电子设计竞赛练习题报告照明用LED驱动电路

1、照明用LED驱动电路描述：设计一个电源转换电路，将输入的9V直流电源变换成LED恒流电源。这里LED组件为4颗白光或蓝光LED串联构成的LED灯。基本设计要求：1、使用9V直流电源输入，驱动 4颗串联的白光或蓝光LED, LED的最大工作电流为100mA ;2、电源的转换效率不小于 60%,即LED消耗功率/电源输入功率 > 70%。3、LED不应有明显闪烁。扩展设计要求：1、转换效率不小于 80%。2、可手动对LED亮度进行调节，调节期间，电源的转换效率不应有明显下降。备选使用元器件：IC: MC34063 , NE555 , LM393 , LM358 ;晶体管：9013, 9012

2、, 1N4148, 1N5819电感：220uH电阻、电位器、电容等。1 .题目分析对题目进行充分的分析和思考，进一步了解本体的主要任务、功能，将其中的目标、任务、指标归纳如下。一、目标设计白色LED灯导通压降3.2V到4V左右，9V电压无法驱动4个LED灯，故需要升 压。制作一个升压变换器，一个可调占空比的PWM发生器，驱动LED灯的恒流电路，以及利用PWM波的控制LED电路。二、要求基本要求：LED消耗功率比电源输入功率 >70%, LED不应有明显闪烁。扩展要求：转换效率不小于 80%,调节电阻可调LED亮度。2 .方案论证2.1 升压电路一、升压变换器拓扑方案选择方案一：通过线圈

3、互感器升压。 对于升压利用电圈互感器是一种很好的选择。但是没有现成的互感线圈，如果自行绕制由于有漏磁等因素的原因不一定能绕制成符合规格的互感线 圈，稍显麻烦。方案二：电力电子技术中Boost升压变换器。可以使用Boost电路升压，电路设计简单， 通过开关管的开断可以升压。是一种可选的方案，而且电池转换效率很高。虽然MOSFET开关管有，但另外需要设计驱动MOSFET电路，以及反馈回路设计。方案三：利用升压IC芯片升压。器材中提供 MC34063芯片，该芯片是 DC/DC变换芯 片。并且具有反馈功能，电路设计和制作比较简单，是一种比较好的方案。二、反馈电路拓扑方案选择方案一：利用单片机。现在一般

4、的单片机都有 ADC模块功能。以STM32F103VBT6为 例，可以通过ADC采样之后与参考电压比较来调节 PWM占空比改变驱动 MOSFET频率控 制升压后电压恒定。方案二：MC34063自身就具有反馈功能。可将输出Vout分压后与基准电压 1.25V相比保持电压恒定。综上所述，升压电路我们可以有如下几种选择：方案一：.采用 MOSFET开关管设计 Boost电路，STM32产生的PWM 波驱动驱动 MOSFET，通过STM32中的ADC模块再对输出电压采样与参考电压比较改变 PWM占空比， 从而保持输出电压的恒定。方案二：利用 MC34063进行升压，输出电压分压取采样点与基准电压比较保

5、持输出电 压恒定。一是考虑制作周期，二是对STM32还不太熟练。再者器材中以提供MC34063芯片，为了不浪费资源。我们决定采用方案二来进行升压电路的设计。2.2 LED驱动输出电压经过4个LED压降后连接电阻，加在电阻上的电压恒定则通过电阻的电流也 就是通过LED灯的电流恒定。故可将电阻上的电压作为采样电压，回馈给升压电路中，这 样就可以保持电流恒定。2.3 调光控制环节方案一：可变电阻调光。利用和电光源相串联的可变电阻， 改变电阻值就可以实现调光。 由于调光电阻方法的效率太低， 并且在调光过程中会产生很大的热量， 所以我们不采用这种 方法。方案二：脉冲占空比调光法。PWM称之为脉冲宽度调制

6、信号，利用脉冲的宽度来调整亮度。PWM脉冲宽度调制信号的基本频率至少约400HZ-10KHZ ,当调整LED的明或暗时，这个基本的频率不可变动，而是改变这个频率上方波的宽度，宽度越宽则越亮、宽度越窄则越暗。PWM是控制LED的点亮时间，而不是改变输出的电压来控制亮度。调光就是改变照明装置和光输出的过程，调光可以使连续调光，也可以使步进调光。 荧光灯的调光范围与调光电路和所使用的调光方法有关，由于照明调光具有节能、 能够很好地适应人眼视觉特定的特点。利用改变PWM占空比来调光效率高，所以我们采用第二种方法。可调PWM占空比电路可以利用 NE555来设计。该电路外围电路简单，占空比的调节 通过电阻

7、来调节。三极管饱和时LED电路关断，处于放大时 LED导通。3 .硬件设计3.1 恒流电路阻值参数计算将LED灯上加上电压测量电流，可以得到以下数据：颜色 _电压/电流电压/电流电压/电流电压/电流红2.2 V/33mA2.3V/49mA2.4V/58mA2.5V/85mA黄2.2V/36mA2.3V/51mA2.4V/62mA2.5V/83mA白3.5V/32mA3.6V/55mA3.7V/68mA3.8V/95mA绿3.8V/28mA3.9V/41mA4V/52mA4.1V/78mA（以上或许存在偏差，测量时电压总跳来跳去不好稳定）白色LED丁最大工作电流100mA为了使效率更加高，我们将

8、恒流电压定位100mA我们做如下设计：在基准电压采样点1.25V处与地之间连接一个约12.5 ，这样电流恒定在100mA 左右。3.2 升压电路MC34063参数计算器材中给定电感220uH,输入电压9V。我们从On-semi公司的MC34063手册中查到车入电压 5V时饱和压降 Vsat=0.3V ,快速 开关二极管正向压降 Vf=0.8V ,网上查找很多计算参数时都是取Vsat=1V,Vf =1.2V。在3.1恒流设计中，白色 LED灯工作在100mA时导通压降3.8V左右，我们取 Vou t =4 X3.8+1.25=16.45V ,在选定电容、电阻范围计算时，我们取L t=100mA

9、, Vout=16V。现我们以 Vin=9V , Vou t=16V , Vf =1.2V , Vsat=1V, L=220uH , Iou t =100mA 计算：t onVout Vf - Vint offVin - Vsat=1.025;Ipk = 2I out (4 +1) = 0.405A； t offV - V .in v satL= ton = 220uH =>1 pkCT =4.0 X ton =445.5pF ;t onpkVin 一 Vsat11.137X 10-6s；我们再以 Vin=9V, Vou t=16V, Vf=0.8V,Vsat=0.3V, L=220uH

10、 , Iou t =100mA 计算：t on t offVout Vf - Vinoufin- = 0.897;V in - V satIpk = 2I out (必 + 1) = 0.379A;t offV in V satL= t on = 220uH =>I pkt onL I pk-6=9.592 X 10 s；Vin 一 VsatCT =4.0 X ton = 383.67pF ;我们发现Ct大概在几百pF这个值左右，考虑到常用电感规格，我们选取Ct为470pF。因为输入是恒压源 9V,我们取0.5%的纹波值即V rippie = 9X0.5% =45mV现在我们以 Vin=

11、9V , Vf =1.2V, Vsat=1V, L=220uH , Iou t =100mA , Ct =470pF 计算：CT =4.0 X ton = 470pF=>10n = 11.75 X 10-6s；V in - V satV in - V satL= . ton => I pk = ton = 0.427A；1 pkLIpk = 2I out (2+1)=> 必=1 = 1.136;tofftoff 2I outt ont offVout Vf - VinVin - Vsat4 (Vin t offVsat) + Vin Vf = 16.890V;0.33Rsc

12、= =0.773 0 ;outI pk-ton = 26.111 X 10-6F;我们取 Co =27uF, 27uF 的 ESR R0= 0.1 ;ripplerippleVoutVrefx 10-6 = 20.269m V;ripple=Vripple畀-ton Ipk R0C o106.515mV;pk _、IB =上=21.364mA ; (Bf =20) Bf, V BE, 一、I170 =4.1mA; (Vbe =20)170 cR driverVin - Vsat 一噎 RscI B +I 170=297.394 Q ;我们再以 Vin=9V, Vf =0.8V , Vsat=0

13、.3V , L=220uH ,Iou t =100mA , CT=470pF 计算:CT =4.0 x t on470pF=>t on11.75 X 10-6s；L=VinIsatt on=>I pkpkV in 一 V satLton0.465A ;I pk2I out 尸 t off1)=>t on t offIpk . 12I out=1.323;t on t offVout Vf一 Vin=>Vin -VsatVoutF (Vin t off Vsat) + Vin Vf = 19.713V;Rscsc取 Rsc = 1 sc0.33=0.710 QI pkCo

14、I outV ripplet on=26.111X 10-6F；我们取Co=27uF, 27uF 的 ESR Ro= 0.1 ;VoutrippleX 10-6 = 23.655m V;ripple=Vripple枭-ton Ipk R0C o113.640mV;I pkBf23.233mA; (Bf =20)I170V BE170 c=4.1mA; (Vbe =20)R driverVin -Vsat -Ipk Rsc -301.300 QI B +I 170经过计算后我们定下外围电路参数如下:Rdhver =300Q ； Rsc=1a； L=220uH; C0=27uF; Ct =470p

15、F iiveisc为了效率高点，选取 1N5817肖特基二极管而不选择1N4148。实际电路连接好之后，虽然能够升压，但是数十秒之内闻到焦味，经检查是MC34064发热导致，故将 C0 =27uF改为470uF。UIVCC DRV COLLSWCOLLSW EMTIM CAPPK1N-GNDSR二100 Q1.25VMC34Q63IN 党 173.3 NE555 PWM脉宽调制电路外围参数计算PWM称之为脉冲宽度调制信号，利用脉冲的宽度来调整亮度。PWM脉冲宽度调制信号的基本频率至少约 400HZ-10KHZ ,当调整LED的明或暗时，这个基本的频率不可变动， 而是改变这个频率上方波的宽度，宽

16、度越宽则越亮、宽度越窄则越暗。PWM是控制LED的点亮时间，而不是改变输出的电压来控制亮度。VCCClNE555为了能调节的占空比调节范围比较大，选择 脉冲PW瞰的占空比q的范围为Ri=lkQ,R2=10 kQ,R3=1kQ o 这样输出q minRiRi R2 R3= 0.833； qmaxR1 R2 12 = 0.917Ri R2 R3取 C= C2 =0.01pF四.数据测量整个电路完成后测量结果如下：（具体元件位置参见附件电路图）1 .无控制电路时LED灯效率计算输出电压 VOut =15V, Ved =14.1V输出电流I out =98mA输入电压 Vn =9V,输入电流I in

17、=170mA （测量时请先将 NE555芯片取出，接上跳线 2连接4个LED串联以及跳线 3短接掉三极管，也可将电流表接入跳线2两端测输出电流）V- 1一，电池转换效率0 = 一 =96.1 %V. Iin.、.一 ,、 V- I LED功率占9V电源功率 ed =一皿 =90.3 %Vin Iin(2) 制电路时LED灯效率计算Y首先说明由于NE555芯片的驱动电源与 MC34063芯片的驱动电源出于一处，测量的输 入电流由于加上了 NE555工作时的电流，所以实测输入电流包含了2个电流，额外增加了NE555的工作功率，所以此处利用测量参数测出的LED灯效率将小于真实 LED灯效率。由于三极

18、管控制LED的导通时间。虽然LED灯是恒流工作，但是同一段时间中有时导 通有时关断所以平均电流值将下降，下表中测出的电流值均为平均电流值。三极管在此作为类似于开关管的作用，三极管上的损耗与其工作频率有关系。(测量时请先将 NE555芯片插入出，接上跳线2连接4个LED串联，也可将电流表接入跳线2两端测输出电流)I out (mA)I in (A)Mut (V)Vn (V)Ved (V)n0led97.60.2015.76913.8585.5 %76.0 %89.00.1915.82913.5182.3 %70.3 %71.00.1414.63913.2082.4 %74.4 %61.30.11

19、14.40913.1089.2 %81.2 %50.40.1016.30911.4991.3 %64.3 %39.70.0816.53910.9791.1 %60.5 %25.560.0617.80911.0484.4 %52.3 %14.200.0418.30911.0072.3 %43.4 %后面几组数据偏差较大，经分析有如下原因：(1).读数偏差较大，数值一直变化读取数据时较困难;(3) . I in的读数只能到小数点后第 2位，无法更加精确，当数值都减小之后，相差0.01 对于计算都会带来较大偏差；(4) .电路设计时没有考虑周全，NE555与MC34063无法分离测量，导致 NE555的功率包含在了电源输出功率中