LED毕设论文

摘 要

本文介绍了一种大功率LED智能控制电路。作为现代LED照明系统不可或缺的一部分，本智能控制电路成功地实现了针对对恒压输出反激式拓扑结构的恒压-恒流的DC-DC转换的应用，并借助单片机与上位机的串口通信功能，借助软件编程，实现了对LED照明的智能控制。该LED控制电路调试成功，有效解决了对大功率LED调光能量分配不均以及恒流输出和效率矛盾的问题。关键词：LED照明，智能控制，串口通信，DC-DC

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ABSTRACT

ABSTRACT

A power LED intelligent control circuit is presented in this paper . As an indispensable part of contemporary LED lighting system , this intelligent control circuit successfully achieved the conversion from constant-voltage input to constant-current output applying in flyback topologic structure with constant-voltage output and , with the help of serial communication between MCU and PC , it realized the intelligent LED lighting control with software programming. The successful debugging results of the LED intelligent-controlled circuit successfully solve the problem that energy dissipation is not properly propagated in light dimming and the conflict between constant-current output and high efficiency of power consume . Key words: LED lighting, Intelligent control, Serial communication, DC-DC

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目 录

目 录

第1章 引言 .................................................................................................................. 1

1.1本课题研究目的和意义 ..................................................................................... 1 1.2国内外研究动态 ................................................................................................. 2 1.3本文的主要工作 ................................................................................................. 2 第2章 调光控制原理和元件选择 .............................................................................. 3

2.1 LED路灯电源调光控制原理 ............................................................................ 3

2.1.1 LED发光原理 .......................................................................................... 3 2.1.2白光LED的基本参数及特性 ................................................................. 5 2.1.3白光LED的可调光特性 ......................................................................... 6 2.2常用LED调光技术 ........................................................................................... 7

2.2.1 PWM调光 ................................................................................................. 7 2.2.2模拟调光 ................................................................................................... 8 2.2.3数字调光 ................................................................................................... 9

第3章 PWM调光电路的设计与实现 .................................................................... 12

3.1课题方案选择 ................................................................................................... 12 3.2功耗分析与元器件选择 ................................................................................... 13 3.3电源电路实现 ................................................................................................... 14 3.4程序下载电路 ................................................................................................... 16 3.5 MCU主电路 ..................................................................................................... 17 3.6串口通信控制电路 ........................................................................................... 20

3.6.1串口通信基本原理 ................................................................................. 20 3.6.2单片机串口通信原理 ............................................................................. 22 3.6.3串口电路设计 ......................................................................................... 22 3.7 调光控制输出电路 .......................................................................................... 23

3.7.1芯片特点 ................................................................................................. 23 3.7.2芯片原理 ................................................................................................. 23 3.7.3设计考虑 ................................................................................................. 29 3.7.4第二级LM3404HV参数及外围电路设计 ........................................... 32

第4章 程序设计 ........................................................................................................ 35

4.1开发环境 ........................................................................................................... 35 4.2程序烧录软件 ................................................................................................... 36 4.3串口操作软件 ................................................................................................... 36 4.4主程序 ............................................................................................................... 38 4.5调光控制程序 ................................................................................................... 38 第5章 电路制作调试及测试 .................................................................................... 41

5.1 PCB的设计制作 ............................................................................................ 41

5.1.1电源、地线的处理 ................................................................................. 41 5.1.2数字部分与模拟部分的共地处理 ......................................................... 41

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目 录

5.1.3信号线布在电源（地）层上 ................................................................. 41 5.1.4大面积导体中连接腿的处理 ................................................................. 42 5.1.5设计规则检查（DRC） ......................................................................... 42 5.2 电路的调试 .................................................................................................... 43 5.3 电路的测试 .................................................................................................... 43

5.3.1基本功能测试 ......................................................................................... 43 5.3.2串口通信测试 ......................................................................................... 44 5.3.3效率测试 ................................................................................................. 44

第6章 结束语 ............................................................................................................ 46 参考文献 ........................................................................................................................ 47 致 谢 ............................................................................................................................ 48 附录 ................................................................................................................................ 49 外文资料原文 ................................................................................................................ 51 外文资料译文 .............................................................................. 错误！未定义书签。5

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第1章 引言

第1章 引言

1.1本课题研究目的和意义

LED照明具有节能、寿命长、环保等优点，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。应用半导体PN结发光原理制成LED问世于20世纪60年代初， 90年代以来，随着以氮化镓为代表的第三代半导体的兴起，白色发光二极管的研制成功，使实现半导体LED照明成为可能。大功率白光LED照明已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，国际上LED照明产业近年来保持40%的增长速度，其经济和社会意义巨大。

对于半导体照明，大家都十分关注LED光效和光衰、寿命等特性。例如，前期大家有个不成文的共识，即LED单管的光效小于80lm/W的就不用来做路灯，对于符合光效要求而推上市场的LED路灯产品，的确也曾因为光衰的问题没用多长时间便从灯杆上撤换了下来，至今大家仍然特别关注这两个问题。事实上，半导体照明发展到今天，光效已经由2001年标准型白光led(20mA)发光效率25lm/W，发展到了2009年初Nichia发表的白光LED在20mA电流下，其发光效率可达249lm/W，为目前业界之最。高功率白光LED(350mA)发光效率也由2004年约30lm/W，发展到2008年年底Cree发表的161lm/W产品，目前为业界之最。现在无论LED光效还是光衰，都有了根本性的改善。目前发展半导体照明产业的问题是：LED灯具用电源|稳压器和控制电路、LD(半导体激光器)照明和半导体照明配套必须引起我们的高度重视。 电源可靠性和控制电路是LED照明推广的根本保证。

假设高压钠灯和LED路灯的光效都是100lm/W，由于LED路灯的指向性强，在同样的路面照度下，可以节约电力50%(和白炽灯相比可以节电80%)左右，这一特性已经被大家所知晓。但是LED路灯的另一些优于高压钠灯的特性，还没有引起大家的注意和利用，其中很显著的一个方面就是通过控制电路对亮度的可控特性和LED灯的瞬间启动特性等还没有得到广泛的应用。我们利用这些特性，通过控制电路可以实现分时的亮度控制和必要时的开启，这样可以实现再节电50%的指标，使LED路灯的节能效果进一步提升。在夜间，根据行人的多少和自然环境的具体条件，我们可以分时间段控制LED路灯的不同亮度，或者直接关闭，实现LED路灯的进一步节能。

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因此，针对上诉问题，本文设计出一种可通过在线重置调光参数的LED电源控制电路，并设计出一种备选方案。

1.2 国内外研究动态

LED智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将建筑物内的各种LED照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。业界主流LED控制系统包括串行控制系统和现场总线控制系统。串行控制的优点是成本低，控制简单，不需要设置地址，但它信号线过多，对于一些稳定性、可靠性要求不是很高的项目可以采用此种控制方式。而出于对控制精度和智能化的进一步要求，国内外许多公司都致力于开发利用更为有效的控制方式。例如USITT（美国剧院技术协会）把Colortran 公司的CMX192中的Band rate 从153.6Kbit/s提升至250Kbit/s及192CH变为512CH。它的广泛使用是由于结构简单、成本低、容易理解等，各大厂商先后把DMX512接口加到产品上。国内在这方面起步较晚，但现在许多公司、研发机构和学校都在积极开展这方面的研究。

1.3 本文的主要工作

当前市场上LED照明在电能使用效率上竞争越来越激烈，市场上有些公司作出的无调光控制功能的LED效率竟高达90%，而谐振式恒流输出开关电源在实验室条件下效率仅为87%，低于恒压输出的93%，而LED照明亮度的一致性又要求必须恒流输出。在这种两难的境地下，两级式开关电源方案被提了出来。而本文也就主要通过分析LED大功率照明调光方式和方法，设计出满足调光，DC-DC转换，人机交流功能的后级控制电路。

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第2章 调光控制原理和元件选择

第2章 调光控制原理和元件选择

所谓LED照明，是指用半导体发光二极管作为光源的固态照明。在应用于路灯照明、生活照明等情况下，就需要采用大功率的白光LED，因为它们的亮度更高。而所谓大功率LED调光，既是通过控制电路对电源输出电流大小进行调节从而达到调节大功率LED发光亮度的目的的过程。

2.1 LED路灯电源调光控制原理

2.1.1LED发光原理

发光二极管是由III- IV族化合物，如GaAs（砷化镓）,GaP（磷化镓），GaAsP（磷砷化镓）等半导成的[1]，其核心是PN结，因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止，击穿特性。此外，在一定条件下，它具有发光特性。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一部分与多数载流子复合而发光。如下图所示：

图2-1 LED发光原理

真正发射白光的LED是不存在的，这样的器件非常难以制造，因为LED的特点是只发射一个波长，白色并不出现在色彩的光谱上，因此一般的替代方法是利用不同波长合成白色光。目前所使用的白光LED生产技术，主要可分为单晶型和多晶型两种[2]，各技术特征简述如表2-1所示：

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表2-1 白光LED的发光方式

方式 激发源 蓝色LED 发光元素与荧光材料 InGaN/YAG 黄色荧光体 InGaN/RGB 三波长荧光体 InGaN、AlInGaP、AlGaAs InGaN、AlInGaP、GaP 白光产生方式 以蓝色激发发黄光之荧光体 以UV激发RGB荧光体 组合红绿蓝三原色LED 组合互补两色LED 单晶型 紫外光（UV）LED 红色/蓝色/绿色 多晶型 LED 蓝绿色/琥珀色 LED （一）单晶型

（1）蓝色LED＋发黄光的荧光粉

其原理是利用蓝光照射黄光荧光粉产生黄光后与未被吸收的蓝光混合产生出肉眼可见的白光。这是目前最常用的白光生产技术，但是用蓝光LED来发白光的方式的发光效率仍然不足，许多厂商开始向另外一个方向就是往紫外光LED来发展。

（2）紫外光LED＋RGB三波长萤光粉

和荧光灯的发光原理相似，这种发光方式利用RGB三色荧光粉在被紫外光或者近紫外光激发后产生RGB三原色的光来混合产生出白光。其发光光谱和蓝色LED＋黄光荧光粉相比要宽的多，而且其发光效率要比蓝光好上许多。这种方法的关键技术在高效率的荧光体合成法，也就是如何把荧光粉有效的附着在晶粒上的一项技术。 （二）多晶型

即使用两个或两个以上的互补的2色LED发光二极管或把3原色LED发光二极管做混光而形成白光。采用多晶型的产生白光的方式，因为不同的色彩的LED发光二极管的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同，因此在使用多晶型LED发光二极管的方式产生白光，比单晶型LED产生白光的方式复杂，也因LED发光二极管的数量多，也使得多晶型LED的成本亦较高；若采用单晶型，则只要用一种单色LED发光二极管元素即可，而且在驱动电路上的设计会较

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第2章 调光控制原理和元件选择

为容易。因此，现在很多厂商均把单晶型LED作为白光LED发展方向。 图2-2给出了大功率白光LED的封装结构及实物图。

图2-2 大功率白光LED的封装结构（左）及实物（右）图

2.1.2 白光LED的基本参数及特性 1、离散的电学特性

5040Forward Current (mA)353025201510502.83.03.23.4Forward Voltage (V)Random LEDs from Brand ARandom LEDs from Brand B3.63.84.0

图2-3 不同白光LED的正向I-V曲线

因为驱动电路简单，单晶型白光LED成为了现行市场的主流产品。单晶型白光LED使用的发光晶粒晶粒材料都是宽带隙化合物半导体材料（包括蓝光，紫外

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或者近紫外光发光晶粒），因此白光LED的正向导通压降VF比普通的有色LED要高。红光、黄光LED驱动电压在1V～2V左右。而在正向电流为15mA的情况下，蓝白光LED正向电压VF却可以达到3V～4V之间。而且即使在同一正向电压下，流过蓝白光LED的电流也会有很大的离散性。图2-3中是6个从同类产品中随机挑选出来的样品进行测试而得到的I-V曲线[3]。从图中我们可以明显看出来，如果采用单一电压驱动这样的六颗LED，正向电流将会从5mA到15mA（3.2V电压下）摆动。 2、发光特性

调节白光LED的发光亮度，其实质是改变它的输出光通量的大小。图2-4所示为美国Lumileds Lighting公司1瓦大功率白光LED（Luxeon Star）[4]在25℃时光通量φ与其正向电流IF的关系曲线。从图中我们不难发现，LED的输出光通量基本上成正比关系地受平均电流地控制，因此我们能够简单地通过调节LED的正向电流IF来调节其输出光通量，也就是调节其发光亮度。

Normalized Relative Luminous Flux1.210.80.60.40.20100200300400IFAverage Forward Current （mA）图2-4 Luxeon Star在25℃时光通量与其正向电流IF的关系曲线

2.1.3 白光LED的可调光特性

我们已经知道了白光LED的电学特性具有很大的离散性，白光LED的发光

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第2章 调光控制原理和元件选择

亮度由驱动电流决定，要准确地控制LED亮度，驱动器就必须能够提供准确恒定的电流而不是准确恒定的电压。因此，LED一般采用恒流源驱，同时多个LED应串联，以保证各个LED具有相同的驱动电流，从而保证各个LED发光亮度一致。而通过控制电源驱动级的输出电流就可以实现控制LED亮度的目的。

2.2常用LED调光技术

要对LED光亮度进行调节，也就是根据不同的应用场合LED亮度能作出相应地变化。这也就意味着，白光LED的驱动器需要能够支持LED光亮度的调节功能，也就是具有输出电流调节功能。目前调光技术主要有三种：PWM调光、模拟调光以及数字调光[5]。 2.2.1 PWM调光

PWM Dimming (脉宽调制) 调光方式—这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED的调光技术。系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光LED的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高。多数厂商的驱动器都支持PWM调光。

IinPWM 图2-5：PWM调光示意图

在PWM调光中，LED正向电流以受控的占空比（DDim）进行开／关（ON/OFF），以达到想要的亮度级别。DDim的动态范围定义了ＰＷＭ调光配置所能实现的最大亮度级别。如前所述，LED亮度与LED正向电流成比例，因此，在使用PWM调光配置时所得到的最高和最低LED电流平均值分别由式(2-1)和式(2-2)表示。

ILED_MaxDdim_MaxILED (2-1) (2-2)

ILED_MinDdim_MinILED其中，ILED为LED电流，ILED＿Max为LED电流的平均最高值，ILED_Min

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为LED电流的平均最低值，Ddim_Max为最大调光占空比，Ddim_Min为最小调光占空比。因此，最高和最低LED明亮的比率，又被看作PWM调光范围，用式(2-3)表示。

调光范围Ddim_Max/Ddim_Min (2-3)

式(2-3)表示PWM调光范围与最大、最小调光占空比之间的关系。对于给定的调光频率FDim，Ddim_Max表示最大占空比，即LED电流在下一个调光周期开始前，从所需的正向电流降低至零的时间；Ddim_Min表示最小占空比，即LED电流由零升至所需的正向电流(IF)的时间。

在PWM控制使能调光中，LED电流的开／关是通过把开关稳压器或者电源FET驱动器设置成使能(Enable)或失效(Disable)来实现的。使能调光的缺点是调光延迟较大，调光延迟比较大，如果增加调光频率，会明显降低调光范围，如果利用调光信号去开／关电源ＦＥＴ驱动器，而不是去开关稳压器，则可以消除这种延迟。因此如图2-5所示，PWM调光信号通常加在FET驱动器上。

但是，PWM 调光有其劣势。主要反映在：PWM调光很容易使得白光LED的驱动电路产生人耳听得见的噪声（audible noise 或者 microphonic noise）。通常开关电源式的白光LED驱动器其开关频率都在几百KHz甚至上1MHZ左右，因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声。但是当驱动器进行PWM调光的时候，如果PWM信号的频率正好落在200Hz到20kHz之间，白光LED驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。因此，PWM调光频率要避免使用20kHz以下低频段。 2.2.2 模拟调光

DVDLLLEDQDVinCRVoVin+VFiLVLQ-Rs(a)电压型Buck变换器(b)Buck型大功率LED驱动器

图2-6 buck型开关调节器

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第2章 调光控制原理和元件选择

LD+QCVinVin-RsRVoQLVLiLVFLEDD(a)电压型Boost变换器(b)Boost型大功率LED变换器

图2-7 boost型开关调节器

相对于PWM调光，在开关调节器中（如2-6和图2-7所示），如果能够改变与LED串联的Rs的电阻值，同样能够改变流过白光LED的电流，从而改变LED的发光亮度。这种调光技术为模拟调光。

模拟调光最大的优势是它避免了由于调光时所产生的噪声，由于不存在PWM频率，因此调光不会引起变压器音频噪声，此外调光不会与垂直同步频率发生干扰。在采用模拟调光的技术时，LED的正向导通压降会随着LED电流的减小而降低，使得白光LED的能耗也有所降低。但是区别于PWM调光技术，在模拟调光时白光LED驱动器始终处于工作模式，并且驱动器的电能转换效率随着输出电流减小而急速下降。所以，采用模拟调光技术往往会增大整个系统的能耗。模拟调光技术还有个缺点在于发光质量。由于它直接改变白光LED的电流，使得白光LED的白光质量也发生了变化。同时，由于模拟调光的调光方式所限，在使用智能控制期间进行调光控制时更难于进行精确地掌控。 2.2.3 数字调光

除了PWM调光，模拟调光，目前有些专用LED驱动IC支持数字调光，这是一种间接的调光方式。具备数字调光技术的白光LED驱动器会有相应的数字接口。该数字接口可以是SPI、I2C、或者是单线式数字接口。系统设计者只要根据具体的通信协议，给驱动器一串数字信号，就可以使得白光LED的光亮发生变化。

由于采用分离器件搭建的电路参数复杂而且电路难调，因此以专用电源管理IC为核心，配合适当的外围分离元器件实现的电源管理电路方案显得更加合理，而且性价比更高。因此针对提供调光数字接口的LED驱动IC设计调光外围电路也就显得更为合理和有效。

当今市场上主流的LED驱动IC大多提供有直接供数字调光的引脚，通过对

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此引脚输入一串数字信号（PWM调光信号）即可实现调节输出的目的。下面本文将以NCP1653为例进行分析讲解。NCP1653是由安申美公司生产的一款具有PFC调制的电源管理芯片：

IInVInLILVoutACinputEMIFilterCfilterRcsILCbuckonoffRFBIFBVcontrolCurrentMirrorVreg300K96%IrefIrefIFBRegulation BlockOvervoltageProtectionIFB>107%IrefShutdowm/UVP(IFB<8%Iref)4%Iref HysteresisVccReference BlockTurn onVMIM9VCMRMVrefIchVramp67 or 100 KHz clockInternal BiasVMFB/SD9V9V10Ccontrol01Vcc13.25V/8.7VUVLOIcontrol=VcontrolR1R1=constantCurrentMirrorRvacVccOverpowerLimitation2(IsIvac>3nA )RMISIvac2Icontrol12KInIvacCvac9VThermalShutdowm。(120/150 C)PFCModulationOvercurrentProtection(Is>200uA)CurrentMirrorVcc9VCSIsRsDrvOutputDriverCrampGnd01RSQ图2-8 NCP1653典型应用电路结构

从图2-8中我们可以看出，NCP1653的Drv引脚直接输出在开关FET上，如果输出Drv为0，则开关管不导通，而如果输出Drv为1，则开关管导通，因此调节Drv输出电压占空比变化即可起到调节输出电流的目的。

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第2章 调光控制原理和元件选择

图2-9 Drv输出脚电压变化

由于VrampVMIcht1Cramp，而VM(RMIvacIs)(2Icontrol)(RMIvacIsR1)(2Vcontrol)，因此只需调节Vcontrol的变化即可调节Vramp的变化，从而达到调节开关管道通的目的。实际的操作方案是通过MCU在Vcontrol引脚输入占空比可调的PWM信号，通过对FET通断的控制控制输出电流大小，从而调节LED亮度大小。

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

3.1 课题方案选择

前面我们讨论了，针对LED调光可供选择的现成方案有针对离散元器件电路的PWM调光和模拟调光，还有针对以专用电源IC为核心的电路的数字调光。由于采用分离器件搭建的电路参数复杂而且电路难调，因此以专用电源管理IC为核心，配合适当的外围分离元器件实现的电源管理电路方案显得更加合理，而且性价比更高。因此本课题设计的控制电路将是针对以IC核心电路的控制方案。

控制级电路最初主要负责为整体电路提供PWM信号进行调光控制。最初针对谐振式式开关变换器的方案为在PFC控制芯片的Vcontrol引脚输入占空比可调的方波信号从而改变该引脚的平均电压最终达到改变输出电流大小而改变LED亮度的目的。

在实际应用中，谐振式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好，同时谐振式变压器开关电源的负载能力相对来说比较强，输出电压的纹波比较小。但是，正激式变换器开关电源的缺点也是非常明显的。首先它比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管。此外，正激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于反激式变压器开关电源来说要低很多，

正激式开关电源输出电压：

UnUiTonTUDpapa整个周期 （3-1）

反激式开关电源输出电压：

nUiTonToffnUiD1DUPD1DUpaK关断周期 （3-2）

从(3-1)和(3-2)可以明显地看出来，反激式开光电源电源更容易用PWM信号调制，因而占空比的误差信号幅度可以比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也可以控制得比较小。另外，正激式变压器开关电源为了减少变压器的励磁电流，提高工作效率，变压器的伏秒容量一般都取得比较大（伏秒容量等于输

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

入脉冲电压幅度与脉冲宽度的乘积），并且为了防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关管击穿，正激式变压器开关电源的变压器要比反激式变压器开关电源的变压器多一个反电动势吸收绕组，因此，正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大[6]。对于用于路灯照明的LED电源模块，对于小体积和PWM调节的性能要求显得更重要。因此反激式取代谐振式成为路灯照明电源的方案。

然而实际测试结果表明，对于100W输出的反激式开关恒流输出电路，其输出效率仅为87%，而在加上控制电路后效率更低，而对于恒压输出电路效率却可达到93%，高能量利用效率是LED照明区别与白炽灯照明的一个显著优点，因此高效率是设计追求的一个很重要指标。然而在路灯照明系统中，为了保持在任何环境下，不管级联的LED数量的多少，都可以尽可能地保持LED亮度的恒定，因此在最后的输出需要恒流输出。因此恒流输出又是必须的。面对两难的境地，最后本课题创造性的提出两级式开关电源电路结构，前级保持恒压输出以求得高的功率利用效率，后级的控制电路同时负责将前级输出通过极低功耗的DC-DC芯片转换为恒流输出，在实现恒流输出的同时求得较高的功率利用效率。

另外，在实际应用中，管理员需要根据季节和天气的变化能够方便地实时对调光设置进行调节，比如在冬天的时候由于天黑得较迟，路灯系统需要较早进入亮灯状态，而在夏天则需要较晚地亮灯，以便在满足需求的同时尽可能地节约电能。通过对现在市场使用的产品进行调研发现，可行的方案主要包括以下几种：管理员通过无线网络Zigbee进行人工远程控制；光敏传感器对外界亮度进行感知，由MCU自动控制；管理员通过总线（IIC，串口通信等）通过上位机进行人工控制。本课题考虑到前面两种方案将会引入较昂贵设备，而且第二种方案完全不使用人工也大大降低就业率，因此最终选择采用价格便宜，适于控制的第三种方案，采用串口通信进行控制。

3.2 功耗分析与元器件选择

LED照明相比于白炽灯照明的一个很显著的优点就是功耗低，功率利用效率高，具体表现在发光效率高，灯具效率高，以及电源效率高。事实上，半导体照明发展到今天，光效已经由2001年标准型白光led(20mA)发光效率25lm/W，发展到了2009年初Nichia发表的白光LED在20mA电流下，其发光效率可达249lm/W，为目前业界之最[7]。高功率白光LED(350mA)发光效率也由2004年约30lm/W，发展到2008年年底Cree发表的161lm/W产品，目前为业界之最。现在

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无论LED光效还是光衰，都有了根本性的改善。而提高LED整体效率的关键和核心竞争点就在于电源效率了。因此后级控制电路应该尽可能小的引入功耗，将功率利用效率保持在较高的范围内。

表 3-1 各种常用灯类发光效率比较

不同灯种 发光效率 白炽灯 卤钨灯 荧光灯 瓦钠灯 LED 12-24流明/12-24流明/50-70流明/90-140流明50-200流明瓦 瓦 瓦 /瓦 /瓦 现今市场上，在没有引入控制级电路的情况下，LED的电源效率通常高达90%，一个18W的LED日光灯只要20W的输入功率。功率因素也可以达到0.9以上。而且甚至有些公司（比如东莞石龙富华电子有限公司地UEL300系列）效率可高达95%，所以在市场竞争极其激烈的情况之下，保持整体电路的高效率是必须的。前级恒压输出效率可达93%，因此在不考虑控制电路的情况下还是不错的，所以控制电路设计的一个核心就在于选择自身功耗极小的元器件，尽可能小的引入元器件功耗。本电路主要包括电源电路，程序下载电路，MCU主电路，调光控制输出电路，串口控制电路，时钟产生电路（补充电路），在实际设计的时候，我都注意使用所有方案中能实现基本功能的结构最简单电路，尽可能少的使用元器件，对于不需要的芯片引脚浮空处置，不引入额外功耗。电源电路使用高效率的阻容降压电路，程序下载电路使用几乎不引入功耗的ISP下载电路，MCU选用在5V标准电压的情况下典型直流输出电流仅为15mA的ATS51单片机，调光控制电路选用极低功耗的LM3404DC-DC转换芯片，串口控制电路采用美信公司生产的一款兼容RS232标准的芯片MAX232，在5V电源供电情况下，典型输入电流仅有8mA，而补充的时钟/日历电路采用的是典型功耗低于5mW的ds1307时钟/日历芯片。经计算和测试均表明后级效率可以高达95%，整体效率可达到88%。

3.3 电源电路实现

控制部分电源要把交流220V转换为直流5V供MCU和其它外围元器件工作，考虑到整个LED驱动电路体积因素，该电源电路体积不能太大，故不能用工频变压器。另外，考虑到整个系统的效率，该部分电源电路的效率还必须高。

由于控制部分的功耗不是很大，本文选用阻容降压电路来提供控制部分电源。在输出电流很小的情况下，阻容降压电路效率高，工作很稳定，已被广泛应用于

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

充电式剃须刀、手电筒等便携设备。其电路原理图如图3-1所示。

F1LR1C1B1+5VAC-220VD1NC4C3C5

图3-1 控制部分电源电路

电容C1的作用为降压和限流，电阻R1为泄放电阻，其作用为：当正弦波在最大峰值时刻被切断时，电容C1上的残存电荷无法释放，会长久存在，在维修时如果人体接触到C1的金属部分，有强烈的触电可能，而电阻R1的存在，能将残存的电荷泄放掉，从而保证人，机安全。B1起整流作用。稳压管D1把输出电压稳定在5V，供MCU使用。C3、C4、C5为滤波电容，将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压。

降压电容C1的取值是按照负载所需电流值来设计，采用全波整流时，输出电流的大小Io与电容C1的关系式为：

0.VZc Io0.2202fC161C1

（3-3）

其中，C1单位为uF，Io单位为mA。

图3-2 电源电路实物图

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3.4 程序下载电路

早些时候，在开发MCS-51系列单片机的时候，需要高价购买编程器，但是编程器价格昂贵，常见51单片机编程器价格浮动在50-200元之间，而且编程器需要将单片机从电路中取下插入编程器中待程序下载完成之后再重新插入电路中，十分麻烦，这样的操作也只适合于新手上路时学习单片机，对于需要在生产制造中重复检测程序并修改的实际工业生产，以及在使用中随时可能根据情况变化修改程序的实际使用，编程器是不适用的。近年来，随着ISP（In-System Programming）技术的出现，开创了一种全新的单片机开发过程[8]。ISP是指在线编程或在线下载，有了这种技术，技术员和工程师就可以在计算机控制下，随心所欲把程序在线下载到目标芯片中。而且成本也大大降低，ISP在线编程组件的制作成本可以控制在10元以内。

ISP下载基于串行传输方式，并且符合SPI协议。在SPI协议中，数据的接受与发送是同步进行的，即在同步时钟的作用下，在发送数据的同时也接受数据。ATS51单片机的ISP引脚共有4个：RST，MOSI，MISO和SCK。各引脚的功能如下：RST为在线编程输入引脚端，仅在ISP下载过程中保持高电平，在系统正常工作时该引脚为系统复位端，保持低电平状态。MOSI为主机输出/从机输入的数据端，系统正常工作时，该引脚为通用I/O P1.5口线。MISO为主机输入/从机输出的数据端。系统正常工作时，该引脚为通用I/O P1.6口线。SCK为串行编程的时钟端，可实现主从机时序的同步，该时钟频率不得超过系统时钟的1/16。系统正常工作时，该引脚为通用I/O P1.7 口线，ATS51单片机的引脚功能如图3-3所示。

图3-3 ATS51单片机ISP引脚功能图

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

ATS51单片机的在线编程（ISP）电路设计如下：计算机并行接口共有25个口线，主要包括数据端口D0-D7（端口发地址为378H，用于数据输出）；状态端口Busy,nAcK,PE,Select,nError（端口地址为379H，用于数据输入）；控制端口nSelin,nInit,AnrtoFeed,nStrobe（端口地址为37AH,用于输出控制）。从中选出四个口线来模拟ISP所需的引脚，非常灵活，只需考虑数据的输入，输出方向和操作方便，但要注意同一端口的数据方向必须一致，例如数据端口是8位同时操作的，只能全部作为输入或者输出，而不能将一部分作为输入，另一部分作为输出。电路图3-4可实现ISP下载：

图3-4 ISP下载电路

该电路在计算机并行接口部分，用第6脚模拟SCK，第7脚模拟MOSI，第9脚模拟RST，第10脚模拟MISO。

3.5 MCU主电路

MCU(MicroControllerUnit)中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

当前市场上单片机种类繁多，功能和使用场合各有不同，经过网络查询和销售公司网络咨询，发现当前市场上最常见最普遍的单片机型包括ATMEL公司生产的51系列单片机，Microchip公司推出的PIC系列单片机，德州仪器公司生产的msp430单片机，ATMEL公司生产的AVR系列单片机，这几种系列使用广泛，产量巨大，在互联网上有大量的相关学习资料和网络论坛，因此学习和使用相对

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更加方便，出现问题也更容易找到解决的办法。

PIC单片机采用精简指令集（RISC），数据线和指令线分离，使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机，

图3-5 世界上最小的单片机PIC12C508外型

PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。然而也正是因为PIC单片机种类繁多，各种类之间功能，结构差异较大，使得学习起来非常麻烦，同时由于PIC单片机功能指向性极强，使得选型苦难，在本课题下不是非常适用。

MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，与其他同类单片机相比具有极其强大的处理能力，它采用了精简指令集（ RISC ）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns[9]。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。同时在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。 MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

它唤醒只用 6us 。因此MSP非常适合用在对功能要求很高的应用场合。不过MSP单片机因为出众的性能，因此价格也很高，其各型号价格在30元至100元不等，在本课题中使用MSP430性价比显然不是最优的。

片上资源丰富。MEGA系列片上具备JTAG仿真和下载功能。片内含有看门狗电路、片内程序 Flash、片内数据RAM、同步串行接口SPI、异步串口UART、内嵌AD转换器、EEPROM、模拟比较器、PWM定时计数器、TWI（IIC）总 线接口、硬件乘法器、振荡器的实时计数器RTC、片内标定的RC振荡器等片内外设，可以满足各种开发需求。性价比高。在高性能的前提下，并没有增加芯片的价格，价格可以和51相比。但是近年来AVR由于使用者越来越多，市场逐渐出现了供不应求的趋势，因此价格持续上涨，同时订货较难；另外尽管AVR运行速度非常快，但是实际上单片机的速度并非越快越好，芯片跑的速度越快它的抗干扰能力越差，功耗越高。而且同时由于AVR单片机里没有分频的部件，所以速度就快了，但是它是以牺牲抗干扰为代价的。

课题最终选择了ATMEL公司的S51单片机，ATS51单片机是与MCS-51系列兼容的产品，具有相同的指令集。它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，256字节RAM，32个可编程I/O口，三个16位定时器/计数器，八个中断源，工作频率可高达33MHz。该控制器在拥有这么多资源和功能的情况下，价格还很便宜，实际上51单片机几乎是当前市场上价格最便宜的单片机，完全可以胜任该LED驱动器的各种控制功能。

MCU系统电路如图3-6所示。ISP下载接口用作微控制器的程序下载和调试；C2、R4一起构成了上电自动复位电路； IO口P1.3输出信号控制继电器JK1的闭合与断开，从而控制驱动电路部分的电源的开关，实现自动开关灯；IO口P2.4产生PWM信号，通过光电耦合器耦合到驱动部分控制芯片的Vcontrol进行调光，更实现了控制部分和驱动部分电气隔离，增强了控制部分的抗干扰能力。IO口P2.5 、P2.6用作设置和读取实时时钟。

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图3-6 MCU主电路图

3.6 串口通信控制电路

3.6.1 串口通信基本原理

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线Universal Serial Bus或者USB混淆）。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。

典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：

a，波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。

b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准 ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。

c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

d，奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真

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正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步

3.6.2 单片机串口通信原理

MCS-51单片机内部有一个全双工串行接口。一般来讲，只能接受或只能发送的称为单工串行口；既可接受又可发送的，但不能同时进行的称为半双工；能同时接受和发送的串行口称为全双工串行口[10]。

单片机串口通信采用的是异步传送方式。异步传送是通过一个通用异步收发器UART实现的。因此，对于接受方来说就有一个如何判断新字符到来的问题。在异步通信时，收发双方应达成协议，一是规定字符格式：采用几位数据，是否进行奇偶校验，几位停止位等。二十规定波特率。

MCS-51单片机的串行口有两个物理空间上各自的发送缓冲器和接收缓冲器。这两个缓冲器公用一个地址99H。发送缓冲器只写不读，接收缓冲器只读不写。接收缓冲器式双缓冲的，以避免在接收下一帧数据之前，CPU未能即使响应接收器中断，而产生的数据重叠问题。 3.6.3 串口电路设计

PC机的电平与单片机电平是不能直接兼容的，因此需要一个电平转换芯片完成串口通信。MAX232是美信公司生产的一款兼容RS232标准的芯片，它能够在PC机的串口TIA/EIA-232-F电平与单片机引脚间的TTL电平之间进行转换[11]。

图3-7 串口通信电路

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

3.7 调光控制输出电路

调光控制输出电路即是本电路最核心的子电路，它接入第一级的电源驱动部分电路恒压输出，并通过DC-DC转换得到直接驱动大功率LED的恒流输出，并提供一个PWM信号输入端口，允许MCU在此输入占空比可调的方波信号，调节最后输出的电流大小。

LM3404HV是一款由降压型调节器（buck型电路）衍生出来的受控电流源，它内部集成了能承受最大电流为1.5A功率开关管，专为驱动正向电流高达1.2A的大功率LED而设计。 3.7.1 芯片特点

LM3404HV采用恒定导通时间控制模式无需外接环路补偿，其输入电压可由6V到75V，提供的PWM调光端口，且有过流保护、欠压保护、过热保护等功能。芯片整体具有高效率，电路简单，成本低等特点。 典型应用

图3-8 LM3404典型应用

3.7.2 芯片原理

恒定导通时间控制模式工作原理

LM3404HV采用的恒定导通时间控制模式。

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图3-9 恒定导通时间控制原理图：比较器与触发器

图3-9展示了一个用于控制流过LED阵列电流的反馈系统，电流IF流过感应电阻RSNS产生一个电压信号VSNS。电压VSNS反馈到芯片的CS端，然后与一个200mV的基准电压VREF相比较，当VSNS低于VREF时比较器输出高电平使功率管开启。功率管一旦开启将持续一个固定的导通时间tON,导通时间tON的大小由外接电阻RON和输入电压VIN共同决定[12]，其公式为：

RONVINtON1.341010 (3-4)

当tON时间结束时，功率管将关断等待下一个周期的开启。 迟滞控制模式

由前面分析知道，在图3-8中，电流IF流过感应电阻RSNS产生一个电压信号

VSNS。电压VSNS反馈到芯片的CS端，然后与一个200mV的基准电压VREF相比较，

当VSNS低于VREF时比较器输出高电平使功率管开启。功率管开启后，在迟滞控制模式下，流过电感电流持续增大，而同时电压VSNS持续反馈到芯片的CS端，然后与另外一个300mV的基准电压VREF相比较，当VSNS增大到大于VREF时比较器输出高电平使功率管关断，之后周而复始，输出电流即电感电流基本稳定在200mV/RSNS到300mV/RSNS之间。

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

图3-10 迟滞比较器

结合上述分析,比较COT控制模式和一般的迟滞控制模式。一般的迟滞控制模式由电压下限和电压上限来控制开关管的开通和关断。COT控制模式保留了电压下限的比较,引入了恒定导通时间来取代电压上限以实现控制开关管的关断。因此COT控制模式既保留了迟滞控制模式中因无误差放大器和环路补偿元件而瞬态响应快的优点,又改善了迟滞控制模式中开关频率大小易受其他电路参数变化影响的缺点,提高了频率稳定性。 纹波电流和平均电流

在COT工作模式中，最低电流由式（3-5）给出：

0.2VOtRSNSL ILMINSNS （3-5）

在上式中，tSNS表示的是迟滞比较器的传播延迟，这个延迟大约是220nS。而平均电感电流和平均LED电流则等于ILMIN再加上电感纹波电流的一般： IFILILMINiL/2 (3-6) 输出电压范围

在COT控制模式中，300nS的关断时间了开关转换器的最大工作占空比，

DMAX,然后因此也就了最大输出电压VO(MAX)，DMAX和VO(MAX)由式(3-7)，（3-8）

决定：

tONtONtOFFMINDMAX （3-7）

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VO(MAX)DMAXVIN （3-8）

开关频率较低时，开关管最大占空比和最大输出电压会更高一些，最高可高到与输入电压相接近：

TSW300nsTSWVO(MAX)VIN （3-9）

TSW1/fSW (3-10)

在COT控制模式下，LM3404的最小开启时间是300ns，这个TON的下限决定了最小的占空比和最小输出电压：

300nsTSWVO(MIN)VIN （3-11）

BUCK开关管供电结构

LM3404内部包含有一个具有7V输出的线性调节器，接在VIN引脚和VCC引脚之间。VCC引脚通过一个仅有0.1uF的瓷片电容接地，VCC在VIN达到8.8V之前跟随VIN变化，在VIN大于8.8V后校准在7V。LM3404内部在SW引脚和BOOT引脚之间有一个开关管，开关管栅极接在一个自举电路上，自举电路由一个内部的高压稳压管和一个外接的电容CB组成。在MOSFET关断时，VCC通过内接二极管对CB进行充电，当MOSFET开启时，内接二极管反向截止，CB对提供一个约等于VCC的电压对MOSFET进行供电。

图3-11 内部开关管供电结构结构图

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

恒流驱动原理：

传统的电压型Buck变换器主电路如图3-12（a）所示，开关管导通时电感和电流充电，开关管关断时，电感电压反向，负端被稳压管钳位于地，并联电容为大电容，保持输出电压基本稳定。Buck型大功率LED驱动变换器是在其基础上变化而来的。开关功率管Q从输入端移到电感后面，使得开关管Q源极接地，从而更有利于开关管Q的驱动。大功率LED负载与电感串联后，再与续流二极管D反并联连接。与电压型Buck变换器拓扑相比，由于省掉了滤波电容，使得电路的结构变得简单，如图3-12（b）所示。

DVDLLLEDQDVinCRVoVin+VFiLVLQ-Rs(a)电压型Buck变换器(b)Buck型大功率LED驱动器

图3-12 电压型Buck变换器和Buck型大功率LED驱动变换器主电路图

在大功率路灯LED照明系统中，尽管给LED供电的初级电源几乎都是电压源,但是LED需要的是合适的工作电流,所以恒流源驱动电路实际上需要是一个电压/电流变换器。在BUCK电路中,电感与负载串联使得输出电流连续,所以BUCK电路易设计成恒流源输出。下面以BUCK变换器为例来阐述其电流驱动原理,如图3-13所示。

DC控制及驱动电路

图3-13 恒流驱动原理电路图

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在该变换器中,控制器不需将电源输出稳压,而是直接针对电流感测电阻的两端电压进行调节，因此不需要在输出处保留为负载供电和起恒定电压作用的大电容，此时通过白光LED的电流由芯片供应的参考电压值和电流感应电阻值决定。 内部保护电路原理

LM3404是一款具有过流保护、过热保护等保护功能的芯片。

过流保护：功率开关管电流一旦超过1.5A（典型值），限流保护比较器就会进入工作状态。功率开关管会因此关断一个长达75个稳态开启时间的冷却时间，之后系统会重新启动。如果电流仍然不减小，那么这种冷却-重启的状态就会重复，导致系统进入一个低能耗的中断搁置状态，使得LM3404的热应力和外电路能达到最小化。过热保护：一旦最大结温超过165C，内部过热关断电路就会启动保护芯片以免被烧坏。 LM3404 PWM 调光原理

LED的调光方法分为模拟调光和PWM调光。模拟调光是通过改变流过LED的电流大小实现光亮的变化,其缺点是电流的改变也会导致色偏现象的产生。而PWM调光则是保持电流大小恒定,以一定频率开通和关断LED,通过改变开通和关断的时间比来实现调光,因此能保证调光过程中的色纯度。若PWM占空比为50%,则流过LED的平均电流为导通时流过的电流的一半。只要让其频率大于85 Hz,人眼便无法看出光的闪烁。LM3404的DIM引脚与TTL电平兼容，可以用于低频PWM调光输入。DIM引脚的逻辑低电平会导致比较器输入为负，从而使得功率MOSFET关断，进而使得流过LED阵列的电流为0。但是在DIM引脚输入为低时，其他辅助电路（驱动管，带隙基准，VCC）仍然会处于活动状态，这样一旦DIM引脚恢复为高，则LED重新变亮的迟滞时间就可得到最小化。一个75uA的上拉电流源确保了即使DIM引脚开路LM3404仍能处于工作状态，从而省去了一个上拉电阻，简化了电路结构。调光频率和调光占空比受到LED上升时间和下降时间以及DIM引脚到功率开关管之间延迟时间的影响。总体而言，调光频率应当比稳态开关频率第一个数量级，以免引起失真和不稳定。

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第3章 PWM调光电路的设计与实现

图3-14 LED恒流驱动电路

3.7.3 设计考虑 开关频率

开关频率的选择基于以下折衷：效率（低频性能较好），电路整体尺寸大小（高频时较小），有效输出电压范围（低频时更宽）。很多实际应用场合工程师也会把电磁干扰特性作为一个参考因素。在实际应用中，开关频率的变化范围从几十KHZ到1MHZ不等。最大开关频率仅受最小开启时间和最大关断时间。 LED纹波电流

在标准电压调节器中，纹波电流的选择和输出纹波电压的选择是类似的。电压调节器输出纹波通常为直流输出的1%到5%，而LED的生产商则建议输出纹波电流能达到输出直流电流的5到20%。纹波电流变大的情况下，电感可以减小，输出电容可以减小甚至不用。另外，高纹波电流还可以带来小尺寸和低成本。高纹波电流能带来高的等效输出电感，大的等效输出电容以及跟高的开关频率。除此之外，高的纹波能减小LED自身的能耗。 输出电容

在非拓扑结构中，BUCK调整器是独一无二的，因为它的电感和负载在整个开关周期中都是是直接相连的。LM3404是专门为LED驱动之类的电流开关调节器而设计的，它重视的是对流过电流的控制而不是对输出电压的控制。恒流调节器没有电流瞬变效应，因此不需要在输出接一个维持恒流的电容。对于COT控制模式，纹波电流由以下公式决定：

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iLiFVINVOLtON (3-12)

在保持流过电感和LED阵列的平均电流不变的情况下，一个与LED或LED阵列并列的电容可以有效降低LED纹波电流。接上并接电容后，电路能够运行在更低的工作频率下，而且还能保持相同的输出电感值，提升效率，并增大有效的工作电压范围。与此同时，不管流过LED的纹波电流有多小，过流保护电路仍会监视流过电感的电流。

图3-15 外接输出电容LED和电感纹波电流

图3-15表示的是当外接电容CO和它的等效电阻并接在LED阵列上之后，对于纹波电流而言各自的等效阻抗。而对于CS检测端口而言，整个电感电流都将流过RSNS以供检测。在计算各自纹波电流时，LED阵列被等效为一个电阻，rD。尽管LED等效电阻在生产商提供的的DATASHEET中并不是总是被提供的，但是它总能通过计算

VFIF来获得。直接用VF除以IF会高出实际的5倍到10倍。一列

串联LED的总电阻可以通过用单个电阻乘以n来获得。当在LED上并接输出电容时，iF可以通过下式计算获得：

iL1rDZCiF (3-13)

ZCESR12fSWCO (3-14)

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输入电容

对于接在VIN引脚的输入电容的选择，是基于对最小电容和纹波电流有效值的考虑的。当功率MOSFET开启的时候，输入电容提供大小约等于IF的脉冲电流；而当功率MOSFET关断时，输入电压则为输入电容进行充电。由于输入电压上升时输入电流下降，LM3404这一类开关转换器具有负的输入阻抗。如果输入阻抗的幅值大于输入滤波电容的阻抗，输入电流与输入电阻的反比特性就会引起振荡。因此可以通过比较输入阻抗和转换器的负电阻来获得最小输入电容。然而这就需要精确计算输入电压源的内阻，而这是非常难以计算的。另一个可供选择的方案是通过最大输入电压纹波来计算最小输入电容，这个电压纹波值是等于在开启时间内CIN两端的电压值的。CIN(MIN)可以通过下式进行计算：

IFtONVIN(MAX)CIN(MIN) (3-15)

实际应用中通常取这个计算值的两倍来作为输入电容。而对于电流有效值，可以用下式进行计算：

IIN(rms)IFD(1D) (3-16)

由于瓷片电容相比于其他种类的电容，它具有高的纹波电压比，低的ESR，低成本和小的尺寸，因此对于LM3404的输入端来说，瓷片电容是最佳选择。 续流二极管

LM3404是一个不同步的buck型开关调节器，它需要一个续流二极管在功率MOSFET关断时为电感电流提供通路。由于肖特基二极管低的正向压降和几乎为0的反向恢复时间，它也就成为了D1的最佳选择。D1必须选择来能够承受最大电压再加上开关管导通时的任何振荡纹波。而实际上，由于寄生电容和接线电感的存在，任何开关调节器在开关二极管上都会有纹波。同时D1还必须要能够应付平均电流ID，计算如下：

ID(1D)IF (3-17)

当占空比较低时，开关调节器整体效率更加依赖于对D1的选择，而同时续

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流二极管将会在更多的时间里为电感提供电流通路。这时的功耗可以通过查看典型正向电压VD，并在产品DATASHEET的I-V曲线图上找到对应的电流，二者相乘而得出。同时DATASHEET还会提供一个结和外部环境之间的热电阻，JA，然后在通过这个热电阻估算器件的最高承受温度。最后就可选择出合适的肖特基二极管以确保二极管温度始终在最大温度之下。 3.7.4 第二级LM3404HV参数及外围电路设计

第二级的设计目标是在输入电压V左右时，输出恒流700mA，此时输出电压为48V。

电阻RON和导通时间tON的设计

由图3-16所示当输入电压为V时，要想得到输出48V的电压开关频率大概应低于280KHz，考虑到一定的余量和芯片功耗认为开关频率fSW在200KHz左右是一个比较合适的取值。 由公式：

VO1.341010RONfSW (3-18)

可得， RON1.8M

图3-16 LM3404最大输出电压与开关频率关系

此时

ton1.341010RONVIN4.47S

输出电感L的设计

考虑到LED能接受的电流纹波和电感的尺寸和成本，输出电流纹波的峰峰值

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为输出电流的15%是一个比较好的折中：

iL0.150.70.105A (3-19)

电流纹波的要求决定了输出电感值的大小：

LVINVDSVOiLtON212.8H, 其中VDS为芯片内部功率管导通时漏源

两端压降，典型值为1V。与212.8H最接近的标称电感值为220H，故取L=220H，此时的输出电流纹波峰峰值iL0.102A。 采样电阻RSNS的设计

采样电阻RSNS的大小主要受输出平均电流IF中直流成分ILMIN大小的，设计要求IF=700mA，所以ILMINIFiL/2 =9mA。由公式：

0.2LILMINLV0tSNSRSNS (3-20)

得 RSNS0.287，其中tSNS为芯片CS端内接比较器的传输延时，典型值为220ns。

由于0.287的阻值不是标称值，所以采用了0.33电阻和2电阻并联的方法，得到的RSNS0.283，带入公式重新推导得出：

IF0.2RSNSVOtSNSLiL2709.7mA，以上都是理论值，实验数据显示

IF恒定在700mA1.5%以内的某个值。

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图3-17 PWM调光电路

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第4章 程序设计

第4章 程序设计

本课题程序主要功能包括为LM3404提供预定的PWM信号，进行调光控制。同时利用串口中断监视PC机发送过来的时间设置信号，包括调光时长，全额发光时长，随时修改原有的时间设置，进入新的调光状态。

具有调光功能的大功率LED驱动器的软件包括主程序和各功能子程序两大部分，主程序主要提供初始化程序和各子程序入口的判断，各功能子程序则完成PWM波产生、串口中断执行等功能，所有程序都采用C语言编写。

4.1开发环境

系统所有软件的开发和调试都采用Keil C51集成开发环境[13]，该开发软件是目前世界上最好的51单片机的汇编和C语言的开发工具，支持汇编、C语言以及混合编程，可以直接生成能烧写到单片机中的.hex执行文件，操作十分方便。它可以完成从工程建立和管理，编译，连接，目标代码的生成，软件仿真，硬件仿真等完整的开发环境。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

Keil C51集成软件开发环境如图4-1所示：

图4-1 Keil C51集成软件开发环境

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4.2 程序烧录软件

程序下载我使用了easy pro 51 uv2 烧录软件，easy pro 支持ATC51，C52，C55以及S51和S52。烧写过程具有性能稳定，烧录速度快，性价比高等优点。 Easy pro 软件界面友好，菜单，工具栏，快捷键一应俱全，全中文操作，提供加密功能，可以保护软件作者的创作产权。Easy pro 功能完善，具有编程，读取，校验，空检查，擦除，加密等系列功能。Easy pro 烧写深度确保每一片C51系列芯片的反复烧写次数都能达到1000次以上，内部数据至少保存十年。所以综上所述，easy pro 是非常适合用于完成本课题的软件烧写工作的。 Easy pro 烧写软件界面如下所示：

图4-2 Easy Pro 操作界面

4.3 串口操作软件

本课题的串口调试工作使用“串口调试助手”，一个的专门的串口调试界面，来完成。串口调试助手是一个很好而小巧的软件，界面友好，菜单，工具栏，快

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第4章 程序设计

捷键一应俱全，全中文操作，支持常用的300-115200bps波特率，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件，背景颜色可选，窗口可钉在最上层，有利于观察数据。

串口操作助手界面分为设置区，接收显示区和发送输入区，下面分别说明[14]：

图4-3 串口调试助手操作界面

串口设置区：

在串口设置区中可以设置串口，波特率，校验位，数据位以及停止位等串口通信参数。 接收显示区：

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接受显示区显示接受到的数据，可以设置为自动清空，也可以设置为手动清空。为了看清接受的数据，可以让显示暂时停止（但数据仍在接受），之后可继续显示。默认显示格式为ASCII码显示。 发送输入区：

发送输入区可以填写需要发送的数据。输入需要发送的字符数据后，单击“手动发送”则发送一次；若选中“自动发送”，则每隔一个设定的发送周期自动发送一次。

4.4主程序

void main(void) // 主函数 {

Control_start(5,5) ; //开始演示1分钟

init_com() ; //调用串口初始化程序 while(1) //主循环 {

while(!RI) ; //等待接收 RI=0;

bridge=SBUF ; //全亮时间 lighton=bridge-0x30; while(!RI) ; //等待接受 RI=0;

bridge=SBUF ; //调光时间 half=bridge-0x30;

Control_start(lighton , half) ; //参数输入后重新演示 init_com(); } }

4.5 调光控制程序

以往的调光是直接将光亮度降低为全额的一般或者一定比例，而这样做对于能量的分配是不够合理的。于是本文对于调光程序是一个连续变化的过程。调光

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第4章 程序设计

在凌晨的时候LED从全额亮度缓缓降低亮度直到全灭；而在傍晚的时候则是从全灭逐渐升高亮度知道全额发光。其实，这就是一个让调光占空比逐渐随着时间变化的过程。

void Control_start(m,n) //控制函数 {

int i , j , k , x1 . x2 , a1 , a2 ; //定义循环变量 IE=0;

P1=0; //亮 for(j=m ; j>0 ; j--) //定时m秒 {

for(i=500 ; i>0 ; i--) //一秒的循环 {

TMOD=0x01; TL0=0x18; TH0=0xFC; TR0=1; while(!TF0); TR0=0; TF0=0; } }

for(k=500 ; k>0 ; k--) //500的基本循环 {

for(j=n ; j>0 ; j--) //n秒的循环 {

x1=(k+1)%256 ; x2=(k+1)-a1*256 ; a1=1-x1 ; a2=F4-x2

//转换为十六进制

;

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P1=0xFF;

for(i=2 ; i>0 ; i--) {

TMOD=0x01; TL0=256-a2; TH0=255-a1; TR0=1; while(!TF0); TR0=0; TF0=0; } P1=0;

for(i=2 ; i>0 ; i--) {

TMOD=0x01; TL0=256-x2; TH0=255-x1; TR0=1; while(!TF0); TR0=0; TF0=0; } } } }

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第5章 电路制作调试及测试

第5章 电路制作调试及测试

5.1 PCB的设计制作

PCB的设计制作是电子产品开发中的一个重要环节，PCB设计的好坏会直接影响电路的性能。许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电路可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电路的PCB设计存在着许多问题，特别是像本课题这种开关电源与微控制结合的电路系统，PCB如果设计不好，极有可能导致开关电源和MCU不能正常工作。

进行电路PCB设计时，必须注意以下PCB设计要点[15]： 5.1.1 电源、地线的处理

既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。

在电源、地线之间加上去耦电容。 尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，对数字电路部分的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用)，用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用，增强抗干扰能力。

5.1.2 数字部分与模拟部分的共地处理

由于本文设计控制电路将要与第一级的电源驱动电路共同制作在同一块PCB上，因此整个系统的PCB不是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。

数字电路（MCU部分）的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如接头等），数字地与模拟地进行一点短接。 5.1.3 信号线布在电源（地）层上

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在多层PCB布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电源（地）层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。 5.1.4 大面积导体中连接腿的处理

在大面积的接地中，常用元器件的腿与其连接，对连接腿的处理需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：①焊接需要大功率加热器。②容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离（heat shield）俗称热焊盘（Thermal），这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。

5.1.5 设计规则检查（DRC）

布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面：线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否紧耦合，在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度最短，加保护线，输入线及输出线是否被明显地分开。模拟电路和数字电路部分，是否有各自的地线。后加在PCB中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。

按照以上要点，采用Protel DXP软件设计本电路的PCB，设计完成后的PCB如图5-1所示。PCB加工完成后就可以进行元器件焊接和电路调试。

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第5章 电路制作调试及测试

图5-1 设计完成的LED驱动电路PCB

5.2 电路的调试

具有调光功能的大功率LED驱动电路PCB（由于调光控制电路是整个系统的第二级，因此调试的时侯需要整个一起调试）焊接、安装完毕后，首先应对电路板进行检查，即确认电路元件无虚焊，无短路，无断路，集成元件的安装是否正确，之后才进行电路模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：单片机电源部分调试，单片机晶振时钟和上电自动复位电路的调试，单片机ISP程序下载调试，自动开关灯和调光功能的调试，串口电路的调试。在整个调试过程中遇到了很多问题，这些问题产生的主要原因是对LM3404芯片和串口通信电路的工作原理没有彻底地吃透，因而最初设计计算出来的电路元件参数不正确，从而导致整个电路系统不能正常工作，经过查阅相关资料和对资料的仔细深入地消化和理解，和在电路板上的反复调试，这些问题最终都得到了一一解决。

5.3 电路的测试

系统电路调试成功后，就需要对电路各参数、指标进行测试，以保证实际电路满足设计要求。本系统电路的测试项目主要有调光测试，串口通信测试和效率测试。测试平台主要有高压示波器，万用表和由20个1W大功率LED灯串联成的LED负载。 5.3.1 基本功能测试

基本功能测试就是测试LM3404在输入电压V左右时是否能够正常驱动串联的20个1W大功率LED灯正常发光、调光和自动开关灯，这是一个定性的测

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试，是电路测试的第一步，也是最基本的测试项目。经过测试，发现在接通系统电源后，LED灯10秒后自动开灯，发光强度很高，隔10秒后亮度逐渐降低，说明进行了调光，而且调光程度是逐渐变化的，再过10秒就自动关灯了，这些动作完全是按照程序的预先设定执行的，所以由此可以说明调光控制电路的基本功能正常，可以进行下一步测试。驱动器高亮工作状态和调光状态分别如图5-2（a）和5-2（b）所示。

(a)(b)

图5-2 LED驱动器高亮工作状态（a）和调光状态（b）

5.3.2串口通信测试

串口通信测试就是测试当操作人员在PC界面上重新输入调光参数时，大功率LED灯的调光效果是否会相应地发生变化。经过测试发现，当在串口调试助手上输入两个数据后（根据约定，第一个为全亮时常，第二个为调光时常），大功率LED灯全部重新全额发光，持续与输入时间相同长度时间后，亮度开始逐渐降低，并在维持与约定相同时间后亮度彻底降低为0，说明串口通信操作是成功的。 5.3.3效率测试

电源效率等于输出功率与输入有功功率的比值，有功功率等于视在功率乘以功率因素，由于现有的仪器只能测试视在功率，所以需要知道功率因素。根据对第一级功率因素的测试结果可近似认为功率因素为95％，因此，此处只能做简单的效率测试。输入电压的测试可以直接用万用表交流电压档进行测量，输入电流还是采用在输入回路上串联一个小电阻，然后测量电阻上的电压计算输入电流的方式进行测量。在输入电压185V－265V范围内测试，测试结果如下表所示：

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第5章 电路制作调试及测试

表5-1 第二版输入电压VS.效率（未调光）

输入电输入功率 功率因数 输出功率 第二版电路效率 压 80 97.51 0.99 79.01 0.810275869 120 111.01 0.99 93.75 0.844518512 160 115.72 0.99 98.92 0.8821984 180 116.83 0.99 100.17 0.8573991 200 118.03 0.99 101.29 0.858171651 220 120.19 0.98 103.56 0.861635743 240 120.29 0.98 103.59 0.861168842 250 120.59 0.98 103.72 0.860104486 表5-2 第二版输入电压VS.效率（调光至2/3时）

输入电压 输入功率 功率因数 输出功率 80 120 160 180 200 220 240 250

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80.1 79.1 78.9 79.1 79.2 79.3 79.5 79.6 0.99 0.99 0.99 0.99 0.98 0.98 0.98 0.98 第二版电路2/3负载时效率 67.77 0.846067416 68. 0.867762326 68.79 0.871863118 68.79 0.86965866 68.79 0.868560606 69.07 0.870996217 69.08 0.8630818 69.08 0.867839196 电子科技大学学士学位论文

第6章 结束语

大功率LED智能控制电路是一种非常实用和具有商用价值的新型大功率LED调光控制电路，该控制电路主要用于作为路灯照明LED驱动电路的第二级控制电路和输出转换电路。它采用了DC-DC转换芯片，单片机，串口通信技术，充分利用DC-DC转换芯片的输出可调节功能和单片机的串口通信功能，实现了对反激式开关电源输出的智能控制。

本文首先介绍了对于大功率LED输出调光的优点，意义，和国内外动态。然后介绍了白光LED发光原理，发光特性和可调光特性以及常见调光方法。之后讨论了课题方案的选择，最后针对本课题，设计了适合本课题要求的大功率LED智能控制电路，同时进行了该控制电路PCB的设计及制作，并进行了实际电路的调试和测试，各项指标均达到课题要求。完成了从电路原理图设计到形成最终电路产品的全过程。

本文重点论述了能将恒压输出转换为恒流输出的LED控制电路的设计及其实现，并且对于以DC-DC转换芯片为核心的调光控制电路的原理和分析设计进行了详细阐述，同时还对实际PCB电路进行了详细测试。

本文的创新点在于利用一颗具有输出调节功能的DC-DC转换芯片将反激式开关电源的恒压输出转换为恒流输出，成功解决了反激式拓扑恒流输出效率不高的问题。另一个创新点在于在调光程序的设计中没有向以往一样调光全程亮度不变，而是更加理性化地设计出能够随着时间变化亮度逐渐变化的调光程序，从而使得调光过程中能量的分配更为合理。

本文的难点正是PCB版图设计中单片机输出会对DC-DC转换芯片产生干扰的问题。经过反复优化PCB版图，难点最终得以攻克。

由于本人时间以及水平的，文中疏漏和错误在所难受，随时恭聆各位老师或读者的保贵意见！

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参考文献

参考文献

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[2]周志敏,周纪海,纪爱华.LED驱动电路的设计与应用.北京：人民邮电出版社.2006.12.33~34.

[3]App.Note：白色LED的恒流驱动.http://www.maxim-ic.com.cn . [4]胡逢康. LED驱动电路技术概述. http://www.ye2000.com . [5]文茂强. LED技术全攻略－工程师必备手册.电子工程专辑. [6]陶显芳.开关电源原理与设计. http://wenku.baidu.com/view [7]郑铁民.LED灯具用电源及控制电路不容忽视.www.ic37.com

[8]李川，汪秋蒙.ISP技术的原理及实现方法.电子制作，2008，No.2：~58. [9]Texas Instruments. MSP430X11X, Mixed Signal Microcontrollers. MSP430 DataSheet.] [10]万福君，潘松峰. MCS-51单片机原理，系统设计与应用.安徽合肥：中国科学技术大学出版社，2005.182~183.

[11]Maxim integrated Products. 15KV ESD-Protected, +5V RS-232 Transceivers. MAX232 DataSheet.

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[13]陈兴文，刘燕. 基于KEIL51的单片机开发系统. 微计算机信息. 2005年第21卷第5期.59-60.

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[15] (美)玛尼克塔拉（Maniktala，S.）著；王志强，郑俊杰等译.开关电源设计与优化.北京：电子工业出版社.2006年12月第1版.

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致 谢

在本文的撰写过程中，导师罗萍教授给予了悉心的指导和关心，使我克服了众多困难终于完成了论文的撰写工作。罗老师渊博的知识、严谨求实的治学态度及敬业精神，给我留下了深刻的印象，并将在我今后的人生道路上产生深远的影响，在此论文完成之际，谨向罗老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

感谢所有教过我的老师，在他们的帮助和指导下，让我不断进步，他们深厚的专业理论知识和严谨求实、勤奋敬业的工作作风给我留下了深刻印象，将使我受益终生。

感谢PSM课题组的所有同学对我的帮助，正是他们的帮助，我的毕业设计才能顺利完成。

再一次感谢所有关心我、帮助我的人！

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附录

附录

附录一：大功率LED控制电路完整电路图

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附录二：电路实物图

附录二 图1 电路实物正面

附录二 图2 电路实物反面

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外文资料原文

外文资料原文

Novel Solutions Towards Improved High Power White LED Light

Sources

Franz P. Wenzl*a, Christian Sommera, Ladislav Kunaa, Ernst Zinterla, Joachim R. Krenna, Paul

Hartmannb, Peter Pachlerb, Marko Schweighartb, Stefan Taschb and Günther Leisingc

Institute of Nanostructured Materials and Photonics, Joanneum Research Forschungsges.mbH,

Franz-Pichler Straße 30, A-8160 Weiz, Austria

EXPERIMENTAL DETAILS

In view of mainly discussing and focusing on the basic effects, the shape of the CCE itself is chosen as consciously simple within this study. It is considered to be directly placed on the LED die and to have a square-shaped base with an equal height and a flat surface. A more detailed discussion of the simulation procedure mainly relies of three steps: a) the set-up of a model for the blue LED die, b) the implementation of individual CCEs into the model for the white light source and the simulation of the color conversion process therein, and finally c) the inspection of the white light for angular homogeneity。

Fig. 1: Sketch of the simulation model: The LED model consists of a light emitting area on top of a substrate. The CCE has a square-shaped geometry of equal height and consists of yellow phosphor particles embedded in a silicone matrix. A hemispherical detector of 1 cm radius is centrically

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placed above the LED chip in order to cover the upper hemisphere completely. For the simulations, the height (h), the broadness (b) and the phosphor concentration(c) in the silicone matrix were

varied.

Briefly, in the first step of the simulation procedure an appropriate model for the blue emitting LED chip is generated, which in case of the present study relies on a LED die in Thin GaN configuration. In the following sequence of the simulation process a multitude of individual CCEs are implemented into the model of the LED light source (see Fig. 1). In order to study the impact of these parameters, for each of the individual simulation runs two parameters of the triple h, b and c are kept constant while the third one is varied .

RESULTS AND DISCUSSION

The left side of Fig. 2 depicts the results of ray-tracing simulations which concern on the influence of height variationsfor CCEs having a constant broadness of b = 1040 μm and a constant phosphor concentration of c = 10 % . Given is the mean of the CIE x coordinates which can be derived either by line-by-line averaging or by column-by-column averaging of the data matrix. For a CCE having a lower height than the optimized one, h = 100 μm (Fig. 2 a, left side) the CIE x values show a tremendous variation along the detector with the light emitted from the CCE being bluish in the centre and yellowish at the border. The optimized result, as shown in Fig. 2 b, left side, with the lowest variation of the CIE x values along the detector is found for a CCE having a height of 400 μm. For larger values of the height ，the variance of the CIE x values increases again, however in comparison with the heights lower than the optimal one the appearance of the color inhomogeneity is reversed: For heights larger than the optimized one, the light emitted from the CCE is more yellowish in the centre with a bluish fringe at the border.

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外文资料原文

Fig. 2: Left: Mean of the CIE x chromaticity coordinates for a constant layer broadness of 1040 μm and a constant phosphor concentration of 10 % vol. for different heights of (a) 100 μm, (b) 400 μm (optimized), and (c) 700 μm of the CCE Right: Mean of the CIE x chromaticity coordinates for a CCE having a constant broadness b = 1040 μm and a constant height h = 400 μm for different

phosphor concentrations: (a) c = 2 % vol., (b) c = 10 % vol., and (c) c = 18 % vol..

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Fig. 3: Normalized absorption of the CCE as a function of the z coordinate for three different heights h = 100, 400, and 700 μm. The broadness and the phosphor concentration of the CCE are

kept constant at 1040 μm and 10 % vol., respectively.

CONCLUSION

Optical simulation provides a promising tool in order to identify optimized parameter sets on the geometry and the composition of CCEs in white LED light sources and to study the underlying absorption and color conversion processes. As a consequence of the dissimilarity of the two light sources that build up the white LED, the blue light emitted from the LED die and the yellow converted light generated within the color conversion element, a concerted adjustment of the geometrical and compositional parameters is needed in order to fulfill the pre-request for angular homogeneity (the irradiance and/or radiant intensity distributions both of the blue and the yellow converted light on a detector comply).

外文资料译文

外文资料译文

高级大功率白光LED光源制造新方法

实验细节

假如我们主要讨论并集中在基本效果上，那么在本次研究中，CCE自身的形状是被有意识地选择得简单的。它被认为直接处在LED模具上并且具有一个等高的方的底座和平的表面。一个更加详细的讨论基于以下这三步：a):蓝光LED模具地制造；单个CCE制作成白光LED的过程和色彩转换过程的仿真；c）：最后，白光角度单一性的检查。

图1：仿真模型草图：LED模型包括了一块衬底顶部的发光区域。CCE四四方方而且等高，含有嵌在硅基质里的黄色的荧光微粒。一个直径1厘米的半球形的检测器被置中的放在LED片上，用于把上面半球区域彻底的覆盖住。仿真里硅基质的参数诸如高度，宽度和荧光发光

体浓度是不均匀的。

简而言之，在仿真的第一步里，蓝光LED片的一个合适的模型生成了，这也是为了应对当前的研究依赖于薄的GaN组态的情况。接下来的仿真步骤里，很多的CCE单体被用于制成LED灯源模型。为了研究这些参数的影响。对于每一次单个的仿真，当一个参数变化时，另外两个保持不变。

图2的左边图描述了针对高度变量的影响的射线追踪仿真结果，而此时CCE的宽度保持在b = 1040um不变，荧光发光体浓度保持着c = 10%不变。给出的是CIE的X坐标，它既可从数据矩阵的行对行求平均也可以是对列对列求平均来求得。对于一个高度低于最佳值（h = 100um）的CCE，CIE X坐标表明了沿着检测器的一个巨大的差异，处CCE发出的光是淡蓝色的，而边上却是淡黄色的。如同图2左图显示的，最佳结果在沿着检测器的X值最小处，高度为400um。当

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高度增加时，CIE X坐标值再度增加，但是与低于最佳高度的只相比，颜色不同一性刚好是相反的：对于高于最佳值的高度，CCE发出的光在较黄，而在边界处却有一层蓝色的光晕。

图2左：CIE X色标的平均值，宽度恒定在1040 um ，荧光发光物质浓度恒定在10% ，高

度有三种情况：a)：100um b）：400um c）：700 um

右：CIE X色标的平均值，宽度恒定在 1040 um ， 高度恒定在 400um ，荧光发光物

质浓度有三种情况：a) c=2%vol , b) c=10%vol , c) c=18%vol .

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外文资料译文

图3：标准化的CCE吸收，作为Z坐标上三个变量的函数：高度 h = 100 , 400 , 700 um 。宽

度和荧光发光物质浓度分别被恒定在1040 um 和10%vol .

结论

光学仿真提供了一个折衷的工具，可以用来识别设定在几何结构和用于制作白光LED灯源的CCE组成的最优化参数，并且用来研究基本的光吸收和色彩转换。由于构建白光LED的两组灯源的相异性，蓝光从LED模具里发射出来，而黄光通过颜色转换元素转换生成，就需要一个实现商定好的对于几何参数和组成成分参数的调整，这样才能满足对于角度同一性的预要求。（蓝光和转换出来的黄光的照度和亮度分配都满足）

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