可调光LED驱动电源设计-(48页).doc
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1、-可调光LED驱动电源设计-第 41 页安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称可调光LED驱动电路设计学 院 电气与信息工程学院专业班级电气工程及其自动化121班姓 名XXX学 号129064000毕业设计(论文)的主要内容及要求:1、 专业调查:了解LED照明目前国内外研究现状。2、 查阅文献资料并着手翻译一篇英文资料,字数不少于3000字。3、 掌握LED的发光原理和调光机理。4、 掌握驱动电路的结构及工作原理,设计电源的控制方案,对主电路器件进行参数计算和选型。5、 对高频变压器进行设计。6、 掌握51单片机的使用方法,完成控制系统的软硬件设计。7、 进行总结、编写说明书。 指导教师
2、签字:目录目录I摘要IIIAbstractIV第一章绪论1第一节选题的背景及意义1第二节 LED照明的发展及前景1第三节半导体LED照明特点2第四节本文研究的主要内容3第二章 LED原理及驱动概述4第一节LED工作原理及伏安特性关系4一、LED工作原理4二、LED的伏安特性关系4第二节多个LED的接线方式5一、串联LED接线方式5二、并联LED接线方式5三、混联LED接线方式5四、交叉阵列LED接线方式6第三节LED的驱动方式6第四节LED的调光方式6一、模拟调光7二、数字调光7三、无线调光7四、PWM调光7五、TRIAC调光8第三章AC/DC式LED驱动电路主电路设计9第一节交流输入式LED
3、恒流驱动电路的基本构成9第二节输入整流桥和滤波电容的选取10一、输入整流桥的选择10二、输入滤波电容的选择11第三节功率开关器件的选择11一、功率开关器件的要求11二、常见的功率开关器件及特点12三、MOSFET的主要参数12第四节漏极钳位保护电路设计13第五节输出整流二极管和输出滤波电容选择14一、输出整流二极管的选择14二、输出滤波电容的选取15第四章高频变压器设计16第一节反激式变换电路的原理及特点16一、反激电路的原理16二、反激变换器的特点16第二节高频变压器的设计原理17一、高频变压器的设计要求17二、基于AP法选择高频变压器磁芯17第三节反激式高频变压器的设计方法19一、一次侧电
4、感的计算19二、磁芯尺寸的选择20三、计算绕组匝数20四、气隙计算和最大磁通校验20五、高频变压器的损耗21第四节高频变压器参数计算22第五章控制回路设计24第一节数字PWM控制24一、PWM控制原理24二、采样电路24第二节控制芯片-单片机25第三节单片机控制系统电路设计26一、单片机最小系统设计26二、模数转换采样反馈系统设计27三、外部数码显示及接口键盘设计28第四节 LED驱动软件应用架构设计29第五节LED 驱动软件功能设计30一、PWM驱动信号设计30二、按键模块程序设计31三、A/D 采样模块程序设计32四、数码管的显示设计32第六章仿真及PCB设计33第一节 MATLAB仿真及
5、波形33第二节PCB板设计35总结36致谢37参考文献38附录39摘要发光二极管LED是20世纪末出现的新型绿色照明光源,在节能和保护环境方面性能突出。因为LED耐压和耐流值低,不能直接接入电网,所以点亮LED驱动电源的研究成为世界上热门的课题,基于开关电源技术的LED驱动电路在工程应用有着重要的地位,本文通过反激式电路拓扑为基础,设计成高频控制的变压器,从而实现AC-DC的变换,文中详细介绍了主电路中器件的参数计算和选择。通过研究单片机作为LED驱动电路中核心的开关信号控制器,可以满足高集成度、简单外围电路、数字化控制等优良特点。本文针对C51系列单片机作为控制芯片,研究了单片机作为LED驱
6、动电源的脉冲宽度调制(PWM)信号发生器,以及单片机为处理器的后级数字化控制方法。文中给出了搭建电源硬件电路和单片机最小系统电路的具体方法,设计了基于C51系列单片机的软件控制方法,实现了以C51系列单片机为脉冲宽度调制信号发生器的大功率LED驱动设计。基于MATLAB中Simulink关于LED驱动主回路的仿真表明,设计的LED驱动电源主回路电路结构合理;利用Proteus软件画出了完整的电路和PCB制板图。达到了论文设计的目的要求。关键词:LED驱动电源 高频变压器 单片机 PWMAbstractLight-emitting diode LED is a new type of green
7、 lighting in the end of twentieth Century, the performance of the energy saving and environmental protection.Because the LED voltage and current resistance value is low, cannot be directly connected to the grid, so lit LED drive power supply has become a hot topic on the world, based on switching po
8、wer supply technology of LED driver in engineering application have an important role. In this paper, the flyback circuit topology based on the design of a high frequency control transformer, so as to realize the AC-DC transformation, in this paper are introduced in detail, parameter calculation and
9、 selection of main circuit devices.By studying the single chip microcomputer as the core of the LED drive power switch signal controller, can meet the high integration, simple peripheral circuit, digital control and other excellent features. In this paper, the C51 series single chip microcomputer as
10、 the control chip, the research of the LED microcontroller as the power supply of pulse width modulation (PWM) signal generator, as well as the microcontroller as the processor after the digital control method. This build specific methods of power supply circuit and MCU minimum system circuit, desig
11、n the control method based on C51 series single chip microcomputer software, using C51 series single chip microcomputer as the pulse width modulation signal generator of high power LED driver design.Based on the Simulink in MATLAB on the LED drive main circuit simulation show that, design LED drive
12、power main circuit structure is reasonable; Using Proteus software to draw a complete circuit and PCB system board. Has reached the goal of the paper design requirements.Keywords: LED drive power supply; High frequency transformer;Single chip microcomputer; Pulse Width Modulation第一章 绪论第一节 选题的背景及意义当今
13、社会,能源危机、温室效应以及生态的日益恶化时刻提醒人们,改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率、保护环境和可持续发展已经成为当前世人的共识。照明用电在世界各国总发电量中占有相当大的比例,据国际照明委员会的统计,照明用电量约占总用电量的19%。我国的照明用电量约占全国总用电量的15%。目前全球照明需求仍有较强的增长趋势,这一比例每年还将逐渐升高。全球能源危机和环境问题逐渐突出,节能减排成为世界各国必须面对的问题,倡导“绿色照明”势在必行。随着新一代半导体材料的出现和发光二极管封装等技术的突破,单晶片红、绿、蓝、白光LED的功率等级和发光效率的不断提高,LED将成为“第四代光源”。LED是电光源
14、发展的又一次全新革命和重大突破,从根本上改变了光源发光的原理,LED具有光效高、光色全、命长、环保、尺寸小等优点,而且调光技术在LED光源上的应用将进一步提高节能效果,因此积极研究LED照明技术具有重大的经济效益和深远的社会意义。第二节LED照明的发展及前景1965年世界上最早的用锗材料制成的发光二极管产生。不久之后,用磷砷化镓(GaAsP)材料制成的LED问世。早期红色光LED的发光效率仅有lm/W,远低于白炽灯。1968年,采用氮掺杂技术的LED发光效率达到1lm/W,并制成红、橙、黄色LED。20世纪70年代,LED数码管和LED点阵显示器实现了商品化。20世纪80年代,随着铝砷化镓(A
15、lGaAs)LED的研制成功,红光LED的发光效率提升到10lm/W。20世纪90年代中期,高亮度LED的问世,解决了发光二极管三基色缺色的问题。1998年,白光LED的问世是电光源发展史上的一次大革命,它打开了通往LED照明的世界大门。在蓝色LED芯片铟化镓(InGaN)上,涂少量的钇铝石榴石晶体(YAG)荧光粉。当蓝光照射荧光物质时,先产生与蓝光互补的黄光,再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光加以混合,便获得所需要的白光。白光是由“黄色光+蓝色光”混合而成的仿真白光。最近,超高亮度白光LED的发光效率以能达到100300lm/W,为LED 照明取代传统照明灯奠定了良好的基础。RGB-LED是利
16、用红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色混合方式来获得白光的。为达到最佳亮度和低成本,通常选择60%绿:30%红:10%白的亮度比,构成了全彩色像素。据统计。目前全世界正在使用的白炽灯数量之多高达200亿,白炽灯与节能灯的应用比例约为4:1,而我国的这一比例高达7.5:1。与传统的照明灯相比,LED照明灯存在明显的优势。如:LED照明灯,不含对人体有害和对环境有污染的元素汞、发光效率高、同等工作条件下耗电量少、使用寿命长、响应速度快、耐震动、易维护等显著优点,是我国乃至全世界发展低碳经济名副其实的节能环保型绿色光源。用它取代传统的白炽灯和荧光灯是大势所趋,LED照明因此成为热门产业之一。面对全球气
17、候的变迁和不断高涨的能源价格,各国政府已经开始把一些高耗能的产品列为禁用对象,白炽灯就是最好的例子,美国从2012年1月到2014年,逐步淘汰了40W、60W、75W、及100W的白炽灯。我国也从2012年10月1日起,按照功率大小分阶段逐步进行禁止进口和销售普通照明白炽灯,这为推广LED照明灯的使用带来了巨大的商机。第三节半导体LED照明特点LED是英文Lighting Emitting Diode (发光二极管)的缩写,是一种新的半导体材料,它是直接将电能转化成可见光的半导体器件。LED按颜色可以分成红色、黄光、橙红色、绿色、蓝色等,目前用于照明光源的主要指白光LED,由于单波长的LED无
18、法发出白光,白光LED只能通过合成的方法得到,相对于标准的红光、绿光LED而言,用于照明领域的白光LED的特性更为复杂,对其工作电流也有较高的要求。 传统照明光源的优点均偏向单一化,而且往往与明显的缺点并存。而高亮度白光LED与传统照明光源相比具有独特的优势,这种新型的绿色照明光源具有以下特点(1) 发光效率高一般来说,白炽灯、卤钨灯的发光效率仅为1224lm/W,荧光灯为5070lm/W,高压钠灯为100120lm/W,其中大部分的耗电变成热量损耗。而目前LED照明灯的发光效率可以达到50200lm/W,并且LED灯光属于冷光源,在发光效率相同的前提下,LED所消耗的电能可比白炽灯节省80%
19、。目前,世界各国均加紧提高LED光效的研究,在不远的将来其发光效率将会有更大幅度的提高。(2) 寿命长白炽灯利用灯丝发光,钨丝受热易烧断,光衰较为迅速,且玻璃泡壳容易损坏,通常寿命1000小时左右。大功率LED利用LED固态半导体芯片将电能转化为光能,外加环氧树脂封装,可以承受高强度机械冲击和震动。大功率LED照明灯正常寿命为50 000小时,主要受LED驱动器寿命的限制,LED灯的使用寿命一般为10 00050 000小时。(3) 调光、调色简单传统照明光源调光通常只能采用模拟调光,且调光效果很差,有闪烁。LED照明调光可以通过LED驱动器采用模拟调光、脉宽调制(PWM)或双向晶闸管(TRI
20、AC)调光,带总线接口的LED驱动器,可以通过单片机或DSP进行数字调光,调光效果很好,无闪烁可以察觉。与传统单个照明光源无法调节发光颜色相比,当采用RGB-LED时,可以实时根据要求变换三基色所占比例从而改变每只LED灯的发光颜色。可变换颜色的RGB-LED已成为建筑外景、桥梁轮廓、街景的装饰照明的理想选择。(4)绿色环保与传统照明光源相比,LED照明灯中不含汞、氙、铅等对人体有害的微量元素,同时作为垃圾处理时,也不会造成环境污染。所以绿色得LED照明可以为各行各业的消费者提供特有的安全感。(5)布局灵活由于LED的体积小,使得布局更为灵活,可以根据应用对象将多只LED组合做成灯具,而且能够
21、实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。(6)LED尺寸小,防震动及抗冲击性能好。第四节本文研究的主要内容本论文主要是设计了以AC-DC式变换作为LED驱动电路的主回路,以C51系列单片机为控制芯片的LED驱动电路方案,该驱动电路的交流输入电压为50HZ的市电,幅值是,输出电压为,输出电流为,输出功率为,电路效率为,开关频率为。论文共六章,各章主要内容如下:第一章、主要介绍了论文的选题背景及论文的研究意义,概括地介绍LED照明的特点和发展历史及前景。而后对论文的内容的进行了简要介绍。第二章、主要介绍了LED的工作原理、驱动方式、调光方式、和接线方式。第三章、设计了系统的整体的框架结构,按照功
22、能分解框架,给出详细相关参数以及技术分析,完成系统的集成。第四章、介绍了设计高频变压器的方法及计算高频变压器参数。第五章、介绍了控制回路的选择及基于C51控制回路的构成,以及控制回路的软件流程算法。第六章、介绍了MATLAB仿真,给出了PCB板设计。第二章 LED原理及驱动概述第一节 LED工作原理及伏安特性关系一、LED工作原理发光二极管(LED)是将电信号转换成光信号的半导体器件。工作原理如图2-1-1所示。LED不仅具有一般普通二极管PN结的正向导通、反向截止及击穿特性,还具有发光特性。在正向电压的作用下,电子从N区自由运动注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子中有一部分
23、与多数载流子复合而辐射发光,其峰值发光波长与发光区域的半导体材料宽度有关,关系式如下: 图2-2-1 LED发光原理图(2-1-1)(的单位是mm,的单位是优特)二、LED的伏安特性关系所谓LED的伏安特性,即是流过LED中P-N结的电流随电压变化的特性。LED的正向伏安特性曲线比较陡峭,在正向导通之前几乎没有电流流过,当正向电压大于开启电压时,电流就急剧上升。当工作电源电压有少许波动时,那么LED的工作电流就会发生很大的变化。查阅相关书本可知(2-1-2)(2-1-3)由公式可知LED功率的波动受外加工作电压的影响非常大,随着电压的变化可能会发生过电流和过功率,会严重影响LED的使用寿命。因
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