LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)Word版

1、LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一 序隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán)境關(guān)注度的提高，LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關(guān)注。展會(huì)上，只要是與LED照明有關(guān)的展位都是人頭攢動(dòng)，同時(shí)，LED照明也更多的出現(xiàn)在我們的日常生活中。一般家庭能夠消費(fèi)的LED燈都是由各大照明制造商銷售的燈泡型LED燈。另外，很多公司也都陸續(xù)研發(fā)出了熒光燈型的LED燈。在這種情況下，勢(shì)必有更多的公司參與到LED照明行業(yè)中。LED燈與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源有著不同的特性。僅僅依靠LED封裝并不能制作出良好的照明燈具。為了設(shè)計(jì)出更好的LED照明燈具，必須對(duì)LED進(jìn)行區(qū)別于傳統(tǒng)光源的正確的光學(xué)設(shè)計(jì)。本文圍繞LED照明燈具的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。具體來(lái)說(shuō)主要是從

2、電子電路、熱分析、光學(xué)方面進(jìn)行說(shuō)明。首先是LED照明概要及其與迄今為止的光源的區(qū)別。1.1 LED 照明用于照明的LED大多是白色。LED照明很大程度上依賴藍(lán)光LED芯片的發(fā)明和發(fā)光效率的提高。實(shí)現(xiàn)白光LED主要有兩種方式。一種是使用LED芯片和熒光粉，另外一種是使用RGB 3色LED芯片。目前主要是采取第一種方式。使用熒光粉一般都是在藍(lán)色LED芯片上涂覆黃色熒光粉。從LED芯片中發(fā)出的藍(lán)色光遇到熒光粉時(shí)，部分光轉(zhuǎn)換為黃色光。這部分轉(zhuǎn)換的黃色光和藍(lán)色光參雜在一起，就變成了白色光。通過(guò)調(diào)整熒光粉的量可以控制白光LED的色溫，因此發(fā)光顏色在制作時(shí)就已經(jīng)決定，后期不能調(diào)整。同時(shí)，混合藍(lán)色光和黃色光的

3、話，由于紅色和綠色的成分不足，造成顯色性不佳。這樣，可以通過(guò)在藍(lán)色LED芯片中參雜紅色和綠色熒光粉或者是在紫外LED芯片中參雜RGB熒光粉，來(lái)提高其顯色性。使用RGB 3色LED芯片的優(yōu)勢(shì)在于RGB可以調(diào)整各種色度，所以不僅能夠產(chǎn)生白光，還能產(chǎn)生其他各種顏色的光。但是，LED芯片使用量增大，成本也就會(huì)上升。1.2 LED照明的優(yōu)勢(shì)及其與迄今為止的其他光源的區(qū)別接下來(lái)就LED照明與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源的區(qū)別，從熱、電、光的特性方面進(jìn)行分析。1 / 21- 熱的特性雖然LED發(fā)熱很少，但是由于LED照明中，需要使用多顆數(shù)瓦級(jí)的LED，所以就會(huì)產(chǎn)生很高的熱量。雖然LED效率比較高，但是高效率僅支

4、持在微小電流中的運(yùn)行。大電流、高溫狀態(tài)下，效率較低。另外，熒光粉型的LED，在轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)的時(shí)候會(huì)損失能量，從而產(chǎn)生熱量。持續(xù)高溫就會(huì)導(dǎo)致LED芯片、熒光粉、封裝樹脂壽命降低。因此，為了使LED的“高效率”、“長(zhǎng)壽命”的優(yōu)勢(shì)保持下去，就必須控制LED的結(jié)溫。- 電的特性LED電源與白熾燈、熒光燈有很大的區(qū)別。白熾燈可以直接連接到220V的交流電上。熒光燈雖然有鎮(zhèn)流器和轉(zhuǎn)換開關(guān)，但也使用220V的交流電。而LED的電源則需要直流的恒定電流，所以需要將220V的交流轉(zhuǎn)換為直流。電源的效率不高將直接影響到整個(gè)照明燈具的效率，因此提高電源效率對(duì)于提高LED照明效率來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。調(diào)節(jié)LED光的方法主要有

5、兩種。一種是改變恒定電流，一種是改變脈沖調(diào)制。LED是電子與空穴再結(jié)合時(shí)發(fā)光，光束依賴于電流。電流小的情況下，光束和電流基本是成正比的，但當(dāng)LED電流增大，熱量隨之增大，導(dǎo)致發(fā)光效率變低，光束和電流就不成正比了。在改變脈沖占空比的方法中，由于Talbot-Plateau 效應(yīng)（反復(fù)接受瞬間閃光后，人眼會(huì)感受到反復(fù)時(shí)間內(nèi)的平均亮度），可以根據(jù)脈沖占空比改變亮度。- 光特性與白熾燈和熒光燈相比，1顆LED發(fā)出的光比較少，所以需要使用多顆LED。同時(shí)，由于LED的發(fā)光面積小，亮度高，人眼直視的話很容易眩暈。為了降低亮度，需要使用擴(kuò)散板。但是，使用擴(kuò)散板的話，光向各個(gè)方向發(fā)散，降低了光的效率。LED、

6、白熾燈、熒光燈的配光分布各不相同。所謂配光分布是指光源的方向以及各方向的發(fā)光強(qiáng)度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也會(huì)不同。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)本來(lái)想要照射的地方照度減小，其余部分反而照度增加的情況。要減少光的浪費(fèi)，控制配光分布，需要使用透鏡和反光鏡。LED本身就具有發(fā)光面積小、光的放射范圍在半球內(nèi)、配光分布旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等優(yōu)點(diǎn)，再加上透鏡和反光鏡，就能構(gòu)成一個(gè)好的光源。其他在光源屬性中，還有光譜。LED的發(fā)光光譜集中在特定波長(zhǎng)的一個(gè)很窄的范圍，不放射紅外線。因此，在不想使照射物變熱的時(shí)候，使用LED較好。但是，LED自身會(huì)發(fā)熱，所以需要注意防止其導(dǎo)熱。另外還需要注意，熒光粉類型的LED，溫

7、度變化，色溫也會(huì)隨之變化。1.3 總結(jié)：LED照明設(shè)計(jì)LED照明燈具備受期待的原因就是節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)。確實(shí)，與白熾燈相比，目前的球泡型LED燈效率更高。但是熒光燈與LED照明燈具相比，還是熒光燈較高。這是因?yàn)?，雖然單獨(dú)的LED芯片比熒光燈效率高，但是由于發(fā)熱降低了發(fā)光效率，交流電轉(zhuǎn)換成直流電時(shí)，電源效率變低以及由于配光分布變換和使用擴(kuò)散板導(dǎo)致光效降低，進(jìn)而造成整個(gè)LED照明燈具的效率下降。因此，為了實(shí)現(xiàn)LED的節(jié)能，長(zhǎng)壽命，必須對(duì)熱、電、光進(jìn)行各種設(shè)計(jì)。單純依靠LED封裝并不能發(fā)揮LED的優(yōu)勢(shì)。要做與迄今為止的設(shè)計(jì)不同的設(shè)計(jì)需要些什么？怎樣才能找出燈具效率下降的原因？是不是即使多次返工也很難

8、找出原因？并且還花更多時(shí)間和成本。要將產(chǎn)品更早的投放市場(chǎng)需要怎么做？使用電腦仿真能有效的解決這些問(wèn)題。使用電腦仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)稱為CAE(Computer Aided Engineering)。下一期將圍繞怎樣使用CAE軟件對(duì)LED照明燈具進(jìn)行熱、電、光設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。二 使用CAE軟件對(duì)LED照明燈具進(jìn)行熱、電、光設(shè)計(jì)近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品的高密度、高集成度，熱解決方案的重要性越來(lái)越高，LED照明也不例外，也需要熱解決方案。 雖然白熾燈和熒光燈的能量損失大，但是大部分能量都是通過(guò)紅外線直接放射出去，光源的發(fā)熱少；而LED，除了作為可視光消耗的能量，其它能量都轉(zhuǎn)換成了熱。另外，由于LED封裝面積小，通

9、過(guò)對(duì)流和輻射的散熱少，從而積累了大量的熱。122.1 熱解決方案接下來(lái)來(lái)考慮怎么制定熱解決方案。熱解決方案簡(jiǎn)單的說(shuō)就是解決因?yàn)闊岙a(chǎn)生的各種問(wèn)題。主要有： 因?yàn)闊崤蛎泴?dǎo)致彎曲和龜裂 電子電路的運(yùn)行障礙 材料品質(zhì)惡化除此之外，也會(huì)擔(dān)心如果發(fā)熱會(huì)不會(huì)損壞設(shè)備？為了避免這些問(wèn)題，要盡量控制電子設(shè)備的溫度，也就是說(shuō)有效散熱很重要，重點(diǎn)是考慮機(jī)器的使用環(huán)境和安裝方法制定最佳的熱解決方案。 下面列舉了由熱導(dǎo)致的問(wèn)題。后半部分以LED燈為例，就LED相關(guān)的解決方案進(jìn)行解說(shuō)。2.2 由熱導(dǎo)致的問(wèn)題1.因?yàn)闊崤蛎泴?dǎo)致彎曲和龜裂電子設(shè)備由多個(gè)零件構(gòu)成，每個(gè)零件的材質(zhì)都不一樣，熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此， 當(dāng)各種材

10、質(zhì)組合在一起的時(shí)候就有可能使材質(zhì)發(fā)生彎曲，膨脹時(shí)，產(chǎn)品在連接處因?yàn)閼?yīng)力過(guò)多就會(huì)產(chǎn)生龜裂。2.電子電路的運(yùn)行障礙一般來(lái)說(shuō)，作為熱源的半導(dǎo)體元件，有這樣一個(gè)特性，即當(dāng)電子設(shè)備中的半導(dǎo)體元件溫度上升，電的阻抗就會(huì)變小。這樣就容易陷入“溫度上升阻抗下降電流增加熱增加溫度上升”的惡性循環(huán)，進(jìn)而容易發(fā)生燒斷的現(xiàn)象。3.材料品質(zhì)的惡化一般說(shuō)來(lái)，電子設(shè)備中使用的材料容易氧化，溫度越高氧化越快，如果讓這些材料反復(fù)經(jīng)過(guò)高溫氧化，就會(huì)縮短其壽命。同時(shí)，反復(fù)加熱，材料多次膨脹，多次冷縮，會(huì)降低材料的強(qiáng)度，從而破壞了材料。2.3 LED的熱解決方案下面以LED燈為例，具體討論LED的熱解決方案。要避免電子設(shè)備的發(fā)熱有多

11、種方法。比如，加散熱器，在熱源周圍安置能提供冷氣的風(fēng)扇。前者是通過(guò)增加散熱面積，來(lái)增加散熱的通道，后者是使熱不在熱源周圍聚集。 但是，正如圖1 LED燈的概括圖所示，LED封裝時(shí)不能直接連接散熱器，也沒有安裝風(fēng)扇的位置。而且內(nèi)部電源電路板也會(huì)產(chǎn)生熱量，因此LED燈的散熱問(wèn)題可以說(shuō)是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。這樣，如何有效使用LED安裝材質(zhì)和散熱器就變得很重要。圖1 LED燈概括圖那么如何有效利用LED安裝材質(zhì)和散熱器呢？首先必須把握產(chǎn)生熱的傳熱路徑。LED元件產(chǎn)生的熱通過(guò)封裝的導(dǎo)線向電路板移動(dòng)，然后再通過(guò)散熱器放熱。電源電路板產(chǎn)生的熱也是如此，通過(guò)電路板周圍的空氣和填充材質(zhì)，透過(guò)散熱器向外部散熱。熱

12、解決方案中重要的是排除傳熱路徑中阻礙傳熱的因素，比如可以考慮在傳熱路徑中使用導(dǎo)熱性能好的材質(zhì)、擴(kuò)大路徑的斷面面積（例如，粗的銅線比細(xì)的銅線更容易導(dǎo)熱）、涂導(dǎo)熱潤(rùn)滑劑使產(chǎn)品的連接部位不留空隙。另外，即使通過(guò)這些提高了導(dǎo)熱特性，但如果散熱器不向外部散熱，內(nèi)部還是會(huì)聚集很多熱。因此也必須提高散熱器表面的放熱特性。典型的方法就是在表面多安裝幾個(gè)散熱片，擴(kuò)大散熱器的放熱面積。2.4 運(yùn)用CAE工具，通過(guò)仿真驗(yàn)證熱解決方案CAE的運(yùn)用那么怎樣驗(yàn)證熱解決方法是否有效呢？一種是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度，但是一旦條件改變就要重新測(cè)量，效率比較低。因此需要使用CAE軟件進(jìn)行仿真。 圖2 運(yùn)用ANSYS解析軟件，在LED燈

13、橫向擺放時(shí)，對(duì)LED燈周圍的熱和空氣的流動(dòng)進(jìn)行仿真。（）（）是整個(gè)燈的溫度分布圖，紅色部分代表溫度高，藍(lán)色部分代表溫度低。（）（）是燈與LED封裝周邊（蓋子內(nèi)部）的自然對(duì)流圖，紅色箭頭部分表示對(duì)流速度快，藍(lán)色部分表示對(duì)流速度慢。與實(shí)際情況相比，這個(gè)例子只是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型，但從某種程度上卻能驗(yàn)證產(chǎn)品的溫度分布和空氣的自然對(duì)流。 從整個(gè)燈的溫度分布來(lái)看，雖說(shuō)蓋子的溫度低，其他部位溫度高，但是某種程度上還是處于一個(gè)均等的溫度分布。這表面產(chǎn)生的熱量大部分都轉(zhuǎn)移到散熱器上，而且傳送路徑中沒有障礙。散熱器可以起到一個(gè)散熱的作用，但是如果散熱特性不好，整個(gè)燈的溫度就會(huì)上升，因此必須注意散熱器的形狀（安裝

14、散熱片的大小、形狀、個(gè)數(shù)等）。圖2 根據(jù)ANSYS進(jìn)行熱流體解析的結(jié)果圖仿真中需要解析對(duì)象的形狀、產(chǎn)品特性、條件等各種信息，但是通過(guò)想要確認(rèn)的信息可以區(qū)別簡(jiǎn)易解析模型和詳細(xì)解析模型，從而有效把握想要驗(yàn)證的熱解決方法的好壞。例如，本例是對(duì)整個(gè)電燈的簡(jiǎn)易建模，并不能把握LED封裝內(nèi)部詳細(xì)的溫度分布，但是如果對(duì)該部分進(jìn)行詳細(xì)的建模，就能夠確認(rèn)元件實(shí)際的溫度。反復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真修改部分信息就可以簡(jiǎn)單的進(jìn)行操作，例如容易把握散熱器中散熱片的形狀和個(gè)數(shù)對(duì)溫度的影響。作為仿真用軟件，可以直接使用CAD信息進(jìn)行分析，可以在統(tǒng)一環(huán)境中對(duì)構(gòu)造、導(dǎo)熱、熱流體等進(jìn)行廣泛的分析，而且可以進(jìn)行各種組合分析。在設(shè)計(jì)中不僅要

15、考慮熱的問(wèn)題，其他因素也必須考慮，組合分析的難易是熟練進(jìn)行仿真的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，這些我們?cè)诤竺孢M(jìn)行論述。本次僅就熱的問(wèn)題進(jìn)行了探討，但也存在即使解決了熱的問(wèn)題，卻不能解決光、電的問(wèn)題的情況。產(chǎn)品重在壽命長(zhǎng)、無(wú)性能損壞、使用安全，因此我們的課題就是實(shí)現(xiàn)整體的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。下次我們將針對(duì)電路和光學(xué)設(shè)計(jì)的問(wèn)題展開討論。三 電路和光學(xué)設(shè)計(jì)33.1 LEDLED是電子二極管的一種，主要構(gòu)造是PN結(jié)。如圖1，當(dāng)向LED的兩端施加電壓，電子就會(huì)吸收能量并向價(jià)電子帶轉(zhuǎn)移，然后再將吸收的能量釋放出來(lái)。這個(gè)被釋放出的能量就是光。放出的光的波長(zhǎng)和顏色是由半導(dǎo)體的電勢(shì)差決定的。圖1 LED運(yùn)作原理3.2 LED應(yīng)用LED具

16、有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、輕便、不含有害物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。高發(fā)光效率可以增加電池的使用壽命，對(duì)于隨身攜帶的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)很適合。LED的使用壽命是一般白熾燈的23倍 (有些資料顯示是40倍)， 因?yàn)閴勖L(zhǎng)而使用LED的一個(gè)典型例子就是交通信號(hào)燈。另外，由于LED燈的反應(yīng)速度非常快，所以也適合用于汽車的剎車燈。LED燈具的設(shè)計(jì)自由度非常高，不僅能調(diào)節(jié)亮度，還能調(diào)節(jié)色度。3.3 LED電子特性LED具有一般硅二極管的類似特性，在正負(fù)極之間施加電壓。當(dāng)外加電壓達(dá)到一個(gè)臨界值，LED中產(chǎn)生電流，開始發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)這個(gè)臨界值時(shí)，電流急劇增加。白色LED的臨界電壓值約3.5V。紅色、綠色、藍(lán)色的LED臨界電壓值如表1所

17、示。圖1 LED燈概括圖顏色臨界值紅約2.0V綠約1.94.0V藍(lán)約2.53.5V白約3.5V我們用電路仿真來(lái)說(shuō)明LED的電子特性以及驅(qū)動(dòng)電路。電路仿真是對(duì)LED和電阻等的電子設(shè)計(jì)進(jìn)行建模并在計(jì)算機(jī)上模擬計(jì)算電路運(yùn)行的一種簡(jiǎn)易方法。這里使用的是Cadence公司的電路仿真PSpice A/D。同時(shí)使用了飛利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。首先運(yùn)用圖2的電路來(lái)驗(yàn)證LED的電子特性。要得到電壓電流特性，需要進(jìn)行直流解析。圖2 驗(yàn)證電壓電流特性電路解析結(jié)果如圖3所示圖3 根據(jù) PSpice A/D所得到的解析結(jié)果：電壓電流特性驗(yàn)證LXM3-PM71電壓電流特性的結(jié)果顯示：在3.0V情況

18、下電流約354mA。3.4 驅(qū)動(dòng)電路白熾燈采用的是電壓驅(qū)動(dòng)型電路設(shè)計(jì)。LED是用電流驅(qū)動(dòng)型電路設(shè)計(jì)，通過(guò)控制LED中的電流調(diào)節(jié)亮度和色度。白熾燈和熒光燈等照明燈具中的電子驅(qū)動(dòng)不能直接運(yùn)用于LED照明燈具。為了最大限度的發(fā)揮LED的特長(zhǎng)，需要進(jìn)行適合LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。而且即使使用了發(fā)光效率很高的LED，如果驅(qū)動(dòng)電路的效率不高，也會(huì)影響整個(gè)照明燈具的發(fā)光效率。LED照明燈具設(shè)計(jì)大致分為下面3個(gè)階段。1.光學(xué)設(shè)計(jì)，2.熱設(shè)計(jì)，3.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。在這里先介紹LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。- 電阻型驅(qū)動(dòng)電路下面介紹LED電阻型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的方法。LED、電阻、直流電壓源如圖4所示連接起來(lái)。以直流電壓源的電壓

19、值和壓降（正向電壓）為基礎(chǔ)，計(jì)算LED發(fā)光中相應(yīng)電流的電阻值。計(jì)算公式如下：直流電壓源LED正向電壓 = 驅(qū)動(dòng)電阻值LED電流例如，在5V的電壓源中驅(qū)動(dòng)上述LXM3-PW71。該LED的正向電壓為3.0V，電流為350mA時(shí)，電阻應(yīng)為5.71。圖4、圖5表示電路仿真運(yùn)算中的電路及其解析結(jié)果。通過(guò)圖5，可以看到LED中的電壓大概為3.0V，電流約350mA。圖4 電阻型驅(qū)動(dòng)電路圖5 瞬態(tài)分析結(jié)果- LED正向電壓的偏差該電路中不考慮作為L(zhǎng)ED電路的一個(gè)重要設(shè)計(jì)要素正向電壓的偏差。LED電子設(shè)計(jì)特性中必定會(huì)有偏差，即使是同一型號(hào)的設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行測(cè)量的話也不能得到相同的特性。偏差根據(jù)LED不同而有區(qū)

20、別，正向電壓中有偏差超過(guò)15的情況。LXM3PW71的正向電壓大概在42.5V之間波動(dòng)。這樣，如果運(yùn)用之前的電阻型驅(qū)動(dòng)電路，LED的正向電壓不同，電流也會(huì)有很大的變化。大功率照明燈具通常情況下需要使用多顆LED。只是單純的串聯(lián)這些LED，進(jìn)行電阻驅(qū)動(dòng)的話會(huì)出現(xiàn)電路不通的情況。例如，串聯(lián)3個(gè)LXM3-PW71，用12V做驅(qū)動(dòng)，如果3顆LED同時(shí)擁有最大的正向電壓，由于總電壓是12V，就會(huì)因電壓不足而不能運(yùn)行。而且即使電流相同，也并不是說(shuō)所有的LED都一樣發(fā)光。并聯(lián)LED也是如此。那么有沒有解決LED正向電壓偏差問(wèn)題的方法呢？答案只有一個(gè)，對(duì)LED進(jìn)行分級(jí)。在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，各個(gè)不同的特性會(huì)引起偏

21、差。在同一條件（同一條生產(chǎn)線，同一天）下批量生產(chǎn)，同一批量制造的產(chǎn)品之間的誤差通常比與其他批量制造的產(chǎn)品誤差小很多。LED分級(jí)是將同一型號(hào)的LED按照正向電壓的偏差次序排列。在LXM3-PW71的數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄了對(duì)應(yīng)正向電壓的Bin表（圖6）。例如，使用Bin Code C的LED時(shí)，正向電壓在2.793.03V之間。圖6 正向電壓相應(yīng)的Bin表- 恒流源型驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)LED的光度需要增減LED的電流。由于人眼對(duì)光的感光度是對(duì)數(shù)關(guān)系，在調(diào)節(jié)電流時(shí)，電流的增減率與LED亮度呈指數(shù)函數(shù)變化。因此電阻型驅(qū)動(dòng)電路并不最適合于照明燈具。即使電壓有偏差，為了恒定電流也需要使用恒流源型驅(qū)動(dòng)電路。圖7 恒流源型

22、驅(qū)動(dòng)電路圖8是運(yùn)用半導(dǎo)體和二極管恒定電流電路的例子。供給電壓值改變，為了保持半導(dǎo)體的基極的電位恒定（約1.2V），需要使用2個(gè)二極管（D1、D2）。LED的電流連接發(fā)射極上的電阻。計(jì)算可知，半導(dǎo)體的集電極和發(fā)射極電流基本相同。本例中，為了使LED的電流維持在350mA，需要用到1.48歐姆的電阻。圖8 簡(jiǎn)單的恒電流源型驅(qū)動(dòng)電路即使輸入電壓改變，二極管D1、D2的電壓穩(wěn)定，半導(dǎo)體的基極電位穩(wěn)定，保證LED的電流為350mA。通過(guò)電路檢驗(yàn)使實(shí)際的輸入電壓在5V到24V之間變化。檢驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖9 恒電流源驅(qū)動(dòng)電路的電壓變化驗(yàn)證結(jié)果當(dāng)輸入電壓在5V24V之間變化時(shí)，二極管D1、D2的電壓也會(huì)發(fā)

23、生微小的變化。從圖9的中央波形可以看到，這個(gè)微小的變化出現(xiàn)在二極管的基極。從最上面的波形讀取LED中的電流及變化情況。為了最大限度的發(fā)揮LED的優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中應(yīng)采用PWM型驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法。下一章節(jié)的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)應(yīng)用篇,我們將主要圍繞PWM型驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行講解。四 PWM型驅(qū)動(dòng)電路在上一期的“LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)篇”中，介紹了LED的電子特性和基本的驅(qū)動(dòng)電路。遺憾的是，阻抗型驅(qū)動(dòng)電路和恒電流源型驅(qū)動(dòng)電路，大范圍輸入電壓和大電流中性能并不強(qiáng)，有時(shí)并不能發(fā)揮出LED的性能。相反，用脈沖調(diào)制方法驅(qū)動(dòng)LED電路，能夠發(fā)揮LED的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這次主要針對(duì)運(yùn)用脈沖調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行說(shuō)明。44.1

24、 PWM是什么？脈沖調(diào)制英文表示是Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM。PWM是調(diào)節(jié)脈沖波占空比的一種方式。如圖1所示，脈沖的占空比可以用脈沖周期、On-time、Off-time表示，如下公式： 占空比On-time（脈沖的High時(shí)間）/ 脈沖的一個(gè)周期（On-time + Off-time）Tsw（一周期）可以是開關(guān)周期，也可以是Fsw=1/Tsw的開關(guān)頻率。圖1 Pulse Width Modulation (PWM)在運(yùn)用PWM的驅(qū)動(dòng)電路中，可以通過(guò)增減占空比，控制脈沖一個(gè)周期的平均值。運(yùn)用該原理，如果能控制電路上的開關(guān)設(shè)計(jì)（半導(dǎo)體管、MOSFET、IGBT等）的

25、打開時(shí)間（關(guān)閉時(shí)間），就能夠調(diào)節(jié)LED電流的效率。這就是接下來(lái)要介紹的PWM控制。PWM信號(hào)的應(yīng)用 PWM控制電路的一個(gè)特征是只要改變脈沖幅度就能控制各種輸出。圖2的降壓電路幫助理解PWM的控制原理。在這個(gè)電路中，將24V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成12V，需要增加負(fù)載。負(fù)載就是單純的阻抗。電壓轉(zhuǎn)換電路的方法有很多，運(yùn)用PWM信號(hào)的效果如何呢？圖2 降壓電路在圖2的降壓電路中取PWM控制電路，如圖3所示。MOSFEL作為開關(guān)設(shè)計(jì)使用。當(dāng)PWM信號(hào)的轉(zhuǎn)換頻率數(shù)為20kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換周期為50s。PWM信號(hào)為High的時(shí)候，開關(guān)為On，電流從輸入端流經(jīng)負(fù)載。當(dāng)PWM信號(hào)處于Low狀態(tài)時(shí)，開關(guān)Off，沒有輸入和輸

26、出，電流也斷掉。這里嘗試將PWM信號(hào)的占空比固定在50，施加在開關(guān)中。開關(guān)開著的時(shí)候電流和電壓施加到負(fù)載上。開關(guān)關(guān)著的時(shí)候因?yàn)闆]有電流，所以負(fù)載的供給電壓為零。如圖4綠色的波形、V（OUT）可在負(fù)載中看到輸出電壓。圖3 運(yùn)用PWM信號(hào)的降壓電路圖4 解析結(jié)果 占空比：50輸入電壓是直流，通過(guò)脈沖信號(hào)得到輸出電壓在負(fù)載的前端（開關(guān)的后端）插入平滑電路，就可以得到如圖4所示的茶色的波形。輸出脈沖的平均值約12V時(shí)，直流電壓可以供給負(fù)載。但如果不是12V，而是想得到6V的輸出電壓時(shí)，應(yīng)該怎么做？PWM控制的優(yōu)點(diǎn)實(shí)際就在此。只需改變脈沖幅度就可以了。實(shí)際上，只需設(shè)定占空比為25就可以得到平均輸出6V的

27、電壓。圖5和圖6表示的是這種情況下的電路和解析結(jié)果。圖5 運(yùn)用PWM信號(hào)的降壓電路圖6 解析結(jié)果 占空比約25以上結(jié)果標(biāo)明，降壓電路中，輸入輸出電壓的關(guān)系可以表示為：輸出電壓PWM信號(hào)的占空比輸入電壓也就是說(shuō)只要改變PWM信號(hào)的占空比，就可以得到任意的輸出電壓。接下來(lái)介紹在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中運(yùn)用降壓轉(zhuǎn)換器電路驅(qū)動(dòng)LED的方法。4.2 PWM驅(qū)動(dòng)電路例子如圖7所示，在前述的降壓電路中追加線圈、電容、二極管的電路。在這里沒有考慮反饋電路。這里使用的是飛利浦照明的LUXEON系列的LXM3-PW71 LED。LED（負(fù)載）的前端插入的線圈和電容構(gòu)成平滑電路，通過(guò)轉(zhuǎn)換使得脈沖輸出平均化。線圈前端的二極管即使在開關(guān)關(guān)著的時(shí)候也能持續(xù)向線圈供給電流。降壓轉(zhuǎn)換器通常作為電壓轉(zhuǎn)換電路使用，但是在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，則需要控制電流而不是電壓。圖7 PWM驅(qū)動(dòng)電路降壓轉(zhuǎn)換的例子確認(rèn)圖7的電路構(gòu)成。當(dāng)脈沖信號(hào)處于On的狀態(tài)，也就是開關(guān)設(shè)計(jì)處于On的狀態(tài)時(shí)，電流按照輸入信號(hào)開關(guān)線圈負(fù)載的順序流動(dòng)。當(dāng)開關(guān)設(shè)計(jì)處于Off的狀態(tài)時(shí)，電流按