導語：如何才能寫好一篇led驅動電路，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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【關鍵詞】電解電容；驅動電路；有源紋波補償；保護電路

1.前言

led（發光二極管）為新一代的綠色照明光源，具有節能、環保、高亮度、長壽命等諸多優點。它不僅是照明光源的新寵，也與人們的生活戚戚相關。因此，研制長壽命的驅動電源，構建高效率、低成本、高功率因數和是LED燈發光品質和整體性能的關鍵，也是LED照明技術發展的需要。據不完全統計現有的白熾燈泡壽命比LED燈少約40倍。因為發光二級管不僅是直流電流驅動器件，也是光電轉換器，有將光電轉換的功能。它的作用主要是通過流動電流，將電能轉變為光能，所以其優勢是比一般的光源的節能效率和工作壽命都要高。但是，在LED驅動電源的整流電路和濾波電路中一般需要使用大容量的電解電容。電解電容器的壽命一般為l05℃/2000h，就是說當電容周圍溫度升高到105℃時其壽命只有84天，即使工作在溫度為85℃的環境中，使用壽命也僅為332天，所以電解電容是阻礙LED驅動電路壽命的主要原因。為了提高驅動電源的壽命，有必要去掉電解電容，為此文中提出一種無電解電容的高亮度LED驅動電源。

2.LED驅動電路的工作原理

3.LED驅動電路的具體設計

3.1 輸入電路的設計

3.1.1 EMI濾波器的設計

3.4 有源紋波補償電路的設計

3.4.1 有源紋波補償理論

因為現有的LC濾波電路無法完全濾除紋波，而且電容量小的電容濾波效果更差，所以傳統的開關電源輸出波紋大，若流過LED的電流紋波過大將不僅影響了LED的光效，而且影響LED的光衰，特別是電解電容由于它的使用壽命短，從而嚴重的縮短了開關電源和LED的使用壽命。因此，從研究小電容量入手、以輸出紋波小、能量變換效率高為內容，以使用的安全性和長期性為目的，構建新型驅動電源，是十分重要的和必要的，是當前急需解決的問題，具有一定的科學性和可靠性。

文獻[4]在總結主輔補償電路的基礎上，采用線性電源對電感紋波電流進行補償的方法，其電路結構如圖8所示。通過檢測電阻R1的電壓來檢測電感紋波電流，放大器輸出與電感紋波電流反向的補償電流通過電阻R5將電感紋波電流補償。該電路通過用電阻匹配來解決紋波電流補償問題，容易實現；并且省去電解電容，使得電源的使用壽命能夠延長。

3.4.2 有源紋波補償電路的設計與仿真

如圖9所示，有源紋波補償電路由三極管，運算放大器A1，A2，和電感電流檢測電阻組成。其原理是通過檢測電感兩端的電流，通過運算放大器A1和A2比較后控制三極管的開關實現電流的補償。

4.結束語

目前LED驅動電路中，影響驅動電路整體壽命的主要因素是儲能電容，所以本設計采用線性電源抑制輸出波紋，達到減小儲能電容的電容量的目的，因此可以在不增加輸出波紋的情況下采用壽命長的薄膜電容取代電解電容，從而提高LED驅動電路的整體壽命。從仿真結果來看，采用以有源紋波補償后，電路運行穩定，各項指標滿足要求，這說明此方法能夠有效的提高了驅動電路的使用壽命。

參考文獻

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篇2

摘要：發光二極管(LED)具有耗能少、壽命長、成本低等特點,近年來得到廣泛應用。介紹了一種基于MAX1916芯片的亮度可調的LED驅動電路，利用改變脈寬的方法來改變LED的發光強度。

關鍵詞： 發光二極管；驅動；脈寬

中圖分類號：TN312+.8文獻標識碼：B

Development of LED Lightness Control Circuit Based on MAX1916

LI Liang-cheng ， ZHANG Yong-shun， LI Zhong-hong

(Staff Room of Medical Image, Bethune Military Medical College,

Shijiazhuang050081, china)

Abstract: Recently, LED has been applied widely. It has the characteristics of less consumption, longer life and lower cost. This article will introduce a sort of drive current of LED which is based on MAX1916.It adjusts the brightness of LED by changing the breadth of impulse.

Keywords：light-emitting diode(LED)；drive；pulse breadth

1 LED

近年來，隨著能源短缺現象越來越嚴重，節能成為全世界共同關注的話題，綠色節能照明的研究也越來越受到重視。LED為全固態發光體、耐震、熱輻射小、無污染，具有發光效率高、耗能少、單色性好以及使用壽命長等優點，近年來在各行業應用得到快速發展。目前，LED 應用主要集中在兩個方面：一個是低亮度應用場合，包括手機、PDA 等小型電子產品的背光照明，電子儀表的照明等；另一種是需要高亮度的應用場合，主要采用高功率大晶粒 LED，光點集中，可以得到較高的亮度，利于光學設計。LED 的發光強度由驅動電流決定，驅動電流的大小和波動與LED發光強度有著密切的關系,進而對其穩定性和可靠性有著很大的影響。本電路采用恒流芯片MAX1916為LED提供驅動電流,實現發光強度穩定。

2 MAX1916芯片

Maxim公司生產的MAX1916是一種提供偏置電源的專用LED驅動芯片，采用六管腳薄型SOT23封裝，尺寸小，可以代替傳統LED設計中的鎮流電阻。MAX1916利用1個電阻設置3只LED的偏置電流，匹配度可達0.3%，它具有出色的LED偏置匹配度，電源電壓變化時偏置變化小、壓差低，轉換效率高。圖1中VCC為電源電壓（2.5~5.5V），VCTRL為控制電壓，EN為使能端，當控制端輸入電壓大于2.5V時，器件工作，輸出電流驅動LED燃亮；當輸入電壓小于2.2V時， LED1、LED2、LED3端呈現高阻抗，不能燃亮。

SET是偏置電流輸入端，它與3只LED輸出電流的關系為ILED= 230 x ISET，而ISET=(VCTRL-VSET)/RSET ，其中VSET = 1.215V,即：

ILED=230(VCTRL-1.省略。

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關鍵詞：高職院校；LED驅動電路設計；課程教學改革隨著LED的發展及其應用引起了廣泛的關注，高職院校光電子技術等專業陸續將LED相關課程納入專業課程的學習領域。作為LED系列課程的基礎核心課程《LED驅動電路設計》，其課程教學改革與實踐的探究對該課程的建立與實施發揮了極其重要的作用。本文將結合高職學生特點，對《LED驅動電路設計》課程教學改革與實踐進行探究，從而為高職院校開設類似專業課程的課程開發及實施提供一定的理論基礎。

一、學習領域設計

《LED驅動電路設計》是光電子技術與LED應用專業的必修課程，該課程結合LED驅動電路的最新應用技術，把LED驅動電路設計要點與電路實例有機結合起來，系統介紹了從事LED驅動電路研發、設計所必須的基礎知識，以及在驅動電路設計過程中應掌握的設計要點。根據LED驅動電路研發和技術崗位的具體工作任務，培養學生重點培養學生分析電路、設計電路、調試電路及閱讀工程資料等方面的職業能力及較強的動手實踐能力。同時要求學生具備一定的LED驅動電路的設計和研發能力，同時培養學生的自學能力、動手能力及實踐能力，具備良好職業道德及職業能力，具有良好的溝通協作精神，培養能從事LED驅動電路設計，或LED應用生產、研發和檢測和管理崗位的技能型人才。

《LED驅動電路技術》課程的前修課程主要有《工程光學基礎》、《電工與電子技術》、《LED技術基礎》，通過該課程的學習及LED顯示控制等相關課程的完成構成了一套比較完整的LED技術知識體系。《LED驅動電路技術》的學習內容主要包括LED基礎知識、LED驅動電源的分類和要求、LED驅動電路、LED的應用技術。課程學習內容的組織與安排，應先知識后能力、由簡入繁、循序漸進，不以傳統的章節知識點為授課主線，代以真實項目為載體。具體的LED驅動電路設計任務分為：低壓直流供電的LED驅動電路設計、阻容降壓式的LED驅動電路設計、開關電源市電供電的LED驅動電路設計、帶功率因數校正的高功率LED驅動電路設計、市電供電的非隔離LED驅動電路設計、可調光LED驅動電路的分析。根據LED驅動電路設計的關鍵技術，選擇了基本涵蓋本課程全部內容的6個典型工作項目，根據完成這些工作任務所需要的知識、能力、素質要求開展教學。

二、評價方案和教學資源建設

在課程的評價方案方面，可結合教師評價、自我評價、學生互評、小組評價等多方評價獲得相對全面的評價結果。教師評價方面，依據課程要求，設計針對學生的評價考核《評分標準》，根據評分標準及項目完成情況評分，以學生自評為主、學生互評為輔，教師在評價過程中起引導調控作用。關注學生個體差異，注重過程性、表現性和發展性評價。自我評價方面，各小組成員之間依據《評分標準》自我評價。小組評價方面，評價在完成任務過程中的表現情況如紀律、態度、團隊意識、責任意識、服務意識、關心他人等。

教學資源建設方面，建設有教學設計方案、電子教材、教學課件、案例庫、習題庫、訓指導書等教學基本文件，符合課程設計要求，能滿足網絡課程教學需要。實訓方面配有相關的計算機、軟件開發平臺、電子器件及相關的檢測設備，達到教、學、做一體。

（作者單位：中山火炬職業技術學院）

參考文獻：

[1]陳東旭，張帆，石雪梅.基于學習情境的高職精品課程建設策略探討[J].廣東教育?職教，2012（2）：17.

篇4

關鍵詞： LED背光源；Boost拓撲；電容平衡；保護電路

中圖分類號：TN312+.8 文獻標識碼：B

The Design of Capacitor Balanced Driver for Edge-lit LED Backlight Based on Boost Topology

MENG Xian-ce1, LIU Wei-dong1,2, QIAO Ming-sheng2

（1. Dept. of College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong 266100, China; 2. Hisense Electric Co., Ltd, Qingdao Shandong 266071, China）

Abstract: Based on boost topology, this paper introduces a LED driver circuit that uses a capacitor to achieve one boost circuit drive two strings of LED light string work in a constant current mode.

Keywords: LED backlight; boost topology; capacitor balanced; protect circuit

引 言

側導光LED背光源以其能夠支持液晶電視超薄化和節能環保設計的優勢，正在得到廣泛的應用。

目前，大尺寸的液晶屏要有多串LED燈條做背光源，多采用Boost拓撲的LED驅動電路進行驅動，一般以一路Boost驅動一串LED燈條的方式實現恒流控制的目的，每路都需要一個升壓MOS管和一個調光MOS管，并且每路輸出都需要電解電容滿足LED正常工作，系統所使用的器件多，成本較高。

本文基于Boost拓撲電路，設計實現一種具有電容平衡功能的側導光LED背光源驅動電路，能夠實現一路Boost電路驅動兩串LED燈條，可減少元器件使用，降低系統成本。

1 基本原理

Boost拓撲電路即升壓（Boost）變換器，是一種從低壓輸入得到高壓輸出的開關調整器。其工作過程包含能量存儲和能量釋放兩個階段，開關導通期間，電感儲存能量，輸出電容單獨為負載提供電源；開關斷開期間，儲存了能量的電感與輸入電源串聯共同為負載提供電源。

電容是開關電源中常用的元件，具有儲存電能和傳遞電能的作用。電容的充放電過程存在C=Q/U和Q=It的關系，其中C為電容器的容量，Q為電容器存儲的電荷量，U為電容器兩端電壓差，I為充放電電流，t為充放電時間。在選定的電容量C條件下，只要設置適當的時間，即可實現電容充電和放電的電荷量相等，起到平衡連接在電容兩端的電路電流的作用。

2 系統架構

基于以上原理，我們設計了一種電容平衡式LED驅動電路，其系統框圖如圖1所示。

該LED驅動系統包括六部分功能電路，在LED驅動控制芯片的控制之下，各功能電路協調工作，通過電容平衡實現一個Boost電路驅動控制兩串燈條同時恒流工作。

3 電容平衡式驅動電路系統

圖2所示為電容平衡式驅動電路系統原理圖。

3.1 LED驅動控制芯片及其電路設計

本設計所選擇的芯片為安森美半導體公司的NCP1252芯片。該芯片是一款基于電流模式脈沖寬度調制（PWM）的驅動控制芯片，目前大多應用于AC-DC類反激電源當中。本系統通過給NCP1252芯片以12V的DC電壓供電，使芯片的驅動輸出電平為12V，具有較強的驅動能力。通過設置芯片的Rt腳和SS腳，使電路工作在180kHz頻率下，保證芯片頻率穩定，驅動開關損耗較小，同時保證本系統的電磁兼容（EMC）效果最佳。

3.2 DC-DC升壓電路

為保證LED燈的光效，要求驅動電路工作在恒流控制模式，輸出到LED燈的電壓可以動態調整。本系統采用工作在不連續模式的Boost電路，實現升壓系數隨負載變化的可調性，達到動態輸出電壓恒流驅動LED的目的。本設計中利用Boost電路的電感輸出端輸出功率，便于電容平衡電路的工作，實現一路Boost電路驅動控制兩串燈條同時恒流工作的目的。

3.3 電容平衡電路

電容具有儲存電荷的功能。本電路中利用電容充電和放電電荷量相等的特點，實現兩串LED燈串的電流平衡。基于Boost電路的電容平衡電路模塊原理圖如圖3所示。

圖中，電容C1是用于平衡電流的電容，本設計中選擇沒有極性的聚丙烯電容以實現耦合平衡的作用。電路正常工作時，B點是電容C1的輸入端，C點是電容C1的輸出端。當Boost電路的開關管V1關斷時，電容C1接受電感L1的充電，使C點電平為一倍LED燈串的電壓，經過VD4整流和C3濾波驅動LED燈條1發光。電阻R8阻值較小，電容充電時B點電位高于C點電位，所以，當Boost電路的開關管V1導通時，電容C1的B點通過開關管V1及電阻R8對地放電，使地的電位高于C點電位，使C點和地之間產生負電壓，經過VD1整流和C2濾波驅動LED燈條2發光。

3.4 恒流采樣電路

本系統采用比例電流源電路來實現LED的恒流采樣，達到控制流經LED燈的電流恒定的目的。如圖2所示，流經LED燈串的電流ILED與驅動控制芯片N1的FB腳電流IFB以比例的關系可產生相同趨勢的變化。芯片N1工作時FB腳電流IFB會穩定在1mA。當IFB>1mA時，芯片N1減小輸出驅動脈沖的占空比，以降低LED燈條中的電流到設定值；當IFB

3.5 保護電路

本電路具備過壓保護、過流保護、短路保護和開路保護功能，各保護功能通過觸發保護功能主電路實現。

3.5.1 保護功能主電路

保護功能主電路模塊如圖4所示。

圖4中A點為保護觸發信號的輸入點，當輸入到A點的電平信號大于NPN型三極管V3的be結電壓時，V3飽和導通，電阻R4兩端產生壓降，當R4的壓降大于PNP型三極管V2的eb結電壓時，V2飽和導通，12V_VCC的電壓經電阻R20輸入到保護觸發信號的輸入點，即A點，實現A點一旦被觸發，則鎖定在觸發狀態。重新上電即可退出鎖定。

當保護點的觸發狀態被鎖定后，V3一直處于飽和導通狀態，從而使連接到芯片BO腳的二極管VD13導通，將芯片BO腳的電平置低，其電平值為V3的飽和導通壓降（Vce≈0.1V）與VD13導通壓降（Vd≈0.3V）之和，即VBO=Vce+Vd≈0.1+0.3=0.4V

在PNP型三極管V2飽和導通，本電路還設計了將12V_VCC通過R12輸入到芯片的電流取樣端Cs腳，使該引腳電平超出其正常工作的電平范圍最大值1V，芯片立即響應，關閉驅動脈沖的輸出，進入保護狀態。

3.5.2 OVP電路和OCP電路

本系統中的OVP電路從Boost輸出端取樣，經過電阻分壓后通過穩壓二極管VZ1連接到保護觸發信號的輸入點A點，當過壓時即可觸發啟動上述保護功能主電路模塊，實現對燈條串和電路系統的保護。

本系統中的OCP電路從Boost升壓電路開關管V1下端取樣，當LED燈條過流時，電阻R8壓降變大，通過電阻R21觸發保護信號輸入點A，啟動保護功能主電路模塊，實現保護功能。

3.5.3 開路保護和短路保護

當LED燈條串開路時，驅動控制芯片N1的FB腳將無電流，芯片停止輸出驅動脈沖，系統進入保護狀態。當LED燈條串短路時，FB腳的電流大于1.5mA，芯片同樣停止輸出驅動脈沖，系統進入保護狀態。

3.6 調光電路

本系統的調光電路通過在芯片BO腳接兩個電阻R10和R17以及一個二極管VD6實現LED燈條串電流的動態控制，以達到節能的效果。

4 測試波形及分析

由圖5的測試波形可見，以系統地為參考零電位，電路中VD1的輸出為負電壓，即當電容C1放電時，B點電位高于C點電位所產生。

由圖6的測試波形可見，電路進入保護狀態時，A點電平升高并維持在高電平狀態，同時BO腳電平被從1V拉低到約0.4V，芯片鎖定在保護的狀態。

5 結 論

本文設計了一種新的LED驅動電路架構，實現了電容平衡式LED驅動電路系統。該系統使用一路Boost升壓電路驅動兩串LED燈條同時恒流工作，相對于傳統的恒流驅動電路，使用的元器件少，電路結構優化，成本較低。該電路系統目前已成功實現批量應用，對其它電路結構的優化具有啟發性意義，將是下一步研究工作的重點。

參考文獻

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[2] 王增福，李 昶，魏永明. 軟開關電源原理與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2006.

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關鍵詞： 太陽能路燈； LED； 恒流驅動電源； 開關電源； XL6006

中圖分類號： TN86?34； TK513 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0168?03

Abstract： Aiming at the application of the high?power constant current driving technology in solar LED street light， a design method of the high?power LED constant driving power supply is introduced. The working principle of Boost switching power supply and element parameter calculation method of its driving power supply are given. The efficiency of the designed power supply was tested. Its conversion efficiency is 92% while the step?up ratio is 1.4. The test results show that the constant current driving power supply of the LED street lamp has high conversion efficiency and a certain practical value.

Keywords： solar street lamp； LED； constant current driving power supply； switching power supply； XL6006

0 引 言

太能是人們公認的清潔能量[1]。隨著太陽能光伏發電技術發展和大功率LED生產工藝水平的提高，光伏太陽能LED路燈[2]作為一種高效、環保、節能、綠色照明[3]，在照明領域中得到推廣與應用[4]。LED是一種半導體發光器件，其壽命極易受到溫度影響[5]。為了延長太陽能LED路燈的使用壽命，要采用恒流驅動電源[6]來驅動太陽能LED燈。

針對大功率的恒流驅動技術在太陽能LED路燈中應用，本文介紹了大功率LED恒流驅動電源設計方法與技術。本LED路燈恒流驅動電源具有轉換效率高，成本低廉等特點。

1 Boost開關電源工作原理

太陽能路燈采用的大功率LED燈，一般是由小功率的LED燈串聯而成；因此，在太陽能LED路燈照明系統中，需要一個升壓式開關電源（DC/DC變換電路[5]）來驅動大功率LED照明燈。升壓式開關電源的原理圖[5]如圖1所示，其中：L為功率電感；A1和A2構成PWM調制電路；D為續流二極管；C為濾波電容；RL為電源的負載。圖2（a）為當T閉合時的等效電路，圖2（b）為當T 斷開時等效電路。在圖2中，當電路工作在穩態時，電感器上的電流的變化量相等， 根據電路知識可得到如下等式：

[UiTON=（Uo-Ui）TOFF] （1）

式中：TON為開關閉合時間；TOFF為開關斷開時間，令D1=[TONTS]，D2=[TOFFTS]；TS為開關周期，利用D1+D2=1關系式，可得到輸出電壓與輸入電壓的關系：

[UoUi=11-D1=1D2] （2）

分析可知電感紋波電流、開關頻率和電感之間的關系為：

[ΔiL1=1LfsUiD1] （3）

式中，電感器的紋波電流大小與輸入電壓Ui和占空比D1成正比，與電感量L和開關頻率fs成反比，它是選定電感量的重要的理論依據。

當轉換器工作在穩態時，得電感上的平均輸入電流如下：

[ILA=Io（1-D1）] （4）

式中：ILA電感上的平均輸入電流；Io為平均輸出電流。

2 太陽能LED路燈恒流驅動電源設計

2.1 電路原理圖

圖3為LED路燈用的恒流驅動開關電源的電路圖。由圖3可知，本設計主要由XL6006芯片、微控制器、儲電池和一些元件構成。XL6006是一塊高效升壓型開關型恒流驅動芯片，其內部集成了功率開關管，具有電源轉換率高和元件少等優點，是理想的LED恒流驅動芯片。L為大功率儲能電感器，D1為開關電源的續流二極管，當XL6006內部的功率開關管閉合時，XL6006第3引腳接地，二極管D1反偏截止，電感器中的電流線性增大，電感器儲能；當XL6006內部的功率開關管斷開時，XL6006第3引腳懸空，二極管D1正偏導通，電感器中的電流流向負載LED。ST15W401為一片單片機，內部集成了A/D轉換器和PWM控制器，R1和R2為分壓電路，儲電池的電壓通過分壓電路分壓之后，輸到單片機的第1腳。RS為電流取樣電阻， D3和RF為開關電源的功率控制路，控制太陽能路燈恒流驅動電源輸出功率。

2.2 電路參數的計算

在計算PWM占空比D1時，按輸入電壓為12.5 V，輸出電壓為24 V計算，所以根據式（2）可以計算此驅動電源的占空比D1為：

[D1=Uo-UiUo=24-12.524≈0.479] （5）

在計算電感器的平均電流ILA時，按輸出的電流為1 A計算，根據式（4）可計算出電感器的平均電流（單位為A）：

[ILA=Io1-D1=11-0.479≈1.9] （6）

在設計電路時，為了讓變轉換器工作在CCM模式下，電感器的電流的變化量不大于電感器平均電流的50%，在此設計中，電感器最大電流變化量按40%計算（單位為A）：

[ΔIL=ILA×0.4=1.9×0.4≈0.77] （7）

因此，可計算出電感器的峰值電流（單位為A）：

[Ipeak=ILA+ΔIL=1.9+0.77=2.67] （8）

因為 XL6006的開關頻率fs為180 kHz，根據式（3）可以計算出轉換器的電感值（單位為μH）：

[L=1ΔiL1fsUiD1=12.5×0.4790.77×180×103≈43.2] （9）

根據以上的電感的計算結果，本設計選用47 μH， 5 A的電感器。

3 設計實例樣機的試制及性能指標的測試

為了驗證設計的正確性，根據以上的電路圖和計算出來的元件參數值試制一臺樣機，并對樣機進行測試。在測試時，選用臺灣晶元大功率LED燈珠進行實驗，把6顆5 W的LED燈珠串聯成30 W的大功率LED燈，并把這些LED燈貼在一個大散熱器上進行實驗。調節輸入電壓值，用萬用表測量不同輸入電壓下的輸入功率與輸出功率，計算轉換效率，并用表格記錄下每次測量結果，如表1所示。

由表1可以看出，當輸入電壓在11 V左右時，恒流驅動電源的轉換效率在87%左右；當輸入電壓在12 V左右時，恒流驅動電源的轉換效率在89%左右；當輸入電壓在13 V左右時，恒流驅動電源的轉換效率在90%左右；當輸入電壓在14 V左右時，恒流驅動電源的轉換效率在91%左右。由此可見，本恒流轉換器具有較高的轉換效率。為了進一步地了解Boost 升壓型開關電源的升壓比與轉換效率的關系，用數值計算方法擬合升壓比和效率數據，擬合曲線如圖2所示。從圖2可以看出，升壓比和效率成反比關系。從圖可以看出，當升壓比為1.4時，其轉換效率約為92%，當升壓比為1.5時，其轉換效率約為91%，當升壓比為2時，其轉換效率約為87%，通過計算，由此可見，在設計Boost恒流驅動電源時，為了得到較高的轉換效率，升壓比控制在2倍以內。

4 結 論

太陽能LED恒流驅動電源，是光伏太陽能LED路燈照明系統的關鍵部件，其設計質量，直接影響LED路燈的使用壽命。針對Boost恒流驅動技術在太陽能LED路燈中應用，本文介紹太陽能LED路燈恒流驅動開關電源設計方法，并通過實例參數試制一臺實驗樣機，用數值計算方法擬合了樣機升壓比和效率數據，當升壓比為1.4時，其轉換效率約為92%，當升壓比為1.5時，其轉換效率約為91%，當升壓比為2時，其轉換效率約為87%。測試表明，該恒流驅動的設計方法可行，能為設計大功率LED太陽能路燈恒流驅動電源提供一個參考。

參考文獻

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篇6

關鍵詞:發光二極管顯示系統;單線;通信方法;指令

中圖分類號:TP336 文獻標識碼:A

A 1-wire System and Communication Method

for LED Display System

WANG Jing-jun, ZHAO Qi-yong, SONG Wei-quan

(Hangzhou Silan Microelectronics CO., LTD.,Hangzhou 310012,China)

Abstract: An efficient 1-wire communication method for LED display system is exhibited in this paper, by carrying out the system level structure and six instructions models of communication system. It applicable to various led display system, especially large led display system, with the features such as efficient, powerful, and flexible.

Key words: LED Display System;1-wire;Communication Method;Instruction

1引言

隨著經濟和社會的快速發展,以發光效率高、安全可靠、使用壽命長和環保節能為顯著特點的LED受到廣泛的重視。在LED應用系統中,由于每個LED芯片所能驅動的單元燈數目有限,若要實現大規模系統,就必須對LED驅動電路進行串接,從而驅動更多的單元燈。所述的單元燈是一個像素,可以由3個LED燈組成,例如紅色LED燈,藍色LED燈和綠色LED燈。在大型的LED顯示系統中,單元燈之間信號線繁多、連接穩定性差一直是應用的難點。因此需要從LED通信系統和通信方法入手,采用本文介紹的新型單線串接通信方法成為解決目前問題的有效方法。

2常用的LED通信系統及通信方法

目前大多數大型LED顯示系統中,LED控制電路與LED驅動電路構成的通信系統的主體,往往采用四根或者更多根串接傳輸線來實現信號的傳輸。LED控制電路與多個LED驅動電路通過數據線串接,時鐘信號線、鎖存信號線并接,通過數據線的串接和時鐘信號線的配合,LED控制電路將數據依次發送給串接的LED驅動電路。通過并聯的鎖存信號線,LED控制電路對所有LED驅動電路同時發出數據鎖存指令。LED驅動電路之間,依次串行傳輸下去,完成串接信號的傳輸,同時通過串接信號實現對各LED芯片所控制的燈點的控制。

由于時鐘信號線和鎖存信號線并聯,LED控制電路輸出的時鐘信號線和鎖存信號線受驅動能力限制,如果需要驅動大量的LED驅動電路,就需要更多的時鐘信號線和鎖存信號線的數量,或者在LED控制電路與LED驅動電路之間增加端口驅動電路,增強時鐘信號線和鎖存信號線的驅動能力,如圖1所示。

該通信方法要求四條傳輸線上的信號之間需要保證嚴格的時序配合關系,一旦時序配合不準確,數據信號就不能正確傳輸,整個LED顯示系統的串接信號也就無法正確傳輸,造成整個LED顯示系統的癱瘓。

3新型LED顯示系統

及其單線串接通信方法

本文提出了一種新型的應用于LED顯示系統,尤其是大型LED顯示系統的LED顯示系統和單線串接通信方法。該通信系統基于單線通信協議,利用數據編碼的方式在一條數據傳輸信道上實現RGB三色信號以及其它信號的傳輸。LED控制電路與多個LED驅動電路通過單線串接,相對于圖1所示系統,減少了數據傳輸所需要的線路,線路實現簡單。

通信方法是LED通信系統的關鍵,本文重點提出了一種先進的單線串接通信方法,該通信方法具有通信效率高、指令豐富、控制靈活、同步效果好等特點。可以有效地解決傳統LED通信系統信號傳輸苛刻的時序配合問題,提高整個LED顯示系統的穩定性和控制靈活性,同時也比當前LED通信系統具有更高的效率。

3.1 系統架構

該通信系統由LED控制電路和若干LED驅動電路串接組成,包括一個LED控制電路和多個LED驅動電路,驅動電路的數量視LED顯示系統的規模而定。該系統基于單線通信協議,具有總線結構簡單、接口方便、抗干擾能力強等特點,簡化了傳統LED顯示系統中通信系統的復雜性。系統架構圖如圖2所示。

LED控制電路包括發送端和接收端,發送端連接第一個LED驅動電路接收端,LED驅動電路發送端串接下一個LED驅動電路接收端,最后一個LED驅動電路N的發送端可以連接LED控制電路的接收端,由此組成了本文所述的LED顯示系統的通信系統。

3.2 通信方法

3.2.1 通信原理

該通信原理是系統將需要傳輸給各個LED單元燈驅動電路的信號用一組串行的幀數據表示,接收這些信號的LED單元燈驅動電路從輸入幀數據中,根據通信模式和指令類型接收并處理接收到的數據,將處理后的數據構建成新的幀數據作為輸出,根據通信模式和指令類型發送給后續地址有效的LED驅動電路,完成一次通信。

3.2.2 時序邏輯與指令模型

3.2.2.1時序邏輯

本文提出的系統中,LED控制電路和各LED驅動電路同時作為發送方和接收方,進行發送方與接收方的通信,發送方的輸出端通過單線與接收方的接收端連接,發送方發出三類時序:復位時序、數據時序和處理時序,接收方接收并解碼這三類時序后進行相應的操作。

這里復位時序定義為超過T1時間的高電平,處理時序定義為超過T2時間的低電平,數據時序定義為由邏輯0和邏輯1組成的數據串,根據需要可以為復位時序和處理時序以外的所有時序,接收方可以通過解碼獲得多位數據。

為了靈活實現LED控制電路對部分或者全部LED驅動電路進行操作,設計了LED地址有效確認時序,由復位時序、數據時序和處理時序組成,根據指令有效范圍分以下幾種類型:

1) 全地址類型,指的是指令對系統中所有LED驅動電路有效,由處理時序0、數據時序1和處理時序1依次組成,如圖3 a),數據時序1包含需要執行的指令信息;

2) 單地址類型,指的是指令對系統中單個LED驅動電路有效,由處理時序0、數據時序1、處理時序1、數據時序2和處理時序2依次組成,如圖3b),數據時序1包含需要執行的指令信息,數據時序2中包含該地址信息;

3) 開始地址類型,指的是指令對系統中某個地址開始的所有LED驅動電路有效,由處理時序0、數據時序1、處理時序1、數據時序2和處理時序2依次組成,如圖3 c),數據時序1包含需要執行的指令信息,數據時序2中包含該開始地址信息;

4) 區間地址類型,指的是指令對系統中從某個地址到另一個地址結束的區間內所有LED驅動電路有效,由處理時序0、數據時序1、處理時序1、數據時序2、處理時序2、數據時序3和處理時序3依次組成,如圖3 d)所示,數據時序1包含需要執行的指令信息,數據時序2和數據時序3中分別包含該區間的開始和結束地址信息。

3.2.2.2指令模型

基于上述通信原理和單線協議,設計出了六種串行通信控制與驅動的指令模型,用來定義LED控制電路和LED驅動電路之間的指令操作。LED驅動電路中通信模式寄存器表示的模式包括直通模式、發送處理時序模式、發送數據時序模式。LED控制電路發出的指令類型包括:操作指令、數據設置指令、數據串送指令、數據移動指令、數據回讀指令和錯誤地址回讀指令。LED控制電路與各LED驅動電路的通信,根據實際需要由上述指令類型組合實現。

操作指令

操作指令由作為發送方的LED控制電路或LED驅動電路發出,由復位時序、地址有效確認時序和復位時序依次組成,如圖4所示。當發送方和接收方進行操作指令通信時,所有LED驅動電路一直為直通模式,地址確認有效的LED驅動電路根據指令同步執行,實現操作功能。同時,可以根據對指令更詳細的定義進行其它多種類型的操作,如數據從數據寄存器到輸出驅動的鎖存、兩色交換、運算、時鐘模式設置等,不同的操作可以根據實際應用需要設計。

數據設置指令

數據設置指令由作為發送方的LED控制電路或LED驅動電路發出,由復位時序、地址有效確認時序、數據時序1、處理時序1和復位時序依次組成,數據時序1中包含LED控制電路需要發送給所有地址有效的LED驅動電路數據的信息。此時所有LED驅動電路一直為直通模式,地址確認有效的LED驅動電路根據指令同步將接收的數據置入數據寄存器,實現數據設置功能,如圖5所示。

數據串送指令

數據串送指令由作為發送方的LED控制電路發出,由以下時序依次組成:復位時序、地址有效確認時序、數據時序1、處理時序1、…、數據時序i、處理時序i、…、數據時序N2、處理時序N2、復位時序,如圖6所示。數據時序1、…、數據時序N2分別包含LED控制電路需要發送給各地有效的LED驅動電路的數據信息,N2表示需要串送的地址個數。此時地址確認無效的LED驅動電路一直為直通模式;地址確認有效的LED驅動電路將進行以下操作:把接收的指令時序中屬于本LED驅動電路的數據時序替換為處理時序進行發送,并將接收的相應數據置入數據寄存器,實現數據串送功能。

數據移動指令

數據移動指令由作為發送方的LED控制電路或LED驅動電路發出,由以下時序依次組成:復位時序、地址有效確認時序、數據時序i、處理時序i、復位時序,如圖7所示,數據時序i中包含上一個地址有效的LED驅動電路的數據信息。此時地址確認無效的LED驅動電路一直為直通模式;地址確認有效的LED驅動電路將進行以下操作:把接收的指令時序中上一個地址確認有效的LED驅動電路的數據時序替換為本LED驅動電路的數據時序進行發送,并將接收的相應數據置入數據寄存器,實現數據移動功能。

數據回讀指令

數據回讀指令由作為發送方的LED控制電路發出,由復位時序、地址有效確認時序和復位時序依次組成,如圖8所示。此時地址確認無效的LED驅動電路一直為直通模式,地址確認有效的LED驅動電路在接收的指令時序中增加本LED驅動電路的數據時序和處理時序發送,實現數據回讀功能。

錯誤地址回讀指令

錯誤地址回讀指令由作為發送方的LED控制電路發出,由復位時序、地址有效確認時序和復位時序依次組成,如圖9所示。此時地址確認無效的、或地址確認有效但錯誤寄存器值表示沒有錯誤的LED驅動電路一直為直通模式;地址確認有效且錯誤寄存器值表示有錯誤的LED驅動電路將接收的指令時序中增加本LED驅動電路的地址數據時序和處理時序發送,實現錯誤地址回讀功能。接收方的錯誤寄存器記錄LED驅動電路對外接LED燈連接時檢測得到的錯誤類型值,如開路、短路等。

3.2.3 通信方法

基于上述的通信原理和指令模型,本文提出了如下應用于LED顯示系統的單線串接通信方法:

LED控制電路與若干個LED驅動電路串接組成LED通信系統,由LED控制電路實現對串接的LED驅動電路的控制,并與各LED驅動電路進行通信,從而實現對各個LED單元燈RGB信號的控制。

LED控制電路與各LED驅動電路的一次通信開始時,LED控制電路發出一條指令的復位時序,將串接的各LED驅動電路的通信模式寄存器設置為直通模式,每一次通信都以直通模式開始;進行LED控制電路對串接的若干個LED驅動電路的同步通信,各LED驅動電路再根據同步接收到的LED控制電路或前一個LED驅動電路發出的指令及地址有效確認結果進行操作,選擇是否將直通模式設置為發送處理時序模式或發送數據時序模式,完成相應的指令操作、數據送入或回讀功能。一次通信結束時,LED控制電路發出一條指令的復位時序,最終將各LED驅動電路的通信模式寄存器恢復為直通模式。

4結論

本文提出的LED顯示系統的單線串接通信方法和指令模型,具有通信效率高、指令豐富、控制靈活、同步效果好等優點,可以有效地將LED顯示系統中的控制電路與大量LED驅動電路通過單線串接構成串接通信系統,成本較低、布線簡單、抗干擾能力強。該LED顯示系統單線串接通信方法適用于各種LED顯示系統,尤其是大型LED顯示系統。

參考文獻

[1] 諸昌鈐. LED顯示屏系統原理及工程技術[M]. 成都:電子科技大學出版社,2000.

篇7

關鍵詞：LED電子顯示屏；發展；分類；硬件電路

中圖分類號：G632.0 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2014）09-0140

一、LED電子顯示屏的發展及分類

第一階段為1990年到1995年，主要是單色和16級雙色圖文屏。用于顯示文字和簡單圖片，主要用在車站、金融證券、銀行、郵局等公共場所。

第二階段是1995年到1999年，出現了64級、256級灰度的雙基屏。視頻控制技術、圖像處理技術、光纖通信技術等的應用將LED顯示屏提升到了一個新的臺階。

第三階段從1999年開始，紅、純綠、純藍LED管大量涌入中國，同時國內企業進行了深入的研發工作。

本次題目的要求是設計一個16*16的點陣LED電子顯示屏，要求顯示亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示穩定清晰，無串擾，顯示方式要求有靜止和移入移出兩種顯示方式。

1. LED點陣電子顯示屏的設計方案

LED點陣電子顯示屏的設計一般有兩種方案：方案一：采用可編程邏輯器件作為核心控制器產生LED點陣的行、列驅動信號。方案二：采用單片機系統來實現。

本設計硬件方面以單片機AT89C51為主控制器，采用4塊8×8點陣LED顯示模塊來組成16×16點陣顯示模式，顯示各種文字或單色圖像。

2. LED點陣屏顯示驅動方式比較

LED點陣屏顯示電路常用的顯示驅動方式有兩種：

方案一：串行控制驅動，這種方式的好處是單元內的線路連接簡單，給印刷電路板的設計帶來方便，減少了布線的密度，方便以后的制作與調試，而且相對提高了每個單元的可靠性。

方案二：并行控制驅動，將顯示數據通過并行（一般為8位）方式送入驅動電路，這樣的好處是：相對于串行控制而言，數據的刷新速度快，在處理同等數量的數據時，對處理速度要求可以大大降低，從而提高了系統的穩定性，但也正因為“并行”使單元內的數據線路的連接更加復雜，布線后的排錯難度大大增加。

二、關于硬件電路

1. 硬件電路設計基本思路

點陣式漢字顯示屏的電路包含電源電路、復位電路、時鐘電路、驅動電路、單片機控制電路和LED點陣屏顯示電路等六大部分：（1）電源電路通過變壓元件為整個電路提供5V的工作電位。（2）復位電路可在需要時為單片機手動復位清零，使整個電子顯示屏初始化。（3）時鐘電路是單片機的工作驅動電路；單片機內的程序控制著整個電路，其輸出通過譯碼器SN74LS154譯碼作為點陣屏的驅動。（4）驅動電路，我們采用串行控制驅動方式。

2. 本系統所采用的硬件電路

系統所采用的硬件電路大致上可以分成單片機系統及電路、列驅動電路和行驅動電路三部分。

（1）電路

電源電路通過變壓元件為整個電路提供 5V的工作電位 。

時鐘電路由AT89C51的18，19腳的時鐘端（XTAL1及XTAL2）以及12MHz晶振X1、電容C2，C3組成，采用片內振蕩方式。

（2）列驅動電路

列驅動器由集成電路74HC595構成。

（3）行驅動電路

單片機P1口低4位輸出的行號經4/16線譯碼器74LS154譯碼后生成16條行選通信號線，再經過驅動器驅動對應的行線。一條行線上要帶動16列的LED進行顯示，按每一LED器件20mA電流計算，16個LED同時發光時，需要320mA電流，選用三極管TIP127作為驅動管可滿足要求。

3. 硬件電路所需器件介紹

（1）ULN2803A達林頓管陣列

達林頓管就是兩個三極管接在一起，極性只認前面的三極管。

具體接法如下：以兩個相同極性的三極管為例，前面為三極管集電極跟后面三極管集電極相接，前面為三極管射極跟后面三極管基極相接，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達林頓管基極，后面三極管射極為達林頓管射極，用法跟三極管一樣，放大倍數是兩個三極管放大倍數的乘積。達林頓管又稱復合管。它將二只三極管適當的連接在一起，以組成一只等效的新的三極管。這等于效三極管的放大倍數是二者之積。

（2）74HC595芯片簡述

①74HC595概述

74HC595是硅結構的CMOS器件，兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標準。74HC595是具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態輸出功能。移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。 數據在SCHcp的上升沿輸入，在STcp的上升沿進入的存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻關斷狀態。

②74HC595 芯片驅動LED的特點

74HC595 芯片驅動LED有以下特點：速度較快，功耗較小，LED 的數目多少隨意，既可以控制共陰極的LED顯示器，也可以控制共陽極的LED 顯示器，可以軟件控制LED 的亮度，還可以在必要的時候關斷顯示（數據保留），以減小功耗，并可隨時喚醒顯示。

（3）關于軟件

軟件編程方面采用匯編語言編程，涉及了單片機的時鐘、中斷和復位的使用。

設計基本思路：①先對相關變量進行初始化。②循環掃描亮 16行 LED 稱點亮一幀圖象。③一幀圖象掃描完畢后，列指針向右移動1位 ，再掃描下一幀圖象。為了控制漢字共動的速度，有時候要對一幀圖象掃描數次后才將列指針移位。依次類推，列指針共向右移動 16位。這樣，主觀上感覺到圖象（下轉第145頁）（上接第140頁）向左滾移動。④移動一個漢字 列指針右移 16位后，字指針向下一個漢字。再重復 2～4過程。這樣，我們就能在顯示屏上看到持續不斷的滾動漢字信息了。

三、總結

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白色LED正向壓降VF為3.0~4.8V，小功率白色LED的工作電流為5~20mA，中功率及大功率白色LED工作電流可達數百毫安到上千毫安。根據LED的尺寸大小或照明的要求常用2~8個LED一同使用，并且要求亮度可調節，一般需用專用白色LED驅動器來驅動。本文介紹最近開發出來的各種新型白色LED驅動器及應用電路。包括便攜式電子產品中常用的升壓式DC/DC電路及升壓式電荷泵電路；在某些鋰電池供電場合，采用LD0電路供電；用LED作照明燈的應用場合，可采用交流供電。

AA T3142

AAT3142是ANALOGI TECH（高級模擬技術）公司近期推出的高效率、低噪聲電荷泵式白色LED驅動器。

主要特點：輸入電壓范圍2.7~5.5V；根據輸入電壓及白色LED的VF有不升壓、升1.5倍及升2倍壓的電荷泵（自動轉換）三種模式，可滿足VF=3.0~4.3V的白色LED工作；輸出電流可供3路，每路30mA電流（恒流） ；電路筒單，僅需外接4個1μF貼片式多層陶瓷電容器；有32級數字控制亮度（單線串行控制） ；1MHz固定頻率工作，噪聲低；有關閉控制，在關閉狀態時耗電小于1μA；自動軟啟動；12管腳TSOPJW封裝；工作溫度范圍-40~+85℃。

應用領域：白色LED背光照明、數碼相機閃光燈，也可用于可編程電流源。

應用電路：典型應用電路如圖1所示。圖中VBATTER為電池電壓，Cin為輸入電容，Ccp為電荷泵電路輸出電容，C1、C2為泵電容，D1~D3為白色LED。EN/SET為單線串行控制（S2Cwire）端，輸入不同的碼可控制輸出電流（從0~30mA分32級） ；在EN/SET接地電平時，為關閉狀態，耗電小于1μA。

網址：。

LM2751

LM2751是國家半導體公司生產的穩壓輸出型升壓式電荷泵式白色LED驅動器。

主要特點：輸入電壓范圍2.8~5.5V；輸出穩壓的4.5或5.0V；輸出電壓精度在3%之內；峰值效率大于90%；有關閉控制，關閉狀態時耗電小于1μA；輸出電壓4.5V時輸出電流可達150mA；輸出電壓5V時輸出電流可達80mA；振蕩器頻率可編程（725kHz、300kHz、37kHz、9.5kHz）；其相應的工作電流為1mA、0.7mA、0.45mA及0.42mA；輸出紋波電壓小，典型值為8mV；小尺寸10管腳LLP封裝；工作溫度范圍-40~+85℃。

應用領域：白色LED背光、閃光燈、白色LED按鍵的背光，另外，它也可用作4.5V或5V輸出的穩壓電源使用。

應用電路：典型應用電路如圖2所示。圖中僅畫出驅動2只白色LED，根據需要還可增加更多的LED。圖中Cin、Cout分別為輸入及輸出電容，C1、C2為泵電容，R為限流電阻，EN端為使能輸入端（高電平有效），CS0、CS1為振蕩器頻率選擇端（如表1所示）。型號后綴中有A者為輸出5V，B者為4.5 V。EN端輸入PWM信號時可調節LED亮度。

網址：。

NCP5603

NCP5603是ON Semiconductor 公司推出的高效率、中功率白色LED驅動器，是一種自動工作模式選擇（不升壓、1.5倍升壓及2倍升壓）的電荷泵電路。

主要特點：輸入電壓范圍為2.7~5.5V；輸出電壓可設定；最高轉換效率可達90%；輸出最大脈沖電流可達350mA；有輸出短路保護，輸出短路時有40mA短路電流（典型值）；10管腳QFN無鉛封裝；工作溫度范圍-40~+85℃。

應用領域：中、大功率LED的驅動、高亮度的閃光燈、背光照明。

應用電路：典型應用電路如圖3所示。圖中C1、C2是泵電容，C3、C4是輸入及輸出電容。Vse1是輸出電壓選擇端，此端接0時，Vout為4.5V；此端接1時，Vout為5V。Fse1是振蕩器頻率選擇端，此端接0時，Fop為262kHz；此端接1時，Fop為650kHz。EN/PWM是使能及PWM調光輸入端，此端接0時，芯片不工作；此端接1時，芯片工作。當輸入PWM信號時，根據脈沖寬度大小可調節LED亮度。如圖3中C1=C2=C4=1μF時，最大連續直流負載電流可達200mA。

網址：。

MIC2292/93

MIC2292及MIC2293是MICREL公司的產品，是兩種高效率、PWM升壓式DC/DC變換器，具有恒流輸出的白色LED驅動器IC。MIC2292振蕩器頻率為1.6MHz，MIC22932振蕩器頻率為2MHz。

主要特點：輸入電壓2.5~10V；輸出電壓高達15~34V；內部有肖特基二極管；內部開關額定電流500mA；反饋電壓95mV；電壓調整率及負載調整率優于1%；有關閉控制，關閉時耗電小于1μA；有過熱保護及欠壓鎖存；8管腳MLFTM（2mm×2mm）封裝；結溫范圍-40~+125℃。

應用領域：蜂窩電話、PDA、GPS、數碼相機、MP3等背光照明及恒流源。

應用電路：典型應用電路如圖4所示。圖中串接在LED電路中的6.3Ω電阻是電流設定電阻，流過LED的電流ILED為95mV/6.3Ω=15mA。

網址：。

MP3205

MP3205是 Monolithic Power Systems公司推出的驅動5個白色LED的驅動器。

主要特點：可驅動串聯的5個白色LED；轉換效率可達87%；反饋電壓104mV；軟啟動；可輸入PWM信號控制亮度；有欠壓鎖存及過熱關閉；輸入電壓2.5~6V；ILED可由反饋電阻R1設定，如表2所示；TSOT23-5封裝；工作溫度范圍-40~+85℃。

應用領域：蜂窩電話、手持式計算機及PDA、數碼相機等背光照明。

應用電路：典型應用電路如圖5所示。

網址： monolithic 。

FAN5613

FAN5613是FAIRCHILD公司生產的低壓差白色LED驅動器，能并聯驅動4個白色LED。

主要特點：壓差小于300mV；4個并聯的LED電流匹配，差值

應用領域：由鋰離子電池供電的LED背光照明。該器件的缺點是要采用VF低的白色LED。

應用電路：典型應用電路如圖6所示。由RSET來設定LED的電流，EN端輸入PWM信號來調節LED亮度。RSET與ILED關系見圖7。

網址： 。

HV9921/22

HV9921/22是Supertex公司推出由交流供電（市電）的LED燈驅動器。

主要特點：定電流輸出，HV9921為20mA，HV9922為50mA；輸入電壓為通用的85~264VAC；固定關斷時間的降壓式DC/DC變換器；內部有耐壓500V的MOSFET開關管；HV9921可驅動LED串的電壓為20~50V，HV9922可驅動LED串的電壓為20~30V；3管腳TO-92或SOT-89封裝。

應用領域：裝飾燈、低功耗照明燈。

篇9

關鍵詞： LED背光；高壓驅動；超薄結構

中圖分類號：TN312+.8 文獻標識碼：B

Design of LED Backlight Module Used for Ultra-thin LCD TV

LI Xiu-zhen

(Beijing BOE CHATANI Electronics Co., Ltd., Research Center, Beijing 100176, China)

Abstract: Applying large-size LED backlight is the new development trend of flat-panel TV industry. A large-sized ultra-thin edge-light type LED backlight is designed in this paper. Depending on the research of the LED manufacturers, LED has been chosen with the consideration of luminous efficiency, power consumption, structure design, etc. The light guide plate is designed through the optical design software. According to the specification and number of LED, the light-bar is designed to be double-layer MCPCB, and high voltage design is adopted in the driver control circuit which supports the PWM dimming. In order to achieve a better cooling effect, thermal design is carried out. The edge light type LED backlight designed in this paper, its thickness is 9.9mm, its power is 150W, its center brightness is 5,700nit, and the uniformity is 82% by testing. It reaches the leading level of the industry.

Keywords: LED backlight; high voltage drive; ultra-thin structure

引 言

液晶屏自身并不發光，為了可以清楚地看到顯示屏的內容，需要一定的白光背光源。背光源是存在于液晶顯示器內部的一個光學組件，由光源和必要的光學輔助組件構成。傳統的背光源采用的是冷陰極熒光燈（CCFL），色彩還原性差，含有對人體有害的汞蒸氣。LED背光源色彩還原性好、壽命長、不含汞、有利于環境保護。就驅動電路而言，傳統的CCFL背光驅動線路十分復雜，要求上千伏特的驅動電壓，利用專門的逆變器才能驅動起來。而LED可以低電壓工作，響應速度快，控制較為方便。近年來LED被逐漸引入到現有的液晶顯示技術中，背光源非常有可能成為下一個被LED壟斷的產業。LED背光源如果通過增加對比度、區域控制等手段，性能要遠遠優于CCFL背光源。目前，LED背光源已經在中小尺寸面板中普及，如手機、數碼相框等，隨著LED技術的發展和LED芯片的不斷成熟，LED液晶電視將可能逐步取代傳統的CCFL液晶電視[1，2]。

背光源根據光源的位置不同分為直下式背光源和側光式背光源。直下式背光源，直接把LED光源放在出光面下面，光源發出的光經過一段空間距離和擴散板的擴散和混合后，成為面光源發射出來[3]，直下式背光源需要一定的混光距離。而側光式背光結構對超薄化的模塊設計則更具優越性，隨著“超薄風”的刮起，大尺寸超薄側光式LED背光源成為各大電視廠商及上游企業的研究熱點。

1 結構設計

本文所設計的LED背光源是側光式超薄結構，整個結構包括：LED燈條、驅動板、膜材、導光板、散熱塊、上框架、背板。背光源采用白光LED，整個結構設計以Active Area的中心點為所有部件的設計中心，以液晶電視所用液晶屏的尺寸為前提，設計其它尺寸。綜合考慮電路設計及光學設計的要求，對結構進行設計。結構設計先從LAYOUT布局圖著手，表達整體機構以及各部件相互之間的裝配關系，然后著手零件圖結構設計。上框架采用分段式設計，在長度方向上分段，避免長度過長。燈條的出線端設置在背板的四個角處，減少繞線長度。

2 光學設計

背光模組的作用是把點光源發出的光通過漫反射使之成為面光源。為了得到合格的面光源，首先要選擇合適的LED，本設計采用的是白光雙芯片LED。通過預設白場光度指標，結合對液晶屏、光學膜等影響因素的研究分析，完成對整個背光源所需光通量的計算。根據計算的光通量，結合LED的光學特性計算出所需LED的顆數。表1所示為所選LED的電學及光學特性。

為了提高背光源的亮度，膜材結構搭配為：一層擴散片+一層BEF+一層DBEF。其中，擴散片的作用是借擴散物質的折射與反射將光霧化，讓射出的光更加均勻；BEF的作用是將光線聚攏，使其垂直進入液晶模塊以提高輝度；DBEF是利用原先被傳統吸收型偏光片吸收的50%的光線來增加亮度。導光板網點直徑為0.54～1.55mm。圖1所示為導光板的部分網點分布圖。

3 電路設計

LED背光源電路設計主要包括燈條設計和驅動控制電路設計，圖2所示為整個電路部分的結構框圖。

3.1 燈條設計

光源采用雙芯片白光LED，燈條分布在背光源的四周。為了達到更好的電流均一性，燈條采用串并混聯，實行兩并多串。為了取得更好的散熱效果，LED燈條采用鋁基板加工制作。整個系統輸入電壓為24V，此電壓由外部電源轉換器提供。

3.2 驅動控制電路設計

驅動芯片是三路峰值電流模式PWM控制器，通過閉環控制輸出電流提供高精度LED電流。該芯片包含三個峰值電流模式控制器，給IC提供反饋，以確保更高效率和更高精度。芯片上的柵極驅動器進行了優化，用來驅動0.25A源電流或0.5A沉電流的邏輯電平FET，每個輸出電流可通過線性或PWM調光方法進行單獨調光。該芯片的閉環系統能動態調節它的輸出電壓，以適應LED電流的線路和負載調整。單一封裝內集成的三路驅動器保證了每串間有更好的電流匹配，同時降低了整個系統的芯片數量。具有40V線性穩壓器，提供5V電源給IC供電，三個轉換器的開關頻率由內部振蕩器控制，三路有120°的相位差，以降低輸入電流波紋。高壓驅動，電流匹配度良好。LED串間電流精度為±2%，支持線性和PWM調光。

3.3 散熱設計

由于LED的光效較低，工作時會產生大量的熱量，如果不解決散熱問題，會導致LED發光亮度的衰減和使用壽命的縮短。為了抑制LED產生的熱量影響背光模組的輝度和色度，就要對LED進行散熱設計。

為了達到更好的散熱效果，將LED陣列焊接在鋁基板上（MCPCB），鋁基板比普通的PCB（FR4材質的PCB）散熱效果要好很多倍。在鋁基板下面，設計了長條形的散熱塊。在散熱塊和燈條之間貼敷導熱雙面膠，并用螺釘固定鋁基板和散熱塊。在背光源的四周熱量聚積地帶，貼敷帶保護膜的導熱片。為了降低熱阻，在LED焊盤上加導熱過孔。這樣，減少了PCB板垂直于熱流方向的截面積，從而減少了頂層和底層之間的熱阻而加強了LED燈熱量的傳導。最后，依靠電視機殼里的空氣對流將熱量散掉。

4 測試結果及結論

本文所設計的液晶電視用超薄LED背光源為側光式結構，光源采用白光LED。圖4所示為組裝后的LED背光源，厚度為9.9mm。利用BM-7進行九點測試，中心輝度為5,500nit，亮度均齊性為82%，色彩還原性達到95%@CIE 1976。背光源整體功率為150W，其中LED功耗為135W，驅動電路效率達90%。背光系統的驅動電路屬于高壓驅動，電路簡單，電流一致性良好。

5 結論

本文設計了一款大尺寸超薄液晶電視用LED背光源，中心亮度達到5,500nit，整體背光源功率為150W，亮度均齊度為82%。整機厚度為9.9mm，達到業內領先水平。本文設計的背光源已通過信賴性測試，為量產打下了基礎。

參考文獻

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[2] 黃啟智. LCD顯示器的背光技術分析及應用[N]. 漳州職業技術學院學報，2008年1月.

[3] 王大巍，王剛，李俊峰，劉敬偉。薄膜晶體管液晶顯示器件的制造、測試與技術發展[M]. 機械工業出版社.

[4] 劉敬偉，張麗蕾，萬麗芳等. 大尺寸液晶電視用LED背光的設計和制作[J]. 液晶與顯示，2006年第5期.

[5] 文茂強. LED光源驅動電路設計[J]. 電源系統，2007年2月.

篇10

近年來，LED屏幕憑借其亮度高、功耗低、環境適應能力強、驅動簡單等優點被廣泛應用［1］。盡快建立相應的LED屏幕教學實驗平臺，是為社會培養具有相關應用技能和創新人才的需要，也是各大、專院校相關專業實驗教學的共同任務。之前我們設計的8×8LED發光二極管陣列擴展裝置，使學生體會到理論知識轉化為實際應用技能的樂趣，但在顯示漢字及較復雜的動態圖形方面，對學生想象力的發揮存在著某些局限性。從目前普通高校的16×16LED發光二極管陣列實驗平臺的應用現狀看，較多采用三極管作為驅動電路的主要器件，需要配置32個三極管，既不美觀，又不便于安裝、維護和維修。為此，自主設計了一種無需三極管，只用芯片組成的16×16LED發光二極管陣列控制驅動裝置，滿足了教學的需求，又為實驗室提供了一個更為便捷的維護、維修環境。這些年來，學生利用該實驗平臺實現了中文／英文的靜態顯示、動態移動和旋轉顯示功能，完成了灰度圖像顯示和信息播放屏顯示，還有迷宮游戲、打磚塊游戲、多個障礙物貪吃蛇游戲、坦克大戰等動畫游戲內容，使綜合實驗更加豐富多彩。學生在實驗中逐步體會到了個性化設計樂趣，提高了自身創新思維能力和實踐動手能力［2］。

1硬件系統設計

1．1設計思路結合微機原理與接口技術的理論課和實驗課內容，選用工作原理簡單的常用芯片，和較易編程的匯編語言程序，完成由微機經8255A可編程并行I／O接口芯片鎖存輸出［3］和驅動電路，控制16×16LED屏幕，實現漢／英字符和畫面的靜／動態顯示功能。如圖1所示，8255A的C口連接掃描電路與列驅動電路、A口和B口連接行驅動電路。驅動電路的主要功能是提供與LED相匹配和足夠高的正向導通電壓和驅動電流［4－5］。另外，從我校的實驗環境考慮，將8255A的控制信號和數據信號改接到51單片機實驗箱上，就可搭建實現單片機控制的LED屏幕顯示系統。

1．2電路設計及其功能

1．2．1控制電路微機通過8255A的A口和B口向16×16LED陣列的16個行并行送出顯示數據，用8255A的C口低四位定時掃描控制16×16LED陣列中16列的某一列。各端口信號均以高電平有效時導通點亮LED。在編程掃描時間和刷新時間時需要利用人眼的視覺暫留效應來確定。當刷新速度高于一定值后，在人眼中呈現的就是點亮的LED組成的畫面，實現人們需要的屏幕顯示效果。

1．2．2LED陣列的行限流和驅動電路如果將8255A芯片A口和B口輸出直接連接16×16LED發光二極管陣列的各行發光二極管的陽極，會使發光二極管亮度很暗。為提高發光二極管的發光強度，本驅動電路采用了2個74HCT241芯片，分別將8255A芯片A口和B口輸出的TTL電平提升為CMOS電平［6－7］。各行的驅動芯片管腳分別串接限流保護電阻后，再連接發光二極管陣列的各行，限制每個發光二極管的工作電流大小及其發光強弱。編程時，傳送顯示畫面點陣圖的列數據直接用8255A的A口、B口輸出命令即可。它的優勢在于，顯示數據由2個8位口并行輸出，傳送數據的速度快于串口傳送方式。LED顯示時間只用軟件調整決定。硬件電路原理簡單，軟件編程容易，利于學生作為擴展實驗內容學習掌握。

1．2．3掃描選通電路為減少使用的控制芯片數量和控制口數量，采用2個74LS138級聯方法，將8255A的C口低四位與2個74HCT138級聯后的輸入端連接，完成4位信號分時掃描選通16列的功能。剩下的8255AC口高四位可作它用，也可擴展掃描電路用，多級聯1個74138，就多用1個C口管腳。可查閱芯片說明完成［8］，擴展原理簡單。

1．2．4LED陣列的列驅動電路考慮發光二極管陣列的一列可能有16個發光二極管點亮，而用74LS138直接驅動每只發光二極管的電流太小，亮度不夠。因此選用了2個具有很強電流驅動能力的ULN2803芯片，它是一種高電壓、高電流達林頓晶體管陣列驅動器芯片［9－10］。當74LS138選通后，7404反相為正電平輸出，經ULN2803芯片驅動發光二極管的電流提升到8mA以上。ULN2803芯片1個管腳上的電流可達140mA，且遠沒達到ULN2803芯片最高電流500mA，還可驅動擴展更大的LED屏，見表1。2軟件程序設計

2．1軟件環境本系統使用DOS8086／8088指令系統和MASM－86匯編語言。主要步驟［11］：（1）編輯匯編語言源程序．ASM文件：C＞EDIT＊．ASM；（2）匯編源程序，生成．OBJ等文件；C＞MASM＊．ASM；（3）連接程序，生成．EXE等文件；C＞LINK＊．OBJ；（4）DEBUG調試程序。

2．2編程編程前要獲取顯示畫面數據。先畫出二進制數0（不亮）和1（亮）組成的發光二極管點陣圖，再得出列的數據表，存入內存或文件中。編程執行8255A3個端口的輸出命令，再間隔合適地刷新掃描時間，即可完成對各列定時掃描，傳送漢字或畫面點陣圖的各行數據，實現256LED陣列整屏顯示功能。根據人眼視覺暫留時間約為20ms［12］，只要用小于人眼視覺暫留時間點亮LED陣列，在人眼中呈現的就是LED屏幕整屏畫面。由此看出，編程過程較為簡單，易于學生學習掌握，適合在可編程控制類的綜合實驗中安排完成。3實驗效果屏顯示效果如圖2和圖3所示。經測試，當限流電阻為200Ω時，各路發光二極管的驅動電流均可達到8mA以上。表明此電路電流驅動能力強，擴展方便，采用普通的發光二極管陣列，也能保持較強的發光強度和均勻的亮度，而且便于維護維修。

4實驗教學

我院確定大二或大三學生，在“微機原理與接口技術實驗課”的基礎單元實驗之后，由學生自選完成256（16×16）LED陣列控制驅動系統的綜合實驗內容。學生借助參考程序了解LED陣列，學習字的顯示及滾動原理，然后根據自己的綜合實驗內容，選擇實現顯示文字或畫面的上、下、左、右滾動及轉動功能。綜合實驗階段學生可選定或自定內容，但必須選用2個或2個以上的可編程接口芯片和其他應用電路。因此學生不但設計出了許多游戲內容，還設計擴展了多種具有應用價值的顯示功能。通過綜合實驗，學生加深了對理論知識的理解，提高了實際應用技能和創新能力，同時激發了學習興趣，增強了獨立完成設計編程應用系統的信心。