LED节能灯驱动电路设计 毕业设计论文.doc

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1、 本科毕业设计（论文） LED 节能灯驱动电路设计 DRIVE CRICUIT DESIGN OF LED ENERGY-SAVING LAMPS 年 级: 学 号: 姓 名: 某某某 专 业: 机械设计制造及其自动化 指导老师: 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 班 级 2005 级机械 1 班 学生姓名 某某某 学 号 发题日期： 2009 年 2 月 23 日 完成日期： 6 月 12 日 题 目 LED 节能灯驱动电路设计 1、本论文的目的、意义: 在提倡环保、节能的今天，LED 被认为是二十一世纪的 新型半导体绿色照明光源，具有能耗

2、低、寿命长、响应时间短、安全低压、环保、 应用灵活、调节方便等诸多优点。为此，从 LED 的发展和特点出发，结合 LED 的 恒流发光特性，设计 LED 驱动电路，通过试验进行分析和优化，在保证光源亮度的 同时降低光源的能耗，将其应用于照明光源的设计中。随着 LED 生产成本的降低， LED 的应用范围越来越广，包括手持终端设备、车载以及建筑照明。LED 的高可靠 性、极佳的效率以及瞬态响应能力使得它们成为很好的光源。 2、学生应完成的任务: （1）了解 LED 的特点和电学特性。自行查阅有关资料，查阅的参考文献不少于 30 篇（教材除外） ，其中中外期刊资料不少于 5 篇； （2）学习并掌握

3、 LED 驱动电路的设计以及分析现有驱动电路的优缺点； （3）设计并实现应用普通开关电源专用芯片为控制电路的大功率 LED 恒流驱动 电路，并对其外围电路进行优化设计，实现大功率 LED 的调光控制； （4）用 Protel 绘出设计电路图并进行调试、测试电路，以验证其功能； （5）完成外文资料的翻译； （6）撰写毕业设计说明书（论文）不少于两万八千字。毕业论文要介绍 LED 的 原理及特性、驱动电路的设计及应用等。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 15 周） 第一部分 查询参考文献、资料，翻译外文资料； ( 2 周) 第二部分 毕业实习、调研； ( 1 周) 第三部分 完成电路设计并绘制

4、电路图； ( 4 周) 第四部分 制作电路并调试、修改电路； ( 6 周) 第五部分 撰写毕业论文（设计说明书） ； ( 1 周) 评阅及答辩 ( 1 周) 备 注 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 摘 要 在提倡环保、节能的今天，LED 被认为是二十一世纪的新型半导体绿色照明光 源，具有能耗低、寿命长、响应时间短、安全低压、环保、应用灵活、调节方便等 诸多优点。随着经济的发展，LED 的应用随需求而变得急剧增大，它已经广泛地应 用于电信、邮政、金融、交通等各个行业。LED 的应用离不开它所需要的驱动控制 电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，使 LED 显示更加均匀、漂亮

5、，满足 各种场合的应用要求。 LED 的发光特性有这样的特点：LED 的发光强度由驱动电流决定。当 LED 两 端的电压发生波动时，流过发光二极管中的电流变化较大，而发光二极管的发光强 度等比于驱动电流，因此驱动电路的好坏直接影响 LED 的发光质量。而且，驱动 LED 的电源也要考虑，由于市电的广泛使用，怎样用市电来驱动 LED 成为人们关 注的焦点。即怎么由市电转化为低压直流电源，进而驱动 LED。 本文从 LED 的发展现状出发，选择 LED 作为实验对象，介绍了 LED 照明的特 点和 LED 光学特性参数。无论哪种电源，一般都不能直接给 LED 供电。因此，又 对现有的照明驱动电路的

6、特点进行了分析，并设计了三种 LED 驱动电路。通过对三 种 LED 驱动电路的性能及特点进行比较，从而得出这三种驱动电路在具体的场合下 哪种驱动电路更简洁、更节能。 关键词：LED 驱动电路 节能 Abstract Nowadays when promoting environmental protection, energy saving, LED is considered the 21st century a new type of semiconductor green light, with low energy consumption, long life, short resp

7、onse time, low-voltage safety, environmental protection, application of flexibility, convenience and other benefits of regulation. With economic development, LED application with the rapidly increasing demand has become large, it has been widely used in telecommunications, postal services, finance,

8、transport and other sectors. LED application can not be separated from the control drive circuit, through the drive circuit to get good and steady current, so the LED display more uniform, beautiful, to meet a variety of application requirements occasions. LED luminescence have such features: lumino

9、us intensity of the LED decised by the current drive. When the two ends of LED voltage fluctuations occur, the current of light- emitting diodes in the volatile flow, and the luminous intensity of the LED equal with the drive current, so the drive circuit will have a direct impact on the quality of

10、light LED. Moreover, the drive power of LED should be consider, because of the widespread use of electricity, how to use electricity to drive the LED become the focus of attention. That is how to use the Urban electricity switch into low-voltage electric power, thereby drive LED. This article from t

11、he present situation of the development of LED, choose LED as subjects, introduce the characteristics of LED lighting and LED optical properties of parameters. Whatever the power, usually can not directly to supply the power to LED. Therefore, analyse the features of existing lighting drive circuit

12、, and then designed three LED driver circuit. Through comparing the performance and characteristics of three LED drive circuit, so that know these three drive circuit which drive circuit more simple, more fuel-efficient in specific occasions. key words：LED Drive circuit Fuel-efficient 第 VIVI 页 目 录 第

13、一章 绪论1 1.1 LED 的发展 .1 1.2 LED 的应用领域.4 1.3 LED 的发展趋势 .6 1.4 本文研究的目的和意义及主要研究内容8 第二章 LED 基础知识.9 2.1 LED 的结构 .9 2.2 LED 的种类 .9 2.3 LED 的发光原理 .10 2.4 LED 的主要参数与特性 .12 2.4.1 LED 的电学特性12 2.4.2 LED 的光学特性14 2.4.3 LED 的热学特性16 2.5 LED 光源的特点 .17 2.5.1 LED 光源的优势17 2.5.2 LED 存在的问题17 第三章 LED 驱动电路.19 3.1 LED 驱动技术.1

14、9 3.2 LED 驱动器的特性.20 3.3 典型 LED 驱动电路 24 3.3.1 电容降压电路.24 3.3.2 TPS6106 驱动白光 LED 的电路.25 3.3.3 利用 PWM 控制的白光 LED 基本驱动电路 .28 3.3.4 CAT3604 驱动 LED 的典型电路28 3.3.5 开关式 DC/DC 变换器驱动 LED 的典型电路.29 第四章 LED 驱动电路设计.32 第 VIIVII 页 4.1 恒流驱动 LED 的驱动电路设计 32 4.2 ZXSC310 驱动 LED 的驱动电路设计.34 4.3 HA22004P 驱动 LED 的驱动电路设计 .38 4.

15、4 LED 驱动电路的比较 .39 4.4.1 恒流驱动与 ZXSC310 驱动电路的比较.39 4.4.2 恒流驱动与 HA22004P 驱动电路的比较.40 4.4.3 HA22004P 与 ZXSC310 驱动电路的比较40 结 论41 致 谢42 参考文献43 附 录45 第 1 1 页 第一章 绪论 1.1 LED 的发展 在过去的一百多年里，作为人类文明象征的照明技术有了飞速的发展。作为照 明技术主体的光源经历了三个重要的发展阶段：白炽灯、荧光灯和 HID（High Intensity Discharge）灯。在提倡环保的今天，众多的人认为二十一世纪的照明新光 源应该是发光二极管

16、LED。LED 是 Light Emitting Diode 的缩写，中文译为发光二极 管。顾名思义，这是一种会发光的半导体组件，且具有二极管的电子特性。LED 属 于半导体光电组件，除了具有发光的特性之外，它完全具备半导体整流二极管的特 性，如果取它的整流特性，则它不但可以完全符合整流需求，而且在外加正偏压的 情况下会发出某种波长的光。LED 虽然具有整流二极管的功能，但通常利用的是 LED 的发光特性而非整流特性。这种发光特性发生在二极管电子曲线的正偏压部分。 1907 年，Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由 于碳化硅发出的黄光太暗，不适合实际

17、应用，而且碳化硅与电致发光不能很好的适 应，因此该研究被摒弃了。20 世纪 20 年代晚期，Bernhard Gudden 和 Robert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光，但再一次因发光暗淡而停 止研究。 1936 年，George Destiau 出版了一份关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电子 器件的研究和业界认识的逐步深入，最终出现了“电致发光”这个术语。20 世纪 50 年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意 义的 LED。在早期的实验中，LED 需要放置在液化氮里，因此，需要进一步研究以 使其能在室温下高效工作。第一个商用

18、LED 虽然仅能发出不可视的红外光，但它被 迅速地应用于感应与光电领域。 20 世纪 60 年代末，人们在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见红光的 LED。磷化镓的改变使得 LED 更高效，发出的红光更亮，甚至能产生橙色光。全球 第一款商用 LED 是在 1965 年用锗材料做成的，随后不久 Monsanto 公司和 HP 公司 也推出了用 GaAsP 材料制作的商用 LED。Monsanto 公司将其作为指示灯，Hewlett- Packard 公司则首次将其应用于电子显示设备。早期产品的 GaAsP LED，其性能相 当差，工作电流为 20mA，光能量只有千分之几流明，相应的发光率仅为

19、 0.1lm/W， 而且只能发出 650nm 的红色光。这些早期的红光 LED 每瓦大约能提供 0.1lm 的光通 量，仅是一般 60100W 白炽灯（15lm/W）的 1/150。1968 年，LED 的研发取得了 第 2 2 页 突破性进展，利用氮掺杂工艺使 GaAsP 器件的效率达到了 1lm/W，并且能够发出红 色光、橙色光和黄色光。 20 世纪 70 年代，由于 LED 器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED 产品的 类型得到了拓展，此后 LED 开始应用于文字点阵显示器、背景图案用的灯栅和条线 图阵列。数字显示屏的尺寸和复杂度在不断增长，从 2 位数字发展到 3 位甚至 4 位，

20、 从 7 段数字显示发展到能够显示复杂的文字与图案组合的 14 或 16 段阵列。20 世纪 70 年代上半期 LED 技术进步很快，LED 的发光效率达到 1lm/W，发光颜色也扩展 到红色、绿色和黄色。20 世纪 80 年代，GaAlAs LED 的红光效率提高到 10lm/W。 20 世纪 70 年代中期，磷化镓开始被用作发光电源，随后可发出灰白绿光 （LED 采用双层磷化镓芯片，其中一个为红色，另一个为绿色，所以能够发出黄色 光） 。就在此时，前苏联科学家利用金刚砂制造出了可发出黄色光的 LED。几乎与 此同时，HP 公司与 TI 公司也推出了带 7 段红光 LED 显示屏的计算器。

21、20 世纪 80 年代早期的重大技术突破是开发出了 AlGaAs LED，它能以每瓦 10lm 的发光效率发出红光。这一技术进步使 LED 能够应用于室外各种信息发布以 及汽车信号灯。砷化镓、磷化铝的使用促使了第一代高亮度 LED 的诞生，首先出现 的是红光高亮度 LED，接着就是黄光高亮度 LED，最后为绿色高亮度 LED。 20 世纪 90 年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了橘红、橙光、黄光和绿光 LED。第一只具有历史意义的蓝光 LED 也出现在 20 世纪 90 年代早期，依当今的技 术标准去衡量，它与前苏联以前开发的黄光 LED 一样光线暗淡。20 世纪 90 年代中 期出现了超高亮度

22、的氮化镓 LED，随即又出现了能产生高强度绿光和蓝光的铟氮镓 LED。超高亮度蓝光芯片是白光 LED 的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，然后 荧光磷吸收来自芯片的蓝色光并将其转化为白光。利用这种技术可制造出能发出任 何颜色可见光的 LED。在 1991 年至 2001 年期间，材料技术、裸片尺寸和外形方面 的进一步发展使商用 LED 的光通量提高了将近 20 倍。 20 世纪 90 年代初期，HP 公司光电部、Lumileds 公司和松下公司就已经掌握了 如何利用金属有机化学气相沉积法在 GaAs 衬底上外延生长 AlInGaP 的工艺， AlInGaP 材料在可见光谱区产生红色光和橙色光。

23、而合金有序化、受主原子的氢钝 化、PN 结排列，以及把氧掺入含铝器件层都是相当复杂的，这些问题历经近 10 年 时间才得以解决，最终实现了内量子效率接近 100%的 AlInGaP LED。几乎每个注入 到器件中的电子空穴对都产生一个光子，因此如何使在 PN 结内形成的光子到达 LED 外就成了一种挑战，首先是如何防止光被窄带隙（0.87nm）GaAs 衬底吸收。 人们在研究中曾经尝试过采用在布喇格发射镜的外延结构中掺杂并在 GaP 衬底上直 接生长的技术，但是最成功的还是通过蚀刻法强力除去 GaAs 衬底，采用芯片接合 法取代 GaP 技术。采用该技术研制的发光器件的发光率为 25lm/W，

24、几乎是带红色 第 3 3 页 滤光灯泡发光效率的 10 倍。每只 LED 的光通量为几流明，由它们组成的 LED 阵列 首先被制成了汽车上的停车灯、红色交通信号灯以及单色室外信号标志灯。 继 AlInGaP 技术之后，日本的 Nichia 化学公司（日本德岛）和名古屋大学（日 本名古屋市）的研究人员掌握了使用金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上外 延生长 AlInGaN 的复杂工艺。AlInGaN 材料的带隙比 AlInGaP 的宽，可以覆盖高能 量的蓝光和绿光波段。AlInGaN 材料系并不像 AlInGaP 材料系那样为人们所熟悉。 AlInGaN 绿光组件在标准的工作电流下内量子效率停

25、留在 40%50%，而蓝光器件 的内量子效率为 60%80%。通过利用透明的蓝宝石衬底以及人眼对绿光比对蓝光 或红光更敏感的特点，人们已经制造出光通量为几流明的绿光 LED。这种 LED 和 红光 AlInGaP LED、近流明级的蓝光 LED 组合起来，就可完全用固体光源制作大型 全色信号标志。蓝光 AlInGaN LED 产生的光子和荧光粉的发光将一部分蓝光转变为 其互补色（黄色） 。人眼看到这种蓝光和黄光的混合是一种不鲜明的白色。 Lumileds 公司在 Philips Lighting 公司的技术指导下生产了一系列大功率 LED。 在 12W 输入功率下，Lumileds 公司生产的

26、 Luxeon 型器件比传统的5mmLED 高 20 倍，发光效率高出 50%，寿命可达几万小时。目前市场上出售的器件不仅有红光和 橙光 AlInGaP LED，而且还有绿光、蓝光和白光 AlInGaN LED。LED 的封装热敏电 阻由 300下降到 15以下。LED 封装的热敏电阻的降低使其能应用于激光/W/W 器中，并获得 55lm 红光、30lm 绿光、10lm 蓝光与荧光粉转换为 25lm 的白光输出。 单管 5W 封装的 110lm 白光 LED 的光输出和 15W 白炽灯的光输出相当，而封装体 积仅相当于白炽灯的 1%，功耗仅为其 1/3。用 12 只 110lm 的器件足以制成

27、一只汽 车前灯。这种前灯并非传统的 6V 汽车前灯，而是高强度等效放电的超高亮度冷光 蓝色前灯。每只单色绿光 5W LED 的光通量超过 130lm，两只这样的光源即可以替 代传统的 812 英寸 150W 交通信号灯，可节约 90%的能量。这些由红光、绿光、 蓝光组合的光源的发光效率可与液晶显示屏电视机和监视器背光照明用的冷阴极荧 光灯相比，而且具有体积小和窄谱带光色的特点。 通过对高强度蓝光 LED 的不断研发产生了好几代亮度越来越高的器件，在 1990 年左右推出的基于碳化硅裸片材料的 LED 的效率大约是 0.04lm/W，发出的光 强度很少有超过 15mcd 的。20 世纪 90 年

28、代中期出现了第一个基于 GaN 的实用 LED。现在还有许多公司在用不同的基底（如蓝宝石和碳化硅）生产 GaN LED，这 些 LED 能够发出绿色、蓝色、或紫罗兰等颜色的光。高亮度蓝色 LED 的发明使真 彩广告显示屏的实现成为可能，这样的显示屏能够显示真彩、全运动的视频图象。 蓝光 LED 的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能量的蓝光部分转 化成其他颜色。将蓝光与转换磷的黄光整合在一起就能得到白光，而整合适当数量 的蓝光与红橙磷发出的光，则可以产生略带桃色或紫色的光。现在仅用 LED 光源就 第 4 4 页 能完全覆盖 CIE 色度曲线中的所有饱和颜色，并且各种颜色 LED 与磷

29、的有机整合几 乎能够毫无限制地产生任何颜色。 在可靠性方面，LED 的半衰期（即光输出量减少到最初值一半的时间）大概是 1 万10 万小时。相反，小型指示型白炽灯的半衰期（此处的半衰期指的是有一半 数量的灯失效的时间）典型值是 10 万到数千小时不等，具体时间取决于灯的额定工 作电流。 LED 的发展不单纯是它的颜色的拓展，还有其亮度的提高。像计算机技术一样， LED 的发展遵循摩尔定律，每隔 18 个月它的亮度就会提高一倍。早期的 LED 只能 应用于指示灯、计算器显示屏和数码手表，而现在开始出现在超高亮度领域。LED 的产生基于两种需求：其一是 LED 的制造工艺流程较简单，制造成本较低，

30、经常作 为镭射的代用光源，其二是绝大部分的光通信是在红外光谱下进行的。既然发光组 件可以产生光源，那么就可设计成可见光的形式，应用于信号判别、数字显示甚至 于影象处理或显示屏。由于这两种不同的需要，LED 渐渐的独立而自成一个体系， 其最大的应用领域在于显示器及相关工业，其波长包含了可见光的大部分范围，主 要为红、黄、绿以及最近发展出来的蓝光光谱。 与传统的照明方式相比，半导体照明，尤其是氮化稼基白光 LED 照明，在功耗 及寿命方面均有不可比拟的优越性。传统白炽灯泡采用热发光技术，浪费了 90% 的 能源。而 LED 的效能转换率却非常高。氮化稼基白光 LED 成为半导体照明产业的 发动机。

31、LED 光源与传统光源相比较，具有如下的优点：超长寿命，可达几万小时， 传统光源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极 高的抗震性能；响应速度快，光通上升时间短；对点灯线路要求低，易实现调光和 智能控制；耐开关冲击，适用于频繁开关场合；高效节能，现有光效已经超过白炽 灯，理论光效可达 2001m/W；不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。 1.2 LED 的应用领域 在新兴应用市场不断出现的带动下，近些年 LED 市场规模快速提升。2005 年 中国 LED 的产量已经达到 262.1 亿只，市场规模更是突破百亿元大关达到 114.9 亿 元。图 1.1 可以形象

32、的说明这一发展概况。 第 5 5 页 图 1.1 20032007 年中国高亮度 LED 管芯市场销售数量与增长预测 应用 1：显示屏是 LED 主要应用市场，全彩显示屏增势强劲。我国 LED 显示 屏市场起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的 LED 显示屏生产厂商。目前 LED 显示屏己经广泛应用到车站、机场、银行、证券、医院、体育场馆、市政广场、 演唱会等场合上。在 LED 需求量上，LED 显示屏仅次于 LED 指示灯名列第二，占 到 LED 整体销量的 23.1%。由于用于显示屏的 LED 在亮度和寿命上的要求高于 LED 指示灯，平均价格在指示灯 LED 之上，这就导致显示屏用

33、LED 市场规模达到 32.4 亿元，超过指示灯，位居榜首。 应用 2：小尺寸背光源市场放缓，中大尺寸将成为新关注点。LED 早已应用在 以手机为主的小尺寸液晶面板背光市场中，手机产量的持续增长带动了背光源市场 的快速发展。特别是 2003 年彩屏手机的出现更是推动白光 LED 市场的快速发展。 但随着手机产量进入平稳增长阶段以及技术提升导致用于手机液晶面板背光源 LED 数量减少，使得 LED 在手机背光源中用量增速放缓，2005 年背光源用 LED 数量超 过 12 亿只，未来几年增长率也将保持在个位数。数量增速的放缓加上平均价格的不 断下降，最终导致小尺寸背光源市场增长乏力，同时，中大尺

34、寸背光源市场虽为厂 商新宠，但在 2006 年还不能形成规模。在上述两个因素的影响下，背光源市场将在 2006 年出现 1%的负增长。2005 年背光源市场规模超过 15 亿元。 应用 3：汽车车灯市场潜力大。2005 年中国 LED 汽车应用市场规模为 0.29 亿 元，其中汽车车灯市场规模为 0.21 亿元。从整个 LED 应用市场看，汽车应用市场 还处于萌芽状态，市场规模很小。LED 作为汽车车灯主要得益于低功耗、长寿命和 响应速度快的特点。有统计显示，在汽车以 100 公里的时速行驶下，装有 LED 刹车 灯的车辆较没有装 LED 刹车灯的车辆刹车距离将减少 7 英尺。目前，LED 己

35、经逐 步应用在汽车的第三刹车灯上。虽然 LED 目前还面临着单位瓦数流明低以及相关政 策的限制，在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间，但是随着成本性能比的 第 6 6 页 下降以及发光效率的提升，最终 LED 将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移， 最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，LED 车灯市场面临着巨大的 发展潜力。 应用 4：室内装饰灯市场逐步启动。室内装饰灯市场是 LED 的另一新兴市场。 通过对电流的控制，LED 可以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个 性化的时代中，LED 颜色多样化有助于 LED 装饰灯市场的发展。LED 已经开始做 成小型装饰灯

36、，装饰幕墙应用在酒店、居室中。2005 年室内装饰灯市场规模达到 1.58 亿元。经过多年的替换工作，全国主要城市由传统交通灯替换为 LED 交通灯的 工作已经接近尾声。LED 交通灯市场在经历了多年的高速成长期后，2005 年市场规 模达到 15.2 亿元。但是随着替换工作的完成，LED 交通灯市场将不会再维持高速增 长，预计 2006 年 LED 交通灯市场只实现 5.8%的增长，达到 16.1 亿元。 应用 5：景观照明市场快速发展，2007 年市场增速达到高峰。景观照明市场主 要以街道、广场等公共场所装饰照明为主，推动力量主要来自于政府。受到 2008 年 北京奥运会和 2010 年上

37、海世博会的影响，北京、上海等举办地加快了景观照明的步 伐，由于 LED 功耗低，在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的市场竞争力。目 前，LED 已经越来越多地应用到景观照明市场中。2005 年中国景观照明市场规模超 过 7 亿元，在上述两个主要活动的带动下，景观照明市场会在 2007 年达到 72%的高 增长率。此外，奥运会和世博会的主要作用远远不再于自身带动景观照明市场的成 长，更重要的是其榜样作用。为了迎接奥运会和世博会的召开，北京、青岛、上海 等地将建成一批 LED 景观照明工程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用。 其他城市在看到 LED 在景观照明中的出色表现会减少对 LED

38、 景观照明的使用顾虑， 加快使用 LED 在景观照明中的应用。LED 将会从一级城市快速向二级、三级城市 扩展。 应用 6：通用照明市场路漫漫，任重而道远。对于进入通用照明市场而言，白 光 LED 除面临着诸如发光效率低、散热不好、成本过高等问题外，还将面临到光学、 机构与电控等的整合以及 LED 照明产品通用标准的制订。解决上述问题需要很长的 一段时间。由于酒店、商务会馆、高档商用写字楼等商用场所对价格的敏感度低， 同时这些高档场所更注重于彰显品位与尊贵的地位，对于新兴产品抱有更大的兴趣 度。这些都降低了 LED 照明进入的门槛。预计 LED 照明将率先进入商用市场，逐 步向民用市场扩展。

39、1.3 LED 的发展趋势 新型可见光 LED 单晶材料以 AIGaInP 和 GaN 为主流。发展趋势主要是实现全 彩、提高亮度、改进封装、显示大型化。材料外延生长的新技术实现产业化、金属 第 7 7 页 有机化台物、汽相淀积（MOCVD）法的晶体生长工艺已成为当代开发、生产新型 LED，实现全彩化、高亮化的关键技术。 （1）全彩化 在实用化的可见光 LED 中缺少蓝色，这是实现全彩化的一大难题， 因为要实现全彩（包括白色）显示，必须要有红、绿、蓝三基色，因而蓝色 LED 的 发展一直受全彩显示所驱动。多年来，日、美等国都在极力研究开发蓝色 LED。1994 年日本日亚公司首先开发成功的蓝色

40、 LED 主要应用于全色显示屏，现 在能够销售蓝色 LED 的厂商只有日本日亚公司和美国 CREE 公司二家，但至今仍未 形成大批量生产。改善蓝色 LED 的晶体材料质量，提高发光效率，降低成本仍是今 后发展的主要目标。蓝色 LED 刚问世时售价高达 50 美元/只。随着生产技术的不断 改进，目前低亮度的蓝色 LED 价格已降至 1 美元/只，今后价格将继续下跌。到 2000 年蓝色 LED 的亮度将和红色、橙色、黄色、绿色 LED 不相上下，而且售价只 有 10 美分/只。 （2）高亮化 目前全球 LED 的产值中高亮度产品约 30%。至 2000 年，全球 LED 的总产值可突破 38.4

41、6 亿美元，其中高亮度产品，每年都会有 30%的增长，至 于中低亮度的产品增长率不会超过 5%。再者超高亮度（法向光强超过 1000mcd 者） 之红、橙、绿、蓝色 LED 产品已进入市场，使一些户外广告板、超大型屏幕、交通 指示灯、汽车尾灯、刹车灯、方向灯等应用在扩大。 （3）大型化 可见光 LED 之所以会出现这一发展趋势，主要是为了满足显示器 这一应用领域的需求。与液晶显示器相比，由于 LED 可以以并联的方式联结在一起， 不受尺寸大小的限制，而且 LED 本身可发光。对于一些需配备大尺寸的产品而言， 更希望一些大型化的 LED，目前显示屏的最大尺寸为 1015。 （4）封装小型化 封装

42、小型化主要是指适合于表面安装的 LED 品种正在增大。 表面安装 LED 为带盘式封装，卷盘尺寸为 117.8mm，可容纳 2000 只 LED 管芯。大 部分尺寸为 2.91.3mm ，最新的表面安装 LED 产品将采用专有的“模制内部连接 装置”技术，使用高效反射外壳，既保证亮度，又适合于回流焊接。表面安装 LED 已成为封装小型化的主流和方向。 （5）生产型 MOCVD 外延生长工艺设备的高产化 MOCVD 已是研究和生产新 型 LED 的关键设备，目前新型 LED 的外延生长方法主要有 MOCVD 和 MBE 两种， 但 MOCVD 仍是今后发展的主流。一台精良的生产型 MOCVD 设

43、备集气体动力学、 流体力学、自动化控制、CAD 于一体。为保证衬底大面积淀积的均匀性，采用了气 垫旋转技术，精心的气流设计使外延生长的衬底可悬空作行星式旋转。为了精确地 控制材料组分和突变界面，采用了无任何涡流的层流设计。目前国际上生产 MOCVD 的厂家以德国 AIXTRON 和美国 EMCORE 二家公司最为著名，它们生产 的 AIX2400 型、GS/3200 型等系列 MOCVD 设备已成功地用于高亮度红色、橙色、 第 8 8 页 黄色、绿色、蓝色 LED 的批量生产，目前每炉的批量以2 英寸计为 1517 片。今 后的发展方向是提高每炉的生产批量，实现高产化，以降低生产成本为目标。如

44、果 每炉批量超过百片（2 英寸） ，则生产成本有可能与 LPE 相近。 1.4 本文研究的目的和意义及主要研究内容 （1）目的和意义 在提倡环保、节能的今天，LED 被认为是二十一世纪的新型半导体绿色照明光 源，具有能耗低、寿命长、响应时间短、安全低压、环保、应用灵活、调节方便等 诸多优点。随着经济的发展，LED 应用随需求而急剧增大，它已经广泛地应用于电 信、邮政、金融、交通等各个行业。目前来看，LED 毕竟是一种新的材料和技术， 掌握核心发光芯片制造技术的只有美国和日本少数几个国家，高昂的价格让 LED 灯 进入家庭照明还需一定时日，但这不能否定 LED 极其广阔的发展前景。不仅如此， 由

45、于其本身具有的优良特性，LED 光源在很多领域具有着其他光源无法替代的优势。 LED 灯就可以说是无处不在的。 但是和世界 LED 灯产业比较发达的地区相比，我们在产业规模、产能和技术上 都还处于一个比较下游的阶段，即使这样，我们的市场空间还是很大的。LED 灯照 明产品的应用可以说是五花八门，只要有光的地方都可以用 LED。最大的市场就是 照明灯，如果把上千亿的照明灯都用 LED 灯代替的话，这个市场的空间是不可估量 的。研制一种新型 LED 光源代替传统白炽灯光源具有很大的实际意义。 （2）主要研究内容 无论那种电源，都不可能直接给 LED 供电，所以，要应用 LED 做照明光源， 就要解

46、决电源变换的问题。因此本文首先介绍了 LED 照明的特点和 LED 光学特性 参数及 LED 驱动器的特性。其次从 LED 的驱动电路入手。详细的对现有的照明驱 动电路进行了分析，实际设计了三种实用的 LED 驱动电路，通过对三种 LED 驱动 电路的性能及特点进行比较，从而得出这三种驱动电路哪种驱动电路更简捷、更节 能。 第 9 9 页 第二章 LED 基础知识 2.1 LED 的结构 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光的基本知识，第一个商用二极管产生 于 1960 年。LED 主要由 PN 结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏 压之后，电子和空穴分别注入 P 区和 N 区

47、。当非平衡少数载流子与多数载流子复合 时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。LED 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 结构图如下图所示。 图 2.1 LED 的结构示意图 LED 的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。LED 发光体芯片的面积 为 10.12mil，目前国际上出现的大芯片 LED 的芯片面积达 40mil。 2.2 LED 的种类 LED（Light emitting diode）我们有叫它 LAMP LED 产品的、有叫它 P2 产品的、 也有叫

48、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： 第 1010 页 （1）按发光颜色分：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。另外，有的 LED 中包含两种或三种颜 色的芯片。根据 LED 出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，各种颜色的 LED 还 可分为有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型 LED 适合作指 示灯用。 （2）按出光面特征，LED 可分为圆灯、方灯、矩形灯、面发光管、侧向管以 及表面安装用微型管等。圆形灯按直径可分为 2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm 及20mm 等规格。国外通常把 3mm 的 LED 记作 T-1，把5mm 的 LED 记作 T-1(3/4)；把4.4mm 的 LED 记作 T-1(1/4)。 （3）按发光强度角分布图可分为以下三类： 高指向型。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射