冷光源照明系统研究毕业论文

PAGEPAGEVI毕业论文冷光源照明系统的研究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1996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。冷光源LED以其高效率、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，研究针对冷光源LED驱动电路的研究设计有很重要的意义。本文基于高性能、低功耗的8位AVR微处理器研究冷光源照明技术。采用单通道输出的LED恒流驱动器驱动高达1安培的沈入电流（sinkcurrent），并可透过调整参考输入电流()来任意设定输出电流的大小。微调或使能偏压电压可校正LED间的亮度不一或实现多颗LED间整体亮度同时调整。采用LNK306来替代输出电流小于360mA的所有线性及电容降压式非隔离电源。其系统成本与所替代的电源相等，但性能更好、效率更高。采用AD590温度检测，适用于150℃以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。关键词：LED恒流驱动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目录第1章绪论 -1-1.1冷光源照明系统研究的背景及意 -1-1.2冷光源照明系统的发展与国内外研究现状 -2-1.2.1冷光源系统的发展 -2-1.2.2冷光源照明系统的国内外研究现状 -3-1.3本文主要研究内容 -5-第2章冷光源照明系统的基本特征及电路原理 -7-2.1LED的基本特征及连接方式 -7-2.1.1LED伏安特性 -7-2.1.2LED光特性 -8-2.1.3LED热特性 -10-2.1.4连接方式 -11-2.2整流滤波电路 -14-2.3恒流电路的设计 -17-2.3.1恒流系统整体结构 -17-2.3.2集成运放 -18-2.3.3功率MOSFET -19-2.4本章小结 -21-第3章冷光源照明系统的硬件设计 -22-3.1冷光源照明系统 -22-3.2控制电路 -23-3.2.1控制芯片ATmega16L -23-3.2.2ATmega16L芯片特性 -26-3.2.3控制电路的外围电路 -26-3.3驱动电路 -29-3.3.1驱动芯片DD311 -29-3.3.2驱动芯片DD311相关参数 -30-3.3.3DD311的特性 -31-3.4检测电路 -33-3.4.1温度检测 -33-3.4.2AD590相关参数 -35-3.5显示电路 -36-3.5.1键盘/显示驱动芯片 -36-3.5.2ZLG7290相关参数 -37-3.6电源电路 -39-3.6.1开关电源芯片LNK306 -39-3.6.2LNK306特性 -40-3.7本章小结 -43-第4章照明系统流程 -44-第5章结论 -49-致谢 -50-参考文献 -51-附录1:冷光源照明系统原理图 -53-56-第1章绪论1.1冷光源照明系统研究的背景及意发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)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III-V族化学元素，如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等。在20世纪70年代，LED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(GaN)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，LED开始逐渐走进了人们的日常生活。LED从显示领域进入照明领域的关键是发光效率的提高，发光效率20lm/W以上的白色LED(白炽灯的发光效率一般是15lm/W)的出现，使白色LED灯成为新世纪引人注目的节能照明光源。目前一般1W白光LED的发光效率为30-45lm/W，发光效率突破50lm/W的白光LED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100lm/W的白色LED样品，其他LED供应商也都开始纷纷生产100lm/W及以上的高效白光LED，LED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，LED产业将会继续迅速发展。因此，白光LED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，LED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10%，相比荧光灯，LED也可以达到50%的节能效果。照明用电占发电总量的比例在发达国家占19%，在我国占10‰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，LED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3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯和部分荧光灯，可节省的照明用电，相当于三峡工程全年的发电量。LED还有其他优点，如LED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。LED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。1.2冷光源照明系统的发展与国内外研究现状1.2.1冷光源系统的发展1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处理的是碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。20世纪20年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光，但再一次因发光暗淡而停止研究。1936年,GeorgeDestiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电子器件的研发和业界认识的逐步深入，最终出现了“电致发光”这个术语。20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，需要进一步研究以便能高效率的在室温下工作。第一个商用LED虽然仅能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。20世纪70年代中期，磷化镓开始被用作发光光源，随后可发出灰白绿光。LED采用双层磷化镓芯片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。就在此时，前苏联科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。尽管它不如欧洲的LED高效，但在70年代末，它能发出纯绿色的光。几乎与此同时，HP公司与TI公司也推出了带7段红光显示屏的计算器。20世纪80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用,使得第一代高亮度LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在20世纪90年3代早期，再一次利用金钢砂—早期的半导体光源的障碍物，依当今的技术标准去衡量，它与前苏联以前开发的黄光LED一样光线暗淡。20世纪90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光并将其转化为白光。利用这种技术制造出任何可见光的LED。今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。1.2.2冷光源照明系统的国内外研究现状中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链，中国发展得比较快的LED企业很多：雷士照明、长方照明、华威凯德、迪博特公司。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但在室内通用照明市场方面仍显落后。2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让人们对LED有了全新的认识，有力推动了中国半导体照明产业的发展。当前中国半导体产业产业大而不强，核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。再早期，由于光色、发光效率、光通量和价格等方面的限制，LED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LED光色的不断丰富，特别是白光LED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LED有1W、3W、5W等规格在市场上销售，其中功率大于1W的白光LED的开发研究已成为主攻方向。由于大功率白光LED的应用受到了世界上的广泛关注，大功率白光LED的驱动电路设计也因此成为热点，大功率LED的驱动电路多采用恒流驱动方式，LED恒流驱动电路有电荷泵、Buck、Boost等多种驱动方式。电荷泵、Buck、Boost实质上都是电压输出型，通过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[6]设计的LED驱动电路是恒流输出反馈式电荷泵PFC电路，电荷泵PFC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AC电源吸收能量，能量储存在充电电容中，转移到DC总线电容中或在当调节开关打开时转移到负载中。流过LED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。Buck和Boost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2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，Buck是降压电路，Boost是升压电路。提出了一种基于Boost升压方式的恒流恒照度LED驱动电路。Boost电路将输入电压提升，采样电阻检测流过LED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LED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Boost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、Buck、Boost电路的LED驱动电路还应用于很多LED驱动芯片的原理，如LTC3200／LTC3200-5、LM2794、MAX1848等。LED应用于应急灯照明，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LED供电，同时也可以采用电网电压通过驱动电路为LED供电。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10%以上而人却觉察不到亮度的变化，这样就可以节省近10%的电能。如果将调光级别降低50%，则可以节省约40%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10%的调光级别可将灯的使用寿命延长两倍，而50%调光级别可延长20倍。调光方式分为变电阻型调光和脉冲宽度调制方式(Pulse．WidthModulation，PWM)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。PWM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，LED的响应时间很短，只有几到几十纳秒，尤其适合于PWM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LED的快速响应特点，使得PWM调光非常可行。美国NorthernIllinoisUniversity针对2串6并的LED灯组，在恒流驱动电路基础上并接了N型MOSFET功率器件实现PWM控制，调节范围为0-100%，当占空比低到1%时输出电流仍能保持稳定。传统的PWM调光方式是将调光开关与负载串联，当开关打开时，LED支路没有电流流过，当开关关闭时，LED支路有电流流过，LED灯发光。1.3本文主要研究内容LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。第2章冷光源照明系统的基本特征及电路原理2.1LED的基本特征及连接方式2.1.1LED伏安特性由于LED的核心是PN结，因此LED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VF与正向电流I的关系式为：（式2-1）式中，VF为二极管正向电压，是反向饱和电流，为定值，q为电子电荷1．6×10-19，k为波尔兹曼常数1．38×，T是热力学温度，常数β近似取2，当外加电压较高，电流I以扩散电流为主时，β近似等于1。二极管伏安特性曲线如图2-1所示。图2-1普通二极管伏安特性曲线在室温(T=300K)条件下，≈26mV，在正向电压大于零点几伏时，就有>>1，因此式(2-2)可以化简为I≈I0(式2-2)式(2-3)说明照明LED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LED用折线化来近似模拟LED的特性，如式(2-4)：(式2-3)其中，是LED的导通电压，r是等效内阻，导通电压是由材料PN结的内建势垒电场决定的，一般大功率LED的导通电压在3V左右，当加在LED两端的电压小于导通电压时，LED中几乎没有电流流过。随着外加正向电压增加达到PN结内建势垒电场时，可认为正向电流I与正向电压VF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。2.1.2LED光特性发光二极管的核心是PN结。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。因此流动的少子和多子数量越多，发出的光线越强；同时在PN结内流动的少子和多子数量越多，也说明单位时间内流过PN结横截面的电荷数越多，那么流过LED的电流也就越大，因此LED的发光亮度基本随流过LED的电流正向变化。控制大功率LED的发光亮度，实质是控制它的输出光通量。图2-2所示为美国LumiledsLighting公司1W大功率白光LED在常温下(25℃)相对光通量Φ与正向电流IF的关系曲线。图2-2相对光通量Φ与正向电流IF关系LED光源最大的优点就是长寿命，各LED厂商均声称其LED的使用寿命可达50，000～100，000小时，但通常LED不会完全损坏，而是在其工作中光输出逐渐减少。大功率LED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，LED的光输出随时间的衰减曲线可近似为如下的指数形式：（式2-4）式中：y表示相对光输出，a表示衰减系数，t是以小时为单位的LED点亮时间。a越大，y值衰减越快。通常把光输出衰减50％所经历的时间定义为发光二极管的寿命。大功率白光LED在实际使用过程中各种因素的影响都会引起LED寿命的下降，往往达不到50，000dx时。影响LED寿命的因素包括：制备过程中引入的缺陷；LED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LED激发荧光粉方法得到的白光LED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，使得器件色温升高从而影响发光的颜色。LED的光学稳定性是一个需要考虑的问题。Philips公司研究中心对基于RGB的白光LED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PI恒流闭环控制后，白光输出色差得到明显改善。2.1.3LED热特性LED的高发光效率是它的最大优点，对于大功率LED而言，这个优势更是明显。但是LED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LED的光通量、寿命以及可靠性，并会导致LED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LED来说，大功率LED的PN结上的发热更严重。大功率LED的热稳定性问题已成为LED照明的一个技术瓶颈。目前LED输入电功率的约80％转变为热，对于目前应用比较成熟的1WLED而言，其热流密度可达，这些热量的累积将引起LED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LED温度每升高1℃，光效下降1%。85℃时的光输出约是25℃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LED激发黄色荧光粉的白色LED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LED的功率可以达到5W甚至更高，因此防止LED的热量累积就更显重要，LED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LED由于LED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LED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LED可靠性角度考虑，高层次LED应采用恒流驱动方式。2.1.4连接方式图2-3（a）串联连接方式图2-3（b）并联连接方式LED可以采用串联、并联或串并混联的连接方式。串联方式如图2-3（a）所示，串联方式的优点是流过串联支路上各LED的电流相同，因此各LED的发光亮度也会一致。如果其中任意一颗LED出现断路故障时，会导致该支路串联上所有的LED都不发光；如果某颗LED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LED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。并联方式如图2-3(b)所示，当采用恒流驱动时，如果某LED断开，总电流不变，因此流过其他LED的电流增大，因此并联方式下不适宜采用恒流驱动。如果某LED短路那么其他LED将不再发光，若LED并联数目较多，那么流过短路LED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LED上，由于并联数目较多，因此影响不大；采用恒压驱动时若某LED断路则对整个电路没有影响，如果某LED短路则影响与恒流驱动方式下发生短路时相同，所以恒压驱动时应尽量多并联LED。串联多个LED或并联多个LED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2-4(a)和图2-4(b)所示。先串联后并联的连接方式是指先将一组LED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LED并联成一个灯组，然后将多个灯组串联。图2-4（a）先串联后并联的连接方式图2-4（b）先并联后串联的连接方式先串联后并联的连接方式如图2-4(a)所示，在恒流驱动方式时，如果某LED断路，则该LED所在的整串灯都不亮，总恒定电流分摊到其他LED灯串上，影响与并联方式在恒流驱动时发生断路的相同；如果某LED短路，则该LED所在串联支路在少了一个LED灯的情况下与其他支路并联，该支路的每个LED的端电压增加，会使该支路上电流增加而影响其他LED灯的使用。在恒压驱动方式下，如果某串联支路上的某个LED发生断路，该串不亮，除该串LED灯以外，对其他LED灯没有影响；如果某串联支路上的某个LED发生短路，则同样该串LED的每个LED灯的端电压增加，该串LED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2-4(b)所示，在恒流驱动方式时，如果某个LED断路，则在该LED所在并联分组上电路总电流分摊到其他LED上，如果并联LED较多则影响不大；如果某个LED短路，电流全部从该LED灯流过，如果并联LED较多则电流较大而最后将此处熔断，最终影响与该LED灯断路时相同。在恒压驱动方式下，如果某LED断路，那么该并联LED灯组与其他并联LED灯组的LED数目不同，电路总输出电流减小，分配到每个LED上的电流也减小，且流过发生故障LED灯组内各LED的电流与其他LED灯组内LED的电流不同，会造成亮度不同；如果某LED短路，相当于少串联了一串LED灯，加到其他LED并联串上的电压升高，电流因此也升高，会对LED造成损坏。因此无论是在串联、并联还是混联的连接方式下，LED灯的任何故障都有可能会对其他的LED造成影响。所以在设计LED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LED断路时，不应该影响其他LED正常工作；当个别LED短路时，也不应该影响其他LED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LED灯两端并联稳压二极管，并且稳压二极管的击穿电压大于LED的工作电压，使得LED断路时不影响其他灯继续工作。2.2整流滤波电路驱动电路首先要将220W50Hz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220V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2-5(a)、2-5(b)、2-5(c)所示：图2-5（a）单相半波整流电路图2-5（b）单相全波整流电路图2-5（c）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2-5(c)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2-5(c)，交流电经电源变压器降压后，变为整流所需要的交流电压值 (式2-5)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≈U0.9(式2-6)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：(1)最大整流电流IF流过每个二极管的电流平均值(式2-7)再考虑到电网电压可能有士10％的波动，因此(式2-8)(2)最大反向工作电压UR由图2-5(c)所示，每个二极管截止时承受的最大反向电压为 (式2-9)再考虑到电网电压可能有4-10％的波动，因此(式2-10)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上，在输出端并联一个电容C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2-5(c)所示桥式整流电路的放电时间常数(式2-11)桥式整流电路的充电时间常数(式2-12)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，C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(式2-13)电容滤波电路有以下特点:(1)适用于负载电路较小且变化不大的场合。(2)所需电容容量应满足的条件，T为电网电压周期。(3)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。2.3恒流电路的设计2.3.1恒流系统整体结构本电路为LED提供的恒流驱动电路采用线性电源方式，输入是220V／50Hz的交流电，输出要求是1A的恒流电源，该线性恒流驱动系统的整体结构框图如图2-6所示：图2-6恒流系统整体框图如图2-6，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。2.3.2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。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：(1)开环差模增益；(2)差模输入电阻;(3)输出电阻；(4)共模抑制比；(5)上限截止频率；(6)输入失调电压、输入失调电流和它们的温漂(℃)、(℃)均为零，且无任何内部噪声。(7)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，但其工作范围只有两种情况，即线性区或非线性区。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(式2-14)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：(1)“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。(2)“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，理想运放工作在非线性区时有两个特点：(1)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。(2)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。2.3.3功率MOSFET场效应管根据其结构不同分为结型场效应晶体管(JFET，JunctionGateFieldEffectTransistor)和绝缘栅型场效应管(MOS场效应晶体管或MOSFET,MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)。MOS场效应晶体管的栅一源间电阻比结型效应管大得多，可达Ω，而且它比结型场效应管温度稳定性好。当MOS管工作在恒流区时，管子的耗散功率主要消耗在漏极一端的夹断区上，并且由于漏极所连接的区域不大，无法散发很多的热量，所以MOS管不能承受较大功率。功率场效应管从结构上较好地解决了散热问题，可制成大功率管。功率场效应管因其存在v型槽而得名，习惯上称为VMOS场效应管(VMOSFET)或VMOS管。VMOS管的漏区散热面积大，便于安装散热器，耗散功率最大可达千瓦以上；漏一源击穿电压高；上限工作频率高；当漏极电流大于某值时，与基本成线性关系；其他优点还有：高输入阻抗()、低驱动电流(0.1μA)、高耐压(最高1200V)、大工作电流(1.5A——100A)、高输出功率(1——250W)、跨导线性好、开关速度快等。此外，VMOS管还具有负的电流温度系数，即在栅一源电压不变的情况下，导通电流会随管温升高而减小，因此不存在由于“二次击穿’’所引起的管子损坏现象，因此VMOS管在电压放大器、功率放大器、开关电源和逆变器等中获得广泛应用。VMOS管工作在恒流区时，利用栅一源之间所加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流，此时将看成电压控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系，输出特性曲线描述、与三者之间的关系。N沟道增强型VMOS管的转移特性曲线、输出特性曲线分别如图2-7(a)、2-7(b)所示：图2-7（a）转移特性曲线图2-7（b）输出特性曲线2.4本章小结本章主要论述了冷光源照明系统的基本特征以及电路原理。LED的基本特征：LED的伏安特性，光特性和热特性。LED的连接方式：串联连接，并联连接，先串联后并联的连接方式和先并联后串联的连接方式。整流电路的种类，按整流元件的类型，分二极管整流和可控硅整流；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。第3章冷光源照明系统的硬件设计3.1冷光源照明系统图3-1照明系统的系统框图冷光源照明系统包括:控制电路,驱动电路,检测电路,按键显示电路,电源电路,复位电路,编程调试电路和报警电路。3.2控制电路3.2.1控制芯片ATmega16LATmega16L是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16L通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16L的PB3引脚与驱动电路的输出电流使能端相连接，控制驱动电路的电流导通。PA0引脚与驱动电路的横流输出端相连接，输出恒定电流。复位电路接于RESET引脚，晶振电路接于XTAL引脚，AREF引脚接A/D转换滤波电路，PB(5、6、7)接ISP下载接口，TCK、TMS、TDO、TDI接口为JTAG仿真接口。控制电路包括控制芯片ATmega16L，复位电路，编程调试芯片，振荡电路，报警电路。控制电路如图3-2图3-2控制电路ATmega16L16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。ATmega16L的内部结构如图3-3图3-3ATmega16L内部结构框图3.2.2ATmega16L芯片特性高性能、低功耗的8位AVR微处理器：先进的RISC结构；131条指令；大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个8位通用工作寄存器；全静态工作；工作于16MHz时性能高达16MIPS；只需两个时钟周期的硬件乘法器；非易失性程序和数据存储器；16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命:10000次；具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作；512字节的EEPROM，擦写寿命:100000次；1K字节的片内SRAM；可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密；JTAG接口(与IEEE1149.1标准兼容)；符合JTAG标准的边界扫描功能；支持扩展的片内调试功能；通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。外设特点：两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；具有独立振荡器的实时计数器RTC；四通道PWM；8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道；面向字节的两线接口；两个可编程的串行USART；可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器。工作电压：2.7-5.5V。速度等级：8MHzATmega16L。ATmega16L在1MHz,3V,25℃正常模式：1.1mA；空闲模式：0.35mA；电模式：<1μA。3.2.3控制电路的外围电路编程调试电路：用于CPU的程序写入、调试。JTAG(JointTestActionGroup;联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。TCK——测试时钟输入；TDI——测试数据输入，数据通过TDI输入JTAG口；TDO——测试数据输出，数据通过TDO从JTAG口输出；TMS——测试模式选择，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。编程调试电路电路如图3-4所示：图3-4编程调试电路振荡电路：时钟振荡产生了序列脉冲，这些脉冲序列驱动CPU等等单元进行工作。所谓篡位电路就是单片机的总的清零电路，当单片机得到篡位信号后马上恢复到它的初始值。比如时钟会从零重新开始，单片机内部的计数器会归零，所有的输入输出端也被清零。单片机在进行实用控制时为了及时地处理被控制对像的变化要求在受控体发生变化时，终止顺序程序的进行。为电路提供稳定的时钟信号。图3-5振荡电路复位电路：单片机在启动的时候都需要复位，使单片机系统处于初始状态，然后开始工作。89系列的单片机的RET引脚是复位信号的输入端，当系统处于正常工作状态，振荡器稳定，RET引脚上出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就进入数位状态，但是如果引脚RET出现持续的高电平，单片机就处于循环复位状态。复位电路如图3-6所示：图3-6复位电路3.3驱动电路3.3.1驱动芯片DD311DD311是单通道输出的LED恒流驱动器，内建电流镜与电流开关组件，是专为驱动大功率LED而设计的芯片。DD311可驱动高达1安培的沈入电流（sinkcurrent），并可透过调整参考输入电流(IREF)来任意设定输出电流的大小。输出电流值约为100倍的IREF，IREF可由调整外挂电阻或偏压(bias)电压来设定。微调或使能偏压电压可校正LED间的亮度不一或实现多颗LED间整体亮度同时调整。芯片的输出端可承受高达36V的电压，支持多颗大功率LED的串接应用。内建输出使能端(Enable)，可轻易地实现大功率LED的高灰阶应用。其每部功能方框图如图3-7所示：图3-7内部功能方框图3.3.2驱动芯片DD311相关参数最大输出电流：1A（由参考输入电流IREF设定）最小输出电压要求：1V（当=1A时）单通道恒流驱动IC最大输出承受电压：36V(输出通道漏电流小于0.1uA)最大输出使能频率：1MHz绝佳的恒流输出特性管脚说明：REXT参考电流输入端子OUT恒流输出端GND接地端VSS接地端EN输出电流使能端VEN=0V,输出电流关闭VEN>3.3V,输出电流导通本电路串联6个LED灯，每个LED并联一个整流二极管，实现恒流驱动。驱动电路如图3-8所示：图3-8驱动电路图3.3.3DD311的特性电气特性：表3-1交流特性：表3-2输出电流设定：输出电流（）大小是通过调整参考输入电流（）来设定。是的100倍。可由接在REXT端与偏压（）电源间的外挂电阻来设定；也可直接控制REXT端偏压电压。调整外挂电阻或偏压电压值可控制高达1A的恒流输出范围。输出电流与调节电阻关系图图3-10（a）输出电流与偏压电压关系图图3-10（b）输出电流与输出电压关系图图3-10（c）3.4检测电路3.4.1温度检测集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的监测：(式3-1)集成温度传感器局有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10Mv/K，温度0℃时输出为0V，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K(25℃)时输出298.2µAD590适用于150℃电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。AD590特别适合远程检测应用。它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。这种输出特性还便于AD590实现多路复用：输出电流可以通过一个CMOS多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门输出切换。检测电路如图3-11所示：图3-11检测电路AD590的引脚共有三个：正极、负极和外壳屏蔽端。图3-12温度传感器3.4.2(1)流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：式中，—流过器件(AD590)的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；(2)AD590的测温范围为-55℃～+150(3)AD590的电源电压范围为4V～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；(4)输出电阻为710mΩ；(5)精度高，AD590在-55℃～+150℃范围内，非线性误差仅为AD590的内部电路图如图3-13所示：图3-13AD590内部电路图3.5显示电路3.5.1键盘/显示驱动芯片在智能仪表中，经常会用到键盘、数码管等外设。因此，一个稳定、占用系统资源少的人机对话通道设计非常重要。传统的键盘与数码管解决方案，由于键盘与数码管是分离的，因而电路连接比较复杂，不管是独立式键盘还是矩阵式键盘，都会浪费微控制器的端口资源，而且都需要人为进行去抖动处理，且抗干扰性差。而数码管部分，不管是静态显示方式还是动态显示方式，在不进行锁存器扩展的前提下。仍然要占用8根I／O端口线，这将严重浪费系统的端口资源。ZLG7290可完全克服上述弊端。它采用总线接口，与微控制器的连接仅需两根信号线，硬件电路比较简单。而且可以驱动8位共阴数码管或64只独立LED、64只独立按键，并可提供自动消除抖动、连击键计数等功能。这对于传统的键盘与数码管解决方案，无疑是不可想象的。强大的功能，丰富的资源，良好的接口，使得ZLG7290比传统的键盘与数码管解决方案且有更大的优越性。ZLG7290的功能框图如图3-14所示：图3-14功能框图3.5.2ZLG7290相关参数ZLG7290参数：（1）直接驱动8位共阴式数码管（1英寸以下）或64只独立的LED；（2）能够管理多达64只按键，自动消除抖动，其中有8只可以作为功能键使用；（3）段电流可达20mA，位电流可达100mA以上；（4）利用功率电路可以方便地驱动1英寸以上的大型数码管；（5）具有闪烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计数等强大功能；（6）提供有10种数字和21种字母的译码显示功能，或者直接向显示缓存写入显示数据；（7）不接数码管而仅使用键盘管理功能时，工作电流可降至1mA；（8）与微控制器之间采用I2C串行总线接口，只需两根信号线，节省I/O资源；（9）工作电压范围：＋3.3～5.5V；（10）工作温度范围：－40～＋85℃；图3-15（a）总线上数据有效性示意图图3-15（b）起始条件和停止条件示意图ZLG7290采用接口，能直接驱动8位共阴式数码管，同时可扫描管理多达64只按键，实现人机对话的功能资源十分丰富。除具有自动消除抖动功能外，它还具有段闪烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计数等强大功能，并可提供10种数字和21种字母的译码显示功能，用户可以直接向显示缓存写入显示数据，而且无需外接元件即可直接驱动数码管，还可扩展驱动电压和电流。此外，ZLG7290的电路简单，使用也很方便。用户按下某个键时，ZLG7290的INT引脚会产生一个低电平的中断请求信号，读取键值后，中断信号就会自动撤销。正常情况下，微控制器只需要判断INT引脚就可以得到键盘输入的信息。微控制器可通过两种方式得到用户的键盘输入信息。其一是中断方式，该方式的优点是抗干扰能力强，缺点是要占用微控制器的一个外部中断源。其二是查询方式，即通过不断查询INT引脚来判断是否有键按下，该方式可以节省微控制器的一根I／O口线，但是代价是I2C总线处于频繁的活动状态，消耗电流多并且不利于抗干扰。显示电路如图3-16所示：图3-16显示按键电路3.6电源电路3.6.1开关电源芯片LNK306LNK306特别用来替代输出电流小于360mA的所有线性及电容降压式非隔离电源。其系统成本与所替代的电源相等，但性能更好、效率更高。LNK306在一片IC上面集成了一个700V的功率MOSFET、振荡器、简单的开/关控制电路、高压开关电流源、频率调制、逐周期的电流限制及过温保护电路。器件在启动及工作期间的功率消耗直接由漏极引脚的电压来提供，因此在BUCK及反激式转换器中可节省偏置供电的相关电路。在LNK306器件中完全集成的自动重启动电路在短路、开环的故障情况下，安全地限制了输出功率，减少了元器件的数目，降低了在系统级用于负载保护电路的成本。如有必要，IC的自供电操作允许使用没有安规要求的光耦器作为电平转换，以改善输入电压调整率及负载调整率。电源电路，外接220V交流电，通过变压器转成24V的交流电，再通过LNK306转换成5V的稳定电源给单片机供电。电源电路如图3.16所示：图3-16电源电路3.6.2LNK306特性替代线性及电容降压式电源的低成本解决方案（1）成本最低、元件数目最少的降压型(BUCK)转换器方案（2）完全集成的自动重启动功能，用于短路及开环故障保护——节省了外围元件的成本（3）具有精确的限流点且工作在66kHz——可使用普通的1mH电感达到120mA的输出电流（4）严格的参数公差与微小的可以忽略不计的温度漂移（5）高达700V的击穿电压提供了良好的抵抗输入浪涌的能力（6）频率调制技术极大地降低了EMI(～10dB)（7）降低了EMI滤波器的成本（8）很高的过温关断保护点(最小+135℃与分立元件的降压型或无源元件电源方案相比具备更好的特性（1）支持降压(Buck)、降压－升压(Buck－Boost)及反激拓扑结构（2）提供系统级的过热、输出短路及控制环开路保护（3）既使采用典型的电路结构也可达到优秀的输入及负载调整率（4）高带宽提供了无过冲的快速启动（5）限流工作方式抑制了线电压的纹波（6）输入电压范围(85VAC至265VAC)（7）内置的限流点及具备迟滞特性的过热保护（8）与无源元件电源方案相比效率更高（9）相对于电容降压式方案其功率因数更高（10）可以