电子设计竞赛练习题报告照明用LED驱动电路.docx

照明用LED驱动电路　
描述：设计一个电源转换电路，将输入的9V直流电源变换成LED恒流电源。这里LED组件为4颗白光或蓝光LED串联构成的LED灯。　　　
基本设计要求：　　
1、 使用9V直流电源输入，驱动4颗串联的白光或蓝光LED，LED的最大工作电流为100mA；　
2、 电源的转换效率不小于60%，即LED消耗功率/电源输入功率 > 70%。　
3、 LED不应有明显闪烁。　

扩展设计要求：　　
1、 转换效率不小于80%。　
2、 可手动对LED亮度进行调节，调节期间，电源的转换效率不应有明显下降。　　　

备选使用元器件：　
IC：MC34063，NE555，LM393，LM358；　　　
晶体管：9013，9012，1N4148，1N5819　　　
电感：220uH　　
电阻、电位器、电容等。　　　

1.题目分析　
对题目进行充分的分析和思考，进一步了解本体的主要任务、功能，将其中的目标、任务、指标归纳如下。　　　
一、目标　　
设计白色LED灯导通压降3.2V到4V左右，9V电压无法驱动4个LED灯，故需要升压。制作一个升压变换器，一个可调占空比的PWM发生器，驱动LED灯的恒流电路，以及利用PWM波的控制LED电路。　
二、要求　　　
基本要求：LED消耗功率比电源输入功率>70%，LED不应有明显闪烁。　　　
扩展要求：转换效率不小于80%，调节电阻可调LED亮度。　

2.方案论证　
2.1 升压电路　　
一、升压变换器拓扑方案选择　
方案一：通过线圈互感器升压。对于升压利用电圈互感器是一种很好的选择。但是没有现成的互感线圈，如果自行绕制由于有漏磁等因素的原因不一定能绕制成符合规格的互感线圈，稍显麻烦。　
方案二：电力电子技术中Boost升压变换器。可以使用Boost电路升压，电路设计简单，通过开关管的开断可以升压。是一种可选的方案，而且电池转换效率很高。虽然MOSFET开关管有，但另外需要设计驱动MOSFET电路，以及反馈回路设计。　　　
方案三：利用升压IC芯片升压。器材中提供MC34063芯片，该芯片是DC/DC变换芯片。并且具有反馈功能，电路设计和制作比较简单，是一种比较好的方案。　

二、反馈电路拓扑方案选择　
方案一：利用单片机。现在一般的单片机都有ADC模块功能。以STM32F103VBT6为例，可以通过ADC采样之后与参考电压比较来调节PWM占空比改变驱动MOSFET频率控制升压后电压恒定。　　　
方案二：MC34063自身就具有反馈功能。可将输出Vout分压后与基准电压1.25V相比保持电压恒定。　　　

综上所述，升压电路我们可以有如下几种选择：　　　
方案一：.采用MOSFET开关管设计Boost电路，STM32产生的PWM波驱动驱动MOSFET，通过STM32中的ADC模块再对输出电压采样与参考电压比较改变PWM占空比，从而保持输出电压的恒定。 　　
方案二：利用MC34063进行升压，输出电压分压取采样点与基准电压比较保持输出电压恒定。　
一是考虑制作周期，二是对STM32还不太熟练。再者器材中以提供MC34063芯片，为了不浪费资源。我们决定采用方案二来进行升压电路的设计。　　

2.2 LED驱动　　
输出电压经过4个LED压降后连接电阻，加在电阻上的电压恒定则通过电阻的电流也就是通过LED灯的电流恒定。故可将电阻上的电压作为采样电压，回馈给升压电路中，这样就可以保持电流恒定。　　　

2.3 调光控制环节　　　
方案一：可变电阻调光。利用和电光源相串联的可变电阻，改变电阻值就可以实现调光。由于调光电阻方法的效率太低，并且在调光过程中会产生很大的热量，所以我们不采用这种方法。　　　
方案二：脉冲占空比调光法。PWM称之为脉冲宽度调制信号，利用脉冲的宽度来调整亮度。PWM脉冲宽度调制信号的基本频率至少约400HZ-10KHZ，当调整LED的明或暗时，这个基本的频率不可变动，而是改变这个频率上方波的宽度，宽度越宽则越亮、宽度越窄则越暗。PWM是控制LED的点亮时间，而不是改变输出的电压来控制亮度。　

调光就是改变照明装置和光输出的过程，调光可以使连续调光，也可以使步进调光。荧光灯的调光范围与调光电路和所使用的调光方法有关，由于照明调光具有节能、能够很好地适应人眼视觉特定的特点。利用改变PWM占空比来调光效率高，所以我们采用第二种方法。　　
可调PWM占空比电路可以利用NE555来设计。该电路外围电路简单，占空比的调节通过电阻来调节。三极管饱和时LED电路关断，处于放大时LED导通。　

3.硬件设计　　
3.1恒流电路阻值参数计算　
将LED灯上加上电压测量电流，可以得到以下数据：　　
颜色　　　
电压/电流　
电压/电流　
电压/电流　　　
电压/电流　
红　　　
2.2V/33mA　　　
2.3V/49mA　
2.4V/58mA　　　
2.5V/85mA　　
黄　　
2.2V/36mA　
2.3V/51mA　
2.4V/62mA　　　
2.5V/83mA　　　
白　
3.5V/32mA　　　
3.6V/55mA　　　
3.7V/68mA　　　
3.8V/95mA　
绿　　　
3.8V/28mA　　　
3.9V/41mA　　
4V/52mA　　
4.1V/78mA　
（以上或许存在偏差，测量时电压总跳来跳去不好稳定）　
白色LED灯最大工作电流100mA，为了使效率更加高，我们将恒流电压定位100mA。我们做如下设计：在基准电压采样点1.25V处与地之间连接一个约12.5Ω，这样电流恒定在100mA左右。　　

3.2 升压电路MC34063参数计算　
器材中给定电感220uH，输入电压9V。　
我们从On-semi公司的MC34063手册中查到输入电压5V时饱和压降Vsat =0.3V，快速开关二极管正向压降Vf =0.8V，网上查找很多计算参数时都是取Vsat =1V,Vf =1.2V。　
在3.1恒流设计中，白色LED灯工作在100mA时导通压降3.8V左右，我们取Vou t =4×3.8+1.25=16.45V，在选定电容、电阻范围计算时，我们取Iou t =100mA，Vou t =16V。　
现我们以Vin=9V，Vou t =16V，Vf =1.2V，Vsat =1V，L=220uH，Iou t =100mA 计算：　　　
1.025；　　　
0.405A；　　
220uH => 11.137×10-6s；　　　
4.0×445.5pF；　　　

我们再以Vin=9V，Vou t =16V，Vf =0.8V，Vsat =0.3V，L=220uH，Iou t =100mA计算：　
0.897；　　　
0.379A；　　　
220uH => 9.592×10-6s；　
4.0×383.67pF；　
我们发现CT大概在几百pF这个值左右，考虑到常用电感规格，我们选取CT为470pF。因为输入是恒压源9V，我们取0.5%的纹波值即Vripple = 9×0.5% =45mV　
现在我们以Vin=9V，Vf =1.2V，Vsat =1V，L=220uH，Iou t =100mA，CT =470pF计算：　　
4.0×470pF => 11.75×10-6s；　　　
=> 0.427A；　　
=> 1.136；　
=> 16.890V；　　
0.773Ω；取1Ω　
26.111×10-6F；我们取Co =27uF，27uF的ESR R0= 0.1Ω；　　　
×10-6 = 20.269mＶ；　　　
106.515mV；　　
21.364mA；（Bf =20）　　
4.1mA;（VBE =20）　
297.394Ω；　　
我们再以Vin=9V，Vf =0.8V，Vsat =0.3V，L=220uH，Iou t =100mA，CT =470pF计算：　
4.0×470pF => 11.75×10-6s；　
=> 0.465A；　　　
=> 1.323；　　　
=> 19.713V；　　
0.710Ω；取1Ω　　　
26.111×10-6F；我们取Co =27uF，27uF的ESR R0= 0.1Ω；　
×10-6 = 23.655mＶ；　　
113.640mV；　
23.233mA；（Bf =20）　　
4.1mA;（VBE =20）　　　
301.300Ω；　
经过计算后我们定下外围电路参数如下：　　　
300Ω；1Ω；220uH ；27uF；CT =470pF　　　
为了效率高点，选取1N5817肖特基二极管而不选择1N4148。　　　
实际电路连接好之后，虽然能够升压，但是数十秒之内闻到焦味，经检查是MC34064发热导致，故将27uF改为470uF。　

3.3 NE555 PWM脉宽调制电路外围参数计算　　
PWM称之为脉冲宽度调制信号，利用脉冲的宽度来调整亮度。 PWM脉冲宽度调制信号的基本频率至少约400HZ-10KHZ，当调整LED的明或暗时，这个基本的频率不可变动，而是改变这个频率上方波的宽度，宽度越宽则越亮、宽度越窄则越暗。 PWM是控制LED的点亮时间，而不是改变输出的电压来控制亮度。　　　

为了能调节的占空比调节范围比较大，选择R1=1kΩ,R2=10 kΩ,R3=1kΩ。这样输出脉冲PWM波的占空比q的范围为　　
0.833；0.917　　
取C1= C2 =0.01pF　　　

四.数据测量　　　
整个电路完成后测量结果如下：（具体元件位置参见附件电路图）　
1.无控制电路时LED灯效率计算　　　
输出电压Vout =15V，Vled =14.1V输出电流Iout =98mA，输入电压Vin =9V，输入电流Iin =170mA。(测量时请先将NE555芯片取出，接上跳线2连接4个LED串联以及跳线3短接掉三极管，也可将电流表接入跳线2两端测输出电流)　
电池转换效率96.1 %　
LED功率占9V电源功率90.3 %　　　
2.控制电路时LED灯效率计算η　　　
首先说明由于NE555芯片的驱动电源与MC34063芯片的驱动电源出于一处，测量的输入电流由于加上了NE555工作时的电流，所以实测输入电流包含了2个电流，额外增加了NE555的工作功率，所以此处利用测量参数测出的LED灯效率将小于真实LED灯效率。　
由于三极管控制LED的导通时间。虽然LED灯是恒流工作，但是同一段时间中有时导通有时关断所以平均电流值将下降，下表中测出的电流值均为平均电流值。三极管在此作为类似于开关管的作用，三极管上的损耗与其工作频率有关系。(测量时请先将NE555芯片插入出，接上跳线2连接4个LED串联，也可将电流表接入跳线2两端测输出电流)　

Iout (mA)　　
Iin (A)　　
Vout (V)　　　
Vin (V)　
Vled (V)　

97.6　　　
0.20　　　
15.76　　
9　　　
13.85　
85.5 %　　　
76.0 %　　　
89.0　
0.19　　
15.82　
9　
13.51　
82.3 %　
70.3 %　　　
71.0　　　
0.14　　
14.63　　
9　
13.20　　　
82.4 %　　
74.4 %　
61.3　　
0.11　　　
14.40　　　
9　
13.10　　
89.2 %　
81.2 %　　　
50.4　　
0.10　
16.30　　
9　　　
11.49　　　
91.3 %　
64.3 %　　
39.7　　
0.08　　　
16.53　　　
9　　
10.97　
91.1 %　　　
60.5 %　　　
25.56　　　
0.06　　
17.80　　　
9　　　
11.04　　
84.4 %　
52.3 %　　　
14.20　
0.04　　　
18.30　　　
9　　
11.00　　
72.3 %　　
43.4 %　　
后面几组数据偏差较大，经分析有如下原因：　
(1).读数偏差较大，数值一直变化读取数据时较困难；　　
(2). Iin 的读数只能到小数点后第2位，无法更加精确，当数值都减小之后，相差0.01对于计算都会带来较大偏差；　
(3).电路设计时没有考虑周全，NE555与MC34063无法分离测量，导致NE555的功率包含在了电源输出功率中，导致电池转换以及LED效率下降；　　
(4).三极管发射机与集电极应该控制在地与12.5Ω，设计电路时没有考虑完全。　　

五.误差分析　
1.由于测LED灯压降的时候是单个单个测量的，每个LED灯性能都不一样，应该把4个LED灯串联之后再加上电压后测量导通电流；　　
2.三极管从饱和态到导通态有时延，若这些时间延长，更为主要或致命的是将使开关管的损耗增加，。因为，开关管要求导通时管子的电压降很小，截止时流过管子的电流很小。也就是说不能工作在放大状态(或处于放大状态的时间很短)。若处于放大状态则导通时有较大的电流流过管子而管子的电压降又较大，管子的损耗也就较大(所以普通放大电路要求管子有一定的功率限制)；　　　
3.开关管的导通压降，漏电流均会造成电路计算误差以及功率损耗；　　
4.电阻工作时发热，电阻上升，使得电路参数改变，产生误差；　　　
5.电路设计过程中，使用测量工具时的人为误差以及测量仪器的本身的误差；　
6.计算时所需的元器件参数事实上经常无法实现，只能选取近似的元件，这将会产生误差。　　

六.创新拓展　
在电路中通过跳线1连接了5个彩色LED灯，分别为蓝、黄、红、白、绿。通过跳线的改变可以实现白灯与彩灯之间的互换。调光电感对5个彩灯依然可以调节亮度。效果可见下图。　　

七.注意事项　
(1).跳线接触不好，尤其是跳线1，接入时如果彩灯未发亮可手动拨一拨跳线1使彩色灯发光；　
(2).调光电阻接触不好，调节时需多加注意；　　　
(3).尽量比较底座接触到金属导电面；　
(4).详细电路图参见附件