的應用場合；</p><p>　　工作壽命長，L70（70%的發(fā)光輸出流明維持率）的條件下，光通量衰減到70%的標準壽命時間大于50000h。一個LED燈的一天使用按8h計算，可以使用12年。在使用壽命方面問題會更多出在驅動電源上；</p><

32、;p>　　因為體積小，而且發(fā)光效果好，所以可以制作成各種各樣的產品，滿足人們的日常生活和工作的需求；</p><p>　　不存在燈絲和燈泡等易碎器件，所以較安全，不會像白熾燈使用時，會發(fā)出高溫，燙傷小孩子，所以特別安全；</p><p>　　發(fā)光效率高，據報道，2011年Cree公司實驗室水平已達208lm/W。光譜幾乎全部集中于可見光頻率區(qū)域，發(fā)光效率可以高達80%~90%。由于光

33、譜中沒有紫外線和紅外線，沒有熱輻射的存在，屬于典型的綠色照明光源。</p><p>　　2.1.2 LED照明的有關術語</p><p>　　LED：又名發(fā)光二極管，其當被電流激發(fā)時，通過傳導電子和空穴的再復合而自發(fā)輻射發(fā)出的相干光的一種半導體二極管。</p><p>　　半導體照明（Semiconductor Lighting）：是指采用發(fā)光二極管作為光源的照明方

34、式的一種。</p><p>　　功率LED（Power LED）：工作電流在100mA以上的LED。</p><p>　　LED數碼管（LED Nixie tube）：采用發(fā)光二極管顯示數字或字符的器件或模塊。</p><p>　　LED顯示管（LED Display）：采用發(fā)光二極管顯示數字、符號或圖形的器件或模組。</p><p>　　L

35、ED背光源（LED Backlight）：采用LED作光源，為被動顯示器件提供光源的LED器件或模組。</p><p>　　單量子阱（Single Quantum Well）：是指只有一個量子阱的材料結構。</p><p>　　多量子阱（Muti-Quantum Well）：是指包含多個單量子阱的材料結構。</p><p>　　眩光（Glare）：因為光的亮度的分布

36、或范圍的不恰當，或對比度太強等原因造成的視覺性沖擊。眩光一般可分為失能性眩光和不舒服性眩光這兩種，眩光是影響照明質量的重要因素之一。</p><p>　　發(fā)光效能（Luminous Efficacy）：光源發(fā)射的光通量Φ與其消耗的電功率P的比值，單位為lm/W。</p><p>　　發(fā)光效率（Luminous Efficiency）：光源消耗每一瓦電能所發(fā)出的光。單位為lm/W。</

37、p><p>　　顯色指數（Color Rendering Index）：是指光源顯色性的度量單位。</p><p>　　顯色性（Color Rendering Properties）：是指光源顯現被照物體真實顏色的能力。</p><p>　　額定結溫（Rated Junction Temperature）：發(fā)光二極管正常工作時所允許的最高溫度。在這個溫度下的一切有關的額

38、定值的大小和特性值都可以得到一度的保證。</p><p>　　結-管殼熱阻（Thermal Resistance from Junction to Case）：發(fā)光二極管的PN結到管殼之間的熱阻的大小。</p><p>　　正向電流(Forward Current)：發(fā)光二極管正常發(fā)光時，流過LED器件的電流。</p><p>　　正向電壓(Forward Volt

39、age)：通過LED器件的正向電流為規(guī)定值時，在兩極之間產生的電壓降。</p><p>　　反向電流(Reverse Current)：加在LED器件兩端的反向電壓為規(guī)定值時，流過LED器件的電流。</p><p>　　反向電壓(Reverse Voltage)：通過LED器件的反向電流為規(guī)定值時，在兩極之間產生的電壓降。。</p><p>　　最大正向電流(Max

40、imum Forward Current)：允許通過發(fā)光二極管的最大正向直流電流值。</p><p>　　最大正向峰值電流(Forward Peak Current)：允許加于發(fā)光二極管的兩端正向脈沖電流的最大值。</p><p>　　平均壽命：指一批產品測得的壽命的平均值。單位為小時（h）。</p><p>　　色溫（Color temperature）：色溫單位

41、為絕對溫度的單位開爾文(K)，即指將一個標準的黑體加熱，溫度由低升高逐漸變化時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-藍，逐漸改變的過程，當某一電光源與黑體的顏色幾乎一樣時，我們將黑色當時情況下的絕對溫度值稱為該電光源的色溫。電光源色溫的不同，光色也會不同。色溫在3000K以下時，光色會偏紅，并且給人以暖洋洋的感覺。色溫在3000~6000K為中間時，人在此色調下不會有特別明顯的視覺心理效果，故將3000~6000K稱為“中性”色溫。色溫超過600

42、0K時，光色會偏藍，給人以冷冽的感覺。采用低色溫光源照射時，能使紅色看起來更加鮮艷。采用中色溫光源照射時，會使藍色更加具有清涼感。</p><p>　　光通量：指光源在單位時間內向周圍空間輻射并引起視覺反應的總能量。單位為流明（lm）。</p><p>　　光通維持率：指電光源使用一段時間后的光通量與其初始值之比。單位為百分數。</p><p>　　光衰：表示電光源

43、使用一段時間后其通光量的衰減情形。光衰大，則說明光通維持率小，光衰小，則表示光通維持率大。甚至可以說，光衰的說是電光源衰減快慢的定性描述，而光通維持率則是電光源衰減快慢的定量描述。</p><p>　　照度：單位面積內入射的光通量，也就是光通量除以面積所得到的值。單位為勒克斯（lx）。照度分為水平照度和垂直照度。水平照度為光通量入射水平表面的照度，垂直照度為光通量入射到垂直面的照度。</p><

44、;p>　　2.2 LED的主要參數與特性</p><p>　　2.2.1 LED電學特性</p><p>　　2.2.1.1. I-V特性</p><p>　　圖2-1所示為LED工作的I-V工作特性的曲線圖。具有和一般的半導體二極管相似的I-V特性曲線。</p><p>　　圖2-1 I-V特性曲線</p><p

45、><b>　　如圖2-1所示：</b></p><p>　?。?）正向工作區(qū)：電流與外加電壓VF呈指數關系</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　表示反向電流飽和值。當V＞VF的時候，正向工作區(qū)的電流值IF會隨VF的改變而改變</p><p><b>　

46、　(2-2)</b></p><p>　?。?）正向死區(qū)：a點對應的電壓值為發(fā)光二極管的啟動電壓，當V＜，外加電壓克服不了勢壘電壓，所以此時電阻值R很大；每一種LED燈都有相對應的啟動電壓值，例如 為1V，紅色為1.2V，為1.8V，為2.5V。</p><p>　　（3）反向死區(qū)：當V＜0時，電壓的方向相反，電流的方向也取相反的方向，所以電路無法通過。。</p>

47、<p>　?。?）反向擊穿區(qū)：當反向電壓不斷變大，到達一個數值VR時，這個時候LED就會被較大的電流擊穿。因為材料不同，不同的LED也擁有不一樣的擊穿電壓值。</p><p>　　2.2.1.2. C-V特性</p><p>　　因為LED燈管得面積不同，則PN結的面積大小也不同，所以電容值C ≈ n + pf。LED的C-V 特性呈二次函數關系（如圖2-2）。該函數關系是由1

48、MHZ的交流信號用C-V 特性測試儀測得的結果。</p><p>　　圖2-2 LED C-V特性曲線</p><p>　　2.2.1.3. 最大允許功耗</p><p>　　當流過LED的電流為IF、管兩端的電壓為UF時，則功率消耗為P= UF×IF。當LED正常工作的時候，當外加偏壓時，可以使載流子復合發(fā)光，其中有能量轉化成熱能。若外部的環(huán)境溫度是T

49、a，而LED的溫度是，則當＞Ta 時，LED內部的熱量會借助空氣和器材散發(fā)出去，此部分的能量的功率，則可表示為。</p><p>　　2.2.1.4. 響應時間</p><p>　　響應時間是指LED跟隨外部變化而變化的快慢?，F有幾種常見的顯示LCD的響應時間（液晶顯示約10-3～10-5S，而CRT、PDP、LED 則都達到10-6～10-7S）。</p><p>

50、;　　響應時間從使用的角度來看，就是人為開關之后到真正發(fā)光和熄滅的時間，即圖2-3中、 。圖中t0的值很小，所以可以忽略不計。</p><p>　　響應時間主要取決于三個要素，即載流子、器件的電容和外圍電路的電阻。LED 的點亮時間是指從正常發(fā)光的10%到正常發(fā)光的90%所經歷的時間的長度。LED 熄滅時間就是指從正常發(fā)光到正常發(fā)光的10%的效果的變化所經歷的總時間。。</p><p>　

51、　圖2-3 響應時間曲線</p><p>　　不同材料制得的LED的響應時間也不一樣：比如、、其響應時間小于10-9S，而為10-7S。</p><p>　　2.2.2 LED光學特性</p><p>　　LED的光學特性主要有以下技術指標。</p><p>　　2.2.2.1. 發(fā)光法向光強及其角分布</p><p>

52、;　　(1) 發(fā)光法向光強是指發(fā)光元器件的發(fā)光的強度。LED的應用要求是圓柱或圓球形的封裝，因為這兩種形狀具有很好的匯聚光線效果；發(fā)光效果最好的角度是與水平面成90℃。當與直角方向發(fā)生偏離時，光強也會隨之改變。發(fā)光強度也隨著不同的封裝類型而改變，但是強度的大小主要依賴于夾角的大小。</p><p>　　(2) 發(fā)光強度的角分布主要描述了隨著角度的變化發(fā)光強度的變化范圍。角分布主要取決于封裝的形狀與工藝為獲得高指向

53、性的角分布，如圖（2-4）所示</p><p>　?、?LED管芯位置離模粒頭遠些；</p><p>　?、?盡量使用高聚光效果的的模粒頭；</p><p>　?、?封裝的環(huán)氧樹脂中勿加入散射劑。</p><p>　　圖2-4 發(fā)光強度角分布圖</p><p>　　2.2.2.2. 發(fā)光峰值波長及其光譜分布</p

54、><p>　?。?）LED 發(fā)光強度也會隨著波長的變化而表現得不一樣，并且可以將它繪成一條分布曲線，我們稱之為光譜分布曲線。LED的光譜分布特點是會與該種LED的性質與PN結有關，與器件的幾何形狀、封裝方式和無關。</p><p>　　圖2-5 繪出幾種由不同化合物半導體制成的LED的光譜響應曲線。其中 </p><p>　　圖2-5 LED光譜分布曲線</p&

55、gt;<p>　?、?是藍色，的發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰= 460～465nm；</p><p>　?、?是綠色，的發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰 = 550nm；</p><p>　?、?是紅色，-O 的發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰 = 680～700nm；</p><p>　?、?是紅外，發(fā)光二極管使用 材料，發(fā)光譜峰 = 910nm；</p><p

56、>　　⑤ 是 光電二極管，通常用作光電接收。</p><p>　　由圖可見，任何一種材質做成的發(fā)光二極管，都有一個最強光強處，此處對應一個波長，這個波長就叫峰值波長，用表示。只有單色光才有峰值波長。</p><p>　?。?） 譜線寬度：在該譜線分布曲線的峰值的兩側±處，會存在兩個是最大光強一半的點，此兩點分別對應的光強是-，+。而這兩個點之間的寬度又稱之為譜線寬度也叫半高

57、寬度。半高寬度反映了該單色光的譜線的寬度。</p><p>　?。?）主波長：有些發(fā)光二極管不止一個波峰，說明不知發(fā)出一種單色光。因為存在這樣的情況，所以我們引入了主波長的概念。主波長就是人們肉眼可以觀察到的主要顏色，該單色光的波長。單色性越好，則越大也就是主波長越大。比如的材料就可以發(fā)出多個峰值的波長，而對應的主波長只有一個。</p><p>　　2.2.2.3. 光通量</p&g

58、t;<p>　　光通量F是表示發(fā)光二極管的總輸出的輻射能量，它標志器件的性能的優(yōu)劣好壞。F為發(fā)光二極管向各個方向發(fā)出的光線的能量之和，它與工作電流有著直接的關系。單位為流明（lm）。</p><p>　　LED的光通量與芯片材料、封裝工藝及外加恒流源的大小數值有關。單色LED的光通量大概為1 lm，白色LED的光通量在1.5到1.8 lm之間，對于1×1mm的封裝工藝制成白色LED，其F=

59、18 lm。</p><p>　　2.2.2.4. 發(fā)光效率和視覺靈敏度</p><p>　?。?） LED發(fā)光的效率分為內部效率和外部效率。內部效率是指PN結處電能轉化成光能的效率，是用來分析芯片的特性。外部效率是指輻射到外面的效率，發(fā)光二極管最重要的特性是用輻射到外面與輸入的電能的比值，即發(fā)光效率。</p><p>　?。?） 人的視覺靈敏度在波長λ為 555n

60、m的地方，且該處會有一個最大值680 lm/w，若視覺靈敏度記為，則發(fā)光能量P 與可見光的光通量F 之間關系可表示為；</p><p>　　（3）發(fā)光效率，也叫量子效率η，可等于發(fā)射的光子數/PN結載流子數。η=。若輸入能量為，則發(fā)光效率。若光子能量的時候，則發(fā)光效率，則總光通。</p><p>　　以下列出幾種常見LED的可見光發(fā)光效率（也叫量子效率）：圖2-6 LED可見光發(fā)光效率&l

61、t;/p><p>　　品質較好的LED會向外面發(fā)出較大的能量，即外部效率較高。事實上，LED的向外的發(fā)光效率僅僅是一部分，而總的發(fā)光效率應為，式中 表示向PN結注入少子的注入效率， 表示在勢壘區(qū)少子與多子的復合效率， 為外部出光效率。</p><p>　　由于LED 材料折射率很高。若光線垂直入射時，會被空氣反射掉，且反射率為，反射出的光占總的發(fā)光量的32%左右，鑒于晶體本身材料會對光線具有一

62、定的吸收作用，于是也會大大降低了外部的出光效率。為了進一步提高外部得出光效即，可采取以下三條措施：</p><p>　　① 使用高折射率的透明材料覆蓋在芯片表面；</p><p>　　② 把芯片晶體表面加工成半球形；</p><p>　?、?用值較大的材料制成的半導體作二極管的襯底以減少晶體內部的吸收。</p><p>　　2.2.2.5.

63、發(fā)光亮度</p><p>　　發(fā)光亮度是發(fā)光二極管的發(fā)光性能的一項指標，并且發(fā)光亮度具有很強方向性。其在正方向的法線上的發(fā)光亮度，單位為cd/m2 或Nit。</p><p>　　圖2-7 LED亮度曲線</p><p>　　發(fā)光源的表面是漫反射，則亮度為B0且與方向無關的常數。例如，在晴朗天氣的情況下的藍天的表面亮度約為7000Nit（尼特），從地面看太陽的亮度值

64、大約為14×108Nit。</p><p>　　發(fā)光二極管的亮度與外加電流的密度有關，一般發(fā)光二極管的JO（電流密度）增加，B0 也會近似增大。另外，發(fā)光亮度還與溫度有關系，外部溫度升高，而復合效率下降，則亮度B0減小。</p><p>　　2.2.2.6. 壽命</p><p>　　老化：發(fā)光二極管隨著時間的流逝，發(fā)光強度的衰減。光源的老化程度，可以描述

65、為，Bt 為經過t時間后的亮度，B0則表示為初始亮度。通常把亮度降到原來的一般即時，所經歷的時間t 稱為二極管的壽命。測定最后的t的值要花很長時間，通常以推算求得壽命。</p><p>　　圖2-8 老化曲線圖</p><p>　　測量方法：給發(fā)光二極管通上一定數值的電源，點燃103～104小時后， 先后測得B0 ，Bt，并將結果代入到公式中求出τ，再把代入，就可以求出相對應的壽命t。單個

66、LED在IF=20mA的情況下，測出的結果是發(fā)光二極管的壽命為106小時。隨著功率型LED的開發(fā)和應用，國外學者普遍認為以LED的光衰減百分比數值才可以作為壽命的依據。</p><p>　　2.2.3 LED熱學特性</p><p>　　LED光學參數會受PN結的溫度影響。當發(fā)光二極管工作在IF＜10mA，或者電流值為10～20mA長時間連續(xù)點亮LED時，溫度上升得不會太明顯。當溫度較高時

67、，LED主波長就會改變，初始亮度B0也會下降，尤其是點陣、大顯示屏的溫度上升對LED的可靠性、穩(wěn)定性會造成影響，應專門設計散熱通風裝置。</p><p>　　LED的主波長隨溫度的關系公式是：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由式（2-3）可知，每當溫度升高20℃左右，主波長會變化2nm，且發(fā)光的均勻性、一致

68、性也會變得很差。這樣的計算結果表明作為照明用的LED因為要求封裝小型化和密集排列化，以提高單位面積上的光強和光亮度的設計要求，應該注意使用散熱較好的外殼，以確保LED可以長期工作。</p><p>　　雖然LED的優(yōu)點很多（如2.1節(jié)所描述的），但是也存在許多自身的劣勢。因為沒有紅外線和紫外線，所以發(fā)出的光均是可見光，能量較高，長時間使用會發(fā)燙。如果讓LED長期工作在較高的溫度下，其使用壽命將大打折扣，甚至有燒毀

69、的危險。因此，在LED的使用過程中一定要考慮好散熱問題。</p><p>　　發(fā)光二極管是一種使用壽命極長的光源（可長達5萬h），需要為發(fā)光二極管提供適當的保護，因為偶爾LED發(fā)光也會失敗。必須對這些可能的失效提供預防的措施。以防止造成不必要的混亂和麻煩。</p><p><b>　　2.3 本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹L

70、ED的本身的特性，從LED的優(yōu)點和工作特性，以及本身的參數，相關術語的介紹是為了讓讀者更好的閱讀和理解相關的內容，使沒有基礎的人也可以讀懂該篇論文。</p><p><b>　　第三章 相控調光</b></p><p>　　3.1 LED驅動電路的主要功能</p><p>　　LED驅動電路的主要功能是將輸入供電的電源（交流供電或直流供電電壓）

71、轉換為適合LED驅動的供電電源輸出，為LED的負載供電。</p><p>　　LED驅動電路的主要功能有以下兩個。</p><p>　　3.1.1 LED的恒流工作特性</p><p>　　保持LED的恒流工作特性，尤其在電源電壓發(fā)生變化時，仍應能保持LED工作電流的穩(wěn)定。實現：</p><p>　　避免因為LED驅動電路的參數值超出最大額定

72、值，會影響LED負載的工作可靠性；</p><p>　　獲得要求的亮度輸出，并保證各LED發(fā)光亮度和發(fā)光色度的一致性；</p><p>　　確保LED的負載工作電流的穩(wěn)定。</p><p>　　3.1.2 低功耗和可靠工作</p><p>　　驅動電路應該需要保持自身較低的功耗，這樣才能使LED的照明系統(tǒng)的工作效率保持在較高的水平上。特別是調

73、光，LED不僅需要滿足0%~100%的調光范圍，也要保證具有很好的發(fā)光效率，在這個基礎上需要保證使用壽命，而氣體放電燈則很難做到這一點。</p><p>　　從2.2節(jié)的LED的伏安工作特性曲線可以看出來，正向導通后，很小的電壓就可以引起很大的電流的變化，說明LED的電阻值很小。而且環(huán)境的溫度和LED的使用老化程度也會影響LED的特性。LED的光的輸出性能與正向電流有關系，所以驅動電路在輸入電壓和溫度發(fā)生變化時，

74、最好能控制LED正向導通電流的穩(wěn)定。并且，如果LED的正向導通電流失控，LED長期工作在較大的電流下，將會影響LED的工作的可靠性和使用壽命，并有可能會使LED的工作實效。</p><p>　　3.2 LED常用調光的方法</p><p>　　由于白熾燈相控晶閘管調光電路在生活中得到了廣泛的使用，所以LED照明調光如果能和晶閘管相控調光一起配合使用，以充分利用現有的白熾燈晶閘管相控調光器的

75、價值，將價值發(fā)揮到最大。</p><p>　　由于晶閘管相控調光易于使用，符合人們的使用習慣，所以推廣LED晶閘管相控調光有很好的市場前景。</p><p>　　以后LED的照明將會逐步替代白熾燈的照明，LED的調光電路、LED的發(fā)光顏色、LED的光輸出量、LED的發(fā)光效率和調光曲線與白熾燈有著很大的差別。相對應的調光的方法、散熱性能的管理、驅動電路的設計方案和電路拓撲架構和已有基礎照明設

76、施等因素對LED相控調光電路的使用、進步和調光控制性能的發(fā)揮會有很大的影響。</p><p>　　LED照明調光不僅為了節(jié)省能源，而且LED的照明調光還可以改變整個空間的視覺效果，從而影響人的行為模式和生活方式。比如，改變房間的LED燈的光線以提醒人們該睡眠的時間了。</p><p>　　3.3 LED相控調光的主要技術指標</p><p>　　由于人們習慣了使用白

77、熾燈晶閘管相控調光器，所以LED相控調光器應該能夠兼容晶閘管的相控調光器，并且應考慮以下的技術指標。</p><p>　　調光范圍 調光范圍是指現有的發(fā)光亮度與可以發(fā)出的最大亮度值的百分比。實際中，隨著LED燈發(fā)光亮度的降低，人眼瞳孔也會跟著變化而放大，這樣人眼接收的光線并不是很快會隨LED燈發(fā)光亮度的降低而減少，人眼接收的光是測得的調光范圍百分數的均方根值。例如，測得調光范圍是最大發(fā)光值的10%，則人眼接收的光

78、的范圍是=0.316≈30%的最大發(fā)光值。</p><p>　　在整個調光范圍應平滑的調光變化；</p><p>　　可以在任何的情況下都可以控制LED負載的工作情況；</p><p>　　達到預定的調光電壓之后LED燈負載發(fā)光會很穩(wěn)定，不應該再有發(fā)光閃爍的現象；</p><p>　　在調光范圍里，不存在任何可聽到的噪音；</p>

79、<p>　　LED燈的負載在最低調光電壓時啟動LED燈的負載發(fā)光應該很快就可以達到預定的發(fā)光值。</p><p>　　溫度對電子元器件的壽命有著最重要的影響，適當的低溫對延長電子元器件的使用壽命有著幫助，LED燈的負載是LED燈和電子元器件的一體的燈，所以整體LED負載的工作壽命會受使用壽命最短的那個電子元器件的壽命制約著，調光到比較小的數值時，可以降低工作溫度，進一步延長使用壽命。</p&g

80、t;<p><b>　　3.4 本章小結</b></p><p>　　主要介紹LED調光的特性，怎么樣調光？調什么樣的光？調光的目的又是什么?在本章節(jié)中，有詳細的介紹。</p><p>　　第四章 常用LED相控調光電路與應用</p><p>　　本章主要研究的是NXP公司的SSL2102和SSL2103兩種相控調光器以及利用SS

81、L2103組成的17W相控晶閘管調光LED驅動電路。</p><p>　　4.1 SSL2102特點</p><p>　　SSL2102是一款SO20封裝高集成度LED相控調光驅動控制集成電路，內部集成了調光控制和開關電源控制的模塊。具有工作效率高和高功率因數的特點，適用于相控前沿/后沿調光LED照明的應用場合。</p><p>　　SSL散熱性能優(yōu)良，工作可靠性好

82、，通過內部穩(wěn)壓電路可以直接利用交流輸入市電整流輸出的高電壓直流電啟動，通過內部優(yōu)化的調光控制電路可以優(yōu)化電路的調光控制特性。SSL2102內含高電壓功率開關管和為相控調光電路供電的相關高電壓電路，并且內含泄放電路，利用泄放電路可以控制晶閘管調光電路低亮度輸出時，保證相控晶閘管由于低工作電流而可靠工作。退磁檢測電路可以在相控晶閘管低輸出電壓或變壓器漏感較大的情況下使電路高效和可靠工作，SSL2102內部有關保護電路可以確保電路工作可靠性，

83、當集成電路結溫超過熱關斷溫度時，過溫度保護電路（OTP）可以中止集成電路的工作。在集成電路熱保護工作期間，集成電路工作電流降低至啟動工作電流，一旦集成電路熱保護控制解除，集成電路恢復正常工作。利用外接電流檢測電阻可以逐周期限制電路的峰值電流。</p><p>　　SSL2102主要特點有：</p><p>　　變壓器繞組短路保護（SWP）；</p><p>　　集成

84、度高，使用外圍元器件少；</p><p>　　內置優(yōu)化的谷底開關檢測功能；</p><p>　　滿足有關安全和功率因數的技術要求；</p><p>　　支持前言/后沿相控調光LED照明應用場合；</p><p>　　適合LED負載總功率小于25W應用場合；</p><p>　　支持隔離和非隔離架構LED驅動電路設計；&

85、lt;/p><p>　　具有過溫度保護、過電流保護等保護控制功能；</p><p>　　增強散熱功能的SO20寬體封裝，增強了集成電路散熱功能；</p><p>　　通過內含的功率變壓器退磁檢測電路使功率開關電路工作于谷底開關，提高了電路工作效率；</p><p>　　易于和現有的相控調光器匹配，應用范圍廣，通過內置使用人眼視覺特性的調光曲線實現

86、調光，可調光低至最大發(fā)光的1%。</p><p>　　SSL2102引腳圖如圖4-1所示，內部工作原理框圖如圖4-2所示，引腳功能如表4-1所示。</p><p>　　圖4-1 SSL2102引腳圖</p><p>　　圖4-2 內部工作原理框圖</p><p>　　表4-1 SSL2102引腳功能</p><p>　

87、　4.2 SSL2013特點與控制功能</p><p>　　4.2.1 SSL2103特點</p><p>　　SSL2103基于SSL2102內核，是一款小型封裝、高集成度和高工作效率的交流市電輸入LED相控驅動電路控制器，功率開關管外置，可用于任何功率等級的LED相控調光驅動的應用場合，支持各種調光器應用（例如相控晶閘管前沿/晶體管后沿相控調光）。電路使用外圍元器件少，適用于小型密封相

88、控調光器和隔離或非隔離LED相控調光驅動應用場合。通過內部穩(wěn)壓電路可以直接利用交流輸入市電整流輸出的高電壓直流電啟動，內部調光電路優(yōu)化了電路的調光控制性能。</p><p>　　SSL2103外接泄放開光晶體管，擴展了調光器的互換性，利用泄放開關電路可以在相控晶閘管調光電路低亮度輸出時，確保在相控晶閘管低導通工作電流時可靠工作（確保相控晶閘管的維持導通電流）。</p><p>　　退磁檢測

89、電路（引腳AUX）可以確保在相控晶閘管低輸出電壓或變壓器漏感較大的情況下電路可靠工作。</p><p>　　SSL2103內部的有關保護電路可以確保電路工作可靠性，當集成電路結溫超過熱關斷溫度時溫度保護電路動作，中止SSL2103的工作。在SSL2103熱保護工作期間，SSL2103的工作電流降低至啟動工作電流，一旦SSL2103熱保護解除，SSL2103恢復正常工作。</p><p>　

90、　利用外接電流檢測電阻SSL2103可以實現逐周期限制電路的峰值工作電流。對變壓器一次、二次繞組短路電路故障繞組短路保護控制可以中止SSL2103的工作，實現對電路的保護。</p><p>　　SSL2103引腳圖如圖4-3所示，內部功能框圖如圖4-4所示，引腳功能如表4-2所示。</p><p><b>　　圖4-3 引腳圖</b></p><p

91、>　　圖4-4 內部功能框圖</p><p>　　表4-2 SSL2103引腳圖</p><p>　　SSL2103主要特點如下：</p><p><b>　　內置退磁檢測電路；</b></p><p>　　SO14封裝，散熱能力很好；</p><p>　　滿足安全和功率因數有關技術要求；&

92、lt;/p><p>　　適用于各種LED模塊功率應用場合；</p><p>　　適用于降低電壓的輸出以及Flyback變換電路拓撲；</p><p>　　適用人眼視覺特性的調光控制特性，誤差低達±1%；</p><p>　　內置優(yōu)化的谷底開關檢測電路，提高了電路工作效率；</p><p>　　內置過溫度和過電流等

93、保護控制功能；</p><p>　　集成度較高，使用的外圍元器件很少，所以構成的LED調光的封裝電路體積較小。</p><p>　　4.2.2 SSL2103控制功能</p><p>　　SSL2103是利用改變導通的時間和頻率的變化來實現LED亮度控制。外接的調光器利用該集成電路的BRIGHTNESS和PWMLIMIT這兩個引腳輸入可以實現對LED亮度輸出控制。&

94、lt;/p><p>　　剛一接通交流輸入市電時SSL2103由交流輸入市電整流輸出的直流高壓供電。一旦引腳上電壓超過，SSL2213開始工作。一旦引腳的電壓值足夠的高，就改由Flyback變壓器的輔助繞組回路供電，以提高了電路工作效率。</p><p>　　SSL2103內部振蕩器主要的作用是切換變換器邏輯定時。振蕩器頻率的變化由接至RC引腳和RC2的外接電阻和電容的參數值來決定。外接電容被快

95、速充電到電位，開始新的一次測導通工作，然后電容放低到電位。當為高電位時，可以利用式（4-1）計算變換器振蕩頻率。</p><p><b>　?。?-1） </b></p><p>　　式（4-1）中的電阻R等于兩個振蕩器電阻的并聯(lián)電阻值（接至RC和RC2引腳的電阻），C表示RC引腳上連接的電容。</p><p>　　BRIGHTNESS引腳輸入

96、信號控制電路的頻率降低工作模式。</p><p>　　圖4-5 亮度控制功能電路</p><p>　　圖4-6中所表示的是RC波形，RC的值由SSL2103中的BRIGHTNESS引腳來控制。為了保證電容器能夠在規(guī)定的充電時間內充足電，振蕩器的電容的取值應該不大于1.1nF。由于電容器會產生一定的漏極電流，應使RC引腳和接地之間連接電阻，該電阻的阻值不大于220KΩ。</p>

97、<p>　　圖4-6 BRIGHTNESS引腳波形</p><p>　　脈沖的占空比是由內部的調節(jié)電壓和引腳RC上的振蕩器的信號來控制，內部的調節(jié)電壓通過PWMLIMIT引腳上的來自外部負載的電壓來設定。</p><p>　　對于內部功率的開關，比較低的PWMLIMIT引腳上的電壓將導致導通的時間會很短。最小脈沖的占空比能被設定為0%，而最大占空比只能被設定為75%。</

98、p><p>　　SSL2103內部含有一些用于調節(jié)市電的相控調光器的電路，這個電路又稱為泄放電路，可以實現強、弱兩個外部電流的泄放功能。強泄放電路用于相控調光器過零交越復位，弱泄放電路用于維持通過相控調光器的維持導通電流。</p><p>　　如圖4-7示，當SSL2103的管腳HVDET上的最大電壓高于電平（通常為52 V)時，則SB_DRV輸出無效，否則有效。一旦管腳“”上的電平超過電平（

99、通常為-100mV），WB_DRV的輸出會立即有效。當電平下降到低于電平（通常為-250mV）時，WB_DRV則輸出無效，SB_DRV則輸出有效。當強泄放器開關關閉的時候，則WB_DRV輸出有效。</p><p>　　圖4-7 強、弱泄放電路工作原理圖</p><p>　　如圖4-8所示，當一次測功率MOSFET管導通時，就會開始新的開關工作周期。經過一段時間（由振蕩器電壓、RC的數值和內

100、部調節(jié)電平決定），一次測功率則MOSFET管會被關斷，二次測則會開始導通工作。</p><p>　　在二次測導通工作之后，功率MOSFET管的漏極電壓會有振蕩，振蕩頻率f如式（4-2）所示。</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　式（4-2）中，為漏極節(jié)點上的寄生電容，為Flyback變壓器一次繞組電感值。<

101、/p><p>　　一旦振蕩器電壓再次變高的時候，而且二次測導通工作已經結束，電路將等待一個低漏極的電壓值的出現，然后開始新的一次測導通工作過程。</p><p>　　圖4-8表示功率MOSFET管漏極電壓、波谷信號的有關波形。在低振頻率下，一次測導通的開始會比實際波谷來得略微早；而在高振頻率下，則會比實際波谷來得略微晚。</p><p>　　圖4-8 Flyback變換

102、波谷切換的信號波形</p><p>　　如果連接上了AUX的引腳，只要二次測導通結果還未結束，振蕩器就不會開始新的一次測導通。在第一個抑制時間內退磁識別信號被抑制。在Flyback變壓器有較大漏感和在低輸出電壓下應用場合，有必要使用這種抑制。</p><p>　　利用外接功率的MOSFET管源極電流檢測電阻，可以實現逐周期漏極峰值電流的限制。在上升沿延遲時間的滯后，過電流保護電路將會被激活

103、。保護電路將電阻上的電壓限制到過電流保護閾值的電壓以下，完成一次測峰值電流限制控制的功能。</p><p>　　如果電路出現變壓器繞組短路故障時，SSL2103將停止工作。只有電源接通復位后，SSL2103才會重新開始正常工作。在次級側整流二極管短路情況下，繞組短路保護控制功能也動作。</p><p>　　當SSL2103的工作結溫超過熱關斷溫度時，SSL2103停止工作。在熱保護期間，S

104、SL2103電流降低至啟動電流。一旦超過熱狀態(tài)，SSL2103恢復正常工作。</p><p>　　4.2.3 SSL2103典型應用電路</p><p>　　采用SSL2103的Buck電路工作原理如圖4-9所示，采用SSL2103的Flyback變換電路工作原理如圖4-10所示。可見電路的強泄放電路（接至SSL的SB_DRV引腳）和弱泄放電路（接至SSL2103的WB_DRV引腳）晶體管

105、外接。功率MOSFET管外接（接至SSL2103的PWR_DRV引腳）可以適用于不同輸出功率應用場合。</p><p>　　圖4-9 采用SSL2103的Buck電路工作原理圖</p><p>　　圖4-10 采用SSL2103的Flyback變換電路工作原理圖</p><p>　　4.3 采用SSL2103的17W相控晶閘管調光LED驅動電路</p>

106、<p>　　4.3.1 電路主要技術特點</p><p>　　下面介紹采用NXP（恩智浦）公司的SSL2103控制器的17W輸出功率相控晶閘管調光驅動電路。電路技術指標如表4-3所示，電路板頂視圖如圖4-11所示，電路板底面圖如圖4-12所示，驅動電路工作原理如圖4-13所示。</p><p>　　表4-3 電路技術指標</p><p>　　圖4-11

107、演示板頂視圖 圖4-12 演示板底面</p><p>　　圖4-13 電路工作原理圖</p><p>　　4.3.2 電路工作原理</p><p>　　如圖4-13所示，電路工作于Flyback變換，在PWMLT控制電路脈沖占空比大于75%最大值和SSL2103的SOURCE引腳電壓大于0.5V時電路中止工作。</p>

108、<p>　　在功率開關管截止期內，儲存在Flyback變壓器中的磁能通過二次測的整流二極管輸出到輸出電容和,為負載供電，接至RC和RC2引腳的RC元器件參數控制內部振蕩器的定時，可以決定Flyback變換器的開關工作頻率?？梢岳肂RIGHRNESS引腳來設定開關工作頻率的上限和下限值，電阻和的參數決定Flyback變換器開關工作頻率范圍。</p><p>　　通過元件、和組成的阻尼電路可以泄放掉存

109、儲在相控晶閘管調光電路電感元件中的能量。</p><p>　　電阻、和達靈頓晶體管組成限電流電路，一旦達靈頓晶體管基極電壓高于發(fā)射極導通電壓，達靈頓晶體管飽和導通，短路電阻，一旦流過電阻的電流使達靈頓晶體管退出飽和導通時，回路串聯(lián)電阻加大，起到限制電路工作電流的作用。仔細選擇二極管和電阻的參數，確保限電流電路可靠工作。由于達靈頓晶體管的電流放大倍數很高，所以可以滿足電路工作效率和功率因數的技術要求。</p&

110、gt;<p>　　為改善電路相控晶閘管調光控制特性，利用串聯(lián)電阻、和和、和組成的串并聯(lián)阻尼回路可以優(yōu)化相控晶閘管調光電路的工作特性。為優(yōu)化電路的工作效率，在電路有峰值電流時串聯(lián)阻尼電路工作，正常工作時達靈頓晶體管飽和導通，旁路電阻，一旦電路有峰值電流時，通過達靈頓晶體管控制回路的控制作用使電路工作電流被限制在500mA最大值以內。</p><p>　　Flyback變換電路的輸入回路由、、、和等元件

111、組成，應為容性，用于濾除由于Flyback變換電路開關工作而引入的干擾，缺點是由于濾波電路為容性，降低了電路的功率因數。</p><p>　　電阻為LED負載限電流電阻，通過和光耦合器可以實現LED負載限電流控制?？梢酝ㄟ^電阻和設定限電流值，這個反饋控制環(huán)路還有輸出過電壓保護的控制功能。如果LED負載的電壓超過路人33V，這時就存在電流流過電阻和，流過光耦合器的電流將會進一步加大，使SSL2103的PWMLMT引

112、腳和BRIGHRNESS引腳電位變?yōu)榈碗妷?，一旦電位低?00mV，功率MOSFET管關斷。由于Flyback變換電路和有關元器件引入的相位移，反饋控制環(huán)路的增益對電路的工作性能有較大的影響，大的增益有利于電路可靠工作。</p><p>　　通過檢測市電整流輸出的電壓平均值可以實現調光控制范圍的檢測，電阻和組成分壓電路，電容起濾波作用，這樣通過PWMLMT引腳的控制電位可以決定Flyback變換電路的開關脈沖占空