LED照明驱动及自适应调光技术研究教学提纲

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED照明驱动及自适应调光技术研究-本文由724915147013贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。上海大学硕士学位论文LED照明驱动及自适应调光技术研究姓名：朱虹申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：刘廷章20080201上海大学硕士学位论文摘要随着能源危机的加剧，绿色高效的照明系统得到了人们的广泛重视。我国在年也推出了“中国绿色照明工程，旨在我国发展和推广高效照明器具，逐步替代传统的低效照明电光源，节约照明用电。大功率白光以其高效率

2、、低功耗、低电压驱动、使用寿命长以及节能环保等优点，引起了全世界的广泛关注，被越来越多的应用于各种照明场合，在可预见的将来将有可能进入一般照明市场以替代传统的热照明方案成为新一代照明光源。因此，研究针对大功率白光驱动电路的研究设计有很重要的意义。本文以白光为研究对象，对该的伏安特性、热特性以及光衰等特性进行了测量；在查阅了相关资料，分析了的各种驱动电路的基础上，最后采用运放负反馈放大电路原理，设计了一种基于市电的恒流电路，能够驱动个以串并方式连接的白光，使电路输出电流恒定在；利用基于总线的光传感器芯片测量自然光照度，作为控制器，采用（，脉冲宽度调制）方式调节管，调节的发光亮度，使的发光照度随自

3、然光照度自动调节，完成了相应的硬件设计和软件编程，实现了恒流驱动和自适应调光的集成，最终使室内环境照度能够维持在一个设定的水平。关键词：恒流亮度调节上海大学硕士学位论文，“，（），：，上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名肄虹一期：瑚：三坐本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文

4、的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：卜导师签名：龟辞日期：衄上海大学硕士学位论文第一章背景及意义绪论发光二极管（，）是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件，依靠材料中的正负电荷复合来发光，材料使用族化学元素，如磷化镓（）、砷化镓（）等。在世纪年代，最早应用作指示灯、数字和文字显示。随着第三代半导体材料氮化镓（）的突破，高亮度蓝光二极管的出现解决了发光二极管的三原色缺色问题，因此彻底解决了大屏幕全彩色显示问题，有了红橙黄绿青蓝紫七色全彩，更为重要的是由此产生了白光半导体灯【。随着白光发光二极管的问世，开始逐渐走进了人们的日常生活。从显示领域进入照明领域的关键是发光效率

5、的提高，发光效率以上的白色（白炽灯的发光效率一般是】胱）的出现，使白色灯成为新世纪引人注目的节能照明光源【】。目前一般白光的发光效率为州，发光效率突破删的白光器件已经达到实用化水准，日亚化学工业已经开始供应发光效率的白色样品【，其他供应商也都开始纷纷生产棚及以上的高效白光，的发光效率还将继续上升。许多研究显示在本世纪的前十年，产业将会继续迅速发展。因此，白光被普遍认为是在未来成为替代传统照明器具的一大潜力商品。作为新型的发光器件，具有体积小、效率高、寿命长、环保、节能等优点，能量转化效率非常高，理论上，发射相同光通量的耗电量大约是白炽灯的，相比荧光灯，也可以达到的节能效果。照明用电占发电总量的

6、比例在发达国家占，在我国占而且在我国以低效照明为主，是终端节电的主要对象之一【】。随着经济发展，我国的照明用电还将有大幅度的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视，照明就是在这样的形势下发展起来的。据中国绿色照明工程促进项目办公室专项调查，我国照明用电每年在亿度以上，用取代全部白炽灯和部分荧光灯，可节省的照明用电，相当于三峡上海大学硕士学位论文工程全年的发电量【。还有其他优点，如作为全固态发光体，耐震耐冲击、不易破碎、发热量低、无热辐射、不含汞、钠等可能危害健康的元素，废弃物可回收、无污染。已经进入很多应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各部门，广泛用

7、作普通照明、车灯、景观灯、路灯照明、液晶板背光源、手机背光源、数码相机闪光灯等。照明及智能调光系统国内外研究现状恒流技术国内外研究现状在早期，由于光色、发光效率、光通量和价格等方面的限制，主要应用于指示、显示领域，如用作指示灯、警戒灯以及显示牌等。随着光色的不断丰富，特别是白光技术的不断成熟，发光效率不断提高，价格逐渐降低，大功率超高亮的有、等规格在市场上销售，其中功率大于的白光的开发研究已成为主攻方向。由于大功率白光的应用受到了世界上的广泛关注，大功率白光的驱动电路设计也因此成为热点，大功率的驱动电路多采用恒流驱动方式，恒流驱动电路有电荷泵、等多种驱动方式。电荷泵、实质上都是电压输出型，通过

8、电流反馈控制电路来实现输出恒定电流。电荷泵电路利用电容对电荷的积累效应储存电能，在时钟周期的一部分时间内为电容充电，在时钟周期的剩余时间内释放能量，根据电容的不同连接方法得到不同的输出电压。论文设计的驱动电路是恒流输出反馈式电荷泵电路，电荷泵电路由谐振电感、充电电容、箝位二极管、调节开关等组成。当断开调节开关时，充电电容通过谐振电感的谐振从电源吸收能量，能量储存在充电电容中，转移至总线电容中或在当调节开关打开时转移到负载中。流过的电流反馈到控制器，控制器根据反馈电流调节变压器原边调节开关的占空比，通过改变占空比调节输出电流使其稳定。和电路都是开关电源方式，利用电感的储能作用储存电能，在时上海大

9、学硕士学位论文钟周期的一部分时间内为电感充电，在时钟周期的剩余时间内释放能量得到输出电压，电路中电容、电感和续流二极管的结构不同，实现升压或降压功能，是降压电路，是升压电路。论文【】提出了一种基于升压方式的恒流恒照度驱动电路。电路将输入电压提升，采样电阻检测流过电流并经过放大电路反馈到恒流恒照度控制电路中，光电二极管检测的照度，将照度值转换成适当的电压值，并与额定电压比较，差值放大后送入到恒流恒照度控制电路中，改变电路调节开关的控制信号，使输出电流或输出照度保持恒定，恒定照度控制同样是通过控制输出电流来维持照度值。基于电荷泵、电路的驱动电路还应用于很多驱动芯片的原理，如、等。论文应用于应急灯照

10、明，所设计的照明电路利用电网电压为蓄电池充电，蓄电池再通过驱动电路为供电，同时也可以采用电网电压通过驱动电路为供电。论文】则设计了一种基于神经网络的高亮度照明控制方案，为应用于汽车刹车灯的设计提供了一种方案。由于色彩丰富，因此除了大量应用于背光源和照明之外，另外一个重要用途就是景观照明。应用于古建筑景观照明，如颐和园【】；城市立交桥景观照明【】等。由于驱动电压低，具有控制灵活的特点，结合各种驱动方式对其控制，还可以应用做路灯照明【】等。白适应调光技术国内外研究现状由于人眼对光线的感受是非线性的，因此，就有可能将亮度级降低以上而人却觉察不到亮度的变化，这样就可以节省近的电能。如果将调光级别降低，

11、则可以节省约的电能。采用智能调光可将灯渐渐调到预设级别。白炽灯无法做到这一点，因为冷的灯丝会受到热冲击。将灯亮度渐渐调到设定级别，也称为“软启动，这会极大地延长灯的使用寿命。使用的调光级别可将灯的使用寿命延长两倍，而调光级别可延长倍。调光方式分为变电阻型调光和脉冲宽度调制方式（，上海大学硕士学位论文）两种。变电阻型调光方式通过调节电阻性负载的电阻值改变电流，从而改变灯的发光亮度，变电阻型调光在电阻上将多余的电能转变为热能，这是能量的损失。方式通过每秒钟多次的接通和断开电源调节发光亮度，开关之间的时间比率与发光亮度成正比。但并不是所有的灯都是可调光的，的响应时间很短，只有几到几十纳秒，尤其适合于

12、方式调节亮度【。自适应调光方式利用控制器，以及用于检测环境光的传感器为核心，传感器向控制器提供发光照度值，控制器做出判断并根据所得信息将照明回路打开或调节光亮度到预定级别。由于的快速响应特点，使得调光非常可行。美国坩对串并的灯组，在恒流驱动电路基础上并接了型功率器件实现控制，调节范围为，当占空比低到时输出电流仍能保持稳定】。传统的调光方式是将调光开关与负载串联，当开关打开时，支路没有电流流过，当开关关闭时，支路有电流流过，灯发光。论文】提出的调光方式是将调光开关与负载并联，驱动电路采用电路。当调光开关打开时，支路有电流流过；当开关关闭时，支路被开关短路，灯不亮，控制器根据采样电阻检测到的电流值

13、改变调节开关的占空比，因此调节占空比以使输出电流恒定。论文设计的驱动电路可以使输出电流从至之间调节，驱动电路采用电路原理，将输入电压提高以驱动个串联的，此论文设计的驱动电路以离散方式调节输出电流，输出电流调节间隔，采用作为控制器，灯组上串联一个采样电阻以检测流过的电流，检测到的电流反馈至控制器，控制器改变电路调节开关的占空比从而调节输出电流。在常规灯具照明系统的调光领域，已经出现智能调光系统，如基于的酒店智能调光控制系统【，以及中国国家大剧院的灯光控制系统【】，还有基于总线的教学楼智能照明系统，通过调光实现教室内恒照度控制。上海大学硕士学位论文目前存在的问题近年来，的发光效率一直在逐步提高，商

14、品化的器件已达到白炽灯的水平【】。但是，想要在照明中全面普及，还需要解决一些技术性问题：在自光芯片方面（）能量转化效率低虽然的电光转化效率较高，但的光提取效率只有，严重影响的光输出功率，要想进入照明领域，目前单个的光通量远远不够，提高了光提取效率，就可以发出更多的光。（）散热问题的低光提取效率导致大部分能量未能转化为光的形式散发出去，而是以热能的形式聚集在芯片内部，散热不佳将会导致芯片结温迅速上升和环氧树脂碳化变黄，从而造成的颜色偏移，加速光衰，降低的寿命甚至失效脚】，对于大功率这个问题尤其严重。（）光色不佳：；目前，白光采用蓝光加黄色荧光粉合成，或者是采用三色混合而成，这两种方式形成的白光色

15、温较高，含有蓝光的成分，给人不自然的感觉，比较而言，白炽灯则具有非常强的黄光的成分，给人一种温暖的感觉。（）价格昂贵这是影响照明普及的重要原因。但产业也存在“摩尔定律定律：的价格每年将为原来的三，而性能则提高倍。如果这个定律能够应验，的成本将快速下滑【】。在驱动电路方面电荷泵方式和开关电源方式都有各自的缺点，电荷泵电路受储能电容的限制，输出电压一般不超过输入电压的倍，输出电流则不超过，在大功率的照明驱动应用中受到了限制。开关电源方式具有效率高，可升、降压，输出功率大等优点，但开关电源采用的电感有着体积大、重量大的缺点，而且由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。电荷泵驱动和开关电源驱动都存在着

16、输上海大学硕士学位论文出电压或输出电流受限的缺点，但对于应用于照明需要的大功率白光而言，需要驱动电路具有更高功率，更大电流。虽然世界各大公司都纷纷推出了自己的驱动芯片，但这些芯片大多用于便携式设备应用，如用作手机、笔记本、等背光源，或用作汽车前灯照明等，这些驱动芯片的驱动能力有限，输出电流有限，输入电压要求是直流，而且价格比较昂贵。在自适应调光技术方面由于的发光亮度与流过电流正向变化，因此调节发光亮度就等同于调节电流。方式调节电流不仅效率高，且调节范围大、稳定可靠。因此方式调光获得广泛应用，但更加细腻的根据具体情况自适应调节亮度的能源管理策略有待深入研究。关于智能调光控制系统进行的研究也很多，

17、很多公司在从事这方面的工作，如、邦奇电子、尼科电子等。但这些调光控制系统多用于大型场合，如酒店等，且需要上位机、总线、子控制器等，可以实现除亮度调节外包括灯光控制等多种功能，但造价较高，普通家庭照明往往不需要如此复杂的控制策略。论文的主要研究内容课题来源本课题来源于上海大学学科平台建设项目“太阳能发电及半导体照明技术，基于太阳能光伏发电技术，主要完成照明系统控制部分工作，实现自适应调光技术，并最终验证照明系统设计的可行性。论文主要研究内容本论文主要对大功率白光提出一种可行的照明驱动电路，并对自适应调光系统设计了可行的实现方案。本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐述了

18、课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章阐述了的伏安特性、光特性、温度特性并简要介绍了目前各类驱动电路，第三章上海大学硕士学位论文阐述了所设计的恒流电路各功能部分的实现方式，第四章阐述了自适应调光技术的实现方法，第五章阐明了为本系统所做的软件设计，最后第六章总结全文并展望进一步的工作。上海大学硕士学位论文第二章基本特征以及驱动方式介绍特征为了更好的说明灯的性能，首先介绍一些光度量的基本参数：（）光通量（）：由于人眼对各种波长的光的视觉灵敏度不同，因此不能直接使用光源辐射能量来衡量光能的大小，而必须用人眼对光的相对感觉量即光通量来衡量。光通量是指在单位时间内，波长在到之间的可见光范

19、围内光源所辐射的总能量，单位是流明（）。光源的光通量越大，则人眼感觉越明亮。比，单位是流明瓦（。发光效率通常简称光效，表征了光源的节能特性。研究中一个重要方面。（）发光效率：发光效率是指电光源所发出的光通量与它的总输入电功率之这是衡量现代光源性能的重要指标之一，如何提高电光源光效的研究是电光源（）光强（：光强是指光源在特定方向每球面度上发射的光通量，单位是坎德拉（），公式表示为，罢。一般来说，光强随着光的发射方向的改变而变口化。（）照度（）：照度是指受照表面单位面积上的光通量，单位是勒克斯（），即流明平方米（），照度是衡量物体表面被光源照亮的程度。公式表示为：掣，矽指光源光通量，盯是指受照物体

20、表面面积。盯对点光源而言，尉。受照面上某点的照度（）和该点至点光源距离（）的平方成反比，和光强及入射角（目）的余弦均成正比即：丝：，塑：丢秒（）的基本参数有：、（）允许功耗：两端所允许正向电压与正向电流之积的最大值。（）最大正向电流：允许加于两端的最大的正向电流。（）最大反向电压：允许加于两端的最大反向电压。一（）工作环境温度：发光二极管可正常工作的环境温度范围。此外，还有结温度、储存温度、焊接时间等参数。下面分别介绍的伏安特性、光特性以及温度特性。上海大学硕士学位论文伏安特性由于的核心是结，因此的伏安特性与普通二极管的伏安特性相同。理论上，二极管的正向电压与正向电流的关系式为：型上，（灯一）

21、（）式中，为二极管正向电压，是反向饱和电流，为定值，为电子电荷，为波尔兹曼常数，是热力学温度，常数近似取，当外加电压较高，电流以扩散电流为主时，近似等于。（）式的曲线图如图所示。嚣砻雹覆懈籀辜藤糍图晋通二极管伏安特性曲线在室温（）条件下，塑，在正向电压大于零点几伏时，就有！生胛分，因此式（）可以化简为厶朋（）式（）说明照明的电流与电压呈指数关系，但指数关系并不适合用等效模型来描述。对于工作在额定电流附近的用折线化来近似模拟的特性，如式（）：上海大学硕士学位论文产伽十（）其中，是的导通电压，是等效内阻，导通电压是由材料结的内建势垒电场决定的【，一般大功率的导通电压在左右，当加在两端的电压小于导通

22、电压时，中几乎没有电流流过。随着外加正向电压增加达到结内建势垒电场时，可认为正向电流与正向电压成指数关系，正向电流急剧增大，正向电压的较小波动就会导致正向电流的急剧变化，此时电流与电压近似呈线性关系。光特性发光二极管的核心是结。在正向电压下，电子由区注入区，空穴由区注入区，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。因此流动的少子和多子数量越多，发出的光线越强；同时在结内流动的少子和多子数量越多，也说明单位时间内流过结横截面的电荷数越多，那么流过的电流也就越大，因此的发光亮度基本随流过的电流正向变化。控制大功率的发光亮度，实质是控制它的输出光通量。图所示为美雾公司大功

23、率白光在常温下（）相对光通量西与正向电流的关系曲线。上海大学硕士学位论文；，汇协：一缈薏面鼍墨乏柏，?；）氓一图相对光通量西与正向电流关系【，曲毗图中显示的的发光亮度与正向平均电流大小基本上成正比关系，因此可以通过控制的正向电流来控制其发光亮度。根据图九如果对采用恒压源驱动，的微小变化会引起的较大变化，从而会引起发光亮度的较大变化。若要控制大功率亮度，驱动器必须提供准确恒定的电流。因此，大功率适宜采用恒流源驱动。光源最大的优点就是长寿命，各厂商均声称其的使用寿命可达，、时，但通常不会完全损坏，而是在其工作中光输出逐渐减少。大功率的相对光输出随时间的变化的一般趋势是：在开始的一段时间内光输出衰减

24、较快，随后的一段时间内衰减较慢，但在即将耗尽或发生灾变性失效阶段，光输出急剧衰减。在前两个阶段，的光输出随时间的衰减曲线可近似为如下的指数形式【】：叫（）式中：表示相对光输出，表示衰减系数，是以小时为单位的点亮时间。越大，值衰减越快。上海大学硕士学位论文通常把光输出衰减所经历的时间定义为发光二极管的寿命。大功率白光在实际使用过程中各种因素的影响都会引起寿命的下降，往往达不到，时。影响寿命的因素包括：制备过程中引入的缺陷；电极材料不均；静电影响；封装中各种材料的热膨胀系数失配；以及通过蓝光激发荧光粉方法得到的白光在工作过程中，由于荧光粉量子效率降低将导致宽谱带黄光相对峰值蓝光衰减更快，使得器件色

25、温升高从而影响发光的颜色【】。的光学稳定性是一个需要考虑的问题。公司研究中心对基于的白光进行了大量实验，发现其波长和输出光通量受到驱动电流、温度、使用时间的影响，采用光敏二极管进行色度检测反馈结合恒流闭环控制后，白光输出色差得到明显改善。热特性的高发光效率是它的最大优点，对于大功率而言，这个优势更是明显。但是的光提取效率较低，且热量不容易辐射散发，从而导致器件温度过高，影响的光通量、寿命以及可靠性，并会导致发光红移，尤其对于采用蓝光激发荧光粉的方式实现白光的方案而言，其中荧光粉对温度特别敏感，最终会引起波长偏移，造成颜色不纯等一系列问题。相对于一般的来说，大功率的结上的发热更严重。大功率的热稳

26、定性问题已成为照明的一个技术瓶颈。目前输入电功率的约转变为热，对于目前应用比较成熟的而言，其热流密度可达到，这些热量的累积将引起的温升效应【】：结温升高直接减少芯片出射光子，取光效率降低，实验结果表明，室温环境下温度每升高，光效下降时的光输出约是时的一半。结温升高会导致芯片出射光线红移，色温质量下降，尤其对于蓝光激发黄色荧光粉的白色器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随结温升高而降低。温度升高还会导致光衰加剧及器件寿命呈指数下降【。随着芯片技术的成熟，单个的功率可以达到甚至更高，因此防止的热量累积就更显重要，的热管理已经成为其取代常规照明光源的主要瓶颈【】。目前减小温升效应的方法主要采用外加

27、各上海大学硕士学位论文种冷却模块以提高器件的散热能力。由于的光输出与其电流成正比，且长期工作在大电流下有可能导致失效，而电流不仅受蓄电池电量影响，而且受外界温度影响，因此从光输出均匀性、稳定性和口靠性角度考虑，高层次应采用恒流驱动方式【捌。驱动方式大功率白光虽然光效很高，但单个白光所发出的光通量还不够大，因此用于照明时往往需要将若干连接在一起使用。多个的基本连接方式一般有串联、并联和串并混联三种，根据驱动方式的不同来决定采用哪种连接方式。连接方式可以采用串联、并联或串并混联的连接方式。串联方式如图（）所示，串联方式的优点是流过串联支路上各的电流相同，因此各的发光亮度也会一致。如果其中任意一颗出

28、现断路故障时，会导致该支路串联上所有的都不发光；如果某颗短路时，在恒流方式下电路没有影响，但在恒压驱动时，其他每个的正向电压均会因此升高，因此流过的电流增大，可能会造成损坏。图（）串联连接方式图（）并联连接方式并联方式如图（）所示，当采用恒流驱动时，如果某断开，总电流不变，因此流过其他的电流增大，因此并联方式下不适宜采用恒流驱动，上海大学硕士学位论文如果某短路那么其他将不再发光，若并联数目较多，那么流过短路的电流会增大到将发生短路支路熔断而将该短路支路断开，最终总恒定电流分摊到其他上，由于并联数目较多，因此影响不大；采用恒压驱动时若某断路则对整个电路没有影响，如果某短路则影响与恒流驱动方式下发

29、生短路时相同，所以恒压驱动时应尽量多并联。串联多个或并联多个需要电路有较高电压或较高电流，因此可以考虑混联方式，将所需电压或电流降到适当水平。混联方式分为先串联后并联和先并联后串联两种连接方式，这两种连接方式分别如图（）和图（）所示。先串联后并联的连接方式是指先将一组灯串联成串然后将该串灯与其他串灯并联起来，先并联后串联的连接方式则是先将一些并联成一个灯组，然后将多个灯组串联。、！、！、心！：、：、图（）先串联后并联的连接方式图（）先并联后串联的连接方式先串联后并联的连接方式如图（）所示，在恒流驱动方式时，如果某断路，则该所在的整串灯都不亮，总恒定电流分摊到其他灯串上，影响与并联方式在恒流驱动

30、时发生断路的相同；如果某短路，则该所在串联支路在少了一个灯的情况下与其他支路并联，该支路的每个的端电压增加，会使该支路上电流增加而影响其他灯的使用。在恒压驱动方式下，如果某串联支路上的某个发生断路，该串不亮，除该串灯以外，对其他灯没有影响；如果某串联支路上的某个发生短路，则同样该串的每个灯的端电压增加，该串会因为电流增加而造成损坏。先并联后串联的连接方式如图（）所示，在恒流驱动方式时，如果某个上海大学硕士学位论文断路，则在该所在并联分组上电路总电流分摊到其他上，如果并联较多则影响不大；如果某个短路，电流全部从该灯流过，如果并联较多则电流较大而最后将此处熔断，最终影响与该灯断路时相同。在恒压驱动

31、方式下，如果某断路，那么该并联灯组与其他并联灯组的数目不同，电路总输出电流减小，分配到每个上的电流也减小，且流过发生故障灯组内各的电流与其他灯组内的电流不同，会造成亮度不同；如果某短路，相当于少串联了一串灯，加到其他并联串上的电压升高，电流因此也升高，会对造成损坏。因此无论是在串联、并联还是混联的连接方式下，灯的任何故障都有可能会对其他的造成影响。所以在设计的驱动电路时，应根据驱动方式的不同选择合理的连接方式，使电路尽量可靠。当个别断路时，不应该影响其他正常工作；当个别短路时，也不应该影响其他的正常工作。此外，必要的时候还需要采取适当的保护措施，如在串联方式时在每个灯两端并联稳压二极管，并且稳

32、压二极管的击穿电压大于的工作电压，使得断路时不影响其他灯继续工作。关于白光的驱动方式研究有很多，各种驱动方式总结开来分为恒压和恒流两种。镇流电阻驱动方式这种驱动方式的原理图如所示。图镇流电阻驱动方式的工作电流按下式计算：，（）上海大学硕士学位论文为流过的正向电流，为镇流电阻，电源电压玳，为两端与对应的正向电压。根据的曲线来确定产生预期正向电流所需要向施加的电压哪，与镇流电阻成反比，当电源电压玳上升时，能限制的增长，使不超出的工作范围。镇流电阻上消耗的功率翌掣，电源电压烈越大，消耗功率越多，通过降低电源电压或增加镇流电阻来降低电阻损耗的方法在一定范围内有效，但镇流电阻值过大就难以起到稳流作用。其

33、次，正向电压的任何变化都会引起正向电流的变化，最终都会导致电流的变化。这种驱动电路的优点是电路简单，成本低；但缺点是电流稳定度不高，效率低，仅适用于小功率范围。电荷泵升降压驱动方式目前，在大量为设计的驱动芯片中都采用电荷泵方式。电荷泵电路的主要原理是在时钟周期的一部分时间内为电容充电，通过电容对电荷的积累效应储存电能，在一个时钟周期的剩余时间内，利用电容的不同连接方法释放能量得到不同的输出电压。图是一个基本的开关电容电荷泵原理图【。图开关电容电荷泵原理图。在开关时钟相位时，开关和关闭，和断开，输入电压给电容充电；在时钟相位面，和关闭，和断开，电容的下极板被接到电势，上极板电势作为输出，根据电容

34、存储电荷不能突变的原理，电容在时钟相位内存储的电荷量为，所以在面时刻有：（）（）上海大学硕士学位论文即忻焉（）变为（）如果输入也接一个和输出负载电容同样大小的电容，因此式麓（）式（）是倍压电荷泵电路的基本原理，电荷泵电路的结构形式还有电荷泵、电荷泵、静态电荷泵，交叉耦合式电荷泵、分数增益电荷泵。各种电荷泵电路的电容拓扑结构不同，实现升压或降压的功能。电荷泵驱动电路根据输出方式的不同有电压输出型和电流输出型两种，电压输出型电荷泵驱动电路输出的是恒定电压，如，就是此类型的芯片。图是的原理图，图是的外部连接图。图原理图图连接图电荷泵电路通过外接电容的储能将输入电压提升或降低到一个恒定电压，开关控制和

35、晶振电路控制电荷泵电路的开关通断周期和占空比，芯片内部的分压电阻反馈输出电压，运放将基准电压岍与输出反馈电压比较，控制电荷泵电路使输出电压稳定，连接在和之间的快速电容器充放电转换电压。电流输出型电荷泵驱动电路能输出恒定电流，图是电流输出电荷泵型上海大学硕士学位论文驱动芯片的内部原理简图及外部连接简图。正正吐上暑铬电旖袋镜傲电洫镜像电流镜像电流镜像电流叮参考乜豫镌虚挖制；享上。孓）。）：图电流输出型电荷泵驱动芯片内部原理图在图中，有路输出通道，电荷泵处于倍压方式，端口和电阻设定每个通道的输出电流值，镜像电流源是：镜像电流，为提供倍于设定电流值的恒定输出电流，每路最大输出电流，端口输出电荷泵电压，

36、端口可以调节亮度。对于电荷泵电路，当输出电压与输入电压成一定倍数关系时，电荷泵电压转换效率效率可达以上，但是效率会随着两者之间的比例关系而变化，有时效率也低至以下。对于电压输出型电荷泵驱动电路，为了防止并联支路上电流分配不均，每条并联支路上必须使用镇流电阻，这样会消耗大量的功率，降低效率。因此，电荷泵式驱动电路在大功率的照明驱动应用中受到了限制。开关电源很多的驱动电路以及驱动芯片采用开关电源电路，这种驱动方式利用电感作为储能器件，为负载提供持续的电流，有（降压型）、（升压型）以及（升压降压型）三种类型，原理图分别如图（）、（）、（）所示。上海大学硕士学位论文前图（）变换图（）交换图（）变换开关

37、电源电路在一个时间周期内，控制开关的接通和关断时间，通过续流二极管、储能电感、滤波电容实现升压或降压功能】。图为用升压电路驱动的方式，电路通过调节控制开关管的占空比信号将输入电压升高到足以驱动负载，和通过分压来采样输出电压并反馈至控制器，在控制器中与设定电压比较差值，控制器根据差值调整占空比，稳压输出电压，电阻采样流过电流输入控制器中，控制器根据电流值调整占空比调节输出电流【。、鼢图升压驱动电路驱动芯片采用的是变换电路，输出恒定电流。的原理图及外部应用连接方式如图所示。上海大学硕士学位论文图原理及连接图采样电阻和端电压值控制输出电流大小，运放检测输出电压并与基准电压比较实现过压保护功能，将输出

38、端电流值与设定的输出电流值比较，通过运放控制信号，调节管的通断时间，从而调节输出电流，信号的频率由内部晶振产生，端电压与芯片内部电压比较，当电压过低实现自关断。利用开关电源驱动方式时，输出电压受占空比和输入电压限制。线性电源上述所介绍的电荷泵驱动和开关电源驱动都存在着输出电压或输出电流受限的缺点，驱动数量有限。对于应用于照明需要的大功率白光数量较多，要求驱动电路输出有更高功率、更大电流、更高电压。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源，其优点是：对源和负载的变化具有快速的输出瞬态响应；低输出噪声和纹波；低电流共模噪声；在较低输出功率上非常经济。开关电源相对于线性电源的优势体现在：功率转换效

39、率高，一般达到；对于较高功率可以做的体积小，重量轻，成本低等，但开关电源具有电路复杂、设计困难、噪声大等缺点。最明智的方法是根据要上海大学硕士学位论文求、而不是根据电源的工作类型来选择电源，优化设计线性电源或开关电源使其满足设计要求。本文设计了一种采用线性电源驱动方式的恒流驱动电路。上海大学硕士学位论文第三章恒流电路的设计特性测试为了更全面系统的设计照明控制系统，首先对大功率白光的伏安特性进行了研究。本系统选用的大功率白光是台湾亿光电子公司生产的白光灯，型号为，其具体参数如下：（）在正向电流时，最大光效（）视角（）最大正向电流，额定最大正向电压（）最大耗散功率（）结到封装的热阻图是该说明书中给

40、出的在条件下此大功率白光的正向伏安特性。穹拍葛勉。一一岔乏匕售量乏，臣瞄叩玎孤田如吼庀佃）图，触在一批该型号的中任选个，在其两端接上直流电源为其供电，观察流过的电流随其端电压的变化关系。供电电源采用安捷伦可编程直流电源，该电源具有的负载和电源调整率，在电源和负载变动时能保持稳定的输出，电源能够设定恒定电压输出还是恒定电流输出，电源的前面板能显示上海大学硕士学位论文供电的电压和电流值。图中曲线显示了当的正向电压在之间时，流过的正向电流值。喜锄壤?掣匠目正向电压（）图实际大功率白光伏安特性曲线根据图，可以看出电压增加，电流升高达以上，基本验证了图以及式（）所给出的关系，即工作电压的较小波动就会导致

41、工作电流的急剧变化，如果工作电压过大甚至可能会导致结烧坏。所以在设计驱动电路时必须考虑这一特性，采用限流电阻或者采用恒流驱动。的实际使用寿命也是需要测量的重要方面，但若要实际测量的衰减寿命，需要很长的时间，但我们可以观察在一段时间内相对光输出的变化情况，以此观察的光衰减特性。我们对本系统采用的白光的照度在小时内的变化情况进行了检测。照度计型号为，其性能参数指标如下：（）测量范围：（）准确度：士。是在量程仪器上被测量和显示的实际值；指满量程。（）温度特性：士吲（）感光体：光二极体附滤光镜片（）取样率：次秒（）操作温度范围：上海大学硕士学位论文由于发光面小，且发光的方向性强，可近似认为是点光源。将

42、灯放置在黑箱中，使测量结果不受环境光影响，只点亮个白光，照度计的感光体正对着灯，两者相距，在室温（）下将连续点亮小时，每隔半小时检测一次照度，采用恒定电流驱动，未点亮灯时，测得箱子内照度为。测得照度在小时内随时间的变化趋势，如表所示。在接通电源点亮时照度值快速下降，因此最初时刻的照度值是在灯点亮分钟之后测量的，此时照度值已基本稳定。图是将表中照度数值用直线连接起来的图形，表和图中（，）指距离最初点亮（）个半小时后的时间。表白光发光照度在的变化趋势照度（）照度（）照度（）照度（）上海大学硕士学位论文舵食、一瑙匿药，时间间隔（）图白光发光照度连续的变化曲线在同样条件下，将大功率白光连续点亮小时，测

43、量照度，测量两次，第一次每隔半小时测量一次，结果如表显示，并用图显示曲线，表和图中（，）指距离最初点亮（）个半小时后的时间；第二次是每隔一小时测量一次，结果如表显示，并用图显示曲线，表和图中（，）指距离最初点亮（）个小时后的时间。表白光发光亮度在的变化趋势照度（）照度（）【）照度（）照度（）上海大学硕士学位论文“舵食链匿麓：时闻间隔（）图白光发光照度连续的变化曲线表白光发光亮度在的变化趋势昭昭昭照度（）度（）度（）度（）上海大学硕士学位论文善魁醭时间间隔（）图白光发光照度连续的变化曲线根据图可以看出，灯在点亮几个小时后，照度值相对于最初的几个小时的照度值均略有下降，但由于测量时间有限此时尚难推

44、断是否有明显的光衰。同样，我们针对大功率白光的发热情况进行了研究。温度测量仪器选用公司的。是当代技术最先进的轻型手持式红外热成像设备，其主要性能参数如下：（）检测器类型为非冷却焦平面阵列（）热灵敏度：（）准确度：士或（取较大值）（）温度范围：。至（至）（）焦距：（）至无穷远（）内部可存储个图像（）通过辅助软件，可以显示、检查、分析图像和数据，以确定与目标设备相关的定量及定性趋势。上海学硕学位论文图显示了利用软件分析热像仪测得温度圈后所得的效果囤。图分析的温度分析图将灯用恒定电流驱动，在室温条件下，连续点亮，时。环境温度，在自然散热条件下，用热像仪测量背面的温度分布情况。图是在此条件下测得的背面

45、温度图，该图已经过软件分析。根据图分析，周围平均环境温度为，灯背面不同区域温度差别很大，最低温度（，虽高。通过分析该灯的形状得知，图中圆形蓝色温度较低区域材料为金属，外圈红色温度较高区域材料为塑料。金属的散热性能较好，且表面积较大，因此在自然散热下，与周围空气岛好接触，该区域温度较低。而外圈的塑料散热性能较差，但由于堆外部与周围环境的接触散热较好，因此在此圆环处，温度呈现从圆环内向外温度递减的趋势。因此，总体分析的温度特性是最中间区域温度最低，与环境温度相近。然后从内向外，温度升高，达到屉外圈后，温度又迅速减少。表显示了白光在环境温度。，自然散热条件下，用恒流上海大学硕士学位论文驱动，连续点亮

46、，时，该灯背面的温度分布情况，每半小时检测一次，表显示的是底部的最低到最高温度范围，将表中各测量时刻的最高温度用图形表示出来，如图所示，表和图中（，）指距离最初点亮（）个半小时后的时间。表灯体温度在的变化灯体温度（）灯体温度（）灯体温度（）灯体温度（）肚帖肌叽一一肌肚肚肌上海大学硕士学位论文，一、蜊娲鹃时间间隔图温度在变化，在点亮时灯体温度迅速上升，因此时刻的温度是在灯点亮分钟之后测量。表中，温度最高达至，在点亮几个小时后，灯体温度稍有上升，但由于是在自然通风的情况下，与外界环境散热良好，白光的灯体温度没有进一步的明显增加，但在实际应用时发现，如果灯没有通风散热而是紧贴实验板，散热不佳，会导致

47、点亮一段时间后颜色偏移，迅速老化，大大的降低了使用寿命，因此需要良好的散热条件。通过第二章关于大功率的伏安特性以及发光特性的分析以及以上的实验，大功率的驱动方式设计应该采用恒流方式，恒流驱动可以消除由于正向电压变化导致的电流变化，产生稳定的发光亮度。我们设计的灯组使用了个灯，这个灯采用先串联后并联的混联形式，即每三个灯串联组成一串，然后三串灯并联组成一个灯组。因此该灯组的额定功率为，每个灯的最大正向电流为，三串灯组的总最大正向电流为。驱动电路的设计目标则是将交流电转换上海大学硕士学位论文为恒定直流电驱动灯组。恒流系统整体结构本电路为提供的恒流驱动电路采用线性电源方式，输入是的交流电，输出要求是

48、的恒流电源，该线性恒流驱动系统的整体结构框图如图所示。泓图恒流系统整体框图如图，本系统设计的线性恒流电源驱动电路主要由两部分组成：整流滤波和恒流电路，下面分别介绍各子电路。整流滤波电路的设计驱动电路首先要将的交流电通过整流滤波电路转换成适当的电源为恒流电路供电。电源变压器是将的交流电转换成不同电压供给各负载做电源的多线圈变压器。选用电源变压器时，要与负载电路相匹配，而且电源变压器应留有功率裕量，即变压器的额定输出功率应略大于负载电路的最大功率，变压器的输出电压应与负载电路供电部分的交流输入电压相同。整流电路的作用则是将交流电变换成单方向的直流电。整流电路种类较多，按整流元件的类型，分二极管整流

49、和可控硅整流；按交流电源的相数，分单相和多相整流；按流过负载的电流波形，分半波和全波整流；按输出电压相对于电源变压器次级电压的倍数，又分一倍压、二倍压及多倍压整流等。单相半波整流电路、单相全波整流电路和单相桥式整流电路的原理图分别如图（）、（）、（）所示。上海大学硕士学位论文棚到句：卫二到仉?玉图（）单相半波整流电路图（）单相全波整流电路一，。酬图（）单相桥式整流电路桥式整流电路相较于半波整流电路具有输出电压高、脉动小的优点，相较于单相全波整流电路而言，变压器次级无中心抽头，性能最佳，本设计也采用桥式整流电路，如图（）所示，由四个整流二极管组成，设为理想二极管，为纯电阻负载。根据图（，交流电经

50、电源变压器降压后，变为整流所需要的交流电压值（）为变压器副边输出电压的有效值。桥式整流电路的输出电压平均值为（）选择桥式整流电路时对整流二极管的参数要求主要有两项：（）最大整流电流流过每个二极管的电流平均值上海大学硕士学位论文。）警再考虑到电网电压可能有士的波动，因此（）睾（）最大反向工作电压（）由图（）所示，每个二极管截止时承受的最大反向电压为（）再考虑到电网电压可能有的波动，因此定（）整流电路的输出虽然是单一方向的直流电，但含有较大的谐波成分，脉动系数大，不能适应大多数电子设备的需要。一般整流电路之后，还需接入滤波电路以滤除谐波成分，使脉动的直流电变为比较平滑的直流电。在桥式整流电路的基础

51、上，在输出端并联一个电容就构成了电容滤波电路。电容滤波是通过电容的储能作用，即在升高时，把部分能量储存起来，在降低时，又把储存的能量释放出来，从而在负载上得到一个比较平滑的输出电压，降低脉动程度，并且提高了平均值。图（）所示桥式整流电路的放电时间常数（）桥式整流电路的充电时间常数亿（）（）整流电路内阻为变压器次级内阻与二极管导通电阻之和，假设为，通常，因此认为充电时间常数近似等于放电时间常数，滤波效果取决于放电时间常数，和越大，就越大，电路的充放电过程就更缓慢，因而输出电压更平滑，平均值更高。一般情况下，可按下式计算带负载时的直流输出电压，即（）电容滤波电路有以下特点捌：上海大学硕士学位论文（

52、）适用于负载电路较小且变化不大的场合。（）所需电容容量应满足贬（）寺的条件，为电网电压周期。（）由于增加了电容支路，流过每个二极管的电流比没有并联电容之前增大，但每个二极管的导通时间反而减小，在二极管导通的短暂时间内，将有很大的冲击电流流过。因此在选择整流二极管时必须注意选择最大整流电流较大的管子。本设计系统负载支路需要电压，电流，选择适合本系统设计的变压器、整流桥及滤波电容。根据设计要求知，因此户孥：。变压器次级电压的有效值，变压器的额定功率妒，变压器的变功率，电路空载时电容将承受最大电压，再考虑电网电压的波动，则滤波电容耐压应为压压呲。同时滤波电容容量应满足（）寺，取，则有竺二如吃流过整流

53、桥的最大电流由公式豢计算，。每个整流二极管承受的最大反向电压。因此选取的电源变压器，的电解电容，整流桥选择，其参数为平均电流、峰值反压。恒流电路的设计电路经由整流滤波电路后已变成左右的直流电，但仍不是恒定电流输上海大学硕士学位论文出，本论文设计的恒流电路以集成运放为核心。集成运放集成运算放大器（简称集成运放或运放）实际上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路，具有高输入电阻、高放大倍数及低输出电阻的特点。由于集成运放在电路性能方面具有众多优点，因此被广泛应用于模拟电路的各个领域之中【勿。集成运放的符号如图所示。图集成运放的符号和分别为集成运放的同相输入端和反相输入端，是集成运放的输出端。在

54、运放应用电路的分析中，为了突出主要问题以及简化分析过程，常常把集成运放的各项技术指标理想化，认为其具有下述特性：（）开环差模增益蚺；（）差模输入电阻（）输出电阻；（）共模抑制比毛；（）上限截止频率；（）输入失调电压、输入失调电流和它们的温漂鲁（）、鲁（）均为零，且无任何内部噪声。（）输入偏置电流为零。实际上，集成运放的技术指标均为有限值，理想化后必然带来误差，但在一般的工程计算中，这些误差都是允许的，而且随着新型运放的不断出现，性能指标也越来越接近理想，误差越来越小。只有在进行误差分析的时候，才考虑实际运放的有限增益、带宽、共模抑制比、输入电阻和失调因素等带来的影响。集成运放的应用电路多种多样

55、，但其工作范围只有两种情况，即线性区或上海大学硕士学位论文非线性区。当运放工作在线性区时，运放的输出电压与输入端电压差之间存在线性放大关系，即刮（一）（）对于理想集成运放，为有限值而，因此近似认为。即。由于理想运放的差模输入电阻，且，因此两输入端电流也均近似为零。因此理想运放工作在线性区时有以下两个重要的特点：（）“虚短，即认为两输入端电压相等：，集成运放的两个输入端电压无穷接近，但又不是真正短路。（）“虚断”，即认为输入端电流等于零，集成运放的两个输入端的电流趋于零，但又不是真正断路。对于理想运放，由于，因此当两个输入端之间存在一个很小的电压差就会导致集成运放超出线性工作范围进入非线性区，理

56、想运放工作在非线性区时有两个特点：（）当，输出电压等于运放的正向最大输出电压；当，输出电压等于运放的反向最大输出电压。（）在非线性区，虽然运放的两个输入端电压不同，但理想运放的差模输入电阻依然存在，因此运放的同相输入端和反向输入端的电流都等于零，“虚断的特点依然存在。负反馈放大电路由于集成运放的开环差模电压增益很大，如果不采取适当的措施，即使在输入端加一个很小的电压，也可能使集成运放进入非线性区。为了保证集成运放工作在线性区，通常在电路中引入深度负反馈。下面分析一下负反馈放大电路的原理，负反馈放大电路的方块图如图所示。上海大学硕士学位论文图负反馈放大电路的方块图其中：外加输入信号基本放大电路的

57、输入信号输出信号反馈信号符号。表示比较环节。由图得出尸五一巧定义基本放大电路的放大倍数：圣（）反馈系数生（）负反馈放大电路的放大倍数专（）译鲁毒考忘考象由此得到盼南：聋）（）（）、当引入负反馈时，因此引入负反馈以后放大电路的放大倍数是基上海大学硕士学位论文本放大电路放大倍数的再云，通常把州虹称为反馈深度。当，则称为深度负反馈，严石象万。此时负反馈放大电路的放大倍数只决定于反馈系数，与基本放大电路的放大倍数无关。当时，此时即使没有输入信号，负反馈放大电路也会有输出信号，因此称电路产生了自激振荡。由（）式可知，当放大电路引入负反馈后，放大器放大倍数下降至倍，但放大电路的性能会得到多方面的改善，如可

58、以稳定放大倍数，改变输入电阻和输出电阻，展宽频带，减小非线性失真等。对（）式求微分可得：百（）：黑（）（）。因此华：土掣么，彳（）由（）式可知，采用负反馈后，负反馈放大电路放大倍数的相对变化量警是基本放大电路放大倍数的相对变化量丝的再去万，说明的稳定性是的倍。因此引入深度负反馈后，因环境温度的变化、电源电压波动、元件老化等外界因素带来的影响极小，因此放大倍数可以保持很高的稳定性，但这是以损失放大倍数为代价的。自激振荡负反馈放大电路放大倍数的一般表达式为冬。当发生自激振荡时，口一即，即使没有输入信号也会产生输出信号。负反馈放大电路产生自激振荡的根本原因是的附加相移，即一。产生自激振荡的条件有两个

59、：一是由于附加相移使反馈的极性由负变正，二是幅值平衡条件。电路的自激振荡是由其自身条件决定的，不因输入信号的改变而消除，它上海大学硕士学位论文破坏了放大电路的正常工作，应该尽量避免并设法消除。集成运放引入负反馈后产生自激振荡的可能性极大，要消除自激振荡，就必须破坏产生振荡的条件。频率补偿法通过接入一些电容、电阻元件改变开环增益在高频段的相频特性，故也称为相位补偿法或相位校正法。具体的方法有简单滞后补偿、滞后补偿、密勒效应补偿和超前补偿方法。超前补偿法将补偿电容并联在反馈回路，电容值多为。图超级补偿法串联稳压电路整流滤波电路将交流电变换成了比较平滑的直流电，但输出电压仍会受到影响，稳压电路的作用

60、就是消除各种变动因素对输出电压的影响。串联稳压电路是稳压电源领域中使用最多的一种，其原理图如图所示。：图串联稳压电路原理图其中：经整流滤波后的输入电压上海大学硕士学位论文稳定输出电压图中，、构成了采样电路，采集输出电压的变化量；限流电阻和稳压管构成了电压基准电路，为集成运放提供稳定的基准电压；三极管为调整管，调整管与负载近似串联，因此称为串联稳压电路。集成运放的反相输入端电压（）一耥口串联稳压电路通过电压串联负反馈方式实现稳压过程。当增大，也增大，运放的同相输入端电压保持稳定，输入端电压差叽）减小，调整管的基极电压减小，由于放大电路是射极输出形式，因此也随之降低，从而使稳定。当减小时，同样的道