led的驱动电路研究设计(编辑修改稿)

led的驱动电路研究设计(编辑修改稿)内容摘要：

体比前年增长了 34%。 预计 2020 年可达 3000 亿以上 ，每年至至少以 30%的速度增长 其中，商业、家居、道路等功能照明占比 15%，市场规模达 450 亿；显示屏占比 10%，规模达 300亿；景观照明占 20%，规模 600 亿。 LED 照明发 展迅猛，尽管经历种种困扰，但随着技术不断革新，市场应用愈加拓宽。 数据显示， 2020 年， LED的应用领域包括 : (1) 建筑物外观照明 对建筑物某个区域进行投射，无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的投光灯具，这与传统的投光灯具概念完全一致。 但是，由于ＬＥＤ光源小而薄， 线性投LED 的驱动电路研究设计 4 射灯具的研发无疑成为ＬＥＤ投射灯具的一大亮点，因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。 它的安装便捷，可以水准也可以垂直方向安装，与建筑物表面更好地结合，为照明设计师带来了新的照明语汇，拓展了创作空间。 并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。 (2) 景观照明 由于ＬＥＤ不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家具很好的有机结合。 可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。 对于花卉或低矮的灌木，可以使用ＬＥＤ作为光源进行照明。 ＬＥＤ隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。 固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度，方便进行调节。 (3) 标识与指示性照明 需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的ＬＥＤ自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯，以及购物中心内楼层的引导灯等。 另外，ＬＥＤ与霓虹灯相比，由于是低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作中弯曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。 (4) 室内空间展示照明 就照明品质来说，由于ＬＥＤ光源没有热量、紫外与红外辐射 ，对展品或商品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统简单，费用低廉，易于安装。 其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代品。 商业照明大都会使用彩色的ＬＥＤ，室内装饰性的白光ＬＥＤ结合室内装修为室内提供辅助性照明，暗藏光带可以使用ＬＥＤ，对于低矮的空间特别有利。 (5) 娱乐场所及舞台照明 由于ＬＥＤ的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果。 从白光到全光谱中的任意颜色，ＬＥＤ的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。 长寿命、高流明的维持值（ 10， 000 小 时后仍然维持 90％的光通），与ＰＡＲ灯和金卤灯的 50～ 250 小时的寿命相比，降低了维护费用和更换光源的频率。 另外，ＬＥＤ克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。 与ＰＡＲ灯相比，没有热辐射，可以使空间变得更加舒适。 目前ＬＥＤ彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。 (6) 视频屏幕全彩色ＬＥＤ 显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用先进的数字化视巢湖学院 2020 届本科毕业论文（设计） 5 频处理技术，有无可比拟的超大面积与超高亮度。 根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。 它可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件。 世 界上目前最有影响的ＬＥＤ显示屏，当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所，总计使用了18,677,760 只ＬＥＤ，面积为 10,736 平方英尺。 屏幕可以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。 另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部，整个朝向浦西的建筑立面镶上了长 100ｍ的超大型ＬＥＤ屏，总计面积达到 3600 平方米。 堪称世界第一。 (7) 车辆指示灯照明 汽车用白炽灯不耐震动撞击，易损坏，寿命短，要经常更换。 LED 作 为汽车灯主要因为其寿命长、低功耗、响应速度快等特点。 1987 年我国开始在汽车上安装高位刹车灯，在发达国家，使用 LED制造的中央后置高位刹车灯已经成为汽车的标准件。 LED 已经渗透到汽车电子领域，凭借着汽车的巨大市场， LED 车灯市场有巨大发展潜力。 2 LED 原理 2． 1 LED 发光原理 与结构 发光二极管通常用元素周期表中 III、 V族元素的化合物，如 镓（ Ga）与砷（ AS）、磷（ P）的化合物制成的 ， 是一种半导体器件。 它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护 内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 LED 的结构如图（ 1） 、 （ 2）所示。 LED 的驱动电路研究设计 6 图 1 LED 的结构 图 2 LED 的结构 发光二极管的核心部分是由 P型半导体和 N型半导体组成的晶片，在 P型半导体和 N 型半导体之间有一个过渡层，称为 PN 结。 在某些半导体材料的 PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN 结加反向电压，少数载流子难以注入 ，故不发光。 PN 结具有单向导电性。 发光二极管就是通过这种利用注入式电致发光原理制作的二极管。 当 它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。 在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。 当给发光二极管加上正向电压后，从 P区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。 不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。 当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出 的光的波长越短。 光谱范围是比较窄的，其波长由所使用的基本材料而定。 常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 用 GaN 形成的蓝光 LED1993 年，当时在日本日亚化工工作的中村修二发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓（ GaN）和铟氮化稼（ InGaN）的具有商业应用价值的蓝光 LED，这类 LED 在 1990 年代后期得到广泛应用。 理论上蓝光 LED 结合原有的红光 LED 和绿光 LED 可产生白光，但白光 LED 却很少是这样造出来的。 现时生产的白光 LED 大部分是通过在蓝光 LED(nearUV,波长 450nm 至 470nm)上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层制成的， 发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。 有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。 发光二极管与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点巢湖学院 2020 届本科毕业论文（设计） 7 几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。 2． 2 LED 的主要参数与特性 2． 2． 1 单向导电性 当 PN 结外加电压 VF 的电场方向 （由 P 指向 N） 与 PN 结内电场方向相反， PN结的平衡状态被打破， P区的多数载流子空穴和 N区的多数载流子电子都要向 PN 结移动，使 空间电荷区电荷量减少， PN 结变窄，这时耗尽区厚度变薄， 耗尽区中载流子增加， 电阻阻值变小， PN 结电场强度减小，有利于 P 区和 N区中多数载流子的扩散运动，形成扩散电流。 这时扩散运动超过漂移运动，在外电路上形成一个流入 P区的电流 IF ， PN 结导通 ，这时 PN 结处于 正 向偏置。 PN 结两端加反向电压 VR 时，P 区的空穴和 N区的电子都将进一步离开 PN结， 这时 PN结处于反向偏置， 使耗尽区厚度加宽， PN 结电场强度增大，阻碍了多数载流子的扩散运动，扩散电流趋近于零，但是结电场的增加，使少数载流子更易产生漂移运动，漂移电流方向与扩散电流方向相反，表现在外电路有一个流入 N 区的反向电流 IR ，由于少数载流子浓度很小，所以 IR 是很微弱的。 少数载流子由本征激发产生，其数值取决于温度，与外界电压 VR 无关，在一定温度下，电流的值趋于恒定 ，可认为它基本上是不导电的， PN 结截止。 由此看来， PN 结加正向电压时，电阻值很小， PN 结导通；加反向电压时，电阻值很大， PN结截止，这就是其单向导电性。 2． 2． 2 VI 特性 以硅结型二极管为例， 在二极管 PN 结的两端，施加正、反向电压时，通过管子的电 流如图（ 3） 所示。 LED 的驱动电路研究设计 8 图 3 硅二极管 PN结的 VI 特性 根据理论分析， PN结 的 VI特性可表达为 iD =IS (e TDnVv / 1) (1) 式中 iD 为通过 PN 结的电流； vD 为 PN结两端的外加电压； n为发射系数，它与 PN结的尺寸、材料及通过的电流有关，其值在 1～ 2 之间； VT 为温度的电压当量，VT =kT/q。 其中 k 为玻耳兹曼常数（ 1023 J/K） ， T 为热力学温度，即绝对温度（单位为 K， 0 K=273℃）， q 为电子电荷（ 1019 C），常温（ 300K）下，VT =。 e 为自然对数的底； I 为反向饱和电流。 对于分立器件，其典型值约为108 A～ 1014 A的范围内。 集成电路中的二极管 PN 结，其 IS 值则更小。 关于式（ 1），可解释如下： ① 当二极管的 PN 结两端加正向电压时，电压 vD 为正值，当 vD 比 VT 大几倍时，式（ 1）中的 e TDnVv / 远大于 1，括号中的 1可以忽略。 这样，二极管的电流 iD与电压 vD 成指数关系 ，如图 3 中的正向电压部分所示。 ② 当二极管的 PN 结两端加反向电压时， vD 为负值，若︱ vD ︱比 nVT 大几倍时， 指数项趋近于零，因此 iD =IS ，如 图（ 3） 中的反向电压部分所示。 可见温度一定时反向饱和电流是个常数 IS ，不随外加电压的大小而变化。 2． 2． 3 PN 结的反向击穿 如果 加到 PN 结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，如图 4所示。 这个现象就称为 PN 结的反向击穿（电击穿）。 发生击穿所需的反向电压 VRB 称为反向击穿电压。 PN结电击穿后电流很大，容易使 PN 结发热。 这时 PN 结的电流和温度进一步升高，从而很容易烧毁 PN 结。 反向击穿电压的大小与 PN 结制造参数巢湖学院 2020 届本科毕业论文（设计） 9 有关。 电击穿的一个原因是碰撞电离产生的倍增效应使 PN 结雪崩击穿，另一个原因是齐纳击穿。 这两种电击穿过程是可逆的，当反向电压降低后，就可恢复原来状态。 但它有一个前提条件，就是反向 电流和反向电压的乘积不超过 PN 结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不 出去而使 PN 结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿。 图 4 PN 结的反向击穿 2． 2． 4 极间电容 极间电容 Cd =CD + CB ， CD 为扩散电容， CB 为势垒电容。 (1) 扩散电容 CD 若外加正向电压有一增量△ V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量△ Q。