冷光源照明系統(tǒng)研究畢業(yè)論文

PAGEPAGEVI畢業(yè)論文冷光源照明系統(tǒng)的研究摘要隨著能源危機(jī)的加劇，綠色高效的照明系統(tǒng)得到了人們的廣泛重視。我國(guó)在1996年也推出了“中國(guó)綠色照明工程"，旨在我國(guó)發(fā)展和推廣高效照明器具，逐步替代傳統(tǒng)的低效照明電光源，節(jié)約照明用電。冷光源LED以其高效率、低功耗、低電壓驅(qū)動(dòng)、使用壽命長(zhǎng)以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，引起了全世界的廣泛關(guān)注，被越來越多的應(yīng)用于各種照明場(chǎng)合，在可預(yù)見的將來將有可能進(jìn)入一般照明市場(chǎng)以替代傳統(tǒng)的熱照明方案成為新一代照明光源。因此，研究針對(duì)冷光源LED驅(qū)動(dòng)電路的研究設(shè)計(jì)有很重要的意義。本文基于高性能、低功耗的8位AVR微處理器研究冷光源照明技術(shù)。采用單通道輸出的LED恒流驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)高達(dá)1安培的沈入電流（sinkcurrent），并可透過調(diào)整參考輸入電流()來任意設(shè)定輸出電流的大小。微調(diào)或使能偏壓電壓可校正LED間的亮度不一或?qū)崿F(xiàn)多顆LED間整體亮度同時(shí)調(diào)整。采用LNK306來替代輸出電流小于360mA的所有線性及電容降壓式非隔離電源。其系統(tǒng)成本與所替代的電源相等，但性能更好、效率更高。采用AD590溫度檢測(cè)，適用于150℃以下、目前采用傳統(tǒng)電氣溫度傳感器的任何溫度檢測(cè)應(yīng)用。低成本的單芯片集成電路及無需支持電路的特點(diǎn)，使它成為許多溫度測(cè)量應(yīng)用的一種很有吸引力的備選方案。應(yīng)用AD590時(shí)，無需線性化電路、精密電壓放大器、電阻測(cè)量電路和冷結(jié)補(bǔ)償。關(guān)鍵詞：LED恒流驅(qū)動(dòng)AbstractAstheaggravationofenergycrisis，greenandefficientlightsystemgetsmoreandmoreattention．In1996，Chinalaunched“ChinaGreenLightingProject'’，whichwasinordertodevelopandpromotehigh-efficientlightingapparatuses，graduallysubstitutethetraditionallow-efficientlightingapparatuses，andsavelightingelectricity．PowerwhiteLEDhasarousedworldwideinterestbecauseofitshighefficiency，lowpowerloss，lowdrivevoltage，longservicelife，energy-conversationandotheradvantages，tobeappliedinmanykindsofilluminancesituation．Intheforeseeablefuture，powerwhiteLEDmayenterthecommonlightingmarkettodisplacethetraditionalilluminancemethodsandbecomethenewgenerationlightingsource．So，ithastheveryvitalsignificancetoresearchthedrivingcircuitofpowerwhiteLED．Basedonhigh-performance,low-power8-bitAVRmicrocontrollersstudycold-lightilluminationtechnology.Single-outputLEDDriverdriveupto1Ampsinkcurrent(sinkcurrent),andcanbearbitrarilysetthesizeoftheoutputcurrentbyadjustingthereferenceinputcurrent(IREF).Fine-tuning,ortoenablethebiasvoltagecanbecorrectedbrightnessvariesbetweentheLEDortheoverallbrightnessoftheLEDatthesametimetoadjust.TheadoptedLNK306toreplacetheoutputcurrentislessthan360mAofalllinearandcapacitor-isolatedpowersupply.Thesystemcostequaltothealternativepower,butbetterperformance,moreefficient.AD590temperaturedetectedbelow150℃,usingconventionalelectricaltemperaturesensortemperaturesensingapplications.Low-costsingle-chipintegratedcircuitsandcircuitthenumberoftemperaturemeasurementapplicationsanattractivealternative.ApplicationAD590,withoutlinearizationcircuits,precisionvoltageamplifiers,resistancemeasuringcircuitryandcoldjunctioncompensation.Keywords：LED，Constantcurrentdriver目錄第1章緒論 -1-1.1冷光源照明系統(tǒng)研究的背景及意 -1-1.2冷光源照明系統(tǒng)的發(fā)展與國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -2-1.2.1冷光源系統(tǒng)的發(fā)展 -2-1.2.2冷光源照明系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -3-1.3本文主要研究?jī)?nèi)容 -5-第2章冷光源照明系統(tǒng)的基本特征及電路原理 -7-2.1LED的基本特征及連接方式 -7-2.1.1LED伏安特性 -7-2.1.2LED光特性 -8-2.1.3LED熱特性 -10-2.1.4連接方式 -11-2.2整流濾波電路 -14-2.3恒流電路的設(shè)計(jì) -17-2.3.1恒流系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) -17-2.3.2集成運(yùn)放 -18-2.3.3功率MOSFET -19-2.4本章小結(jié) -21-第3章冷光源照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -22-3.1冷光源照明系統(tǒng) -22-3.2控制電路 -23-3.2.1控制芯片ATmega16L -23-3.2.2ATmega16L芯片特性 -26-3.2.3控制電路的外圍電路 -26-3.3驅(qū)動(dòng)電路 -29-3.3.1驅(qū)動(dòng)芯片DD311 -29-3.3.2驅(qū)動(dòng)芯片DD311相關(guān)參數(shù) -30-3.3.3DD311的特性 -31-3.4檢測(cè)電路 -33-3.4.1溫度檢測(cè) -33-3.4.2AD590相關(guān)參數(shù) -35-3.5顯示電路 -36-3.5.1鍵盤/顯示驅(qū)動(dòng)芯片 -36-3.5.2ZLG7290相關(guān)參數(shù) -37-3.6電源電路 -39-3.6.1開關(guān)電源芯片LNK306 -39-3.6.2LNK306特性 -40-3.7本章小結(jié) -43-第4章照明系統(tǒng)流程 -44-第5章結(jié)論 -49-致謝 -50-參考文獻(xiàn) -51-附錄1:冷光源照明系統(tǒng)原理圖 -53-56-第1章緒論1.1冷光源照明系統(tǒng)研究的背景及意發(fā)光二極管(Light-EmittingDiode，LED)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體發(fā)光器件，依靠材料中的正負(fù)電荷復(fù)合來發(fā)光，材料使用III-V族化學(xué)元素，如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等。在20世紀(jì)70年代，LED最早應(yīng)用作指示燈、數(shù)字和文字顯示。隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)的突破，高亮度藍(lán)光二極管的出現(xiàn)解決了發(fā)光二極管的三原色缺色問題，因此徹底解決了大屏幕全彩色顯示問題，有了紅橙黃綠青藍(lán)紫七色全彩，更為重要的是由此產(chǎn)生了白光半導(dǎo)體燈。隨著白光發(fā)光二極管的問世，LED開始逐漸走進(jìn)了人們的日常生活。LED從顯示領(lǐng)域進(jìn)入照明領(lǐng)域的關(guān)鍵是發(fā)光效率的提高，發(fā)光效率20lm/W以上的白色LED(白熾燈的發(fā)光效率一般是15lm/W)的出現(xiàn)，使白色LED燈成為新世紀(jì)引人注目的節(jié)能照明光源。目前一般1W白光LED的發(fā)光效率為30-45lm/W，發(fā)光效率突破50lm/W的白光LED器件已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水準(zhǔn)，日亞化學(xué)工業(yè)已經(jīng)開始供應(yīng)發(fā)光效率100lm/W的白色LED樣品，其他LED供應(yīng)商也都開始紛紛生產(chǎn)100lm/W及以上的高效白光LED，LED的發(fā)光效率還將繼續(xù)上升。許多研究顯示在本世紀(jì)的前十年，LED產(chǎn)業(yè)將會(huì)繼續(xù)迅速發(fā)展。因此，白光LED被普遍認(rèn)為是在未來成為替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品。作為新型的發(fā)光器件，LED具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，能量轉(zhuǎn)化效率非常高，理論上，發(fā)射相同光通量的耗電量大約是白熾燈的10%，相比熒光燈，LED也可以達(dá)到50%的節(jié)能效果。照明用電占發(fā)電總量的比例在發(fā)達(dá)國(guó)家占19%，在我國(guó)占10‰而且在我國(guó)以低效照明為主，是終端節(jié)電的主要對(duì)象之一。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)的照明用電還將有大幅度的提高，綠色節(jié)能照明的研究應(yīng)用越來越受到重視，LED照明就是在這樣的形勢(shì)下發(fā)展起來的。據(jù)中國(guó)綠色照明工程促進(jìn)項(xiàng)目辦公室專項(xiàng)調(diào)查，我國(guó)照明用電每年在3000億度以上，用LED取代全部白熾燈和部分熒光燈，可節(jié)省的照明用電，相當(dāng)于三峽工程全年的發(fā)電量。LED還有其他優(yōu)點(diǎn)，如LED作為全固態(tài)發(fā)光體，耐震耐沖擊、不易破碎、發(fā)熱量低、無熱輻射、不含汞、鈉等可能危害健康的元素，廢棄物可回收、無污染。LED已經(jīng)進(jìn)入很多應(yīng)用領(lǐng)域，包括宇航、飛機(jī)、汽車、工業(yè)應(yīng)用、通信、消費(fèi)類產(chǎn)品等，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門，廣泛用作普通照明、車燈、景觀燈、路燈照明、液晶板背光源、手機(jī)背光源、數(shù)碼相機(jī)閃光燈等。1.2冷光源照明系統(tǒng)的發(fā)展與國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1冷光源系統(tǒng)的發(fā)展1907年HenryJosephRound第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實(shí)際應(yīng)用；更難處理的是碳化硅與電致發(fā)光不能很好的適應(yīng)，研究被摒棄了。20世紀(jì)20年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德國(guó)使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光，但再一次因發(fā)光暗淡而停止研究。1936年,GeorgeDestiau出版了一個(gè)關(guān)于硫化鋅粉末發(fā)射光的報(bào)告。隨著電子器件的研發(fā)和業(yè)界認(rèn)識(shí)的逐步深入，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。20世紀(jì)50年代，英國(guó)科學(xué)家在電致發(fā)光的實(shí)驗(yàn)中使用半導(dǎo)體砷化鎵發(fā)明了第一個(gè)具有現(xiàn)代意義的LED,并于60年代面世。在早期的試驗(yàn)中，LED需要放置在液化氮里，需要進(jìn)一步研究以便能高效率的在室溫下工作。第一個(gè)商用LED雖然僅能發(fā)出不可視的紅外光，但迅速應(yīng)用于感應(yīng)與光電領(lǐng)域。60年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個(gè)可見的紅光LED。磷化鎵的改變使得LED更高效、發(fā)出的紅光更亮，甚至產(chǎn)生出橙色的光。20世紀(jì)70年代中期，磷化鎵開始被用作發(fā)光光源，隨后可發(fā)出灰白綠光。LED采用雙層磷化鎵芯片（一個(gè)紅色另一個(gè)是綠色）能夠發(fā)出黃色光。就在此時(shí)，前蘇聯(lián)科學(xué)家利用金剛砂制造出發(fā)出黃光的LED。盡管它不如歐洲的LED高效，但在70年代末，它能發(fā)出純綠色的光。幾乎與此同時(shí)，HP公司與TI公司也推出了帶7段紅光顯示屏的計(jì)算器。20世紀(jì)80年代早期到中期對(duì)砷化鎵磷化鋁的使用,使得第一代高亮度LED的誕生，先是紅色，接著就是黃色，最后為綠色。到20世紀(jì)90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產(chǎn)出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。第一個(gè)有歷史意義的藍(lán)光LED也出現(xiàn)在20世紀(jì)90年3代早期，再一次利用金鋼砂—早期的半導(dǎo)體光源的障礙物，依當(dāng)今的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)去衡量，它與前蘇聯(lián)以前開發(fā)的黃光LED一樣光線暗淡。20世紀(jì)90年代中期，出現(xiàn)了超亮度的氮化鎵LED，隨即又制造出能產(chǎn)生高強(qiáng)度的綠光和藍(lán)光銦氮鎵LED。超亮度藍(lán)光芯片是白光LED的核心，在這個(gè)發(fā)光芯片上抹上熒光磷，然后熒光磷通過吸收來自芯片上的藍(lán)色光并將其轉(zhuǎn)化為白光。利用這種技術(shù)制造出任何可見光的LED。今天在LED市場(chǎng)上就能看到生產(chǎn)出來的新奇顏色，如淺綠色和粉紅色。LED的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)而曲折的歷史過程。1.2.2冷光源照明系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過30多年的發(fā)展，中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，中國(guó)發(fā)展得比較快的LED企業(yè)很多：雷士照明、長(zhǎng)方照明、華威凱德、迪博特公司。在“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”的推動(dòng)下，形成了上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚(yáng)州和石家莊七個(gè)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地。長(zhǎng)三角、珠三角、閩三角以及北方地區(qū)則成為中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聚集地。目前，中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展向好，外延芯片企業(yè)的發(fā)展尤其迅速、封裝企業(yè)規(guī)模繼續(xù)保持較快增長(zhǎng)、照明應(yīng)用取得較大進(jìn)展。2007年中國(guó)LED應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)值已超過300億元，已成為L(zhǎng)ED全彩顯示屏、太陽(yáng)能LED、景觀照明等應(yīng)用產(chǎn)品世界最大的生產(chǎn)和出口國(guó)，新興的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在形成。國(guó)內(nèi)在照明領(lǐng)域已經(jīng)形成一定特色，其中戶外照明發(fā)展最快，已有上百家LED路燈企業(yè)并建設(shè)了幾十條示范道路，但在室內(nèi)通用照明市場(chǎng)方面仍顯落后。2008年北京奧運(yùn)會(huì)對(duì)LED照明的集中展示讓人們對(duì)LED有了全新的認(rèn)識(shí)，有力推動(dòng)了中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)，核心競(jìng)爭(zhēng)力仍有待于進(jìn)一步提升。對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)而言，壯大規(guī)模、提高產(chǎn)品質(zhì)量與技術(shù)水平是首要任務(wù)，提高未來取得大廠專利授權(quán)時(shí)的要價(jià)能力，或逐步通過研發(fā)突破核心專利。再早期，由于光色、發(fā)光效率、光通量和價(jià)格等方面的限制，LED主要應(yīng)用于指示、顯示領(lǐng)域，如用作指示燈、警戒燈以及顯示牌等。隨著LED光色的不斷豐富，特別是白光LED技術(shù)的不斷成熟，發(fā)光效率不斷提高，價(jià)格逐漸降低，大功率超高亮的LED有1W、3W、5W等規(guī)格在市場(chǎng)上銷售，其中功率大于1W的白光LED的開發(fā)研究已成為主攻方向。由于大功率白光LED的應(yīng)用受到了世界上的廣泛關(guān)注，大功率白光LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)也因此成為熱點(diǎn)，大功率LED的驅(qū)動(dòng)電路多采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，LED恒流驅(qū)動(dòng)電路有電荷泵、Buck、Boost等多種驅(qū)動(dòng)方式。電荷泵、Buck、Boost實(shí)質(zhì)上都是電壓輸出型，通過電流反饋控制電路來實(shí)現(xiàn)輸出恒定電流。電荷泵電路利用電容對(duì)電荷的積累效應(yīng)儲(chǔ)存電能，在時(shí)鐘周期的一部分時(shí)間內(nèi)為電容充電，在時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi)釋放能量，根據(jù)電容的不同連接方法得到不同的輸出電壓。論文[6]設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路是恒流輸出反饋式電荷泵PFC電路，電荷泵PFC電路由諧振電感、充電電容、箝位二極管、調(diào)節(jié)開關(guān)等組成。當(dāng)斷開調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)，充電電容通過諧振電感的諧振從AC電源吸收能量，能量?jī)?chǔ)存在充電電容中，轉(zhuǎn)移到DC總線電容中或在當(dāng)調(diào)節(jié)開關(guān)打開時(shí)轉(zhuǎn)移到負(fù)載中。流過LED的電流反饋到控制器，控制器根據(jù)反饋電流調(diào)節(jié)變壓器原邊調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比，通過改變占空比調(diào)節(jié)輸出電流使其穩(wěn)定。Buck和Boost電路都是開關(guān)電源方式，利用電感的儲(chǔ)能作用儲(chǔ)存電能，在時(shí)2鐘周期的一部分時(shí)間內(nèi)為電感充電，在時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi)釋放能量得到輸出電壓，電路中電容、電感和續(xù)流二極管的結(jié)構(gòu)不同，實(shí)現(xiàn)升壓或降壓功能，Buck是降壓電路，Boost是升壓電路。提出了一種基于Boost升壓方式的恒流恒照度LED驅(qū)動(dòng)電路。Boost電路將輸入電壓提升，采樣電阻檢測(cè)流過LED電流并經(jīng)過放大電路反饋到恒流恒照度控制電路中，光電二極管檢測(cè)LED的照度，將照度值轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷褐?，并與額定電壓比較，差值放大后送入到恒流恒照度控制電路中，改變Boost電路調(diào)節(jié)開關(guān)的控制信號(hào)，使輸出電流或輸出照度保持恒定，恒定照度控制同樣是通過控制輸出電流來維持照度值?；陔姾杀?、Buck、Boost電路的LED驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)用于很多LED驅(qū)動(dòng)芯片的原理，如LTC3200／LTC3200-5、LM2794、MAX1848等。LED應(yīng)用于應(yīng)急燈照明，所設(shè)計(jì)的照明電路利用電網(wǎng)電壓為蓄電池充電，蓄電池再通過驅(qū)動(dòng)電路為L(zhǎng)ED供電，同時(shí)也可以采用電網(wǎng)電壓通過驅(qū)動(dòng)電路為L(zhǎng)ED供電。由于人眼對(duì)光線的感受是非線性的，因此，就有可能將亮度級(jí)降低10%以上而人卻覺察不到亮度的變化，這樣就可以節(jié)省近10%的電能。如果將調(diào)光級(jí)別降低50%，則可以節(jié)省約40%的電能。采用智能調(diào)光可將燈漸漸調(diào)到預(yù)設(shè)級(jí)別。白熾燈無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)槔涞臒艚z會(huì)受到熱沖擊。將燈亮度漸漸調(diào)到設(shè)定級(jí)別，也稱為“軟啟動(dòng)”，這會(huì)極大地延長(zhǎng)燈的使用壽命。使用10%的調(diào)光級(jí)別可將燈的使用壽命延長(zhǎng)兩倍，而50%調(diào)光級(jí)別可延長(zhǎng)20倍。調(diào)光方式分為變電阻型調(diào)光和脈沖寬度調(diào)制方式(Pulse．WidthModulation，PWM)兩種。變電阻型調(diào)光方式通過調(diào)節(jié)電阻性負(fù)載的電阻值改變電流，從而改變燈的發(fā)光亮度，變電阻型調(diào)光在電阻上將多余的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這是能量的損失。PWM方式通過每秒鐘多次的接通和斷開電源調(diào)節(jié)發(fā)光亮度，開關(guān)之間的時(shí)間比率與發(fā)光亮度成正比。但并不是所有的燈都是可調(diào)光的，LED的響應(yīng)時(shí)間很短，只有幾到幾十納秒，尤其適合于PWM方式調(diào)節(jié)亮度。自適應(yīng)調(diào)光方式利用控制器，以及用于檢測(cè)環(huán)境光的傳感器為核心，傳感器向控制器提供發(fā)光照度值，控制器做出判斷并根據(jù)所得信息將照明回路打開或調(diào)節(jié)光亮度到預(yù)定級(jí)別。由于LED的快速響應(yīng)特點(diǎn)，使得PWM調(diào)光非?？尚?。美國(guó)NorthernIllinoisUniversity針對(duì)2串6并的LED燈組，在恒流驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上并接了N型MOSFET功率器件實(shí)現(xiàn)PWM控制，調(diào)節(jié)范圍為0-100%，當(dāng)占空比低到1%時(shí)輸出電流仍能保持穩(wěn)定。傳統(tǒng)的PWM調(diào)光方式是將調(diào)光開關(guān)與負(fù)載串聯(lián)，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，LED支路沒有電流流過，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，LED支路有電流流過，LED燈發(fā)光。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容LED以其固有的特點(diǎn)，如省電、壽命長(zhǎng)、耐震動(dòng)，響應(yīng)速度快、冷光源等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于指示燈、信號(hào)燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域，在我們的日常生活中處處可見，家用電器、電話機(jī)、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號(hào)燈等。但由于其亮度差、價(jià)格昂貴等條件的限制，無法作為通用光源推廣應(yīng)用。近幾年來，隨著人們對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實(shí)現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。曾經(jīng)有人指出，高亮度LED將是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一。第2章冷光源照明系統(tǒng)的基本特征及電路原理2.1LED的基本特征及連接方式2.1.1LED伏安特性由于LED的核心是PN結(jié)，因此LED的伏安特性與普通二極管的伏安特性相同。理論上，二極管的正向電壓VF與正向電流I的關(guān)系式為：（式2-1）式中，VF為二極管正向電壓，是反向飽和電流，為定值，q為電子電荷1．6×10-19，k為波爾茲曼常數(shù)1．38×，T是熱力學(xué)溫度，常數(shù)β近似取2，當(dāng)外加電壓較高，電流I以擴(kuò)散電流為主時(shí)，β近似等于1。二極管伏安特性曲線如圖2-1所示。圖2-1普通二極管伏安特性曲線在室溫(T=300K)條件下，≈26mV，在正向電壓大于零點(diǎn)幾伏時(shí)，就有>>1，因此式(2-2)可以化簡(jiǎn)為I≈I0(式2-2)式(2-3)說明照明LED的電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系，但指數(shù)關(guān)系并不適合用等效模型來描述。對(duì)于工作在額定電流附近的LED用折線化來近似模擬LED的特性，如式(2-4)：(式2-3)其中，是LED的導(dǎo)通電壓，r是等效內(nèi)阻，導(dǎo)通電壓是由材料PN結(jié)的內(nèi)建勢(shì)壘電場(chǎng)決定的，一般大功率LED的導(dǎo)通電壓在3V左右，當(dāng)加在LED兩端的電壓小于導(dǎo)通電壓時(shí)，LED中幾乎沒有電流流過。隨著外加正向電壓增加達(dá)到PN結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘電場(chǎng)時(shí)，可認(rèn)為正向電流I與正向電壓VF成指數(shù)關(guān)系，正向電流急劇增大，正向電壓的較小波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致正向電流的急劇變化，此時(shí)電流與電壓近似呈線性關(guān)系。2.1.2LED光特性發(fā)光二極管的核心是PN結(jié)。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光。因此流動(dòng)的少子和多子數(shù)量越多，發(fā)出的光線越強(qiáng)；同時(shí)在PN結(jié)內(nèi)流動(dòng)的少子和多子數(shù)量越多，也說明單位時(shí)間內(nèi)流過PN結(jié)橫截面的電荷數(shù)越多，那么流過LED的電流也就越大，因此LED的發(fā)光亮度基本隨流過LED的電流正向變化?？刂拼蠊β蔐ED的發(fā)光亮度，實(shí)質(zhì)是控制它的輸出光通量。圖2-2所示為美國(guó)LumiledsLighting公司1W大功率白光LED在常溫下(25℃)相對(duì)光通量Φ與正向電流IF的關(guān)系曲線。圖2-2相對(duì)光通量Φ與正向電流IF關(guān)系LED光源最大的優(yōu)點(diǎn)就是長(zhǎng)壽命，各LED廠商均聲稱其LED的使用壽命可達(dá)50，000～100，000小時(shí)，但通常LED不會(huì)完全損壞，而是在其工作中光輸出逐漸減少。大功率LED的相對(duì)光輸出隨時(shí)間的變化的一般趨勢(shì)是：在開始的一段時(shí)間內(nèi)光輸出衰減較快，隨后的一段時(shí)間內(nèi)衰減較慢，但在即將耗盡或發(fā)生災(zāi)變性失效階段，光輸出急劇衰減。在前兩個(gè)階段，LED的光輸出隨時(shí)間的衰減曲線可近似為如下的指數(shù)形式：（式2-4）式中：y表示相對(duì)光輸出，a表示衰減系數(shù)，t是以小時(shí)為單位的LED點(diǎn)亮?xí)r間。a越大，y值衰減越快。通常把光輸出衰減50％所經(jīng)歷的時(shí)間定義為發(fā)光二極管的壽命。大功率白光LED在實(shí)際使用過程中各種因素的影響都會(huì)引起LED壽命的下降，往往達(dá)不到50，000dx時(shí)。影響LED壽命的因素包括：制備過程中引入的缺陷；LED電極材料不均；靜電影響；封裝中各種材料的熱膨脹系數(shù)失配；以及通過藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉方法得到的白光LED在工作過程中，由于熒光粉量子效率降低將導(dǎo)致寬譜帶黃光相對(duì)峰值藍(lán)光衰減更快，使得器件色溫升高從而影響發(fā)光的顏色。LED的光學(xué)穩(wěn)定性是一個(gè)需要考慮的問題。Philips公司研究中心對(duì)基于RGB的白光LED進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其波長(zhǎng)和輸出光通量受到驅(qū)動(dòng)電流、溫度、使用時(shí)間的影響，采用光敏二極管進(jìn)行色度檢測(cè)反饋結(jié)合PI恒流閉環(huán)控制后，白光輸出色差得到明顯改善。2.1.3LED熱特性LED的高發(fā)光效率是它的最大優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于大功率LED而言，這個(gè)優(yōu)勢(shì)更是明顯。但是LED的光提取效率較低，且熱量不容易輻射散發(fā)，從而導(dǎo)致器件溫度過高，影響LED的光通量、壽命以及可靠性，并會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)光紅移，尤其對(duì)于采用藍(lán)光激發(fā)熒光粉的方式實(shí)現(xiàn)白光的方案而言，其中熒光粉對(duì)溫度特別敏感，最終會(huì)引起波長(zhǎng)偏移，造成顏色不純等一系列問題。相對(duì)于一般的LED來說，大功率LED的PN結(jié)上的發(fā)熱更嚴(yán)重。大功率LED的熱穩(wěn)定性問題已成為L(zhǎng)ED照明的一個(gè)技術(shù)瓶頸。目前LED輸入電功率的約80％轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，?duì)于目前應(yīng)用比較成熟的1WLED而言，其熱流密度可達(dá)，這些熱量的累積將引起LED的溫升效應(yīng)：結(jié)溫升高直接減少芯片出射光子，取光效率降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，室溫環(huán)境下LED溫度每升高1℃，光效下降1%。85℃時(shí)的光輸出約是25℃時(shí)的一半。結(jié)溫升高會(huì)導(dǎo)致芯片出射光線紅移，色溫質(zhì)量下降，尤其對(duì)于藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉的白色LED器件更為嚴(yán)重，其中熒光粉的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)隨結(jié)溫升高而降低。溫度升高還會(huì)導(dǎo)致光衰加劇及器件壽命呈指數(shù)下降。隨著芯片技術(shù)的成熟，單個(gè)LED的功率可以達(dá)到5W甚至更高，因此防止LED的熱量累積就更顯重要，LED的熱管理已經(jīng)成為其取代常規(guī)照明光源的主要瓶頸。目前減小LED由于LED的光輸出與其電流成正比，且長(zhǎng)期工作在大電流下有可能導(dǎo)致LED失效，而電流不僅受蓄電池電量影響，而且受外界溫度影響，因此從光輸出均勻性、穩(wěn)定性和LED可靠性角度考慮，高層次LED應(yīng)采用恒流驅(qū)動(dòng)方式。2.1.4連接方式圖2-3（a）串聯(lián)連接方式圖2-3（b）并聯(lián)連接方式LED可以采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)的連接方式。串聯(lián)方式如圖2-3（a）所示，串聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是流過串聯(lián)支路上各LED的電流相同，因此各LED的發(fā)光亮度也會(huì)一致。如果其中任意一顆LED出現(xiàn)斷路故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該支路串聯(lián)上所有的LED都不發(fā)光；如果某顆LED短路時(shí)，在恒流方式下電路沒有影響，但在恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，其他每個(gè)LED的正向電壓均會(huì)因此升高，因此流過的電流增大，可能會(huì)造成損壞。并聯(lián)方式如圖2-3(b)所示，當(dāng)采用恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)，如果某LED斷開，總電流不變，因此流過其他LED的電流增大，因此并聯(lián)方式下不適宜采用恒流驅(qū)動(dòng)。如果某LED短路那么其他LED將不再發(fā)光，若LED并聯(lián)數(shù)目較多，那么流過短路LED的電流會(huì)增大到將發(fā)生短路支路熔斷而將該短路支路斷開，最終總恒定電流分?jǐn)偟狡渌鸏ED上，由于并聯(lián)數(shù)目較多，因此影響不大；采用恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)若某LED斷路則對(duì)整個(gè)電路沒有影響，如果某LED短路則影響與恒流驅(qū)動(dòng)方式下發(fā)生短路時(shí)相同，所以恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)盡量多并聯(lián)LED。串聯(lián)多個(gè)LED或并聯(lián)多個(gè)LED需要電路有較高電壓或較高電流，因此可以考慮混聯(lián)方式，將所需電壓或電流降到適當(dāng)水平?；炻?lián)方式分為先串聯(lián)后并聯(lián)和先并聯(lián)后串聯(lián)兩種連接方式，這兩種連接方式分別如圖2-4(a)和圖2-4(b)所示。先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式是指先將一組LED燈串聯(lián)成串然后將該串燈與其他串燈并聯(lián)起來，先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式則是先將一些LED并聯(lián)成一個(gè)燈組，然后將多個(gè)燈組串聯(lián)。圖2-4（a）先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式圖2-4（b）先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式如圖2-4(a)所示，在恒流驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，如果某LED斷路，則該LED所在的整串燈都不亮，總恒定電流分?jǐn)偟狡渌鸏ED燈串上，影響與并聯(lián)方式在恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)生斷路的相同；如果某LED短路，則該LED所在串聯(lián)支路在少了一個(gè)LED燈的情況下與其他支路并聯(lián)，該支路的每個(gè)LED的端電壓增加，會(huì)使該支路上電流增加而影響其他LED燈的使用。在恒壓驅(qū)動(dòng)方式下，如果某串聯(lián)支路上的某個(gè)LED發(fā)生斷路，該串不亮，除該串LED燈以外，對(duì)其他LED燈沒有影響；如果某串聯(lián)支路上的某個(gè)LED發(fā)生短路，則同樣該串LED的每個(gè)LED燈的端電壓增加，該串LED會(huì)因?yàn)殡娏髟黾佣斐蓳p壞。先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式如圖2-4(b)所示，在恒流驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，如果某個(gè)LED斷路，則在該LED所在并聯(lián)分組上電路總電流分?jǐn)偟狡渌鸏ED上，如果并聯(lián)LED較多則影響不大；如果某個(gè)LED短路，電流全部從該LED燈流過，如果并聯(lián)LED較多則電流較大而最后將此處熔斷，最終影響與該LED燈斷路時(shí)相同。在恒壓驅(qū)動(dòng)方式下，如果某LED斷路，那么該并聯(lián)LED燈組與其他并聯(lián)LED燈組的LED數(shù)目不同，電路總輸出電流減小，分配到每個(gè)LED上的電流也減小，且流過發(fā)生故障LED燈組內(nèi)各LED的電流與其他LED燈組內(nèi)LED的電流不同，會(huì)造成亮度不同；如果某LED短路，相當(dāng)于少串聯(lián)了一串LED燈，加到其他LED并聯(lián)串上的電壓升高，電流因此也升高，會(huì)對(duì)LED造成損壞。因此無論是在串聯(lián)、并聯(lián)還是混聯(lián)的連接方式下，LED燈的任何故障都有可能會(huì)對(duì)其他的LED造成影響。所以在設(shè)計(jì)LED的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同選擇合理的連接方式，使電路盡量可靠。當(dāng)個(gè)別LED斷路時(shí)，不應(yīng)該影響其他LED正常工作；當(dāng)個(gè)別LED短路時(shí)，也不應(yīng)該影響其他LED的正常工作。此外，必要的時(shí)候還需要采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，如在串聯(lián)方式時(shí)在每個(gè)LED燈兩端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，并且穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓大于LED的工作電壓，使得LED斷路時(shí)不影響其他燈繼續(xù)工作。2.2整流濾波電路驅(qū)動(dòng)電路首先要將220W50Hz的交流電通過整流濾波電路轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娫礊楹懔麟娐饭╇?。電源變壓器是?20V的交流電轉(zhuǎn)換成不同電壓供給各負(fù)載做電源的多線圈變壓器。選用電源變壓器時(shí)，要與負(fù)載電路相匹配，而且電源變壓器應(yīng)留有功率裕量，即變壓器的額定輸出功率應(yīng)略大于負(fù)載電路的最大功率，變壓器的輸出電壓應(yīng)與負(fù)載電路供電部分的交流輸入電壓相同。整流電路的作用則是將交流電變換成單方向的直流電。整流電路種類較多，按整流元件的類型，分二極管整流和可控硅整流；按交流電源的相數(shù)，分單相和多相整流；按流過負(fù)載的電流波形，分半波和全波整流；按輸出電壓相對(duì)于電源變壓器次級(jí)電壓的倍數(shù)，又分一倍壓、二倍壓及多倍壓整流等。單相半波整流電路、單相全波整流電路和單相橋式整流電路的原理圖分別如圖2-5(a)、2-5(b)、2-5(c)所示：圖2-5（a）單相半波整流電路圖2-5（b）單相全波整流電路圖2-5（c）單相橋式整流電路橋式整流電路相較于半波整流電路具有輸出電壓高、脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，相較于單相全波整流電路而言，變壓器次級(jí)無中心抽頭，性能最佳，本設(shè)計(jì)也采用橋式整流電路，如圖2-5(c)所示，由四個(gè)整流二極管～組成，設(shè)～為理想二極管，為純電阻負(fù)載。根據(jù)圖2-5(c)，交流電經(jīng)電源變壓器降壓后，變?yōu)檎魉枰慕涣麟妷褐?(式2-5)為變壓器副邊輸出電壓的有效值。橋式整流電路的輸出電壓平均值為≈U0.9(式2-6)選擇橋式整流電路時(shí)對(duì)整流二極管～的參數(shù)要求主要有兩項(xiàng)：(1)最大整流電流IF流過每個(gè)二極管的電流平均值(式2-7)再考慮到電網(wǎng)電壓可能有士10％的波動(dòng)，因此(式2-8)(2)最大反向工作電壓UR由圖2-5(c)所示，每個(gè)二極管截止時(shí)承受的最大反向電壓為 (式2-9)再考慮到電網(wǎng)電壓可能有4-10％的波動(dòng)，因此(式2-10)整流電路的輸出雖然是單一方向的直流電，但含有較大的諧波成分，脈動(dòng)系數(shù)大，不能適應(yīng)大多數(shù)電子設(shè)備的需要。一般整流電路之后，還需接入濾波電路以濾除諧波成分，使脈動(dòng)的直流電變?yōu)楸容^平滑的直流電。在橋式整流電路的基礎(chǔ)上，在輸出端并聯(lián)一個(gè)電容C就構(gòu)成了電容濾波電路。電容濾波是通過電容的儲(chǔ)能作用，即在升高時(shí)，把部分能量?jī)?chǔ)存起來，在降低時(shí)，又把儲(chǔ)存的能量釋放出來，從而在負(fù)載上得到一個(gè)比較平滑的輸出電壓，降低脈動(dòng)程度，并且提高了平均值。圖2-5(c)所示橋式整流電路的放電時(shí)間常數(shù)(式2-11)橋式整流電路的充電時(shí)間常數(shù)(式2-12)整流電路內(nèi)阻為變壓器次級(jí)內(nèi)阻與二極管導(dǎo)通電阻之和，假設(shè)為，通常，因此認(rèn)為充電時(shí)間常數(shù)近似等于放電時(shí)間常數(shù)，濾波效果取決于放電時(shí)間常數(shù)，C和越大，就越大，電路的充放電過程就更緩慢，因而輸出電壓更平滑，平均值更高。一般情況下，可按下式計(jì)算帶負(fù)載時(shí)的直流輸出電壓，即(式2-13)電容濾波電路有以下特點(diǎn):(1)適用于負(fù)載電路較小且變化不大的場(chǎng)合。(2)所需電容容量應(yīng)滿足的條件，T為電網(wǎng)電壓周期。(3)由于增加了電容支路，流過每個(gè)二極管的電流比沒有并聯(lián)電容之前增大，但每個(gè)二極管的導(dǎo)通時(shí)間反而減小，在二極管導(dǎo)通的短暫時(shí)間內(nèi)，將有很大的沖擊電流流過。因此在選擇整流二極管時(shí)必須注意選擇最大整流電流較大的管子。2.3恒流電路的設(shè)計(jì)2.3.1恒流系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本電路為L(zhǎng)ED提供的恒流驅(qū)動(dòng)電路采用線性電源方式，輸入是220V／50Hz的交流電，輸出要求是1A的恒流電源，該線性恒流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6所示：圖2-6恒流系統(tǒng)整體框圖如圖2-6，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的線性恒流電源驅(qū)動(dòng)電路主要由兩部分組成：整流濾波和恒流電路，下面分別介紹各子電路。2.3.2集成運(yùn)放集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放或運(yùn)放)實(shí)際上是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路，具有高輸入電阻、高放大倍數(shù)及低輸出電阻的特點(diǎn)。由于集成運(yùn)放在電路性能方面具有眾多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于模擬電路的各個(gè)領(lǐng)域之中。和分別為集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端，是集成運(yùn)放的輸出端。在運(yùn)放應(yīng)用電路的分析中，為了突出主要問題以及簡(jiǎn)化分析過程，常常把集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，認(rèn)為其具有下述特性：(1)開環(huán)差模增益；(2)差模輸入電阻;(3)輸出電阻；(4)共模抑制比；(5)上限截止頻率；(6)輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流和它們的溫漂(℃)、(℃)均為零，且無任何內(nèi)部噪聲。(7)輸入偏置電流為零。實(shí)際上，集成運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)均為有限值，理想化后必然帶來誤差，但在一般的工程計(jì)算中，這些誤差都是允許的，而且隨著新型運(yùn)放的不斷出現(xiàn)，性能指標(biāo)也越來越接近理想，誤差越來越小。只有在進(jìn)行誤差分析的時(shí)候，才考慮實(shí)際運(yùn)放的有限增益、帶寬、共模抑制比、輸入電阻和失調(diào)因素等帶來的影響。集成運(yùn)放的應(yīng)用電路多種多樣，但其工作范圍只有兩種情況，即線性區(qū)或非線性區(qū)。當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓與輸入端電壓差之間存在線性放大關(guān)系，即(式2-14)對(duì)于理想集成運(yùn)放，為有限值而，因此近似認(rèn)為。即。由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻，且，因此兩輸入端電流也均近似為零。因此理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)有以下兩個(gè)重要的特點(diǎn)：(1)“虛短”，即認(rèn)為兩輸入端電壓相等：，集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電壓無窮接近，但又不是真正短路。(2)“虛斷”，即認(rèn)為輸入端電流等于零，集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的電流趨于零，但又不是真正斷路。對(duì)于理想運(yùn)放，由于，因此當(dāng)兩個(gè)輸入端之間存在一個(gè)很小的電壓差就會(huì)導(dǎo)致集成運(yùn)放超出線性工作范圍進(jìn)入非線性區(qū)，理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)當(dāng)，輸出電壓等于運(yùn)放的正向最大輸出電壓；當(dāng)，輸出電壓等于運(yùn)放的反向最大輸出電壓。(2)在非線性區(qū)，雖然運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電壓不同，但理想運(yùn)放的差模輸入電阻依然存在，因此運(yùn)放的同相輸入端和反向輸入端的電流都等于零，“虛斷”的特點(diǎn)依然存在。2.3.3功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET，JunctionGateFieldEffectTransistor)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管或MOSFET,MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵一源間電阻比結(jié)型效應(yīng)管大得多，可達(dá)Ω，而且它比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好。當(dāng)MOS管工作在恒流區(qū)時(shí)，管子的耗散功率主要消耗在漏極一端的夾斷區(qū)上，并且由于漏極所連接的區(qū)域不大，無法散發(fā)很多的熱量，所以MOS管不能承受較大功率。功率場(chǎng)效應(yīng)管從結(jié)構(gòu)上較好地解決了散熱問題，可制成大功率管。功率場(chǎng)效應(yīng)管因其存在v型槽而得名，習(xí)慣上稱為VMOS場(chǎng)效應(yīng)管(VMOSFET)或VMOS管。VMOS管的漏區(qū)散熱面積大，便于安裝散熱器，耗散功率最大可達(dá)千瓦以上；漏一源擊穿電壓高；上限工作頻率高；當(dāng)漏極電流大于某值時(shí)，與基本成線性關(guān)系；其他優(yōu)點(diǎn)還有：高輸入阻抗()、低驅(qū)動(dòng)電流(0.1μA)、高耐壓(最高1200V)、大工作電流(1.5A——100A)、高輸出功率(1——250W)、跨導(dǎo)線性好、開關(guān)速度快等。此外，VMOS管還具有負(fù)的電流溫度系數(shù)，即在柵一源電壓不變的情況下，導(dǎo)通電流會(huì)隨管溫升高而減小，因此不存在由于“二次擊穿’’所引起的管子損壞現(xiàn)象，因此VMOS管在電壓放大器、功率放大器、開關(guān)電源和逆變器等中獲得廣泛應(yīng)用。VMOS管工作在恒流區(qū)時(shí)，利用柵一源之間所加電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制多子漂移運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的漏極電流，此時(shí)將看成電壓控制的電流源，轉(zhuǎn)移特性曲線描述了這種控制關(guān)系，輸出特性曲線描述、與三者之間的關(guān)系。N溝道增強(qiáng)型VMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線、輸出特性曲線分別如圖2-7(a)、2-7(b)所示：圖2-7（a）轉(zhuǎn)移特性曲線圖2-7（b）輸出特性曲線2.4本章小結(jié)本章主要論述了冷光源照明系統(tǒng)的基本特征以及電路原理。LED的基本特征：LED的伏安特性，光特性和熱特性。LED的連接方式：串聯(lián)連接，并聯(lián)連接，先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式和先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式。整流電路的種類，按整流元件的類型，分二極管整流和可控硅整流；按交流電源的相數(shù)，分單相和多相整流；按流過負(fù)載的電流波形，分半波和全波整流；按輸出電壓相對(duì)于電源變壓器次級(jí)電壓的倍數(shù)，又分一倍壓、二倍壓及多倍壓整流。第3章冷光源照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1冷光源照明系統(tǒng)圖3-1照明系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖冷光源照明系統(tǒng)包括:控制電路,驅(qū)動(dòng)電路,檢測(cè)電路,按鍵顯示電路,電源電路,復(fù)位電路,編程調(diào)試電路和報(bào)警電路。3.2控制電路3.2.1控制芯片ATmega16LATmega16L是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16L通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16L的PB3引腳與驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流使能端相連接，控制驅(qū)動(dòng)電路的電流導(dǎo)通。PA0引腳與驅(qū)動(dòng)電路的橫流輸出端相連接，輸出恒定電流。復(fù)位電路接于RESET引腳，晶振電路接于XTAL引腳，AREF引腳接A/D轉(zhuǎn)換濾波電路，PB(5、6、7)接ISP下載接口，TCK、TMS、TDO、TDI接口為JTAG仿真接口?？刂齐娐钒刂菩酒珹Tmega16L，復(fù)位電路，編程調(diào)試芯片，振蕩電路，報(bào)警電路?？刂齐娐啡鐖D3-2圖3-2控制電路ATmega16L16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)終止CPU和除了異步定時(shí)器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。ATmega16L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3圖3-3ATmega16L內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.2.2ATmega16L芯片特性高性能、低功耗的8位AVR微處理器：先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)；131條指令；大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期；32個(gè)8位通用工作寄存器；全靜態(tài)工作；工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS；只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命:10000次；具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時(shí)讀寫操作；512字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命:100000次；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密；JTAG接口(與IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容)；符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能；支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能；通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。外設(shè)特點(diǎn)：兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC；四通道PWM；8路10位ADC，8個(gè)單端通道，2個(gè)具有可編程增益（1x,10x,或200x）的差分通道；面向字節(jié)的兩線接口；兩個(gè)可編程的串行USART；可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口；具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；片內(nèi)模擬比較器。工作電壓：2.7-5.5V。速度等級(jí)：8MHzATmega16L。ATmega16L在1MHz,3V,25℃正常模式：1.1mA；空閑模式：0.35mA；電模式：<1μA。3.2.3控制電路的外圍電路編程調(diào)試電路：用于CPU的程序?qū)懭?、調(diào)試。JTAG(JointTestActionGroup;聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。TCK——測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI——測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口；TDO——測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出；TMS——測(cè)試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG口處于某種特定的測(cè)試模式。RESET復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。XTAL2反向振蕩放大器的輸出端。AVCCAVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。AREFA/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。編程調(diào)試電路電路如圖3-4所示：圖3-4編程調(diào)試電路振蕩電路：時(shí)鐘振蕩產(chǎn)生了序列脈沖，這些脈沖序列驅(qū)動(dòng)CPU等等單元進(jìn)行工作。所謂篡位電路就是單片機(jī)的總的清零電路，當(dāng)單片機(jī)得到篡位信號(hào)后馬上恢復(fù)到它的初始值。比如時(shí)鐘會(huì)從零重新開始，單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器會(huì)歸零，所有的輸入輸出端也被清零。單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)用控制時(shí)為了及時(shí)地處理被控制對(duì)像的變化要求在受控體發(fā)生變化時(shí)，終止順序程序的進(jìn)行。為電路提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。圖3-5振蕩電路復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候都需要復(fù)位，使單片機(jī)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，然后開始工作。89系列的單片機(jī)的RET引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，振蕩器穩(wěn)定，RET引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就進(jìn)入數(shù)位狀態(tài)，但是如果引腳RET出現(xiàn)持續(xù)的高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位電路如圖3-6所示：圖3-6復(fù)位電路3.3驅(qū)動(dòng)電路3.3.1驅(qū)動(dòng)芯片DD311DD311是單通道輸出的LED恒流驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)建電流鏡與電流開關(guān)組件，是專為驅(qū)動(dòng)大功率LED而設(shè)計(jì)的芯片。DD311可驅(qū)動(dòng)高達(dá)1安培的沈入電流（sinkcurrent），并可透過調(diào)整參考輸入電流(IREF)來任意設(shè)定輸出電流的大小。輸出電流值約為100倍的IREF，IREF可由調(diào)整外掛電阻或偏壓(bias)電壓來設(shè)定。微調(diào)或使能偏壓電壓可校正LED間的亮度不一或?qū)崿F(xiàn)多顆LED間整體亮度同時(shí)調(diào)整。芯片的輸出端可承受高達(dá)36V的電壓，支持多顆大功率LED的串接應(yīng)用。內(nèi)建輸出使能端(Enable)，可輕易地實(shí)現(xiàn)大功率LED的高灰階應(yīng)用。其每部功能方框圖如圖3-7所示：圖3-7內(nèi)部功能方框圖3.3.2驅(qū)動(dòng)芯片DD311相關(guān)參數(shù)最大輸出電流：1A（由參考輸入電流IREF設(shè)定）最小輸出電壓要求：1V（當(dāng)=1A時(shí)）單通道恒流驅(qū)動(dòng)IC最大輸出承受電壓：36V(輸出通道漏電流小于0.1uA)最大輸出使能頻率：1MHz絕佳的恒流輸出特性管腳說明：REXT參考電流輸入端子OUT恒流輸出端GND接地端VSS接地端EN輸出電流使能端VEN=0V,輸出電流關(guān)閉VEN>3.3V,輸出電流導(dǎo)通本電路串聯(lián)6個(gè)LED燈，每個(gè)LED并聯(lián)一個(gè)整流二極管，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路如圖3-8所示：圖3-8驅(qū)動(dòng)電路圖3.3.3DD311的特性電氣特性：表3-1交流特性：表3-2輸出電流設(shè)定：輸出電流（）大小是通過調(diào)整參考輸入電流（）來設(shè)定。是的100倍?？捎山釉赗EXT端與偏壓（）電源間的外掛電阻來設(shè)定；也可直接控制REXT端偏壓電壓。調(diào)整外掛電阻或偏壓電壓值可控制高達(dá)1A的恒流輸出范圍。輸出電流與調(diào)節(jié)電阻關(guān)系圖圖3-10（a）輸出電流與偏壓電壓關(guān)系圖圖3-10（b）輸出電流與輸出電壓關(guān)系圖圖3-10（c）3.4檢測(cè)電路3.4.1溫度檢測(cè)集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)：(式3-1)集成溫度傳感器局有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10Mv/K，溫度0℃時(shí)輸出為0V，溫度25℃時(shí)輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1AD590是美國(guó)ANALOGDEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流與絕對(duì)溫度成比例。在4V至30V電源電壓范圍內(nèi)，該器件可充當(dāng)一個(gè)高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為1μA/K。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過激光調(diào)整，可用于校準(zhǔn)器件，使該器件在298.2K(25℃)時(shí)輸出298.2μAD590適用于150℃電阻測(cè)量電路和冷結(jié)補(bǔ)償。除溫度測(cè)量外，還可用于分立器件的溫度補(bǔ)償或校正、與絕對(duì)溫度成比例的偏置、流速測(cè)量、液位檢測(cè)以及風(fēng)速測(cè)定等。AD590可以裸片形式提供，適合受保護(hù)環(huán)境下的混合電路和快速溫度測(cè)量。AD590特別適合遠(yuǎn)程檢測(cè)應(yīng)用。它提供高阻抗電流輸出，對(duì)長(zhǎng)線路上的壓降不敏感。任何絕緣良好的雙絞線都適用，與接收電路的距離可達(dá)到數(shù)百英尺。這種輸出特性還便于AD590實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用：輸出電流可以通過一個(gè)CMOS多路復(fù)用器切換，或者電源電壓可以通過一個(gè)邏輯門輸出切換。檢測(cè)電路如圖3-11所示：圖3-11檢測(cè)電路AD590的引腳共有三個(gè)：正極、負(fù)極和外殼屏蔽端。圖3-12溫度傳感器3.4.2(1)流過器件的電流(μA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)：式中，—流過器件(AD590)的電流，單位為μA；T—熱力學(xué)溫度，單位為K；(2)AD590的測(cè)溫范圍為-55℃～+150(3)AD590的電源電壓范圍為4V～30V，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件即使反接也不會(huì)被損壞；(4)輸出電阻為710mΩ；(5)精度高，AD590在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差僅為AD590的內(nèi)部電路圖如圖3-13所示：圖3-13AD590內(nèi)部電路圖3.5顯示電路3.5.1鍵盤/顯示驅(qū)動(dòng)芯片在智能儀表中，經(jīng)常會(huì)用到鍵盤、數(shù)碼管等外設(shè)。因此，一個(gè)穩(wěn)定、占用系統(tǒng)資源少的人機(jī)對(duì)話通道設(shè)計(jì)非常重要。傳統(tǒng)的鍵盤與數(shù)碼管解決方案，由于鍵盤與數(shù)碼管是分離的，因而電路連接比較復(fù)雜，不管是獨(dú)立式鍵盤還是矩陣式鍵盤，都會(huì)浪費(fèi)微控制器的端口資源，而且都需要人為進(jìn)行去抖動(dòng)處理，且抗干擾性差。而數(shù)碼管部分，不管是靜態(tài)顯示方式還是動(dòng)態(tài)顯示方式，在不進(jìn)行鎖存器擴(kuò)展的前提下。仍然要占用8根I／O端口線，這將嚴(yán)重浪費(fèi)系統(tǒng)的端口資源。ZLG7290可完全克服上述弊端。它采用總線接口，與微控制器的連接僅需兩根信號(hào)線，硬件電路比較簡(jiǎn)單。而且可以驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED、64只獨(dú)立按鍵，并可提供自動(dòng)消除抖動(dòng)、連擊鍵計(jì)數(shù)等功能。這對(duì)于傳統(tǒng)的鍵盤與數(shù)碼管解決方案，無疑是不可想象的。強(qiáng)大的功能，豐富的資源，良好的接口，使得ZLG7290比傳統(tǒng)的鍵盤與數(shù)碼管解決方案且有更大的優(yōu)越性。ZLG7290的功能框圖如圖3-14所示：圖3-14功能框圖3.5.2ZLG7290相關(guān)參數(shù)ZLG7290參數(shù)：（1）直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管（1英寸以下）或64只獨(dú)立的LED；（2）能夠管理多達(dá)64只按鍵，自動(dòng)消除抖動(dòng)，其中有8只可以作為功能鍵使用；（3）段電流可達(dá)20mA，位電流可達(dá)100mA以上；（4）利用功率電路可以方便地驅(qū)動(dòng)1英寸以上的大型數(shù)碼管；（5）具有閃爍、段點(diǎn)亮、段熄滅、功能鍵、連擊鍵計(jì)數(shù)等強(qiáng)大功能；（6）提供有10種數(shù)字和21種字母的譯碼顯示功能，或者直接向顯示緩存寫入顯示數(shù)據(jù)；（7）不接數(shù)碼管而僅使用鍵盤管理功能時(shí)，工作電流可降至1mA；（8）與微控制器之間采用I2C串行總線接口，只需兩根信號(hào)線，節(jié)省I/O資源；（9）工作電壓范圍：＋3.3～5.5V；（10）工作溫度范圍：－40～＋85℃；圖3-15（a）總線上數(shù)據(jù)有效性示意圖圖3-15（b）起始條件和停止條件示意圖ZLG7290采用接口，能直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，同時(shí)可掃描管理多達(dá)64只按鍵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的功能資源十分豐富。除具有自動(dòng)消除抖動(dòng)功能外，它還具有段閃爍、段點(diǎn)亮、段熄滅、功能鍵、連擊鍵計(jì)數(shù)等強(qiáng)大功能，并可提供10種數(shù)字和21種字母的譯碼顯示功能，用戶可以直接向顯示緩存寫入顯示數(shù)據(jù)，而且無需外接元件即可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，還可擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電壓和電流。此外，ZLG7290的電路簡(jiǎn)單，使用也很方便。用戶按下某個(gè)鍵時(shí)，ZLG7290的INT引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平的中斷請(qǐng)求信號(hào)，讀取鍵值后，中斷信號(hào)就會(huì)自動(dòng)撤銷。正常情況下，微控制器只需要判斷INT引腳就可以得到鍵盤輸入的信息。微控制器可通過兩種方式得到用戶的鍵盤輸入信息。其一是中斷方式，該方式的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是要占用微控制器的一個(gè)外部中斷源。其二是查詢方式，即通過不斷查詢INT引腳來判斷是否有鍵按下，該方式可以節(jié)省微控制器的一根I／O口線，但是代價(jià)是I2C總線處于頻繁的活動(dòng)狀態(tài)，消耗電流多并且不利于抗干擾。顯示電路如圖3-16所示：圖3-16顯示按鍵電路3.6電源電路3.6.1開關(guān)電源芯片LNK306LNK306特別用來替代輸出電流小于360mA的所有線性及電容降壓式非隔離電源。其系統(tǒng)成本與所替代的電源相等，但性能更好、效率更高。LNK306在一片IC上面集成了一個(gè)700V的功率MOSFET、振蕩器、簡(jiǎn)單的開/關(guān)控制電路、高壓開關(guān)電流源、頻率調(diào)制、逐周期的電流限制及過溫保護(hù)電路。器件在啟動(dòng)及工作期間的功率消耗直接由漏極引腳的電壓來提供，因此在BUCK及反激式轉(zhuǎn)換器中可節(jié)省偏置供電的相關(guān)電路。在LNK306器件中完全集成的自動(dòng)重啟動(dòng)電路在短路、開環(huán)的故障情況下，安全地限制了輸出功率，減少了元器件的數(shù)目，降低了在系統(tǒng)級(jí)用于負(fù)載保護(hù)電路的成本。如有必要，IC的自供電操作允許使用沒有安規(guī)要求的光耦器作為電平轉(zhuǎn)換，以改善輸入電壓調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率。電源電路，外接220V交流電，通過變壓器轉(zhuǎn)成24V的交流電，再通過LNK306轉(zhuǎn)換成5V的穩(wěn)定電源給單片機(jī)供電。電源電路如圖3.16所示：圖3-16電源電路3.6.2LNK306特性替代線性及電容降壓式電源的低成本解決方案（1）成本最低、元件數(shù)目最少的降壓型(BUCK)轉(zhuǎn)換器方案（2）完全集成的自動(dòng)重啟動(dòng)功能，用于短路及開環(huán)故障保護(hù)——節(jié)省了外圍元件的成本（3）具有精確的限流點(diǎn)且工作在66kHz——可使用普通的1mH電感達(dá)到120mA的輸出電流（4）嚴(yán)格的參數(shù)公差與微小的可以忽略不計(jì)的溫度漂移（5）高達(dá)700V的擊穿電壓提供了良好的抵抗輸入浪涌的能力（6）頻率調(diào)制技術(shù)極大地降低了EMI(～10dB)（7）降低了EMI濾波器的成本（8）很高的過溫關(guān)斷保護(hù)點(diǎn)(最小+135℃與分立元件的降壓型或無源元件電源方案相比具備更好的特性（1）支持降壓(Buck)、降壓－升壓(Buck－Boost)及反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）提供系統(tǒng)級(jí)的過熱、輸出短路及控制環(huán)開路保護(hù)（3）既使采用典型的電路結(jié)構(gòu)也可達(dá)到優(yōu)秀的輸入及負(fù)載調(diào)整率（4）高帶寬提供了無過沖的快速啟動(dòng)（5）限流工作方式抑制了線電壓的紋波（6）輸入電壓范圍(85VAC至265VAC)（7）內(nèi)置的限流點(diǎn)及具備遲滯特性的過熱保護(hù)（8）與無源元件電源方案相比效率更高（9）相對(duì)于電容降壓式方案其功率因數(shù)更高（10）可以