LED灯泡驱动器设计

设计题目：LED灯泡驱动电路设计姓名：麻群振

学号：2012481038

班级：电气（2）班

专业：电气自动化

学院：电子电气工程学院

指导老师：李继方

摘要

在提倡环保、节能的今天LED被认为是二十一世纪的新型半导体绿色照明光源具有能耗低、寿命长、响应时间短、安全低压、环保、应用灵活、调节方便等诸多优点。随着经济的发展LED的应用随需求而变得急剧增大，它已经广泛地应用于电信、邮政、金融、交通等各个行业。LED的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，使LED显示更加均匀、漂亮,满足各种场合的应用要求。

LED的发光特性有这样的特点: LED的发光强度由驱动电流决定。当LED两端的电压发生波动时,流过发光二极管中的电流变化较大,而发光二极管的发光强度等比于驱动电流,因此驱动

电路的好坏直接影响LED的发光质量。而且，驱动LED的电源也要考虑。由于市电的广泛使用，怎样用市电来驱动LED成为们关注的焦点。即怎么由市电转化为低压直流电源，进而驱动LED。

本文从LED的发展现状出发，选择LED作为实验对象，介绍了LED照明的特点和LED光学特性参数。无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，又对现有的照明动电路的特点进行了分析，并设计了三种LED驱动电路。通过对三种LED驱动电路的性能及特点进行比较，从而得出这三种驱动电路在具体的场合下哪种驱动路更简洁、更节能。

关键词：LED 驱动电路节能

目录

摘要 (2)

第1章绪言 (4)

1.1 课题背景 (2)

1.2 课题研究的目的和意义 (2)

1.3 LED驱动电路的发展概况及发展趋势 (2)

第2章 LED的基础知识 (2)

2.1 LED的基本概念及特点 (2)

2.1.1 LED的基本概念 (2)

2.1.2 LED的特点 (2)

2.2 LED的发光原理及主要参数 (2)

2.2.1 LED的发光原理 (2)

2.2.2 LED的主要数 (2)

第3章 LED驱动主电路 (2)

3.1 电路设计的总体方案 (10)

3.2 主电路的设计 (12)

3.2.1 EMI滤波电路的设计 (2)

12 3.2.2 整流桥电路的设计 (2)

3.2.3 DC/AC变换电路的设计 (2)

18 3.2.4 输出平滑电路的设计 (2)

3.2.5 主电路及其工作原理 (2)

20 3.3 LED的连接方式 (2)

第一章绪论

1.1 课题背景

LED的结构以及发光原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG 白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。

上个世纪60年代，科技工作者利用半导体ＰＮ结发光的原理，研制成了LED 发光二极管。当时研制的ＬＥＤ，所用的材料是ＧａＡＳＰ，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的ＬＥＤ，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。

2.1 LED驱动电源要求

LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点,近年来在各行业应用得以快速发展，LED的驱动电源成了关注热点,理论上LED的使用寿命在10万小时以上,但在实际应用过程中,由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当,使LED极易损坏.随着LED的应用日益广泛,LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。我们设计LED驱动电源时,有必要知道LED电流、电压特性,由于LED的生产厂家及LED规格不同,电流、电压特性均有差异.现以白光LED典型规格为例,按照LED 的电流、电压变化规律,一般应用正向电压为3.0-3.6V左右,典型值电压为3.3V，

电流为20mA,当加于LED两端的正向电压超过3.6V后,正向电压很小的增加,LED

的正向电流都有可能会成倍增涨,使LED发光体温升过快,从而加速LED光衰减,

使LED的寿命缩短,严重时甚至烧坏LED。根据LED的电压、电流变化特性,对驱

动电源的设计提出严格要求。

1.3 LED驱动电路的发展概况及发展趋势

近几年，LED的发光效率提高了100倍，成本下降了90%。在LED光源及市场

开发中，极具发展与应用前景的是白光LED。LED用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界增长率在20%以上，美、日、欧、中国（包括台湾和香港地区）均推出了半导体照明计划。LED产业不断涌现

新技术、新产品、新应用，呈现了朝阳工业欣欣向荣的景象。目前许多色别的LED都达到了烛光级水平，相信随着器件结构的改进和发展效率的提高，今后LED

发展的主流是LED照明光源。白光LED上的正向压降一般为3-4V，LED光源不

能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压，它必须配有专用电压转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作，也就是所谓的LED专用驱动电源。要发展LED必须发展LED的配套的设施，驱动电源就是最主

要的。

近年来各大公司和研究机构对LED电源和驱动电路的研究方兴未艾。与荧光

灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，

并同时完成与LED的电压和电流的匹配。随着硅集成电路电源电压的直线下降，LED 工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间，大多数为低电压 IC 供

电的技术也都适用于为LED。目前LED驱动电路发展的主要趋势有： 1.针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路，利用集成电路技术将每颗LED的

输入电流控制在最佳电流值，使得LED能获得稳定的电流，并产生最高的输出光

通量。LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。 2.LED驱动电路具有智能控制功能，使LED的负载电流能够

在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产

生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。 3.

在控制电路电路设计方面，要向集中控制，标准模块化，系统可扩展性三方面发

展5

第2章 LED的基础知识 2.1 LED的基本概念及特点 2.1.1 LED的基本概念 LED是发光二级管（Light Emitting Diode）的简称。顾名思义，发光二极管是一种可以将电能转化为光能并具有二级管特性的电子器件。LED

是一种半导体二极管，与普通半导体二极管一样有两个电极(正极和负极)。LED

在工作时需外加电源，外加的电能也是由这两个正、负电极加入到半导体二极管内。LED在内部结构上有和半导体二极管相似的p区和n区，p区和n区相交的

界面形成pn结。LED与普通半导体二极管一样是一种允许电流单向导通的器件。LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。根据加在二极管两端

的电压大小，利用通过LED的电流始终使pn结发光【3】。 2.1.2 LED的特

点 LED通过pn结实现电光转换，其特点如下。（1）节能。LED具有

电压低、电流小、亮度高的特性。其发光效率比传统光源节能80%~90%。预计

几年后，白光LED的发光效率有可能达到150~200 lm远远超过了现在其它照明

光源的发光效率。（2）环保。 LED为冷光源，眩光小，无辐射，使用中不

产生有害物质。LED的环保效益好，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可

回收，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。（3）寿命长。

LED单管寿命为10万小时，光源寿命在2万小时以上，按每天工作12h计算，寿命也在5年以上。而普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯、金属卤化物灯的寿命也不超过10000h。（4）结构牢固。 LED利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧

6 树脂封装，体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉淀、光衰等缺点，可承受高强度机械冲击。（5）光色单纯，种类多。 LED的光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可以利用，而且无需过滤直接发出色光。LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术的控制下使3种颜色具有256级灰度并任意混合，可产生256x256x256（即16777216）种颜色，形成不同光色的组合。LED组合的光色变化多端，可实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。（6）安全可靠。 LED光源使用低电压驱动，发光稳定，没有采用50HZ交流电供电时的频闪现象，没有紫外线B波段，Ra值接近100，色温为5000K，接近太阳的色温5500K。LED的发热量低，并能精确控制光型及发光角度，光色柔和。（7）快速响应。 LED的响应时间很短，能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。采用专用电源给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10ms。综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。所谓“绿色照明”的概念就是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，可以提高人们的工作、学习、生活的条件与质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境。尽管LED具有很多优点，但目前仍存在下述缺点。（1）功耗低。市面上的单体LED光源的功率一般在5W以下，很少有大功率的LED光源，这是LED在照明领域发展的一个阻碍。（2）需要严格控制温度。 LED是一种半导体器件，与普通二极管一样具有pn结，由于LED光源的功率相对较大，所以，与功率半导体相同，需要考虑散热问题。结温过高会直接影响LED的寿命，并且会增大LED的光衰，情况严重的会将LED烧坏。（3）价格高。虽然LED目前已被大多数人认识，也被多数人看好，但其高昂的价格难以被消费者接受。白光LED的价格以达到了2~5元一个。如果将几十个单体LED组合，其成本将大大增加。LED要成为未来照明的主流光源，就一定要朝着大流明方向发展，其成本才有可能降低，市场才有可能突破。

7 2.2 LED的发光原理及主要参数 2.2.1 LED的发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAs（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是pn结。因此它具有一般pn结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由n区注入P区，空穴由P区注入n区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2-1

所示。图 2-1 LED发光原理 2.2.2 LED的主要参数 1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm: 允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：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。（4）工作环境:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度

7 2.2 LED的发光原理及主要参数 2.2.1 LED的发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAs（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是pn结。因此它具有一般pn结的I-N特性，即正向导

通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由n区注入P区，空穴由P区注入n区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2-1

所示。图 2-1 LED发光原理 2.2.2 LED的主要参数 1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm: 允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：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。（4）工作环境:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度