大功率led驱动电源研究(含外文翻译(编辑修改稿)

大功率led驱动电源研究(含外文翻译(编辑修改稿)内容摘要：

大功率照明 LED 的主要性能 随着 LED 效率的迅速提高、成本的不断下降， LED 市场正在由手机的背光源和汽车仪表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景观照明领域向普通白光照明领域扩展。 大功率 LED 照明光源与传统的白炽灯、荧光灯照明光源相比，有如下优点 ]1[ : 1. 高效节能性。 大功率 LED 照明第一个突出的优点就是节能。 虽然按一般光效定义的 LED 的发光效率并不算高，但由于 LED 的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达到 80%~90% ，而白炽灯的可见光转换效率仅为10%~20%。 预计未来大功率 LED 照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的10%~20%。 2. 光色纯，光线质量高。 单一颜色 LED 的光谱狭窄，谱线单一集中在可见光波段。 3. 寿命长。 普通白炽灯和荧光灯的寿命一般为 1000 小时，而大功率 LED灯的寿命 却可达到 10 万小时。 4. 可靠、耐用。 大功率照明 LED 以其特殊的电子结构保证其工作时有良好的稳定性和可靠性，甚至在水下也能长时间稳定地工作。 而且它没有传统灯泡的钨扮、玻璃壳等易损部件，维护费用低廉。 LED 的工作温度范围也很宽，在 40 C — 85 C 之间均能正常工作。 5. 应用灵活。 体积小，便于造型，可做成点、线、面等各种形式。 6. 响应 快。 白炽灯的响应时间为毫秒级，而大功率 LED 的开关响应时间为纳秒级，无频闪。 因其响应时间短，作汽车灯反应快，可延长刹车的反应时间，故能减少交通事故的发生几率。 7. 环保。 大功率 LED 的工作电压为 3~4 伏左右的直流电，因而没有电磁干扰。 光谱中没有紫外线和红外线，不同于口光灯点亮后会产生汞蒸汽及二氧化碳和其它温室气体等污染物， LED 产生的废弃物可回收，无污染，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 同时，其荧光粉的用量也仅为普通荧光灯的 xx 大学学士学位论文 4 于分之一，利于稀土资源的可持续利用。 8. 控制灵活。 通过控制电路很容易调控 亮度，实现多样的动态变化效果。 虽然与传统照明光源相比，大功率照明 LED 有着诸多优势，但目前大功率 LED要广泛应用于照明领域还存在以下问题 :发光效率较低，单管发射功率小，价格昂贵。 与现有照明灯具相比，半导体照明要进入普通照明市场还需满足以下基本要求 ，首先要求单颗 LED 有足够大的光通量，这样才能使被照的物体产生足够的亮度。 现在单颗 LED 的光通量是以流明，甚至是以毫流明为单位来量度的。 与一般的照明需要千流明甚至更高光通量的要求相距甚远。 其次，照明光源不应是单色的，而应是白色的。 根据照明场合的不同，光源的色温可高 或低，但它们的色度坐标点都应该非常接近黑体辐射的轨迹。 另外，它们的光谱特性应保证它们有很好的显色性，能真实再现受照物体自身原有的色彩。 这就需要在单色 LED 的基础上研究，开发白光 LED。 第二，现在普遍采用的照明光源，如白炽灯、荧光灯和高强度放电灯产生光的成本都比较低，大功率照明LED 只有大幅度地降低自身的生产成本才有可能与它们竞争。 当然，由于 LED寿命长，灯具的利用效率高，成本略高于普通光源也还是可以接受的。 总而言之，为了实现真正意义上的半导体照明，我们需要研究、开发并生产出光效高、单颗功率大、价格合理的白光 LED。 大功率 LED照明技术发展情况 国外大功率 LED 照明技术发展情况 对于 LED 这种将电能转化为光能的发光器件的研究很早就开始了。 第一只 LED 产品是 1962 年在 GE 公司做出的。 如今， LED 照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光 LED。 高亮度红、黄 LED 于 1993 年开始量产。 1995 年，高亮度蓝色、绿色 LED 也相继进入量产，使 LED 的发光波长覆盖从红色到蓝色整个可见光谱范围，而且具有高达 30%的发光效率。 随之而来的白色 LED 的成功研制，更大大拓展了 LED 的应用领域，从此开始形成了一个朝阳无限的LED 照 明产业。 我国在高亮度 LED 这一领域起步较晚，从 1993 年开始，中科院半导体所、北京大学等单位在国家 863 计划和自然科学基金的支持下，在相关领域开始了许多研究工作。 但目前在材料质量、器件指标等方面与国际先进水平还有很大差距，特别是在半导体用于照明的一些关键性产业技术上还未能攻克。 LED 产品中技术壁垒最高的是上中游产品的生产，目前窥视这一巨大商机的厂家不少，但由于技术、资金和产业化工艺的限制，国内真正能实现规模化生产的企业屈指可数。 目前， LED 照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光 LED。 各国政府均大力扶持白光 LED 的发展，美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项积极推行，如日本的“ 21 世纪的照明计划”计划将耗费 60 亿日元推行半导体照明；美国的“下一代照明计划”时间是从 20202020 年，计划投资 5 亿美元； xx 大学学士学位论文 5 欧盟的“彩虹计划”已在 2020 年 7 月启动，通过欧共体的资助推广应用白光LED ]12[。 美国在 LED 照明的产业技术开发上一直处于领先地位。 由 Philips Lighting和 Agilent(原 HP)于 1998 年合资兴办的 Lumileds 是一家致力于功率型白光LED 生产，封装研究和开发的公司。 该公司拥有多项功率型白光二极管封装方面的专利技术。 日本在功率型高亮度 LED 的研制与产业化开发方面在国际上处于领先水平，日业化工、丰田合成和住友电子处于领先地位。 日亚公司由于在 InGaN LED 技术和生产白色 LED 的荧光粉材料上拥有多项专利，在 InGaN 白色 LED芯片供应上一直占有优势地位。 Sumitomo 住友电子向美国 CREE 公司一年内订购了一亿美元的 LED 合同，这将是 CREE 一年的全部生产能力，住友很显然是想 独霸整个高亮度 LED 的市场。 2020 年 8 月，松下电工开发出亮度达到 3001m的白光照明灯具，相当于 40W 白炽灯的亮度，并于 2020 年春开始了商品化销售。 德国的 OSRAM 号称刚刚建立了世界上最先进的芯片生产线，将主要用来生产 LED 和半导体激光器。 由于 OSRAM 是世界上第二大灯泡生产厂商，因此用 LED 制成新型节能长寿灯是他们的新目标。 美国加州大学固态发光及显示中心则寻求白色 LED 之外的其它解决方案，目前该中心正在进行一项由政府扶持的项目，主要针对下一代照明。 2020年，美国加利福尼业州 SanJose(圣荷塞市 )、 Agilient 技术实验室公布了一种新的 LED 试制样品。 该实验室利用一种新技术概念，使光效最大可达 1001m/w。 国内大功率 LED 照明技术发展情况 国内， lmm lmm 倒装结构白光 LED 在标准电流 (350mA)下光通量可达到40 lm 以上 ]20[。 2020 年 6 月 17 日 ，国家科学技术部联合教育部、信息产业部、建设部、中科院、中国 轻工联合会、中国照明学会、中国照明电器协会 8 个部门、行业，及北京、上海、浙江、广东、江苏、江西、长春等 17 个地方政府正式宣布成立国家半导体照明工程协调领导小组，标志着我国的半导体照明工程正式启动。 在台湾， LED 相关的公司有几于家，其产能也在迅速的膨胀，己成为世界上最大的 LED 生产基地。 2020 年，日本住友和台湾博达共同投资在台湾成立了博友科技，专门从事单芯片 ZnSe 白光 LED 芯片的生产。 由于看到白色 LED 在下一代光源新技术应用中的巨大潜力， 2020 年 9 月台湾成立了由 11 家顶级LED 公司组成的“下一代光源新 技术研发集团” ,该组织专注于以白色 LED 为核心的下一代 LED 新技术的研发。 大功率 LED 照明发展趋势 在过去的 30 多年中，正像 Haitz 定律预示的那样， 每 ~2 年单颗 LED 的光通量就提高一倍。 然而自大功率型 Luxeon LED 问世后，光通量增长的速率 xx 大学学士学位论文 6 似乎比以前又有所提高，如图 11 所示 ]6[ ， LumiLeds 乐观地估计，在今后的二年里， LED 的光效每年将增加 l0lm/w。 美国光电工业发展协会于 2020 一年制定了半导体固体照明灯 在未来几年的发展目标和远景 ]13[。 对半导体照明的各项性能指标，如发光效率，寿命，单灯光通量，性价比以及显色指数等提出了阶段性的目标。 图 11 LED 光通量增长曲线 表 11 中显示的是半导体照明 LED 灯的发展趋势和远景。 可以看出， 2020年照明 LED 灯的目标是在市场上能够与白炽灯相抗衡，实现发光效率 751m/W使用寿命超过 2 万小时，单灯光通量大于 2020m，显色指数做到 80。 2020 年照明 LED 灯的市场定位为占领荧光灯市场， 实现发光效率 1501m/W，使用寿命超过 10 万小时，单灯光通量大于 10001m，显色指数做到大于 80。 科学家预测，在未来的 5 至 10 年，这种灯芯很可能逐渐成为下一代照明的主流产品，其主要应用领域包括 :大屏幕显示、车灯、交通灯、景观灯等领域。 高亮度蓝光二极管 (LED)已解决了发光二极管的三 原色的缺色问题，因此彻底解决大屏幕全彩色显示问题。 高亮度发光二极管近年来主要应用于大屏幕彩色显示、汽车尾灯、交通信号灯、多媒体显像和手机及小屏幕 LCD 背光源等领域。 高亮度蓝光二极管的出现，不仅仅是丰富了色彩，有了红橙黄绿青 蓝紫全彩，更为重要的意义是由此产生了白光半导体灯。 目前，世界上生产蓝光二极管的半导体公司纷纷和老牌灯泡制造商结盟，抢占这个可以说是未来最大的照明市场。 可见半导体灯已对传统的白炽灯发起了挑战，一个全新的半导体照明灯时代即将来临。 xx 大学学士学位论文 7 表 11 半导体固体照明灯的发展目标和远景 技术 LED 2020 LED 2020 LED 2020 LED 2020 白炽灯 荧光灯 发光功率 (lm/W) 25 75 150 200 16 85 寿命 (khr) 20 20 100 100 1 10 通量 (lm/lamp) 25 200 1， 000 1， 500 1200 3， 400 输入功率 (W/lamp) 1 75 40 流明花费 ($/klm) 200 20 5 2 灯的花费 ($/lamp) 5 4 5 3 5 显色指数 (CRI) 75 80 80 80 95 75 照明市场主打 低通量 产品 白炽灯 荧光灯 有望成为 LED 家庭用的照明灯采用白光 LED 是科技发展的必然趋势。 家庭用白光 LED照明灯发光效率高、使用寿命长是不争的事实，只是目前还 需等待产业化生产的技术成熟和成本的进一步下降。 荧光节能灯从产品诞生到进入千家万户百姓家庭普及也差不多经历了于年的时间。 家庭用照明灯的发光效率及平均寿命比较如表 12(为 2020 年统计数据 ) ]5[。 表 12 家用照明灯发光效率及平均寿命的比较 参数 白炽灯 (40W) 荧光灯 (36W) 节能荧光灯 (5~11W) 白光 LED(1W) 发光效率 (lm/W) 7~16 50~60 50~70 30~45 平均寿命 (h) 1K2K 2K12K 6K8K 50K80K 欧美等国在 2020 年 2 月和 3 月分别通过政府决议，在未来二年逐步取消白炽灯，提倡使用节能灯和 LED 照明灯。 由此， LED 照明灯进入千家万户揭开序幕，其市场需求量将是一天文数字。 集成电路和灯具厂商纷纷开始行动，奔向这个巨大市场。 大功率照明灯用 LED 制造技术突飞猛进，今天已经能大批量生产，而且在增加 LED 发光效率 (lm/w)方面努力；从 AC 到 DC 恒流源输出、经济而有效地驱动大功率照明灯用 LED 的电源驱动芯片，也正在引起更多的集成电路开发厂商的投入。 就 LED 电源企业而 言， 2020年 100W 左右大功率电源市场的增幅将会有很大的提升。 源于 100W 左右的 LED 光源与传统照明光源相比有着更突出的性价比，以及很快形成产业规模的 LED 路灯和景观照明市场。 论文研究内容 本文首先对照明技术的发展与 LED 新光源和大功率 LED 照明技术的发展情况做了详细的介绍，进而具体说明了大功率 LED 的特性，根据大功率 LED xx 大学学士学位论文 8 驱动电源设计的原则，结合现有大功率 LED 驱动控制电路形式，分析比较了几种恒流驱动控制芯片，最后完成了三种可行的基于 PT4107 的驱动控制电源。 由此，自行设计并完成了可用于 LED 道路照 明用的大功率 LED 驱动电源。 该专用电源系统具有一定的控制功能，可实现输出功率的实时控制及亮度的调节。 xx 大学学士学位论文 9 第 2章 大功率 LED 光电特性及控制方式 大功率 LED的特性 作为照明光源，我们关心的大功率 LED 的性能指标主要有亮度、光强、色坐标，色温，显色指数和发光效率。 下面主要就搜集到的大功率 LED 的相关电学和光学特性。