畢業(yè)設(shè)計(jì)：基于電力電子技術(shù)LED節(jié)能的設(shè)計(jì)

1、報(bào)告編碼： 安陽師范學(xué)院本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告基于電力電子技術(shù)LED節(jié)能燈的設(shè)計(jì)作者 冉中帥 系（院） 物理與電氣工程學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 日期 2015.6.2 學(xué)生誠信承諾書本人鄭重承諾：所呈交的設(shè)計(jì)報(bào)告是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，報(bào)告中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得安陽師范學(xué)院或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在報(bào)告中作了明確的說明并表示了謝意。簽名：日期：報(bào)告使用授權(quán)說明本人完全了解安陽師范學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位報(bào)告的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)

2、保留送交報(bào)告的復(fù)印件，允許報(bào)告被查閱和借閱；學(xué)校可以公布報(bào)告的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存報(bào)告。簽名：導(dǎo)師簽名：日期： 21基于電力電子技術(shù)LED節(jié)能燈的設(shè)計(jì) （安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455000）摘 要：本文主要研究利用電力電子技術(shù)中直流斬波技術(shù)制作節(jié)能燈。從電力電子技術(shù)中直流斬波原理出發(fā)，結(jié)合實(shí)際照明要求，在相應(yīng)電壓波動參數(shù)下設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案，并針對不同的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行定性分析并作出定量參數(shù)計(jì)算。分析這些方案優(yōu)缺點(diǎn)，作出最優(yōu)方案。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù) 直流斬波原理 定性分析 定量參數(shù)計(jì)算 1 緒論1.1 研究現(xiàn)狀電力電子技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。它不

3、僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸，電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，新能源系統(tǒng)等，在照明，空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用，照明在家用電器中占有十分突出的地位。由于電力電子照明電源體積小，發(fā)光效率高，可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，它正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。1.2 研究內(nèi)容直流斬波技術(shù)在多個(gè)方面都有應(yīng)用，利用高亮度LED發(fā)光二極管結(jié)合直流斬波電路的三種形式設(shè)計(jì)出降低能耗、節(jié)約能源、注重環(huán)保經(jīng)濟(jì)型的節(jié)能燈。2 LED的特性2.1 LED的發(fā)展史LED是一種能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體發(fā)光器件，材料使用III-V族化學(xué)元素如：磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等，發(fā)

4、光原理是將電能直接轉(zhuǎn)換為光能，也就是對化合物半導(dǎo)體施電流，透過電子與電洞的結(jié)合，能量會以光的形式釋出，形成發(fā)光的效果，屬于冷性發(fā)光，理論壽命長達(dá)十萬小時(shí)以上。最早LED光源問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是砷磷化鎵（GaAsP），發(fā)紅光（p=650nm），在驅(qū)動電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素銦（In）和氮（N ），使LED產(chǎn)生綠光（p=555nm），黃光（p=590nm）和橙光（p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現(xiàn)了砷鋁化鎵（GaAlAs）的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。L

5、ED具有體積小、壽命長、驅(qū)動電壓低、耗電量低、反應(yīng)速率快、耐震性佳等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于信號指示、數(shù)碼顯示等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，近年來又生產(chǎn)出用超高亮白光LED發(fā)光二極管組裝的照明燈。與傳統(tǒng)的照明燈相比，在功耗、亮度與壽命方面以無與倫比的優(yōu)勢成為21世紀(jì)新光源，使得它越來越多地用在彩燈裝飾和照明領(lǐng)域。未來白光LED發(fā)光二極管的市場規(guī)模與應(yīng)用將無限寬廣，并將進(jìn)入一般家庭，取代各種傳統(tǒng)的室內(nèi)外照明燈具。LED最大的特點(diǎn)在于無須暖燈時(shí)間、開關(guān)次數(shù)對壽命無影響、反應(yīng)速度快(約在10-9秒)、安全而且光源控制成本低，使頻繁開關(guān)成為可能，及運(yùn)用

6、于聲光控?zé)羯系淖罴压庠础?LED聲光控?zé)羰羌癓ED燈和聲光控電路為一體，安裝方便，使用壽命長，燈口采用國標(biāo)E27。LED采用高亮度白光LED，單顆亮度6LM以上，色溫6500-7500，總能耗為2.5W相當(dāng)于40W白熾燈的亮度。聲光控電路是集聲學(xué)、光學(xué)和延時(shí)技術(shù)為一體組成的自動照明開關(guān)，白天或光線較強(qiáng)時(shí)，開關(guān)電路為自鎖狀態(tài)，LED燈不亮，當(dāng)光線黑暗時(shí)或晚上來臨時(shí)，開關(guān)進(jìn)入預(yù)備工作狀態(tài)，此時(shí)，當(dāng)來人有腳步聲、說話聲、拍手聲等聲源時(shí)，開關(guān)自動打開，燈亮，延時(shí)一段時(shí)間后自動熄滅，從而實(shí)現(xiàn)了“人來燈亮，人去燈熄”，杜絕了長明燈，使得LED聲光控?zé)舻湍芎摹㈤L壽命。2.2 LED的優(yōu)點(diǎn)2.2.1 發(fā)光效率

7、高 LED經(jīng)過幾十年的技術(shù)改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24 lm/W，熒光燈50-70 lm/W，鈉燈90-140lm/W，大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達(dá)到100-200 lm/W，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。目前，世界各國都加緊了提高LED光效方面的研究，在不遠(yuǎn)的將來其發(fā)光效率將有更大提高。2.2.2 耗電量少LED的反應(yīng)速度快，可在高頻操作,同樣明效果的情況下，耗電量是白熾燈的八分之一，熒光燈管的二分之一。日本估計(jì)，如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一般的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約資源相當(dāng)于60億升原油

8、。就橋梁護(hù)欄燈而言，同樣效果的一只日光燈40W，而采用LED每只的功率只有8W，而且可以七彩變化。2.2.3 使用壽命長LED采用電子光場輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。而采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動，不易破碎。單個(gè)LED發(fā)光二極管，當(dāng)亮度減半時(shí)，理論壽命可達(dá)到10萬小時(shí)。LED燈具使用壽命可達(dá)5-10年，可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用，避免經(jīng)常換燈之苦。而且，LED照明器材的整體封裝材料(如燈帶塑料和燈殼)在日曬雨淋下容易損壞，也直接影響LED照明器材的整體壽命。2.2.4 安全可靠性強(qiáng)LED發(fā)熱量低，無熱輻射，冷光源，可以安全接觸；能精確控

9、制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無眩光；不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)；內(nèi)置微處理器可以控制發(fā)光強(qiáng)度，調(diào)整發(fā)光方式，實(shí)現(xiàn)光與藝術(shù)的結(jié)合。LED尺寸小、重量輕、不易破碎、防震以及24V的工作電壓等特點(diǎn)，所以在各種環(huán)境下都顯得十分安全可靠。2.2.5 環(huán)保 LED為全固體發(fā)光體，抗震動、耐沖擊、不易破碎、廢棄物可回收,沒污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護(hù)。當(dāng)然，節(jié)能也是我們考慮使用LED的主要原因，也許LED光源要比傳統(tǒng)光源昂貴，但是用一年時(shí)間的節(jié)能收回光源的投資，從而獲得4-9年中每年幾倍的節(jié)能凈收益期。如果應(yīng)用在夜景照明，可以以簡潔明快的夜景照明方式

10、突出建筑物的形狀特點(diǎn)和使用功能，充分體現(xiàn)建筑師的設(shè)計(jì)風(fēng)格及意圖；通過相鄰面間的亮度變化和顏色差異，突出建筑物的輪廓，保證建筑物的完整性并具有良好的立體感；避免大量使用大功率投光燈，以減少眩光和由此產(chǎn)生的光污染，使燈光對環(huán)境的干擾降低到最小值。2.2.6 其他 LED光源除了無汞、節(jié)能、節(jié)材、對環(huán)境無電磁干擾、無有害射線五項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)之外，在照明領(lǐng)域中，特別是在景觀照明中，還有很多優(yōu)勢。如： 低壓供電無高壓環(huán)節(jié)，為了絕緣的開銷要小得多，可靠性高。 附件簡單無啟動器、鎮(zhèn)流器或超高壓變壓器。結(jié)構(gòu)簡單具有固體光源的最大優(yōu)點(diǎn)，不充氣，無玻璃外殼，無氣體密封問題，耐沖擊。 可控性好響應(yīng)時(shí)間快（微秒數(shù)量級），可反

11、復(fù)頻繁亮滅，基本無惰性，不會疲倦。 色彩純厚由半導(dǎo)體PN結(jié)自身產(chǎn)生色彩，純正，濃厚。 色彩豐富三基色加數(shù)碼技術(shù)，可演變?nèi)我馍?。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)節(jié)材，節(jié)約費(fèi)用；對燈具強(qiáng)度和剛度要求很低。3 LED發(fā)光二極管的原理特性3.1 LED的發(fā)光原理發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由三部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子，中間通常是1至5個(gè)周期的量子阱。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子和空穴就

12、會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。3.2 LED的發(fā)光機(jī)理PN結(jié)的端電壓構(gòu)成一定勢壘，當(dāng)加正向偏置電壓時(shí)勢壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放出去。這就是PN結(jié)發(fā)光的原理3.3 LED的發(fā)光效率 一般稱為組件的外部量子效率，其為組件的內(nèi)部量子效率與組件的取出效率的乘積。所謂組件的內(nèi)部量子效率，其實(shí)就是組件本身的電光轉(zhuǎn)換效率

13、，主要與組件本身的特性（如組件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)）、組件的壘晶組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。而組件的取出效率則指的是組件內(nèi)部產(chǎn)生的光子，在經(jīng)過組件本身的吸收、折射、反射后，實(shí)際在組件外部可測量到的光子數(shù)目。因此，關(guān)于取出效率的因素包括了組件材料本身的吸收、組件的幾何結(jié)構(gòu)、組件及封裝材料的折射率差及組件結(jié)構(gòu)的散射特性等。而組件的內(nèi)部量子效率與組件的取出效率的乘積，就是整個(gè)組件的發(fā)光效果，也就是組件的外部量子效率。早期組件發(fā)展集中在提高其內(nèi)部量子效率，主要方法是通過提高壘晶的質(zhì)量及改變壘晶的結(jié)構(gòu)，使電能不易轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而間接提高LED的發(fā)光效率，從而可獲得70%左右的理論內(nèi)部量子效率，但是這樣的內(nèi)部量子

14、效率幾乎已經(jīng)接近理論上的極限。在這樣的狀況下，光靠提高組件的內(nèi)部量子效率是不可能提高組件的總光量的，因此提高組件的取出效率便成為重要的研究課題。目前的方法主要是：晶粒外型的改變TIP結(jié)構(gòu)，表面粗化技術(shù)。3.4 LED的光學(xué)特性LED提供的是半寬度很大的單色光，由于半導(dǎo)體的能隙隨溫度的上升而減小，因此它所發(fā)射的峰值波長隨溫度的上升而增長，即光譜紅移，溫度系數(shù)為+23A/ 。LED發(fā)光亮度L與正向電流 近似成比例, K為比例系數(shù)。電流增大，發(fā)光亮度也近似增大。另外發(fā)光亮度也與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度高時(shí)，復(fù)合效率下降，發(fā)光強(qiáng)度減小。3.5 LED的主要參數(shù)3.5.1 主要參數(shù) LED是利用化合物材料

15、制成pn結(jié)的光電器件。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性：I-V特性、C-V特性和光學(xué)特性：光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。 普通單色發(fā)光二極管的發(fā)光顏色與發(fā)光的波長有關(guān)，而發(fā)光的波長又取決于制造發(fā)光二極管所用的半導(dǎo)體材料。紅色發(fā)光二極管的波長一般為650700nm，琥珀色發(fā)光二極管的波長一般為630650 nm ，橙色發(fā)光二極管的波長一般為610630 nm左右，黃色發(fā)光二極管的波長一般為585 nm左右，綠色發(fā)光二極管的波長一般為555570 nm。3.5.2 電學(xué)特性 I-V特性表征LED芯片pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。LED的I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向?qū)щ娦裕?/p>

16、外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。 圖1 I-V特性曲線(1) 正向死區(qū)（圖oa或oa段）a點(diǎn)對于V0為開啟電壓，當(dāng)VVa，外加電場尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢壘電場，此時(shí)R很大；開啟電壓對于不同LED其值不同，GaAs為1V，紅色GaAsP為1.2V，GaP為1.8V，GaN為2.5V。 (2) 正向工作區(qū)電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系 IF=IS(eqVF/KT1)-IS為反向飽和電流。 V0時(shí)，VVF的正向工作區(qū)IF隨VF指數(shù)上升IF=ISeqVF/KT (3) 反向死區(qū)V0時(shí)pn結(jié)加反偏壓 V=-VR時(shí)，反向漏電流IR（V=-5V）時(shí)，GaP為0V，GaN為10uA。 (4)

17、 反向擊穿區(qū)V-VR，VR稱為反向擊穿電壓；VR電壓對應(yīng)IR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使V-VR時(shí)，則出現(xiàn)IR突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同，各種LED的反向擊穿電壓VR也不同。(5) 最大功耗當(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UF×IF LED工作時(shí)，外加偏壓、偏流一定促使載流子復(fù)合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊幔菇Y(jié)溫升高。若結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta，則當(dāng)TjTa時(shí)，內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱，散逸熱量（功率），可表示為P=KT（TjTa）。 (6) 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?，F(xiàn)有幾種顯示LCD（液晶顯示）約

18、10-310-5S，CRT、PDP、LED都達(dá)到10-610-7S（us級）。 響應(yīng)時(shí)間從使用角度來看，就是LED點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間，即圖中tr、tf。圖中t0值很小，可忽略。 響應(yīng)時(shí)間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。 LED的點(diǎn)亮?xí)r間上升時(shí)間tr是指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。 LED熄滅時(shí)間下降時(shí)間tf是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。 不同材料制得的LED響應(yīng)時(shí)間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應(yīng)時(shí)間10-9S，GaP為10-7S。因此它們可用在10100MHZ高頻系統(tǒng)。4 設(shè)計(jì)方案4

19、.1 直流斬波電路的功能及基本電路直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接-直流變換器（DC/DC Converter）。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流-交流-直流的情況，4.1.1 降壓斬波電路 圖2 降壓斬波電路圖3 驅(qū)動電壓輸出電壓電流波形圖降壓斬波電路（Buck Chopper）的原理圖及工作波形如圖a所示。該電路全控型器件Q圖中為三極管，也可以使用其它器件，若采用晶閘管，需要設(shè)置是晶閘管關(guān)斷的輔助電路。為了在Q關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。由圖中Q的基射極電壓ube波

20、形可知，在t=0時(shí)刻驅(qū)動Q導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓Uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t=t1時(shí)刻，控制Q關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓Uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，通常串接L值較大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動Q導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，如圖所示。負(fù)載電壓的平均值為Uo=Eton/(ton+ toff)=Eton/T=E (1)式中ton為Q處于導(dǎo)通的時(shí)間；toff為Q處于關(guān)斷的時(shí)間；T為開關(guān)周期；在一串理想的脈沖序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。為導(dǎo)通占空

21、比（=ton/T），簡稱占空比或?qū)ū?。由此式可知，輸出到?fù)載的電壓平均值Uo最大值為E，若減小占空比，則Uo隨之減小。因此將該電路成為降壓斬波電路。成為Buck變換器（Buck Convert） 負(fù)載電流平均值為Io=（Uo-EM）/R (2)若在負(fù)載中L值較小，則在Q關(guān)斷后，到了t2時(shí)刻，如圖所示，負(fù)載電流已衰減至零，會出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負(fù)載電壓Uo平均值會被抬高。根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：(1) 保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM）或脈沖調(diào)寬型。

22、(2) 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。(3) ton和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。4.1.2 升壓斬波電路 圖4 升壓斬波電路 圖5 驅(qū)動電壓及輸出電流波形升壓斬波電路的基本原理升壓斬波電路（Boost Chopper）的原理圖及工作波形如圖所示分析升壓斬波電路的工作原理時(shí)，首先假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)V處于通狀態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值也很大，基本保持輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V導(dǎo)通的時(shí)間為ton此階段電感L上積蓄的能量為E I1ton。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)E和L共同向

23、電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時(shí)間為toff，則在此期間電感L釋放能量為（Uo-E）I1toff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放能量相等，即 E I1ton=（Uo-E）I1toff (3)4.1.3 升降壓斬波電路 圖6 升降壓斬波電路圖7 電感中的電流波形 升降壓斬波電路（Boost-Buck Chopper）的原理圖如圖a所示。設(shè)電路中的電感 L的值很大，電容C也很大，使電感電流iL 和電容電壓uo基本為恒值。該電路的基本工作原理是：當(dāng)三極管Q處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電源經(jīng)Q向電感L供電使其貯存能量，此時(shí)電流為i1方向如圖所示。同時(shí)，電容C維持輸出電壓基本

24、恒定并向負(fù)載R供電。此后，使Q關(guān)斷，電感L中貯存的能量向負(fù)載釋放，電流為i2，方向如圖所示可見，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，與前面介紹的降壓斬波電路和升壓斬波電路的情況剛好相反，因此該電路也稱作反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時(shí)間的積分為零當(dāng)Q處于導(dǎo)通態(tài)期間時(shí)，uL=E；而當(dāng)Q處于斷態(tài)期間時(shí)，uL=-uo。于是 Eton =Uo toff (4)所以輸出電壓為 Uo= tonE/ toff=tonE/(T-ton)=E/(1-) (5)若改變導(dǎo)通比，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<&l

25、t;1時(shí)為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。圖中給出了電源電流i1和負(fù)載電流i2波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動足夠小時(shí)，有 I1/ I2=ton/toff (6)由上式可得 I2= I1 ton/toff=（1-）I1/ (7)如果Q，VD為沒有損耗的理想開關(guān)時(shí)，則 EI1 =Uo I2 (8)其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。4.2 核心電路設(shè)計(jì)4.1.1 優(yōu)化方案方案優(yōu)化只針對電路實(shí)際應(yīng)用中對安全性的對比，以上三種基本電路本身在學(xué)術(shù)并孰優(yōu)孰劣（在此聲明）在商業(yè)成本最低化的作出性能最好的電路才有競爭力。設(shè)以上三種基本電路的電源電壓AC85V-220V。對于Bu

26、ck型電路負(fù)載電壓小等于于電源電壓E（占空比為1的情況在實(shí)際情況沒有多大意義），任何電路不能保證功能性器件永遠(yuǎn)完好，一旦功能性器件Q失效或PWM電路失效造成Q導(dǎo)通，后級電路工作電壓為E后級電路工作電壓與電源電壓壓差越大，后級負(fù)載永久損壞概率越大；對于升壓型Boost電路來說由于負(fù)載電壓大于電源電壓E所以一旦Q失效導(dǎo)通時(shí)后級電路不會損壞，但亦不能正常工作。負(fù)載是LED燈的情況下LED亮度不夠，或不亮。不會造成負(fù)載永久性損壞。升降壓斬波電路一旦Q失效短路，電感會和電源構(gòu)成短路不會對后級電路構(gòu)成損壞，另外即使電感燒壞電源也不會加載在后級電路，電路結(jié)構(gòu)決定極性反轉(zhuǎn)型電路。在負(fù)載是LED的情況下即使除V

27、D外其他元件全部失效也不會燒毀后級。而且該電路電壓能升能降靈活性強(qiáng).LED節(jié)能燈設(shè)計(jì)基于升降壓斬波電路。4.1.2 器件選擇 有了基本電路模型后，由于功能器件Q需要PWM脈沖外，還應(yīng)有反饋電路，如果把這些電路集成在一個(gè)多端芯片上可以降低成本，提高電路的穩(wěn)定性。美國PI公司早在2002年成功推出LinkSwitch系列高效率恒壓恒流式三端開關(guān)電源芯片。LinkSwitch系列產(chǎn)品是專門為替代電容降壓式非隔離線性電源并且省去電源變壓器而設(shè)計(jì)，LinkSwitch系列包含LNK304P/G, LNK305P/G, LNK306P/G共六種型號，最大輸出電流為360mA，適用于家用電器中的控制電源以及

28、LED驅(qū)動器。4.1.3 LinkSwitch的性能特點(diǎn) （1）LinkSwitch系列產(chǎn)品能以最少量的外圍元件，構(gòu)成非隔離式，節(jié)能型開關(guān)電源，與傳統(tǒng)的“無源（靠電容）”解決方案相比，LinkSwitch采用EcoSmart節(jié)能技術(shù)，不僅能達(dá)到比電容降壓式線性穩(wěn)壓電源更高的效率；而且可提高功率因數(shù)。 （2）外圍電路簡單（典型應(yīng)用僅需要15個(gè)元件，不用高頻變壓器），選擇1mHd的小電感就能輸出120mA的電流。 （3）使用非常靈活，它既可以設(shè)計(jì)成正壓輸出降壓式（Buck）電路，亦可設(shè)計(jì)成負(fù)壓輸出的降壓或升壓式電路，降壓式LED恒流驅(qū)動電路，能滿足不同用戶的需要。 （4）輸入電壓范圍寬。在交流85

29、-265V范圍內(nèi)具有良好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。有兩種工作模式可供選擇：連續(xù)模式（CCM），不連續(xù)模式（DDCM），多數(shù)情況下選擇不連續(xù)模式。 （5）抗干擾能力強(qiáng)。LinkSwitch的開關(guān)頻率為66kHz，頻率抖動范圍是4kHz,利用頻率頻率抖動技術(shù)能將電磁干擾降低10dB,還能減少EMI濾波器的功耗。功率MOSFET能快速導(dǎo)通，并且無過沖現(xiàn)象。 （6）保護(hù)功能完善。芯片內(nèi)部有短路后自動重啟動的保護(hù)電路，開關(guān)故障檢測及保護(hù)電路，限流保護(hù)電路和具有滯后特性的過熱保護(hù)電路。 （7）低功耗。當(dāng)電源空載且輸入電壓為230V時(shí)，采用自供電降壓電路的功耗為80mW；采用外部偏置電路時(shí)的功耗低至12mW

30、。 （8）漏極擊穿電壓為700V，在交流固定輸入（230V,±15%）或交流寬范圍輸入（亦稱通用輸入）時(shí)，選擇不連續(xù)模式及連續(xù)模式下的最大輸出電流值見表。 表1 LinkSwitch系列產(chǎn)品的最大輸出電流值交流230V輸入交流85-265V輸入不連續(xù)模式連續(xù)模式不連續(xù)模式連續(xù)模式LNK304P/G120mA170mA120mA170mALNK305P/G175mA280mA175mA280mALNK306P/G225mA360mA225mA360mA 4.1.4 LinkSwitch的工作原理LNK304P，LNK305P和LNK306P采用8腳雙列直插式（DIP-8），LNK304

31、G, LNK305G和LNK306G采用表面安裝式（SMD8，型號中用G表示），引腳排列如所示。其中，S，D分別為MOSFET的源極，漏極，四個(gè)源極在內(nèi)部連通。BP（BYPASS）為旁路端，該端與地（S極）之間需接一只0.1uf的旁路電容，作為內(nèi)部產(chǎn)生5.8V穩(wěn)壓器的退耦電容。FB（FEEDBACK）為反饋端，正常工作時(shí)，MOSFET的轉(zhuǎn)換受該引腳控制；當(dāng)一個(gè)大于49uA的電流送到此引腳時(shí)。MOSFET關(guān)閉。 圖8 LinkSwitch系列引腳圖4.1.5基于LinkSwitchLED節(jié)能燈設(shè)計(jì)4.1.51原理圖的設(shè)計(jì)前面對于三種基本斬波電路適應(yīng)能力和實(shí)際應(yīng)用做了比較。圖9是LNK306G的B

32、oost-Buck的原理圖，輸入電路有可熔斷電阻器R1，二極管D1和D3電容C1組成。可熔斷電阻器R1具有以下功能：對D1和D3起限流保護(hù)作用；降低串模噪聲干擾；帶其他元件發(fā)生電路故障時(shí)，R1迅速被熔斷，切斷輸入電壓。用可熔斷電阻器代替保險(xiǎn)管的優(yōu)點(diǎn)是它在熔斷時(shí)不會產(chǎn)生電火花或煙霧，既安全又不會造成干擾。將二極管D1和D3串聯(lián)后，耐壓值能力可提高2Kv并且使噪聲電流只在二極管導(dǎo)通時(shí)通過。電源調(diào)整反饋電路有LNK306，R4，R2，R3和C3組成其中R4是取樣電阻。必須保證其兩端電壓高于1.63V。R2，R3構(gòu)成分壓電路保證正常工作下FB端有1.63V的反饋電壓。其中整流電路是由D2完成的要求超快

33、回復(fù)肖特基二極管。C2是旁路電容，才C3是反饋電容。圖10是二極管做負(fù)載的原理圖由于二極管的工作電壓及電流前面已說的比較詳細(xì)在此不做贅述。驅(qū)動電路板和LED的PCB視圖板分別在圖11和圖12已給出。圖9 LED驅(qū)動電路圖10 LED燈部分（燈的數(shù)量較多只截取部分） 圖11 PCB視圖圖12 LED燈板PCB視圖5 不足與改進(jìn)本文主要通過利用電力電子技術(shù)結(jié)合實(shí)際器件設(shè)計(jì)LED節(jié)能燈。由于篇幅有限只對部分參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，側(cè)重于實(shí)際操作。由于本次只做了兩套板子。實(shí)際應(yīng)用只保證基本功能工作，對EMI電磁干擾的抑制，解決沒有涉及。還有板子設(shè)計(jì)工藝問題都沒有考究，另外還有LED燈在在不同場合照度沒有提及和解

34、決。只是僅僅限于功能的實(shí)現(xiàn)。針對以上問題學(xué)習(xí)相關(guān)知識。進(jìn)行細(xì)節(jié)上的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。6 結(jié)束語本文主要利用電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)LED節(jié)能燈，在給定參數(shù)要求下實(shí)現(xiàn)其基本功能。并針對三種基本直流斬波電路，進(jìn)行適應(yīng)能力，安全系數(shù)進(jìn)行比較，最終選擇Boost-Buck電路。結(jié)合LNK306設(shè)計(jì)出LED驅(qū)動電路。該電路的擴(kuò)展性能也比較好，當(dāng)增大串聯(lián)LED個(gè)數(shù)，不改變原有參數(shù)的情況下，效果不變。11致 謝 本論文是在郭季老師的悉心指導(dǎo)下完成的。郭老師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)

35、目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。在整個(gè)畢業(yè)論文的寫作當(dāng)中，初稿是很重要的部分，而我創(chuàng)作初稿的時(shí)候有很多疑惑。正是因?yàn)楣蠋煹闹笇?dǎo)，審稿，校正，我才能夠在短時(shí)間內(nèi)順利的完成初稿部分。從開始寫作至本論文最終定稿，花費(fèi)了我一個(gè)月以來所有的業(yè)余時(shí)間。雖說在繁忙的工作之余要完成這樣一篇論文的確不是一件很輕松的事情，但我內(nèi)心深處卻滿含深深的感激之情。在寫作過程中，郭季老師給予了大力的幫助和指導(dǎo)，在此深表感謝！同時(shí)也感謝其他幫助和指導(dǎo)過我的老師和同學(xué)！同時(shí)，通過論文的撰寫，使我能夠更系統(tǒng)、全面地學(xué)習(xí)有關(guān)智能控制的新型的、先進(jìn)的前沿理論知識，并得以借鑒眾多專家學(xué)者的寶貴經(jīng)

36、驗(yàn)，這對于我今后的工作，無疑是不可多得的寶貴財(cái)富。雖然這次畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）已經(jīng)結(jié)束了，可這次的經(jīng)歷卻是我永生難忘的。因?yàn)樗粌H為我的大學(xué)生活劃了一個(gè)完美的句號，而且給了我極大的自信，使我在以后的生活中能夠不氣不餒，勇于承擔(dān)責(zé)任。由于本人理論水平比較有限，論文中的有些觀點(diǎn)以及對相關(guān)理論的歸納和闡述難免有疏漏和不足的地方，歡迎老師們指正！ 參考文獻(xiàn)1劉樹林，高衛(wèi)斌，尹衛(wèi)平，低頻電子線路，北京：電子工業(yè)出版社，2003。2王成安，電子技術(shù)基本技能綜合訓(xùn)練，北京：人民郵電出版社，2005。3吳潤宇，軒蔭華，苗銀梅等，實(shí)用穩(wěn)定電源，北京：人民郵電出版社，1997。4周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華，LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)實(shí)例，北京：電子工業(yè)出版社，2003。 5蔣金波，杜雪，李榮彬. 自由區(qū)面LED路燈透鏡設(shè)計(jì)J. 液晶與顯示，