1、综合课程设计课程报告大功率 LED 电源设计姓名： 邓晓婿 学号： 10360203 专业： 电子信息工程 任课教师： 谭家杰 成绩： 衡阳师范大学物电系2013 年 11 月 20 日-+ RLEDU UL摘要LED（light emitting diode）又称为发光二极管，是一种新型光源， 具有高效节能、绿色环保、使用寿命非常长，LED 元件的体积非常小，LED 的发出的光线能量集中度很高，LED 的发光指向性非常强，LED 使用低压直流电即可驱动，显色性高（不会对人的眼睛造成伤害）等其他光源无法比拟的优点，作为绿色光源产品，国家绿色照明推广使用的产品，代表着未来照明技术的发展方向， 本
2、设计主要介绍了以 STC89C52 控制为核心，利用 PWM 调光技术，通过调整 PWM 的周期，PWM 的占空比从而控制电流，从而达到对 LED 进行光度亮暗的控制调节的效果，实现对 LED 的 PWM 的调光控制，并且采用恒流驱动方式实现驱动电路，并且提出一种基于恒流驱动芯片 PT4115 的高效率的大功率 LED 恒流驱动解决方案。该种驱动电路简单、高效、成本低，适合当今太阳能产品的市场化发展。 。关键词：大功率 LED ；驱动电路；恒流驱动芯片 PT4115一、LED 主要性能指标：1）LED 的颜色：目前 LED 的颜色主要有红色,绿色,蓝色,青色,黄色,白色,暖白,琥珀色等其它的颜
3、色；2）LED 的电流：一般小功率的 LED 的正向极限电流多在 20mA。但大功率 LED 的功率至少在 1W 以上，目前比较常见的有 1W、3W 、5W、8W 和 10W。1W LED 的额定功率为350mA,3W LED 的 750mA。3）LED 的正向电压：LED 的正极接电源正极,负极接电源负极。一般 1W 的大功率 LED的正向电压为 3.5V3.8V。4）LED 的反向电压：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏 LED 发光强度：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发) 光强( 度)，单位为坎德拉（cd ） 。 5）LED 光通量
4、：光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。单位为流明(lm)。如 1W 大功率 LED 的光通量一般为 6080LM。 6）LED 光照度：1 流明的光通量均匀分布在 1 平方米表面上所产生的光照度.，单位为勒克斯(lx)。 7）LED 显色性：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度。8）LED 的使用寿命：LED 一般可以使用 50,000 小时以上。9）LED 发光角度：二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制。二、大功率 LED 的驱动方式：LED 驱动简单的来讲就是给 LED 提供正常工作条件(包括电压 ,电流等条件)的一种电路
5、,也是 LED 能工作必不可少的条件,好的驱动电路还能随时保护 LED，避免 LED 被损坏。 LED 驱动通常分为以下三种方式：(1) 镇流电阻驱动：就是简单的的在 LED 的回路中串接电阻,通过调节电阻的阻值,可以改变 LED 的驱动电流.。LED 的工作电流为：RUIL所以 I 与镇流电阻 R 成反比；当电源电压 U 上升时，R 能限制 I 的过量增长，使 I 不超出 LED 的允许范围。此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率 LED 范围，所以不选这种方案。(2) 恒压驱动：就是保持 LED 两端的电压不变，因为每一种颜色的
6、LED 的电压都不一样,所以很少用恒压的方式来驱动 LED。 (3) 恒流驱动：顾名思异就是保持 LED 的电流一直不变,让 LED 在恒定电流的条件下工作。由于大功率 LED 是低电压、大电流的驱动器件，当 LED 电压变化很少时，电流变化很大。LED 发光的强度由流过 LED 的电流决定，电流过强会引起 LED 的衰减，电流过弱会影响 LED 的发光强度，因此 LED 的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率 LED 使用的安全性，同时达到理想的发光强度。如果采用恒压方式驱动，LED 正向电压的任何变化都会导致 LED 电流的变化。由温度或电压变化引起的特定压变，导致正向电流降低，正向电压变化
7、 11会导致更大的正向电流变化，达 30。电流的变化较大，使 LED 的亮度不能恒定。所以一般都选择恒流驱动 IC。三、恒流驱动方式电路LED 驱动电路除了要满足安全要求外，还应具备两个基本功能：一是尽可能保持恒流特性，又使其在电源电压发生的变动时，仍应能保持输出的电流在的范围内变动；二是应保持较低的自身功耗，这样才能使 LED 的系统效率保持在较高水平。随着更新一代大功率LED 所需的驱动电流的增加，要更多的考虑到 LED 本身和电流驱动电路的散热管理和功耗等问题。本设计框图如下所示：（1）适配器的选择：本设计首先要将高压的交流电变换成低压的直流恒流源，然后经过驱动芯片输出恒流才能点亮 LE
8、D 光源。最经济有效的方法降压和进行交直流变换是使用当今便携式电子产品使用交流电源的交直流降压变换器-适配器（ Adapter） ，既经济实惠、又现成、又好用。适配器的输出电压要求稳定在 DC12V，适配器的输出电流要根据 LED 的光源的功率来选择，一般要给予 30%的余量，1W 的白光 LED 的标准工作电流应为 350mA，因而 3 个 LED 光源串联其电路需要的电流也是 350mA，考虑到延长 LED 寿命和降低光衰，可以设计为 300mA-330mA，不会明显的影响 LED 发光的亮度，所以适配器的输出电流应选 750mA1A 的。（2）驱动芯片：由于本设计采用恒流驱动方式，所以驱
9、动芯片可以选择 PT4115 恒流驱动芯片，PT4115 是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，适合绿色照明 LED 灯的驱动电路。它具有较宽的直流 8V 到 30V 输入电压范围,击穿电压大于 45V，输出2001200mA 恒定直流，可满足驱动点亮 17 颗串联的大功率 LED 或 N 颗串并联的小功率LED,驱动恒流大小可按应用方案设定.。PT4115 采用频率抖动技术有效地改善 EMI；采用市电(AC220V) 适配器降压 恒流驱动芯片 3 个 1W LED串 联从满量程向下到零的 PWM 调光；安全可靠，调光比可达 5000:1；采用 SOT89-5 的封装，芯片的管芯可通过直接连
10、通到封装外的金属板散热；导热十分有效；PT4115 内部设置了过温保护功能，以保证系统稳定可靠的工作。当 IC 芯片温度超出 160,IC 即会进入过温保护状态并停止电流输出,而当温度低于 140时,IC 即会重新恢复至工作状态。PT4115 可利用模拟调光的原理以及温度对 LED 电流的负反馈实现 LED 灯具动态温度控制,只要在调光端(DIM 端)加一热敏电阻或 PN 结即可。加上整流桥 PT4115 可应用于交流 12V、24V 供电的 LED 灯具。PT4115 的工作效率高达 97%,是真正的绿色驱动 IC，PT4115 被广泛应用于使用 LED 灯的 MR11、MR16、水灯、路灯
11、等各类 LED 灯具。PT4115 主要参数如下： 输入范围从 8V 到 30V，击穿电压 45V 输出电流高达 1.2A，内置大功率 MOFET 效率高达 97 超低的关断电流 5输出电流精度 LED 开路保护 模拟 PWM 调光功能选择，高达 5000:1 的 PWM 调光比 内部含有抖频特性，有效地改善了 EMI恒流驱动芯片 PT4115 的 5 脚封装的管脚图如右图所示，其管脚描述如下：管脚 1：SW，功率开关的漏端；管脚 2：GND，信号和功率；管脚 3：DIM，开关使能、模拟和 PWM 调光端；管脚 4：CSN ，电流采样端，采样电阻接在 CSN 和 VIN 端之间；管脚 5：VI
12、N ，电源输入端，必须就近接旁路电容。(3)大功率 LED：可以选择 1W 白光 LED，其参数如下： 功 率 ：1W 光 通 量：20-30LM 顺向电压：3.5-3.8V 额定电流：350mA 光 衰 ：5%每千小时光衰。 角 度 ：120 度四、设计电路原理图如下：原理图器件说明：D1D4 组成单相桥式整流电路，将交流变成直流，即不管 U1 输出的是直流还是交流，经过这个整流桥之后输出的电流总是直流的，给驱动芯片 PT4115 输入稳定的直流，保证电路正常工作，桥式整流电路二极管常用 1N4007。C1 是滤波电容，把脉冲直流变换成平滑的直流。应选电解电容，型号为 100uF/25V。R
13、1 是取样电阻，控制 PT4115 输出电流的大小，它决定恒流源的绝对精度。 R1 的阻值与负载电流大小有关，一般用下面公式计算： LEDIR1.0由于负载是 3 个串联的 1W LED，额定电流为 350mA，则采样电阻 R1 的大小为：2857.3.0所以 R1 可以选择阻值约为 0.2857 欧姆的金属膜电阻。L 是整流电感，是这个电路中的关键元件，功能是把 100KHz 的脉冲电流变换成三角波电流，L 的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。因为 PT4115 的设计最佳工作频率在 1MHz 以下，电感量大了小会影响其工作频率，本方案的电感设计在 68uH 以上，这样系统工作频率可
14、以控制到 1MHz 以下。电感量小了，工作频率趋高，由于 PT4115 内部电流检测电路响应速度限制，对内部电流正常检测出现影响，不能更好的实现对内部开关的导通/关断控制。另外电感量太小还会导致 PT4115 的 SW 端烧坏，而无输出。所以此设计中 L 的电感量应选用 68uH100uH，Q 值大于 50，饱和电流大于 800mA 的磁路闭合电感器。D5 是续流二极管，在晶片内部 MOS 管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路。由于工作在高频脉冲状态，D5 应选用正向压降小，恢复速度快的肖特基二极管。芯片 PT4115 的 DIM 端可外接 PWM 脉冲或直流电压调光，也可以接热敏
15、电阻作辅助温度控制和自动亮度控制。由于本设计中不用到调节 LED 灯亮度，故 DIM 端悬空。五、PT4115 的动态温度调节和过温保护PT4115 具有动态温度调节的功能，并且可以在此功能的基础上实现过温保护。动态温度调节的电路图如下左图所示。从图中可见，DIM 端内部是一个 1M 的上拉电阻，连接到内部 5V 电源上。所以 DIM 端电压由内部上拉电阻和热敏电阻 NTC 分压决定。从热敏电阻的特性可以知道，温度的变化会影响 NTC 的阻值，进而影响 DIM 端电压，以实现PT4115 的动态温度调节。过温保护的实现从如下右图中可见，相对于左图多了一个三极管，当温度升高时。NTC 电阻的阻值
16、减小，其上的分压也减小，则相应的其下面电阻上的分压升高，当超过三极管的开通电压时，三极管导通，DIM 端接地，关断 LED 电流，当温度降低时，PT4115重启，因此实现了 PT41 15 的过温保护。六 、PWM 调光原理PT4115可以采用 PWM 调光措施，当 DIM 引脚电压低于0.3V 时关断 LED 电流，高于2.5V 时开启 LED 电流。PWM 调光措施相对于传统的线性调光，不影响 LED 的光效。PWM 调光的基本原理是保持 LED 正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比列，即控制每个周期电流导通的时间，也保证 LED 发光的色度，本设计采用单片机STC89C52
17、,通过其引脚 P0.1输出 PWM 波连接到 PT4115的 DIM 端。其调节光暗基本原理电路图如下：七、附录程序#include unsigned char count; /0.5ms 次数标识sbit pwm =P01; /PWM 信号输出sbit jia =P10; /角度增加按键检测 IO 口sbit jan =P16; /角度减少按键检测 IO 口unsigned char jd; /角度标识void delay(unsigned char i)/延时unsigned char j,k;for(j=i;j0;j-)for(k=110;k0;k-);void Time0_Init()
18、 /定时器初始化TMOD = 0x01; /定时器0工作在方式1 IE = 0x82;TH0 = 0xfe;TL0 = 0x33; /11.0592MZ 晶振，0.5msTR0=1; /定时器开始void Time0_Int() interrupt 1 /中断程序TH0 = 0xfe; /重新赋值TL0 = 0x33;if(countjd) /判断0.5ms 次数是否小于角度标识pwm=1; /确实小于，PWM 输出高电平elsepwm=0; /大于则输出低电平count=(count+1); /0.5ms 次数加1count=count%10; /次数始终保持为40 即保持周期为20msvo
19、id keyscan() /按键扫描 if(jia=0) /角度增加按键是否按下delay(10); /按下延时，消抖if(jia=0) /确实按下jd+; /角度标识加1count=0; /按键按下 则20ms 周期从新开始if(jd=11)jd=10; /已经是180度，则保持while(jia=0); /等待按键放开if(jan=0) /角度减小按键是否按下delay(10);if(jan=0)jd-; /角度标识减1count=0;if(jd=0)jd=0; /已经是0度，则保持while(jan=0);void main()jd=7;count=0; Time0_Init(); wh
20、ile(1)keyscan(); /按键扫描八、设计总结：本设计论文从 LED 的特性和驱动方式出发，论述了 LED 的各种驱动方式，并以流过LED 的电流恒定为基本目的，设计了一个简单的 LED 驱动电路。在整个设计中，首先阐述了该驱动电路的基本原理，给出了理论依据。然后根据功能需要设计了一个驱动 3 1W的 LED 驱动电路，并针对应用特点提出了设计中还存在的不足，用实验的方法论证了方案的可行性。在 LED 光源的设计中，考虑各种因素，成功的完成了用 LED 光源代替传统的光源，使光源兼有节能、环保、长寿和美观等特点。以下是设计中需要注意的问题：1、驱动芯片 PT4115 是 40V 的
21、CMOS 工艺制造的，电子功率器件要安全可靠地工作，必须要留有足够的冗余度，这样才有利于器件的散热，所以输入电压最好在 12V 左右；2. PT4115 内部自带过温保护功能，外部过温保护可设，对 LED 实现双重保护；3.PT4115 可利用模拟调光的原理以及温度对 LED 电流的负反馈实现 LED 灯具动态温度控制，只要在调光端（DIM）加一热敏电阻或 PN 结即可实现 PWM 调光，但 PWM 调光有其劣势，主要反映在 PWM 调光很容易使得白光 LED 的驱动电路产生人耳听得见的噪声，所以本设计中没有设计 PWM 调光。3.驱动 3 个 1W 的 LED 灯比只驱动一个 3W 的 LED 灯的发光效率更高。4.在以市电为输入电源的 LED 驱动方案中，有隔离型与非隔离型两种驱动方案，隔离型驱动安全但效率较低，非隔离型驱动效率较高。5. 交流 12V 整流管和续流二极管一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功耗；
