发布时间 : 星期日 文章大功率LED驱动电路设计 本科毕业论文更新完毕开始阅读2890e119ba1aa8114431d95e
1 引言
1.1 设计背景
合肥工业大学依靠自己在特种显示方面的独特优势，一直致力于固态体积式真三维显示技术的研究，已成功完成了样机的制作，目前正在进行工程机的研制。投影显示中的光源是构成真三维工程机显示系统的重要部件，其发光效率、发光形态以及发光源形状、光谱、寿命都直接决定投影显示图像的品质。由于真三维投影系统的屏幕由20层液晶光阀组成，而且前端光路较为复杂，光能损耗较大，所以对光源亮度要求非常高。发光二极管(LED)是一种新型的固态光源,随着技术的不断进步,尤其是大功率LED的研发,使其在景观照明、交通信号灯、电视背光
源等方面广泛应用。目前市面上电视背光所用的白色光源主要有两种，一种是基于荧光粉的白LED(PC-LED)，另一种是由三基色混合出白光；三基色混合白光的光效、显色性能更加稳定，而且便于之后的配色，所以该成像
系统光源选用混合白光。经过多
图1：Pt-121灯 方调研，本成像引擎中选择了流
明公司（Luminus）生产的Phlatlight系列的型号为Pt-121的红，绿，蓝三种颜色的LED灯作为光源。这三种颜色LED灯的亮度分别可以达到1800流明、3500流明、750流明，是目前市面上最亮的LED光源。每个pt-121的发光面积为12mm2，发光面的长宽比例为4:3。它采用了专门针对高功耗、大电流而设计的封装，在基板上配有热敏电阻，以便于散热控制。
Pt-121可以工作在连续导通状态和脉冲调制（PWM）工作状态。连续导通状态的优点是驱动电路简单，色度始终保持稳定，但是由于Pt-121是始终导通，而我们不需要它一直发光，所以光能利用率非常低；除此之外，由于LED的发光寿命是一定的，如果让它一直处于发光状态，那么它的工作时间相对于PWM工作模式会大打折扣。相比较而言PWM调光的优点就在于它能大大延长LED灯的寿命，使真三维显示器的寿命不会受限于光源的寿命，当然，光能利用率非
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常高，节能效果很明显。在平均电流相同的情况下，PWM驱动方式散热要好于连续导通驱动。有优点就相应的也有缺点，PWM工作方式的缺点就是驱动电路比较复杂，电源成本比较高。综合考虑，选择PWM工作模式作为Pt-121的工作模式。按照Pt-121手册上PWM工作模式的推荐状况，取峰值电流（peak-current）为30A。由于真三维显示系统采用数字光处理（DLP）来进行图像投射，受DLP工作频率限制，要采用PWM工作方式驱动LED，那么LED的发光频率至少为31.73khz，为了保险起见，我们选择32khz作为PWM驱动频率。综上所述，的驱动板要求是能使Pt-121（红、绿、蓝）工作在峰值电流：30A，调光频率（dimming frequency）至少为32khz。
图2：Pt-121 PWM工作方式下峰值电流与亮度关系曲线图
综上所述，选择PWM作为Pt-121的驱动方式，调光频率至少为32khz，峰值电流为30A。经过调研，发现这种需求属于大电流高功率负载，国内使用很少，所以市面上能驱动Pt-121而且频率要求达到项目需求的驱动板国内还没有，国外的开发板定价很高，且没有授权。为了以后产品的规模化生产，掌握主动权，所以重新设计出符合需求的驱动板是必不可少的。
1.2 设计要求
1、由上述分析可知，要求驱动LED灯工作在PWM工作方式，峰值电流为30A，调光频率32khz。又由于Pt-121的峰值电流为36A，超过该极限值，会烧毁LED灯，所以要限制极限电流不能超过36A。要能实现模拟调光，进而实现峰值电流的调控，以便实现之后的配光、调光。
2、由于LED是电流型器件，也就是说其发光亮度与流过它的电流有关，电
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流发生变化，则LED灯的发光亮度和发出的光谱波长会发生变化。为了保证LED灯亮度的均匀性以及色度的稳定性，要求流过LED灯的电流呈现明显的方波，根据经验，明显的方波则要求方波的上升沿和下降沿总时间不能超过一个周期的10%，上升时间和下降时间相差也不能太大。
3、有欠压保护。LED灯的本质是发光二极管，有一个正向导通电压（forward voltage），当电压高于该值时LED导通发光，低于该值时LED截止。在实际工作时，如果电压恰好在导通电压附近徘徊，那么就会出现LED灯在导通与截止之间不停的徘徊,严重影响灯的寿命，所以加欠压保护是必不可少的。
4、有过载保护。任何一个可靠的电路板都应该有过载保护，如果发生了短路或者电流过大，超过36A，就会在一瞬间烧毁LED灯和元器件。
5、有高温保护。Pt-121是目前市面上最亮的LED灯，所以其发热量也是非常大的，如果不做好散热导致温度过高，会使得LED灯损毁，pt-121红、绿、蓝的极限温度是110℃、170℃、170℃。
6、有电压转换和稳压模块。驱动板的输入电压越少越好，对于固体真三维显示系统而言，它拥有庞大的电路系统，如果每个驱动板都需求一种到两种输入电压，那么成本之高可想而知，所以固体真三维显示系统要求统一电压为12V。由于我们选择的是开关电源，它所输出的电压并不稳定，毛刺比较大，所以稳压模块也是必不可少的。
7、要求散热好，抗干扰能力强，性能稳定。8、电路板体积尽可能的小，便于安装。
综上所述，大功率LED驱动板的设计要求如下：A、工作在PWM方式，峰值电流为30A，调光频率32khz，极限电流不能超过36A，有模拟调光。B、电流爬升时间和下降时间不得超过电流高电平维持时间的10%。C、有欠压保护。D、有过载保护。E、有高温保护。F、有电压转换模块和稳压模块。G、要求散热好，抗干扰能力强，性能稳定。F、电路板体积尽可能的小，便于安装。
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2 系统总体设计方案
2.1 驱动方案确定
LED灯的发光原理是其内部的电子与空穴在正向电压的作用下复合而发光，当外部电路补充的电子数与复合的电子数目相等时就会达到一个平衡，此时流过LED灯的电流值不变，LED的光谱特性单一，照度稳定。但是当LED灯两端的电压发生微小变化时，会致使参与复合的载流子浓度发生巨变，从而致使流过LED灯的电流跃变，达到新的平衡时会与之前平衡时电流相差较大，从而导致这段时间内LED的亮度不均匀，光谱特性不稳定。LED的PWM驱动又可分为恒压源驱动和恒流源驱动。所谓恒压源就是电压保持不变，电流按需分配；但是电压不变并不意味着电压就是个固定值，它会在一个较小的范围内变化，所以用恒压源驱动LED灯时会有可能使流过LED灯的电流发生跳变，会使LED灯的光学特性发生变化，更甚者有可能烧毁灯；但是恒压源结构简单，制作成本比较低，适用于对光学特性要求不是很严格的非极限场合。当要求比较严格时，比如真三维立体显示的光源，必须使用恒流源。所谓恒流源，就是输出电流保持不变，输出电压按需求而变化，选用恒流源来驱动LED，就可以保证流过其的电流稳定，从而保证LED的发光亮度和色度保持稳定。恒流源驱动的不足在于它的驱动电路复杂，成本较高，适合于高端场合。真三维显示要求光源发光色度稳定，亮度可调。色度稳定很容易实现，只要PWM的峰值电流维持不变且电流的爬升和下降时间比较小即可；亮度则可以通过调节PWM占空比来实现，这就要求不同占空比对应的平均电流线性度要好。
恒流源依据其主要构成元件大概可分为晶体管恒流源、场效应管恒流源和集成运放恒流源。晶体管恒流源，顾名思义，主要器件是晶体三极管，利用晶体三极管集电极电压变化对电流变化的影响小，并通过负反馈来实现横流控制。由于晶体管参数受温度影响比较大，产生30A恒流对散热要求十分苛刻，所以不选择该种方案。场效应管恒流源与晶体管恒流源类似，它与晶体管恒流源相比优点在于它等效内阻小，效率高，无需辅助电源。通常场效应管与晶体管配合使用，效果会更好。Pt-121驱动板采用的是第三种恒流源方案：集成运放恒流源。集成运放恒流源参数受温度影响小，稳定度高，尤其在负载一端接地、大电流场合得到广泛应用。主控芯片控制驱动恒流源的工作原理如下：
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