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LLC LED 驱动器简化设计
摘要：LED 负载随亮度调节变化时，PWM LED 亮度调节如何使 dc/dc 传输函数保持恒定
作者：MICHAEL O’LOUGHLIN，德州仪器 (TI) 高级应用工程师
相比过去使用的老式、笨重的阴极射线管 (CRT) 显示器，现在的平板数字电视和显示器要薄得多。这些新型薄平板电视对消费者非常有吸引力，因为它们占用的空间更小。
为了帮助满足消费者需求并使这类数字设备变得更薄，一些厂商转向使用 LLC 谐振半桥转换器来为这些设备的发光二极管 (LED) 背光提供驱动。这是因为，利用这种拓扑结构所实现的零电压软开关 (ZVS) 可带来更高效的高功率密度设计，并且要求的散热部件比硬开关拓扑更少。
这类拓扑设计存在的一个问题是 LLC dc/dc 传输函数会随负载变化而出现明显变化。但是，这样会使在 LED 驱动器中建立 LLC 控制器和补偿电流环路变得更加复杂。为了简化这一设计过程，本文将讨论一种被称作脉宽调制 (PWM) LED 亮度调节的设计方法，其允许 LED 负载随亮度调节变化的同时让 dc/dc 传输函数保持恒定。
研究传输函数 (M(f)) 的 LLC 谐振半桥 dc/dc
LLC 谐振半桥控制器 dc/dc（请参见图 1）是一种脉冲频率调制 (PFM) 控制拓扑。半桥 FET（QA 和 QB）异相驱动 180，并利用一个电压控制振荡器 (VCO) 调节/控制频率。这反过来又能调节谐振电感 (Lr) 形成的分压器阻抗、变压器磁电感 (LM)、反射等效阻抗 (RE) 和谐振电容器 (Cr) 进行调节。仅有 LM 中形成的电压通过变压器匝数比 (a1) 反射至次级线圈。
图 1 LLC 谐振半桥/控制器
等效反射阻抗：
（方程式 1）
变压器匝数比：
（方程式 2）
（方程式 3）
我们可以标准化和简化一次谐波近似法 [1] 传输函数 M(f) 的使用。M(f) 的方程式 4 中，标准化的频率 (fn) 被定义为开关频率除以谐振频率 (fO)。尽管只是一种近似值方法，但在理解 M(f) 如何随输入电压、负载和开关频率变化而变化时，该简化方程式还是非常有用的。
标准化 LLC 半桥增益：
（方程式 4）
调节 dc 电流，以调节 LED 亮度
LLC 谐振 LED 驱动器中实现 LED 亮度调节的一种方法是调节通过 LED 的dc 电流。这样做存在一个问题：DC 电流变化后，LLC 的输出阻抗也随之改变。如果考虑不周，则这种变化会带来 M(f) 变化，从而使 LED 驱动器设计变得更加复杂。
负载变化带来的问题
设计一个半桥转换器并不是一件容易的事情。设计人员要根据 ZVS 要求选择磁化电感 (LM)。他们还要调节 a1、Cr 和 Lr，以获得理想的 M(f) 和频率工作范围。但是，M(f) 会随 Q 变化而改变，而 Q 又会随着输出负载 (RL) 变化而变化。详情请参见图 2。
谐振 LLC 半桥 LED 的 M(f) 变化会使电压环路补偿和变压器选择变得更加困难、复杂和混乱，因为在设计过程中需要考虑的各种变化实在太多了。
图 2 M(f) 随负载而变化。
不断变化的 LLC 增益曲线 (M(f)) 会在反馈环路中引起电压控制振荡器 (VCO) 的控制问题。VCO 一般由一个反馈误差放大器控制（EA（参见图 1））。开关频率随 EA 输出升高而降低以提高 LLC 增益，并在 EA 输出下降时增高。理想情况下，在一个 LLC 半桥设计中，M(f) 增益需在其最大开关频率下以最小值开始，同时 M(f) 随频率降低而上升。
正常工作时的理想 M(f) 范围为虚线右侧部分（请参见图 2）。我们把这一区域称作电感区，这时 LLC 工作在 ZVS 下。虚线左边为电容区，在该区域内主级开关节点上没有 ZVS。在大信号瞬态期间，EA 会驱动 VCO，要求更低的开关频率，以提高增益。结果是，M(f) 增益工作在虚线左边区域，可能达不到理想增益，无法满足控制环路需求。
这时，ZVS 丢失，并且反馈环路会让 LLC 控制器一直锁闭在该区域内。现在，反馈误差放大器尝试要求更低的开关频率，以提高功率级无法达到的增益，因为转换器可能工作在图 2 中虚线的右边区域。ZVS 丢失时，FET QA 和 QB 消耗更多功率，FET 会因过热而损坏。为了避免设计中出现这种问题，需要对所有 M(f) 曲线进行分析，然后适当地限制最小开关频率 (f)，以防止转换器 (M(f)) 工作在图 2 中虚线的左侧区域。
PWM 亮度调节简化设计过程
对于要求亮度调节的 LLC 谐振半桥 LED 驱动器而言，简化设计过程的一种方法是使用一种被称为 PWM 亮度调节的技术。图 3 显示了一个 LLC 转换器的功能原理图，它的 LLC 控制器便使用了这种 PWM 亮度调节技术。在我们的例子中，我们使用了 UCC25710。
图 3 使用 PWM 亮度调节技术的 LLC 半桥 LED 驱动器。
这种技术利用一个控制 FET QC 的固定低频信号 (DIM)，它以逻辑方式添加至QA 和 QB FET 驱动。DIM 信号为高电平时，LED 背光灯串被控制在某个固定峰值电流 (VRS/RS)。一旦 DIM 变为低电平，QA、QB 和 QC 立即关闭。QA、QB 和 QC 关闭后，LED 二极管便停止导电，同时输出电容器 (COUT)存储能量，以备准时开始下一个 DIM 周期。更多详情，请参见图 4 所示波形。
图 4 PWM 亮度调节波形
通过调节 DIM 信号的占空比 (D) 实现对平均二极管电流 (ID) 的调节，从而控制 LED 的亮度。
浅谈LED型固态照明中模拟亮度调节与PWM亮度调节的运用 责任编辑：兔子 来自 电源网
诸如智能手机或者便携式GPS导航系统背光照明等应用中，必须使用LED亮度调节，目的是让用户在强太阳光和夜晚弱光条件下都能看清楚屏幕。使用手电筒时，用户认为较长的电池使用时间更加重要，而非提供最强的光线照明。我们可以在这些应用中使用模拟亮度调节或者脉宽调制(PWM)亮度调节方法。模拟设计通过使用一种创新方法来建立起一个参考电压，从而获得比PWM型设计更高的效率。
模拟和PWM亮度调节方法都对LED驱动电流进行控制，而该电流同光线输出成正比关系。模拟亮度调节结构简单，控制功耗最低，并且一般比PWM亮度调节方法要高效，原因是低驱动电流时LED正向电压更低。
但是，模拟亮度调节要求通过一个单独的电压基准生成模拟电压(可能会对某个方波输入信号使用RC滤波器输出，或者使用一个昂贵的数模转换器(DAC))。图1所示电路通过修改一个电位计，没有了这些方法的复杂性，从而实现了一种简单、高成本效益的模拟亮度调节方法。这种整体解决方案，是一种高效、低成本、低组件数目的LED驱动器，适用于单个高电流LED，例如：欧司朗的金龙(Golden Dragon)等，可用于一些小型电池供电型设备。
电路运行情况
图1 电位计R1实现的模拟亮度调节LED驱动器
电路要求使用一个电压调节、同步、降压转换器，通过一个17V电源提供高达1A的输出电流，例如：TPS62150。图1中，这种降压转换器使用反馈(FB)引脚来控制检测电阻R2的电压，对LED的电流进行调节。FB电压由一个精确内部参考电压(一般为0.8V)和一个SS/TR(慢启动与追踪)外部输入引脚共同控制。
SS/TR引脚电压低于1.25V时，FB引脚电压等于SS/TR引脚电压乘以0.64，即VFB = 0.64 * VSS/TR。通过控制FB电压，进而控制R2的电压，IC可改变驱动LED的电流大小。
SS/TR引脚有一个嵌入式电流源，其一般为2.5 μA。该电源常用于对电容器充电，并形成平顺、线性的SS/TR引脚电压上升。典型降压转换器中，这会使输出电压线性、受控地上升，同时也减少了输入电源的突入电流。使用这种设计时，一个接地电阻在SS/TR引脚上产生恒定电压。
一个电位计放置于SS/TR引脚上，目的是将该引脚的电压保持在250mV(电位计=100 kΩ)和0V(电位计=0Ω)之间。回顾上述方程式，它意味着FB引脚电压范围在160 mV和0V之间。R2为一个0.15Ω电阻器时，LED电流变化范围为1.07A-0A。由于FB引脚电压与SS/TR引脚电压线性相关，因此电位计可提供如图2所示线性模拟亮度调节。
图2 图1所示电路的亮度调节线性情况，其使用一个电位计实现亮度调节。
这种电路拥有非常高的效率，因为FB引脚电压的值相对较低。这种低电压可降低检测电阻R2的功耗。另外，TPS62150在轻载电流条件下使用节能模式，以在大多数负载范围保持较高的效率。图3显示了图1所示电路的效率，其使用一个12V输入，并且在开关输出过程中使用TDK的VLF3012ST-2R2电感器。
我们可以提高这种电路的效率，但代价是增加电路尺寸。例如，你可以将FSW(开关频率)控制引脚连接输出电压，从而降低工作频率，并且(或者)选择一个低DCR(DC电阻)及(或)拥有更佳AC损耗特性的电感器。尽管实现这两种方法可能需要更多的电路板面积，但却可以达到90%以上的效率。尽管其效率并非最高，但图1所示设计却拥有较小的解决方案尺寸和较好的工作效率。
电路局限性
由于这种电路使用一个非精确模拟输入(一种手动调节电位计)来调节LED电流，因此检测电阻、电位计电阻和SS/TR引脚电流的容差以及其对LED亮度的影响程度，都不那么重要。如果LED太亮，用户只需调低电位计电阻便可。如果太暗，只需调高电位计电阻。使用一个多向调节电位计时，我们可以有效地控制LED亮度，用于许多一般应用，例如：手电筒和背光等。
这种设计存在的一个缺点是SS/TR引脚和FB引脚电压之间的补偿。SS/TR引脚被拉低至0V时，通过减小电位计电阻，仍然可以有50mA的电流流过LED。因此，LED无法完全关闭，除非你增加一个带有上拉电阻器的接地开关，其连接至EN(激活)引脚。
其他模拟亮度调节方法
本文所述使用电位计电路的优点是其简易性和高成本效益。模拟亮度调节要求的模拟电压由IC的一个精确电流源产生，之后通过一个用户调节型电阻器转换为相应的光输出。除这种电位计以外，无需再使用任何其他组件。亮度调节的输入即电位计，是唯一需要的组件。
图 3 图1所示电路在亮度调节范围的效率。
如果没有这种精确电流源，我们需要考虑使用其他方法来产生模拟亮度调节所需的模拟电压。一些传统方法包括：使用一个独立参考电压IC，产生精确模拟电压;通过一个RC滤波器改变微控制器PWM输出的占空因数来产生精确模拟电压;或者使用一个带DAC的微控制器来产生精确模拟电压。
所有这些方法都要求用户输入来改变光输出。使用参考电压IC时，仍然要求使用一个电位计作为IC的输入，以调节电压和控制光输出。基准IC方法的成本比本文重点介绍的简易方法要高。
最后两种方法要求使用一个微控制器，同样也增加了解决方案的成本。尽管智能手机和GPS系统都包含有一颗微控制器，但一般的手电筒却没有。具体使用哪种方法，取决于你手边的应用，因为某些产品需要更友好的用户界面(可能使用触摸屏控制)。
第三种方法使用一个更大且更昂贵的DAC来代替电位计。DAC具有更好的输出模拟电压间隔尺寸，因此其光输出控制也比电位计更加精确。具体的应用决定了这种高昂的代价是否值得。
在降压转换器的SS/TR引脚上使用电位计是一种简单、小巧且低成本的方法，可为背光和手电筒照明等应用的高电流LED提供线性的模拟亮度调节。使用模拟亮度调节时，使用一个12V输入电源可在大多数亮度调节范围保持85%左右的效率。整套电路仅要求6个组件加上大功率LED。
大功率LED灯珠及LED点光源选择方式应该从以下9个方面来分析：
1、LED亮度LED的亮度不同，价格也会有所不同。
灯杯：一般亮度为60-70lm；球泡灯：一般亮度为80-90lm。
注：1W亮度为60-110lm3W亮度最高可达240lm5W-300W是集成芯片，用串/并联封装，主要看多少电流，电压，几串几并。
1W红光亮度一般为30-40lm；1W绿光亮度一般为60-80lm；1W黄光亮度一般为30-50lm；1W蓝光亮度一般为20-30lm；LED透镜：一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶（软硅胶，硬硅胶）等材料。角度越大出光效率越高，用小角度的LED透镜，光线要射得远的。
2、抗静电能力强的LED，寿命长，因而价格高。通常抗静电大于700V的LED才能用于LED灯饰。
3、波长一致的LED，颜色一致，如要求颜色一致，则价格高。没有LED分光分色仪的生产商很难生产色彩纯正的产品。
白光分暖色（色温2700-4000K），正白（色温5500-6000K），冷白（色温7000K以上）欧洲人比较喜欢暖白红光：波段600-680，其中620，630主要用于舞台灯，690接近红外线蓝光：波段430-480，其中460，465舞台灯用的较多。
绿光：波段500-580，其中525，530舞台灯用的较多。
4、漏电电流LED是单向导电的发光体，如果有反向电流，则称为漏电，漏电电流大的LED，寿命短，价格低。
5、发光角度用途不同的LED其发光角度不一样。特殊的发光角度，价格较高。
6、寿命不同品质的关键是寿命，寿命由光衰决定。光衰小、寿命长，寿命长，价格高。
7、LED芯片LED的发光体为芯片，不同的芯片，价格差异很大。日本、美国的芯片较贵，台厂与中国本土厂商的LED芯片价格低于日、美。
8、芯片大小芯片的大小以边长表示，芯片尺寸一般为：38-45mΩ，大芯片LED的品质比小芯片的要好。价格同芯片大小成正比。
9、胶体普通的LED的胶体一般为环氧树脂，加有抗紫外线及防火剂的LED价格较贵，高品质的户外LED灯饰应抗紫外线及防火。
现在正需要设计LED光源呢，好需要啊！
非常高兴能够分享！
也感谢TI的大力支持！
LED连接各类传感器连接实现自控功能 来源：电源网
随着LED灯具结构多样化、应用扩大化，随着LED照明灯具设计的更多的创意、创新，有很多传感器被结合应用在LED照明和亮化工程的系统中。一个智能化的LED照明新时代正在到来，人类的照明生活也将越来越亮堂和舒适。LED照明灯具与传统的照明灯具最大的区别，LED照明灯具是一个完全的电子产品，而传统的照明灯具仅是一个电器产品。因此LED灯具可以很方便地与各种类型的传感器关联，从而实现光控、红外控制等多种自动控制功能。如LED路灯的自动开关，用一个光敏传感器就可简单实现;社区夜间走道和庭院照明，可以用红外传感器采集人类活动信息，自动开闭照明灯具。
LED照明灯具开关自动控制
传感器作为信号采集和机电转换的器件，其机电技术已相当成熟，近几年MEMS(微机电系统)技术兴起又将传感器技术向小型化、智能化、多功能化、低成本化大踏步迈进。光敏传感器、红外传感器等各种类型的传感器都可与LED照明灯具组成一个智能控制系统，传感器将采集来的各种物理量信号转换成电信号，可以经由集成电路化的AD(模数)转换器 、MCU(微控制器)、DA(数模)转换器对所采集的信号进行智能化处理，从而控制LED照明灯具开启和关闭。人类可以籍此在MCU上设定各种控制要求，控制LED灯的开关时间、亮度、显色、多彩变幻，从而达到省电节能的目标。传感器与LED灯具组成的系统框图如图1所示。目前的集成电路制造技术已经可以将AD、DA、MCU集成在一个5mm×5mm或更小的封装内，安装在灯具内既不占面积而且十分方便。
光敏传感器与LED灯具组合
风光电LED路灯是一种高度智能化和无人值守的道路照明灯具，利用风力、阳光发电，用蓄电池储能，因此能源的自动管理十分重要。光敏传感器是比较理想的因天亮、天暗(日出、日落)时照度变化而能控制电路自动开关的电子传感器。图2所示是一种光敏传感器的外貌。图3是光敏传感器的光敏电阻板，它对光线的明暗亮度十分敏感。图4是光电转换的基本原理图。光控LED灯具照明系统工作原理如图1所示。
光敏传感器可根据天气、时间段和地区自动控制商场LED照明灯具开闭。在明亮的白天通过减少其输出功率来降低耗电量，与使用荧光灯时相比，店铺面积为200m2的便利店最大可降低53%的耗电量。寿命也长达约5~10万小时。一般情况下，LED照明灯具的寿命为4万小时左右;发光的颜色也可采用RGB(红绿蓝)多彩变幻的方式，使商场灯光更多彩，气氛更活跃;与配套使用黄色荧光体的原蓝色LED相比，配套使用红、绿、蓝三色荧光体的紫色LED的演色性更高。
红外传感器与LED灯具组合
红外传感器是靠探测人体发射的红外线而工作的。主要原理是：人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光透镜增强后聚集到热释电元件PIR(被动式红外)探测器上，当人活动时，红外辐射的发射位置就会发生变化，该元件就会失去电荷平衡，发生热释电效应向外释放电荷，红外传感器将透过菲涅尔滤光透镜的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。在被动红外探测器的探测区内无人体移动时，红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人探测区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异，信号被采集后与系统中已存在的探测数据进行比较以判断是否真的有人等红外线源进入探测区域。
被动式红外传感器有三个关键性的元件：菲涅尔滤光透镜，热释电红外传感器和匹配低噪放大器。菲涅尔透镜有两个作用：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射在PIR上：二是将探测区内分为若干个明区和暗区，使进入探测区的移动物体/人能以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号。一般还会匹配低噪放大器，当探测器上的环境温度上升，尤其是接近人体正常体温(37℃)时，传感器的灵敏度下降，经由它对增益进行补偿，增加其灵敏度。输出信号可用来驱动电子开关，实现LED照明电路的开关控制。图5是红外传感器外貌，图6是红外传感器内部结构与内部电路图。图7是带红外传感器的LED照明灯具，这是一款E27标准螺口灯头的灯具，其电源适用范围是AC180V-250V(50/60Hz)，红外传感器检测范围大约在3m~15m,其标准产品IFS-Bulb3W灯具达80lm,5W灯具达140lm.在LED光源模块的中央部分嵌入红外线传感器。一旦红外传感器检测到人的体温，LED电灯泡将会在50s内自动开启与关闭。适用于任何一种室内应用，如走廊、储藏室、楼梯和大厅入口处。
与红外传感器应用相仿的超声波传感器近年在自动探测移动物体中得到更多的应用。超声波传感器主要利用多普勒原理，通过晶振向外发射超过人体能感知的高频超声波，一般典型的选用25~40kHz波，然后控制模块检测反射回来波的频率，如果区域内有物体运动，反射波频率就会有轻微的波动，即多普勒效应，以此来判断照明区域的物体移动，从而达到控制开关的目的。图8是超声波传感器和微处理器组合的应用方案。
超声波的纵向振荡特性，可以在气体、液体及固体中传播，且其传播速度不同;它还有折射和反射现象，在空气中传播频率较低、衰减较快，而在固体、液体中则衰减较小、传播较远。超声波传感器正是利用超声波的这些特性。超声波传感器有敏感范围大，无视觉盲区，不受障碍物干扰等特点，这项技术已经在商业和安全领域被使用25年多了，已经被证明是检测小物体运动最有效的方法。因此与LED灯具组成系统可灵敏控制开关。
由于超声波传感器灵敏度高，空气振动、通风采暖制冷系统及周围邻近空间的运动都会引起超声波传感器产生误触发，所以超声波传感器需要及时校准。
温度传感器做LED灯具的过温保护
温度传感器NTC(负温度系数)做LED灯具的过温保护被比较早的广泛应用。LED灯具如采用大功率LED光源，就必须采用多翼的铝散热器，由于室内照明用的LED灯具本身空间很小，散热问题到目前还是最大的技术瓶颈之一。LED灯具散热不爽的话，会导致LED光源因过热而早期光衰。LED灯具开启后热量还会因热空气自动上升而向灯头富集，影响电源的寿命(图9)。因此在设计LED灯具时，可以在铝散热器靠近LED光源方紧贴一个NTC,以便实时采集灯具的温度，当灯杯铝散热器温度升高时可利用此电路自动降低恒流源输出电流，使灯具降温;当灯杯铝散热器温度升高到限用设定值时自动关断LED电源，实现灯具过温保护，当温度降低后，自动再将灯开启。
TI就是爽快啊，上次430我慢了一步。。。
1.1 引言
如今全世界对LED研究已经很成熟了，为什么科学家发明了LED这种光源呢？LED相比于热光源有很多优点：体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、坚固耐用、多变幻、高新尖。
在城市工业中，城市夜景照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，小功率的LED产品应该能够找到他的用武之地。LED发光角度小，方向性强，可作局部重点照明。问题是要给设计师提供有足够大的选择范围，外观上也应有美观的要求。可以肯定地说，LED将会在未来引领照明的时尚与新潮。
在设施农业中,通常所采用的人工光源是荧光灯与高压钠灯。近年来，随着光电技术的发展,发光二极管(LED)的亮度与效率也大幅度提高,使得这种光源在设施农业生产中的应用变为可行，尤其对封闭可调控的设施农业环境 (如植物工厂，组织培养室、植物生长箱等) 是一种非常合适的人工光源.为此,主要介绍了LED在设施农业中的应用及发展趋势[1]。
市景观照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，LED产品应该能够找到它的用武之地。发光角度小的LED方向性强，可作局部重点照明；在封装材料中添入散射剂可以实现175度的发光角适合较大范围内的照明，问题是目前城市夜景照明中建设单位过于追求高亮度难以给设计师提供足够大的选择范围，目前在城市夜景照明工程中常用的LED光源主要有：线性发光灯具、装饰草坪灯、景观灯、球泡、水下灯、地面灯具：地埋灯、发光地砖、石灯、利用太阳能电池作为能源的LED灯具[2]。
国际上LED的医学应用研究工作从20世纪90年代开始，1993年美国太空总署（NASA）首先提出LED生物医学应用研究。其研究内容包括：利用LED照射舒缓宇航员运动疲劳、处理伤口，用于肿瘤的光动力治疗和消除皮肤炎症、溃疡，促进创伤愈合以及面部嫩肤、除皱、除斑，治疗座疮等等。相继推出LED医疗应用成果的还有以色列和英国。通过大量临床实践，各国生物医学界专家一致认为LED医疗器械是目前最能替代He-Ne激光器进行光疗的器械，在医学应用领域有着极其广泛的开发前景[3]。
故LED电路的设计显得尤为重要，没有驱动LED永远发不了光。每个厂家所用LED都是一样的，不同之处在于驱动电路的不同，好的驱动电路能使其工作时间更长，发挥更多的作用，节约更多的能源，LED相比于普通的白炽灯所用电量更少，但能发出同样的光芒，使用年限也更长，正因为有各种高性能高质量的电路使得LED能发挥其历史性的作用，来为我们照福，为国家照福，为人类照福。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外LED电路发展现状
半导体照明技术的开发研究引起了全球研究机构和企业的重视。国外共有近200家公司参与GaN器件、材料和设备的开发，近300所大学和研究所参与GaN的研发。目前，功率型白光LED光视效能（发光效率）已经达到100 lm/W，研究水平达到160 lm/W。经过技术发展和市场竞争，世界主要LED厂商已经形成各自的技术特色。日本日亚化学处于全球技术领先水平，垄断高端白色、蓝、绿色LED的市场，丰田合成在白光LED及车灯照明技术开发据国际前端；美国Cree的碳化硅衬底生长GaN外延片国际领先，传统照明巨头Philips绝对控股的美国Lumileds功率型白光LED国际领先；传统照明巨头Osram欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型LED封装和车用LED灯具开发国际领先[4]。
1.2.2 国内LED电路发展现状
国内的外延片生长技术主要源于美国、基本上是进口美国的有机金属化学气相沉淀（MOCVD）装备，这些装备在美国就不是一流的装备，在整个LED产业外延片的生长、芯片、芯片封装3个环节中，外延片生长投资要占到70%，外延片成本要占到封装成成品的70%，同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏，简单的说，外延片的水平决定了整个LED产业水平，国内近几年也陆续引进了50多台MOCVD装备，均处理大生产工艺摸索阶段，一旦工艺成熟，则会上10倍地增大装备数量形成规模生产，市场需求巨大。
国家“863”计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相外延炉和MOCVD设备的研发（中科院半导体所、中电科技集团公司第四十八所），通过整机消化吸收，关键技术再创新等措施，填补了国内空白，使长期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。 随着国家照明工程的起步，国内LED芯片设备的巨大需求再次引起了国外半导体设备生产商的积极响应，他们日益重视中国这个巨大的市场，但是，这里面也存在着一个隐忧，国外芯片设备高昂的价格，相对制约了国内企业的规模化、产业化发展，也消耗了国家大量宝贵的外汇。同样也挤占了国内设备生产商的发展空间。
1.3 本文研究的内容
论文在查阅了大量有关文献的基础上，详细的分析了LED光源特性和LED的驱动方式，给出了LED显示控制系统具体的设计方案。整个系统分为电源部分和时间控制部分。
1.3.1 LED光源特性
了解LED光源特性及种类，不同种类LED应用于不同的场合。因为其发光效率高、耗电少、使用寿命长、安全可靠性强、环保。所以在恶劣的场合应使用寿命长、精度要求不需太高的LED发光管。在实验室或者精密测量的场合应使用精度高、电气特性好的LED发光管。同时按照材料的不同LED的种类也很多，有单管、七段数码管、LED显示屏等等。可根据不同的要求选用不同的LED。
1.3.2 LED驱动方式
了解LED的四种驱动方式直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动。并知道每种方式应用于什么场合。
1.3.3 LED电源部分
电源部分采用5V直流稳压电源。由于该电源主要由变压、滤波、稳压、整流这4部分组成。所以本文电源部分主要从这4部分入手，每部分都有不同的选择，主要通过仿真观看波形来最终选择合适的电路。选择该电源的主要原因是简单而且很实用，毕竟提供LED发光不需要太高的电压和电流，而且这次设计所用的是单管LED，因此对电源的要求很低。
1.3.4 时间控制部分
时间控制部分主要采用555定时器。该芯片比较器灵敏度高、输出驱动电流大、功能灵活，因此在电子电路中获得广泛应用。555时基电路可用作：脉冲发生器、方波发生器、单稳态多谐振荡器、双稳态多谐振荡器、自由振荡器、内振荡器、定时电路、延时电路、脉冲调制电路、仪器仪表的各种控制电路。
在本次设计中仅用到其定时的功能，来控制LED发光管的亮灭时间。该定时电路在日常生活中很常见，如电饭煲、空调等家用电器需要定时开关的。所以非常实用。
第二章 LED控制电路总体方案
2.1 LED光电特性
2.1.1 LED器件的发光原理
发光二极管，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流通过它的时候，产生可视的光。当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，LED显示屏接口电路设计相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在注入和复合中产生辐射而发光。利用这个特性来实现发光[8]。如图2-1所示。通过电流的表达式见(2-1)式：
(2-1)
其中V代表二级管两端的电压，R代表限流电阻，I代表通过的电流。
2.1.2 LED光源特点
(1)电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
(2)效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
(3)适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
(4)稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。
(5)响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
(6)对环境污染：无有害金属汞。
(7)颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。
(8)价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。
2.1.3 LED的分类
我们所说的LED知识一个概括的名词，其实随着LED在60年代进出商业后，经过几十年的发展已经发展了很多很多种类，其主流的大类有[5]：
(1) LED（Light emitting diode）
我们有叫它LAMP LED产品的、有叫它P2产品的、也有叫它插件LED的，不管怎么样只要是直插式的都归与一种。而LED种类里面还有很多种类：
1)按胶体形状分：3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、方形、椭圆形、墓碑形、还有一些特殊形状等等。
2)按胶体颜色分：无色透明、有色透明、有色散射、无色散射等。
3)按颜色分：红色（red）、橙色（orange）、黄色（yellow）、黄绿色（green yellow）、绿色 （green）、 蓝绿色（blue green）、蓝色（blue)、紫色（pink）、紫外线（uv）、白色（white）、红外线等等。
(2)SMD（Suface mount device）
表面贴装二极管或表面贴装元器件都是他的叫法，这个里面也有多中类别：
1)按形状大小分：0603、0805、1210、5060、1010等等，一般smd都是菱形的，所以其叫法都是根据长*宽的尺寸来叫，行业善用的都是英寸，不是毫米，也有用毫米叫的，不如1608（1.6*0.8mm)等。
2)发光颜色和胶体的种类和LED产品一样，只是产品的形状发生了很大的变化。
(3)食人鱼（Flux led）
这个是因LED的发光效率不能满足汽车使用其要求，所以就开发了这个产品，是小功率产品，其驱动电流一般在50MA、一般LED用的20MA，最高电流可以达到70mA，就是因为其散热比较好，一般用在汽车后尾灯。
他的分类也是按胶体形状不同分的：3mm、5mm平头的，还有，还有根据顶部的珠子不同满足不同客户角度的要求等等。你像30、50、70、120度等等。
(4)大功率（power led）
这个大家应该都比较熟悉了，现在是这个行业炒的最热火的。都争先恐后的还取代现有照明的产品。不知道的看看图片是什么样子的：
1)按功率分：1w、3w、5w、等等。
2)按顶部发光透镜分:平头、聚光、酒杯形状等。
3)按工艺还有铝基板的和防luminous的。
(5)数码管（Display）
这个大家是最早用在来做显示屏和数码显示用的。
1)按外形分：1位、2位、3位、4位等等。
2)表面颜色：灰面黑胶的、也有黑面白胶的等等。
3)极性：共阴、共阳。
4)颜色也和LED一样可以做很多种类。
(6)点阵（LED Dot Matrix）
从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件加正向电压时流过器件的正向电流使其发光。因此LED的驱动就是要使它的PN结处于正偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，本论文LED器件的驱动方式为直流驱动方式【6】。
2.2 LED的驱动方式
2.2.1 直流驱动
直流驱动是最简单的驱动方法，由滑阻R2与发光二极管LED串联以后连接到电源Vcc上，R1为限流电阻。如图2-2所示：
图2-2 LED的直流驱动
连接时令LED的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向。只要保证LED处于正偏置，发光二极管与电阻的位置是可以互换的。直流驱动时，LED的工作点由电源电压k、串联电阻R和LED器件的伏特性共同决定。对应于工作点的电压电流分别为vf和I，。改变R2的值，可以调解I的值，从而调节LED的发光强度。如图2-3所示:
图2-3 LED特性曲线
直流驱动方式适合于LED器件比较少、发光强度恒定的情况，例如目前有的公交车上用于固定显示“XX”字样的显示器上，就可以用这种驱动方式。一方面它显示的字数很少，另一方面它的显示内容固定不变。因此只要在需要显示字样的笔画上排列LED发光灯就可以了。这样一块屏上大约有100只管子。采用直流驱动可以简化电路，降低造价。
2.2.2 恒流驱动
由于LED器件的正向特性比较陡，加上器件的分散性，使得在同样电影电压和同样的限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，引起发光强度的差异。如果能够对LED正向电流直接进行驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近(同样存在着法光强度与正向电流之间各个器件的分散性，但是这种分散性没有伏安特性那么陡，所以影响也就小得多)。晶体管输出特性具有恒流性质。如图2-4所示。
图2-4 LED恒流驱动
2.2.3 脉冲驱动
脉冲驱动方式主要利用人眼视觉暂留现象驱动LED发光，利用该方式驱动LED可以通过改变驱动频率从而达到改变LED发光时间以及亮度。
2.2.4 扫描驱动
扫描驱动通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。如图2-5所示。
图2-5 LED扫描驱动
LED显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制：也可以按列扫描，按行控制。扫描就是指依次循环接通整行的LED器件，某一列的LED器件是否应该点亮，由列控制电路来负责。
依据上述分析，本文由于控制一个发光二极管，故只用直流驱动，既简单又实用，所用元器件少。也可以用滑动变阻器代替定值电阻来调节LED的亮度。
2.3 电源的设计方案
2.3.1 开关电源
开关电源主要采用开关式稳压电路，电路中的调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。由于管子饱和导通时管压降和截止时管子的电流都很小，管耗主要发生在状态开于关的状态转换过程中，电源效率可提高到75%～95%。由于省去了电源变变压器和调整管的散热装置，所以其体积小、重量轻。它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子装备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件要求较高。但由于工艺已经成熟，而优点又突出，已成为宇航、计算机、通信、家用电器和功率较大的电子设备中电源的主流，应用日趋广泛【7】。
2.3.2 线性电源
线性电源主要采用串联反馈式稳压电路，由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗先当大，电源效率较低，一般为40%～60%，有时还要配备庞大的散热装置。但其电路结构简单，输出电压中所含纹波较小，所以广泛应用于小信号、小功率电路中。
2.3.3 比较与选取
从上面对两种电源的分析并结合本次设计的要求，决定选用线性电源。理由如下：
(1)输出电压方面
开关电源输出电压纹波较大，线性电源较小。而本次设计是对LED和555提供电源，这些小型的器件对电压的稳定性要求较高，故选择线性电源。
(2)电路整体方面
开关电源整体电路复杂，对元器件要求高，线性电源则相反。根据本次设计属于简单的定时电路。电路相对简单，故选取线性电源。
(3)电源转换效率方面
开关电源转换效率高，功耗小，线性电源转换效率低，功耗高。但是由于LED的特性可知，其需要的电流很低，所以也不需要大功率的电源，线性电源足以。
所以综上所述，选择线性电源。在设计过程中困难在于变压、整流、滤波、稳压这4个部分的选取和链接以及完成后对电路的仿真。
2.4 时间控制的设计方案
2.4.1 用555定时器组成的施密特触发器
其功能主要是将输入任何波形转变为矩形波，由正、负阈值电压决定高低电平。可用于滤波电路，滤除噪声等等干扰。
2.4.2 用555定时器组成的单稳态触发器
其功能是用作失落脉冲检测，或对电机转速或人体的心律进行监视，如果转速不稳或人体的心律不齐时，输出低电平可用作报警信号。
如果将单稳态电路的电压控制端加入一个变化的电压，当控制电压升高时，电路的阈值电压升高，输出的脉冲宽度随之增加；而当控制电压降低时，电路的阈值电压也降低，单稳的输出脉宽则随之减小。如果加入的控制电压是三角波，则在单稳的输出端便可得到一串随控制电压变化的脉宽调制波形。可用该电路作为定时电路【8】。
2.4.3 用555定时器组成的多谐振荡器
其功能是产生多谐振荡，每隔一段时间就有电平触发，其占空比是根据外围RC元件的参数决定的，时间主要由电容的冲放电时间决定。因此改变RC的参数就可以改变触发时间。如果将电阻用滑动变阻器代替，则可实现频率可调的驱动电路。
综上所述，结合本次设计要求应当选择555定时器组成的多谐振荡器和单稳态触发器。其优点在于比较器的灵敏度高、输出驱动电流大、功能活，在电子电路中获得广泛应用。但是选择该电路存在一个问题，就是定时时间不能太长，而且时间精度不高。不适于那些精密仪器的定时。当然，可以将做好后的电路通过精密的仪器测量其定时时间，也就是测量其触发电平时间间隔。也可以用示波器观看输出波形来计算时间。
第三章 LED控制电路设计
2.2 系统的功能
系统的总体结构如图3-1所示，在该系统中以5V直流稳压电源为各器件提供电源，采用555定时器定时功能和波形产生功能驱动LED发光。该系统可控制LED发光时间及频率，达到定时预报的功能。
图3-1 系统总体结构图
2.3 LED驱动设计
3.2.1 LED脉冲驱动
脉冲驱动方式，采用向LED器件重复通断供电的方法使之点燃．就是利用人眼的视觉暂留特性，采用这种方式时应该注意两个问题：脉冲电流幅值的确定和重复颇率的选择。首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度的话，脉冲驱动电流的平均值Ia就应该与直流驱动的电流值相同。如图3-2所示，平均电流Ia是瞬时电流i的时间积分，对于矩形波来说，其表达式如(3-1)式所示：
（3-1）
其中Ia代表买中电流的平均值。
图3-2 LED的脉冲驱动
脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大。其次是脉冲重复频率的问题，通过视觉暂留特性的分析，己经知道脉冲重复频率必须高于24Hz，否则会产生闪烁现象。脉冲驱动的主要应用有两个方面扫描驱动和占空比驱动。
3.3 电源的设计
线性电源（5V直流稳压电源）由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。其流程图如图3-3所示：
图3-3 5V直流稳压电源流程图
3.3.1 电源变压器
图3-4所示是一种简单的电源变压器降压电路。电路中S1是电源开关，T1是电源变压器，VD1是整流二极管。从T1一次绕组输入的是220V交流市电，二次绕组输出的是电压较低的交流电压，这一电压加到VD1正极。
(1)电路分析
这一电源变压器降压电路的工作原理是：在开关S1闭合时，220V交流市电经S1（图中未闭合）加到电源变压器T1的一次绕组两端，江流电流经T1一次绕组的上端流入，从一次绕组的下端流出。在T1一次绕组流有交流电流时，T1二次绕组两端输出一个较低的交流电压。这样，T1将220V交流市电电压降到合适的低电压。电路中的电源变压器T1只有一组二次绕组，所以T1输出一个交流电压，这一电压直接加到整流二极管VD1上。如图3-4所示。
(2)电路中的电源变压器有几组二次绕组，关系到这一电路能输出几组交流低电压，也关系到对电源电路工作原理的进一步分析（分析整流电路等）。上面的电源变压器降压电路中T1只有二次绕组，所以是最简单的电源变压器降压电路。其输出波形如图3-5所示。
图3.4 电源变压器降压电路
图3.5 变压后的波形
3.3.2 整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率（1KW以下）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本文主要研究单相桥式整流电路。以下分析整流电路时，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。
(1)工作原理
电路如图3-4所示，图中R1是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1-D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。通过负载R1的电流i1以及电压vl的波形如图3-6所示。显然它们都是单方向的全波脉动波形。
图3-6 输入输出仿真波形图
(2)负载上的直流电压VL和直流电流IL的计算
用傅立叶级数对图3.7中vL的波形进行分解后可得
（3-2）
式中恒定分量即为负载电压的平均值，因此有
（3-3）
直流电流为
（3-4）
由式(3-2)看出，最低次谐波分量的幅值为，角频率为电源频率的两倍，即2w。其他交流分量的角频率为4w、6w…偶次谐波分量。这些谐波分量总称为纹波，它叠加于直流分量上。常用纹波系数Kr来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即
（3-5）
式中VLr为谐波电压总的有效值，他表示为
（3-6）
式中VL2,VL4为二次，四次谐波的有效值。由式(3-3)和式(3-5)得出桥式整流电路的纹波系数。由于vL中存在一定的纹波，故需用滤波电路来滤除纹波电压。
(3)整流元件参数的计算
在桥式整流电路中，二极管是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为
(3-7)
一般电网电压波动范围为±10%.实际上选用的二极管的最大整流电流IDM和最高反向电压VRM应留有大于10%的余量。
桥式整流电路的特点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。
3.3.3 滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图3-7所示。
（a）C形滤波电路
（b）倒L形滤波电路
(c)∏形滤波电路
图3-7 滤波电路的基本形式
由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把磁场能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。
滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式和电感输入式。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一电感器与负载串联）。本设计重点分析小功率整流电源中应用较多的电容滤波电路，然后再简要介绍其他形式的滤波电路。
(1)电容滤波电路
图3-8所示为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波时，要特别注意电容器两端电压vc对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。
图3-8 电容滤波电路
负载RL未接入（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周时，v2通过D1、D3向电容器C充电；v2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电；充电时间常数为
(3-8)
式中Rint包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值，输出为一个恒定的直流电压。
接入负载RL(开关S合上)的情况：设变压器二次电压v2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时V2<VC,二极管受反向电压作用而截止，电容器C经RL放电，放电的时间常数为
(3-9)
因一般较大，故电容两端的电压vc按指数规律慢慢下降。其输出电压vL=vc。与此同时，交流电压v2按正弦规律上升。当v2>vc，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时v2经二极管D1、D3一方面向负载RL提供电流，另一方面向电容器C充电。然后，v2又按正弦规律下降。当v2< vc时，二极管受反向电压作用而截止，电容器C又经RL放电，vc下降，电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便得到一近似锯齿波的电压v2=vc，使负载电压的波动大为减小。
由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：
1)二极管的导电角，流过二极管的瞬时电流很大。电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器二次电流的有效值
(3-10)
2)负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且R;LC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中纹波成分越小，负载平均电压越高。
为了得到平滑的负载电压，一般取
(3-11)
式中T为电源交流电压的周期。
3)负载直流电压随负载电流增加（RL减小）而减小。VL随IL的变化关系称为输出特性。在整流电路内阻不太大和放电时间常数满足式(3-12)的关系时，电容滤波电路的负载电压VL与v2的关系约为
(3-12)
总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。滤波后的波形如图3-9所示。由图可看出波动大小由RC决定，RC越大波动越小，RC越小波动越大。
图3-9 滤波后仿真波形图
3.3.4 稳压电路
(1)稳压电源的质量指标
稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、电压调整率、输出电阻、温度系数及纹波电压等。这些质量指标的含义，可简述如下[10]：
由于输出直流电压的Vo随输入直流电压Vi、输出电流Io和环境温度T的变动而变动，即输出电压Vo=f(Vi,IO,T),因而输出电压变化量的一般式可表示为
(3-13)
式中的三个系数分别定义如下：
1)输入调整函数
(3-14)
KV反映了输入电压波动对输出电压的影响，实用上常用输入电压变化时引起输出电压的相对变化来表示，称为电压调整率。
2)输出电阻
RO反映负载电流IO变化对VO的影响。有时也用电流调整率来表示。
3)温度系数
温度系数愈小，输出电压愈稳定，它们的具体数值与电路形式和电路参数有关。
4)纹波抑制比
纹波电压是指稳压电路输出端交流分量的有效值，它表示输出电压的微小波动。常用纹波抑制比RR表示：
(3-15)
式中VIP-P和VOP-P分别表示输入纹波电压峰-峰值和输出纹波电压的峰-峰值。
(2)串联反馈式稳压电路
1)电路组成和稳压原理
图3-10是串联反馈式稳压电路的一般结构图，图中V1是整流滤波电路的输出电压，Q1为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管D1与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得，R2、R3和R5组成反馈网络，是用来反映输出电压表华的取样环节。
图3-10 串联反馈式稳压电路结构图
这种稳压电路的主回路是起调整作用的BJT与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经比较放大电路放大后去控制调整管T的CE极间电压降，从而达到稳定输出电压的目的。
从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联反馈电路调整管T连接成电压跟随器。。调整管T的调整作用时依靠VF和VREF之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。所以V0不可能达到绝对稳定，只能是基本稳定。所以图3.10所示系统是一个闭环有差自动调整系统。
2)输出电压及调节范围
基准电压VREF、调整管T和A组成同相放大电路，输出电压
(3-16)
输出电压V0与基准电压VREF近似成正比，反馈系数FV成正比。当VREF及FV一定时，V0也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。
输出电压的调节范围：
R3动端在最上端时，输出电压最小
(3-17)
R3动端在最下端时，输出电压最大
(3-18)
(3)三端集成稳压器
目前，电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端稳压器。其由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路和调整电路组成。如果在外围添加可变电阻则可改变其稳压值。其电路如图3-11所示。
图3-11 电压可调三端集成稳压器
图3-12 稳压后仿真波形图
3.3.5 电源总体设计
将前述四种电路连接起来便得到直流稳压电源，其输出电压可由稳压电路调节。根据本设计要求将输出电压设计为5V。得到如图3-13所示电路图，其输出波形图如3-14所示。在上述4种电路连接好的情况下还应该在交流市电端加保险丝，以确保不会因为短路对电路造成的危害。
图3-13 5V直流稳压电源电路图
图3-14 5V直流稳压电源总输出波形
3.4 时间控制的设计
555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和交换，还常用于控制与监测电路中。
定时器有双极型和CMOS两种类型产品，它们的结构及工作原理基本相同，没有本质区别。一般说来，双极型定时器的驱动能力强，电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA.而CMOS定时器的电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下，它具有功耗低、输入阻抗高等特点。
3.4.1 555定时器
(1)电路结构
555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成，其内部结构图如图3-15所示。
图3-15 555定时器的电路结构
三个5K的电阻串联组成分压器，为比较器C1、C5提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时，比较器C1和C5的基准电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
V11是比较器C1的信号输入端，称为阈值输入端；V12是比较器C2的信号输入端，称为触发输入端。如果控制电压端（5）外接电压VIC，则比较器C1、C2的基准电压就变为VIC和VIC/2。比较器C1和C2的输出控制SR锁存器和放电三极管T的状态。
放电三极管T为外接电路提供放电通路，在使用定时器时，该三接管集电极（7）一般都要外接上拉电阻。
RD为直接复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端VO即为低电平。
当V11>2VCC/3,V12>VCC/3时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，简单SR锁存器Q端置0，放电三极管T导通，输出端VO为低电平。
当V11<2VCC/3,V12<VCC/3时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，简单SR锁存器Q端置1，放电三极管T截止，输出端VO为高电平。
当V11<2VCC/3,V12>VCC/3时，简单SR锁存器R=1,S=1，锁存器状态不变，电路保持原状态不变[9]。
(2)电路功能
综上所述分析，可得555定时器功能表，如表3-1所示。
表3-1 555定时器功能表
|
输入 |
输出 |
|||
|
阈值输入（V11） |
触发输入（V12） |
复位（RD） |
输出（VO） |
放电管T |
|
× |
× |
0 |
0 |
导通 |
|
< |
< |
1 |
1 |
截止 |
|
> |
> |
1 |
0 |
导通 |
|
< |
> |
1 |
不变 |
不变 |
(3)用555定时器组成的单稳态触发器
用555定时器组成的单稳态触发器如图3-16所示。没有触发信号时VI（2）处于高电平，如果接通电源后Q=0，T导通，电容通过放电三极管T放电，使Vc=0，Vo保持低电平不变。如果接通电源后Q=1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R1向电容C2充电，当Vc上升到某值时，由于R=0,S=1,锁存器置0，Vo为低电平。此时放电三极管T导通，电容C放电，Vo保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态Vo=0。如图3-17波形图所示。
若触发输入端施加触发信号为低电平，电路的输出状态由低电平跳为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。此后电容C2充电，当C2充电至Vc=2VCC/3，电路的输出电压Vo由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容C放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则。
因此可用改电路作为定时器产生电路，定时时间通过R1和C2来设置，这种电路产生的脉冲宽度可从几个微秒到数分钟，精度可达0.1%。
图3-16 555定时器组成的单稳态触发器
图3-17 555定时器单稳态触发器输出波形
(4)用555定时器组成的多谐振荡器
用555定时器组成的多谐振荡器如图3-18所示。接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2Vcc/3时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C2通过R2和T放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为
(3-19)
当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为
(3-20)
当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图3-19所示，其振荡频率为
(3-21)
图3-18 多谐振荡电路图
图3-19 多谐振荡输出波形图
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
图3-18所示电路的，而且占空比固定不变。如果要实现占空比可调，可采用如图3-20所示电路。由于电路中二极管D1、D2的单向导电特性，使电容器C的充放电回路分开，调节电位器，就可调节多谐振荡器的占空比。图中，Vcc通过RA、D1向电容C充电，充电时间为
(3-22)
电容器C通过D2、RB及555中的三极管T放电，放电时间为
(3-23)
因而，振荡频率为
(3-24)
电路输出波形的占空比为
(3-25)
图3-20 占空比可调多谐振荡电路
图3-21 占空比可调多谐振荡输出波形
说明：图3-21中滑动变阻器阻值为10K，滑动点设为中点，那么RA=7K，RB=7K，按式(3-22)和(3-23)计算得Tpl=Tph=49ms。但是通过pspice仿真后得到的波形图看Tpl=Tph=63ms。发现其系数是0.9，与公式中的0.7不符。而图3-19中得出的结论与公式中的0.7相符。
该电路可作为脉冲产生电路，可以脉冲驱动的方式驱动LED，频率由式（3-24）算得。同时也可以做为定时电路，定时时间可由式（3-23）算得。
3.5 总体电路设计
将上述各设计连接好后便得到本次设计所需要的电路图，初步设定该电路定时时间为11S，LED发光频率为1kHz，电源电压为5V。该电路可用于很多简单的控制电路，在工业，医药，农业以及照明系统中也广泛应用，因为一块555芯片的造价很便宜，而且集成度也较高。因此，本次设计是个小型的但很实用的系统。完成后的系统电路图及PCB图如3-22和3-23所示。
图3-22 总体设计电路图
图3-23 总体设计PCB图
第四章 总结
毕业设计是学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次毕业设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，能是我的能力得到锻炼，经验得到了丰富并且意志品质力，抵抗压力及耐力也得到了不同程度的提高，这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。
毕业设计设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种管道的安装方式，这都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会运用。
随着国内外LED的高速发展，我们的世界越来越美丽精彩。从国外先进的LED技术到国内正在举办的世博会，LED是其主要元素，如此绚丽的光景更是前所未有。显然LED已经成为当今的主要研究对象。因此对LED的控制显得更为重要，对不不同功能的LED要选择合适的电路才能充分发挥其功能。
本文详细介绍了LED时间控制电路系统的设计。从LED的驱动方式、电源的设计及555时基电路的设计都做了较为详细地分析和设计。
系统的电源部分包括：变压电路、整流电路、滤波电路及稳压电路。该部分主要为各芯片以及LED提供能源，使其能正常工作。
系统的时间控制部分包括：由555定时器组成的单稳态触发电路和多谐振荡电路。单稳态触发电路主要是起定时的作用，控制LED发光的时间。多谐振荡电路主要提供LED发光的工作频率，使其能更好的工作。
系统总体设计电路相对简单，所具有的功能也相对单一。但是对一些简单实用的家用电器控制方面还是实用的，因为其使用元器件少，造价低，可广泛使用。
尽管本论文对LED驱动电路系统已能实现基本的定时功能，并且也实现了LED驱动频率可调的要求，但由于作者水平和时间有限，离一个完全使用的，能够完全符合市场需求的LED驱动电路还有一定的差距。尤其在实际输出波形与理论上有差距方面还有大量工作需要完成。希望能与各位老师和同学交流、探讨，不断提高自己分析和解决问题的能力。
顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，虽然我采用了一个简单的驱动电路，他们有着很多地方存在着不足，在这个能源紧缺节能被高度重视的社会中，这无疑是很让我感到遗憾的，不足和遗憾不会给我打击只会更好的策我前行。
致 谢
本文的设计工作是在我的指导老师及师姐精心指导和悉心关怀下完成的，在我论文的研究和撰写过程中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识、也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
然后还要感谢我的父母，他们在生活和学习上给予了我很大的帮助和鼓励，是他们给了我努力学习的信心和动力。
对帮做过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！
同时衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！
附 录
元器件清单：
代码:
Led渐灭渐亮程序 参考
#include<reg51.h>
sbit led1=P0^0;
sbit led2=P0^1;
sbit led3=P0^2;
sbit led4=P0^3;
sbit led5=P0^4;
sbit led6=P0^5;
sbit led_k=P1^4;
sbit a1=P1^0;
sbit a2=P1^1;
sbit a3=P1^2;
sbit a4=P1^3;
void delay10us(unsigned int i);/*延时函数*/
main()
{
unsigned int i=0;
led_k=1;/*打开6个led的总开关*/
a1=a2=a3=a4=0;/*关闭数码管，否则数码管会拉低P0口电平，导致流水灯不亮*/
//P0=0X01;
delay10us(10);
while(1)
{
for(i=0;i<500;i++)//渐亮
{
P0=255;
delay10us(i);
P0=0;
delay10us(500-i);
}
for(i=0;i<500;i++)//渐灭
{
P0=0;
delay10us(i);
P0=255;
delay10us(500-i);
}
各位朋友，实在不好意思，让大家误解了！由于这是TI官方技术社区，我们期望分享内容不涉及我们的竞争公司。谢谢大家理解！
原文地址 http://ti.eefocus.com/article/12-03/2176961332328558.html?sort=2068_2073_0_0
基于德州仪器TPS92310离线大功率LED驱动解决方案
TI 离线LED驱动 TPS92310
TI 公司的TPS92310是离线初级侧检测带PFC的控制器,设计用来照明的大功率LED驱动器,采用恒定的导通时间和准谐振开关技术,具有高的功率系数,良好的EMI行能和高的系统效率.主要用在A19 (E26/27, E14), PAR30/38和GU10型LED灯与固态照明.本文介绍了TPS92310主要特性,方框图,典型应用电路图,隔离和非隔离拓扑的电路图,以及TPS92310 EVM-8W评估模块主要特性,电路图,材料清单和模块PCB元件布局图.
TPS92310: Off-Line Primary Side Sensing Controller with PFC
The TPS92310 is an off-line controller specifically designed to drive high power LEDs for lighting applications. With the primary side sensing, constant on-time and quasi-resonant switching techniques, the TPS92310 application circuit gives high Power Factor, good EMI performance and high system efficiency. Also, using this device, low external component count application solutions can be designed easily. Power Factor Correction is inherent if the TPS92310 is operated in the constant on-time mode with an adaptive algorithm. The control algorithm of TPS92310 adjusts the on-time with reference to the primary side inductor peak current and secondary side inductor discharge time dynamically, the response time of which is set by an external capacitor. Also, minimized EMI and switching loss is achieved with quasi-resonant switching. Other supervisory features of the TPS92310 include cycle-by-cycle primary side inductor current limit, VCC under-voltage lockout, output over-voltage protection and thermal shutdown. The TPS92310 is available in the MSOP-10 package.
TPS92310主要特性:
■ Regulates LED current without secondary side sensing
■ Adaptive ON-time control with inherent PFC
■ Critical-Conduction-Mode (CRM) with Zero-Current Detection (ZCD) for valley switching
■ Programmable switch turn ON delay
■ P