基于LTC3454LED手电电路设计毕业论文

南京化工职业技术学院 毕业论文设计题目： 基于LTC3454LED手电电路设计 姓 名： 所在系部： 自动控制系 班级名称： 电气化0941 学 号： 0903160117 指导老师： 2012年 1月毕业设计任务书毕业设计题目： 基于LTC3454手电电路设计指导教师： 职称：教授类别：毕业设计学生姓名： 学号：0903290117设计（论文）类型：应用型专业：电气自动化班级：电气化0941是否隶属科研项目：否1、设计（论文）的主要任务及目标毕业设计（论文）是本专业教学计划中重要的、最后的一个综合性环节，其主要目标是：培养和提高学生综合运用所学的专业基础理论、基本知识和基本技能来分析、解决实际问题以及动手操作的能力，使得学生初步掌握电气自动化的设计步骤及方法，并学会查阅专业资料；了解电气自动化专业的新技术、新设备的工作原理及应用；也使学生在思想作风、学习毅力和工作作风上受到一次良好的锻炼,为学生毕业后尽快适应本专业工作打下良好的基础。2、设计（论文）的主要内容（正文部分）第一章 绪论1.1 LED的基本结构及发光原理1.2 LED的主要参数和特性1.2.1 LED的电学特性1.2.2 LED光学特性1.2.3 LED热学1.3 LED的应用领域1.3.1 光源1.3.2 背光源1.3.3 大屏幕显示1.3.4 在汽车上的应用1.3.5 在景观装饰照明中的应用1.3.6 在交通信号灯上的应用1.3.7 普通照明方面的应用1.4 半导体照明市场发展趋势第二章 LED供电电源线路2.1 整流滤波2.1.1 半波整流2.1.2 桥式整流2.1.3 电容滤波2.2 串联稳压电路2.2.1 特性指标2.2.2 质量指标2.2.3 集成稳压器第三章 基于LTC3454LED手电硬件电路设计3.1 LED手电驱动电路原理3.1.1 W LED 手电驱动电路原理框和原理图3.1.2 电路功能3.2 LTC3454的特点3.3 LTC3454基本结构3.3.1 升/降压DC/DC转换器部分3.3.2 LED电流部分3.4LTC3454引脚排列及功能3.5 AT89S51单片机简介3.5.1 AT89S51主要功能3.5.2 AT89S51各引脚功能3.5.3 最小硬件系统第四章 基于LTC3454LED手电软件设计4.1 AT89S51单片机的软件流程图4.2 部分程序第五章 总结参考文献3、设计（论文）的基本要求（1） 具有初步综合运用电气自动化专业知识进行对问题的研究、计算和设计的能力。 (2) 具有调研、搜集参考资料，加以消化、归纳。分析判断确定设计方案的能力。(3) 具有归纳、整理技术资料，撰写技术文件的能力。(4) 具有基本阐述论证设计成果及其技术答辩的能力。(5) 掌握计算机的使用和CAD软件绘图，能够正确绘制电气线路图。4、主要参考文献1 杨成银,黄志辉,邱望标 太阳能LED 照明系统的设计M. 高等教育出版社， 20072 陈鸣,沈辉太阳能光伏照明与风光互补照明的发展M. 第二届新光源&新光源论坛文集3刘行仁海峡两岸第九届照明科技与营销研讨会专题报告文集M. 中国照明学会、台湾区照明灯具输出业同业公会编，20074 沈培宏白光LED 技术进展光电技术J .国防工业出版社，20055 裴虹汽车中的LED 光源电技术J .机械工业出版社，20056 裴虹白光LED 工艺技术趋向光电技术J . 20057 沈培宏半导体照明简述光电技术J . 高等教育出版社， 20058 刘行仁,薛胜黄等白光LED现状和问题光源和照明J . 重庆大学出版社，20095、进度安排设计（论文）每个阶段任务时 间1查阅相关资料及手册1周2确定设计（论文）方案1周3论文的研究（设计）4周4论文撰写1周5装订及答辩准备0.5周6答辩0.5周合计8周注： 1、此表一设三份，系部、指导教师、学生各一份。 2、类别是指毕业论文或毕业设计，类型指应用型、理论研究型和其他。南京化工职业技术学院毕业设计（论文）摘 要本文在介绍了LED的驱动电路的工作原理，描述了半导体发展情况，采用LTC3454集成电路芯片设计了LED手电驱动电路，设计了软件调节LED灯的亮度。实现单3WLED恒流驱动、四种档位模式、有记忆、只有一个电源开关控制，关机关电源，完全不耗电、电池过放保护的功能。关键词：LED驱动电路 LTC3454 单锂3WLED恒流驱动I目 录摘 要I目 录II第一章 绪论11.1 LED的基本结构及发光原理.11.2 LED的主要参数和特性.21.2.1 LED的电学特性21.2.2 LED光学特性51.2.3 LED热学101.3 LED的应用领域101.3.1 光源111.3.2 背光源111.3.3 大屏幕显示111.3.4 在汽车上的应用111.3.5 在景观装饰照明中的应用121.3.6 在交通信号灯上的应用121.3.7 普通照明方面的应用121.4 半导体照明市场发展趋势13第二章 LED供电电源线路142.1 整流滤波142.1.1 半波整流142.1.2 桥式整流142.1.3 电容滤波152.2 串联稳压电路162.2.1 特性指标172.2.2 质量指标172.2.3 集成稳压器17第三章 基于LTC3454LED手电硬件电路设计213.1 LED手电驱动电路原理213.1.1 W LED 手电驱动电路原理框和原理图213.1.2 电路功能213.2 LTC3454的特点223.3 LTC3454基本结构223.3.1 升/降压DC/DC转换器部分223.3.2 LED电流部分233.4LTC3454引脚排列及功能.243.5 AT89S51单片机简介.253.5.1 AT89S51主要功能253.5.2 AT89S51各引脚功能263.5.3 最小硬件系统27第四章 基于LTC3454LED手电软件设计284.1 AT89S51单片机的软件流程图.284.2 部分程序28第五章 总结31参考文献3227第一章 绪论1.1 LED的基本结构及发光原理50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，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结构图如下图所示。图1. 1 LED结构图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p-n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。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 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。1.2 LED的主要参数和特性LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性等。1.2.1 LED的电学特性1I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质、单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 图1. 2 I-V特性曲线图1. 3 C-V特性曲线 正向死区：（图1-2中oa 或oa段）a点对于V0 为开启电压，当VVa，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。 正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系。 IF = IS (e qVF/KT 1) (1-1)为反向饱和电流。V0 时，VVF 的正向工作区IF 随VF 指数上升， IF = IS e qVF/KT 。反向死区 ：V0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。反向击穿区 V- VR；VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。2C-V特性 鉴于LED 的芯片有99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）Cn+pf左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图1-3）。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。3最大允许功耗PFm当流过LED的电流为IF、管压降为UF 则功率消耗为P=UFIF. LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当TjTa 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj Ta）。4响应时间 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-310-5S，CRT、PDP、LED 都达到10-610-7S（us 级）。图1. 4响应特性曲线响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图1-4中tr 、tf 。图中t0 值很小，可忽略。应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。LED 的点亮时间上升时间tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED 熄灭时间下降时间tf 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。 不同材料制得的LED 响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可用在10100MHZ 高频系统。1.2.2 LED光学特性发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。 1发光法向光强及其角分布I 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90。当偏离正法向不同角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。 发光强度的角分布I是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否） (1)为获得高指向性的角分布 图1.5 指向特性（21/2） LED 管芯位置离模粒头远些； 使用圆锥状（子弹头）的模粒头； 封装的环氧树脂中勿加散射剂。 采取上述措施可使LED 21/2 = 6左右，大大提高了指向性。 (2)当前几种常用封装的散射角(21/2 角)圆形LED：5、10、30、45。2发光峰值波长及其光谱分布 (1)LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。 LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。 下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED 光谱响应曲线。其中：图1.6 光谱分布曲线 是蓝色InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰p = 460465nm； 是绿色GaP:N 的LED，发光谱峰p = 550nm； 是红色GaP:Zn-O 的LED，发光谱峰p = 680700nm； 是红外LED 使用GaAs 材料，发光谱峰p = 910nm； 是Si 光电二极管，通常作光电接收用。 是标准钨丝灯。由图可见，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用p表示。只有单色光才有p波长。 (2) 谱线宽度：在LED 谱线的峰值两侧处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应p-，p+ 之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即LED 单色性的参数，LED 半宽小于40 nm。 (3)主波长：有的LED 发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED 色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED 发出主要单色光的波长。单色性越好，则p也就是主波长。如GaP 材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED 长期工作，结温升高而主波长偏向长波。 3光通量 光通量F是表征LED 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED 向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED 光通量随之增大。可见光LED 的光通量单位为流明（lm）。 LED向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED 的光通量最大约1 lm，白光LED 的F1.51.8 lm（小芯片），对于1mm1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18 lm。 4发光效率和视觉灵敏度 LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在 = 555nm 处有一个最大值680 lm/w，若视觉灵敏度记为K，则发光能量P 与可见光通量F 之间关系为P=Pd ； F=KPd 发光效率量子效率=发射的光子数/pn 结载流子数=（e/hcI）Pd。若输入能量为W=UI，则发光能量效率P=P/W 若光子能量hc=ev，则P，则总光通F=（F/P）P=KPW 式中K= F/P。 流明效率：LED 的光通量F/外加耗电功率W=KP 它是评价具有外封装LED 特性，LED 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。 表1-1 常见LED 流明效率（可见光发光效率）LED发光颜色d（nm）材料可见光发光效率（LM/W）外量子效率最高值平均值红光700660650GaP:Zn-OGaAIAsGaAsP2.40.270.38120.50.5130.30.2黄光590GaP:N-N0.450.1绿光555GaP:N4.20.70.0150.1蓝光465GaN10白光谱带GaN+YAG小芯片1.6大芯片18品质优良的LED 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为=ice，式中i 向为p、n 结区少子注入效率，c 为在势垒区少子与多子复合效率，e 为外部出光（光取出效率）效率。 由于LED 材料折射率很高i3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率e 可采取以下措施： 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55 并不理想）覆盖在芯片表面； 把芯片晶体表面加工成半球形； 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.42.6的低熔点玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高46倍。 5发光亮度 亮度是LED 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或Nit。 图1.7 发光亮度曲线若光源表面是理想漫反射面，亮度BO 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为14108Nit。 LED 亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO 也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，c（复合效率）下降，BO减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。6寿命 老化：LED 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt=BO e-t/，Bt 为t 时间后的亮度，BO 为初始亮度。 通常把亮度降到Bt=1/2B0 所经历的时间t 称为二极管的寿命。测定t 要花很长的时间，通常以推算求得寿命。 图1.8 寿命曲线测量方法：给LED 通以一定恒流源，点燃103 104小时后， 先后测得BO ，Bt=100010000，代入Bt=BO e-t/求出；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。 长期以来总认为LED 寿命为106小时，这是指单个LED 在IF=20mA 下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。 如LED 的光衰减为原来35%，寿命6000h。 1.2.3 LED热学LED的光学参数与pn 结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF10mA，或者1020 mA 长时间连续点亮LED 温升不明显。 若环境温度较高，LED 的主波长或p 就会向长波长漂移，BO 也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。 LED的主波长随温度关系可表示为： (1-2)由式可知，每当结温升高10，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED 长期工作。1.3 LED的应用领域20世纪60年代中期在砷化镓基片上用磷化物发明了第一个红光LED，其光效提高后，在1968年出现了第一个商用红光LED。早期的LED光效只有0.11m/W,只能作为指示灯使用。经过十几年的努力，到20世纪80年代，LED的光效才达到11n/W,但其亮度仍然很低，且价格较贵，所以早期LED仅用来作为电子产品的指示灯。之后随着材料的开发和工艺的改善，LED日趋亮度化、全色化，制成了红、黄、绿、蓝等各种颜色的LED，逐步拓展了它的应用领域，目前它的应用范围很广，包括指示灯、LED背光照明、大屏幕彩色显示、交通信号灯、景观装饰照明、汽车上的照明与显示、以及在通信和仪器仪表中的应用等。1.3.1 光源LED由于亮度低，一般只能作仪器仪表的指示灯，用来指示电源的通断、开关状态和仪器仪表、家用电器的各种工作状态等。1.3.2 背光源显示屏的背光源是LED的最常用的一个领域，这是因为LED具有晶粒小、体积小、重量轻、厚度薄、坚固耐用、寿命长、颜色选择性大、使用时排列方式有很大的灵活性等一系列优点。随着采用LED液晶显示屏的电子设备产量的增多，对LED背光源的需求也在不断上升。1.3.3 大屏幕显示大屏幕显示主要用在公共场所，如机场、车站、港口、证券交易大厅、金融机构、体育场馆、展览会、购物中心、调度指示中心、广告媒体等，在屏幕上显示各种文字、图形和数字信息，用于信息发布、广告宣传、新闻报导以及文化娱乐等。作为广告宣传，由于图像屏能昼夜显示活动的图像，故其效果远胜于霓虹灯广告牌。安装在侯车（机）室的大屏幕，则主要用来发布车次到达时刻、飞机航班的动态信息，中间还可以插播广告和新闻报导等内容。用在体育场和赛马场的大屏幕显示，则可以为远距离赛场的观众及时传送或再现比赛的细节和精彩场面，是现代体育场馆设施中一种必备的、重要的装置。1.3.4 在汽车上的应用在汽车上所用的照明，要求抗震，耐用，寿命长，耗电少。在这方面，LED有无比的优越性，因此，LED在汽车上的应用非常广泛。最早LED多用作汽车的刹车灯，随着LED性能的提高，除前照受LED亮度输出及散热问题的限制，目前仍无法采用LED以外，几乎所有的汽车灯都在逐步采用LED，例如雾灯、倒车灯、牌照灯、转向灯、泊车灯、车门状态灯等。1998年，我国在汽车照明上开始大规模应用LED作后雾灯，当时曾带动一大批企业去开发LED灯具。1.3.5 在景观装饰照明中的应用由于LED的尺寸小、组合变化多，比较容易对图案、颜色和亮度的变化作动态控制，因此它适合作景观装饰照明，如建筑装饰、旅游景点以及桥梁、公园、娱乐场所的装饰等。一般来说，这类装饰对光源的光通量要求不是很高，LED的亮度完全满足需要。在加上LED具有体积小、隐蔽性好、组合灵活变化多、高效节电、环保、寿命长、易维护等诸多优点，因此，许多城市的现代化建筑、道路、公园、电视塔的夜景亮化都采用LED来进行装饰和点缀，如南京的饮马桥景观照明、重庆朝天门夜景照明、东营新区广场景观照明、上海东方明珠电视塔等，都取得了极其不错的景观照明效果。1.3.6 在交通信号灯上的应用随着红色、黄绿色、蓝绿色等各种颜色的高亮度LED的商品化，LED已逐渐取代传统的白炽灯和钨丝灯作为交通信号灯使用。因为LED发光的光相对集中在一个较小是我立体角范围内，无需反射器，发出的光也不需要用有色配光镜来滤光，因此只要用凸透镜或菲涅尔透镜产生平行光束，然后用枕形透镜使光束重新扩散、偏折，就可以得到满足要求的光分布，再加遮光罩即可。从结构上讲要简单得多。LED发出的光色单一，能够提供便于识别的红、黄、蓝、绿光色；此外，它还有耗电少、寿命长、可靠性高等优点，可以多年不用维修，大幅度降低了维护费用。目前，已有不少城市明确规定新上交通信号交通灯一律采用LED作光源。如果全国所有城市的交通信号灯都擦采用LED作光源，其数量将达数亿只，十分可观。1.3.7 普通照明方面的应用 目前普通照明大都采用白织灯、直管荧光灯、节能灯、高压钠灯、金丝灯等，其中以节能灯、荧光灯为主，白织灯正处于被淘汰、被禁用之列。氮化镓蓝光LED成功研制之后，又开发出由蓝光单芯片加上YAG黄色荧光粉制成的白光LED。高亮度白光LED的出现，使LED的应用领域由较低亮度的白色背光源，进一步拓展至需要高亮度的普通照明领域。这一领域也是人们寄予厚望的一个领域1.4 半导体照明市场发展趋势从全球来看，半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。随着市场的快速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产，加快抢占市场份额。根据目前全球LED产业发展情况，预测LED照明将使全球照明用电减少一半，2007年起，澳大利亚、加拿大、美国、欧盟、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯，发展LED照明成为全球产业的焦点。中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在国家半导体照明工程的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但国内在大尺寸LCD背光和汽车前照灯方面仍显落后。第二章 LED供电电源线路2.1 整流滤波直流电路是利用二极管的单向导电性，将平均值为零的交流电变换为平均值不为零的脉动直流电路。2.1.1 半波整流图2-1所示电路为带有纯阻负载的单相半波整流电路，当变压器负边电压为正半周时，二极管正向导通，电流经过二极管流向负载，而当为负半周时，二极管反偏，电流基本上等于零。所以在负载电阻两端得到单极性电流。半波整流以后，输入、输出电流的关系为：VO=0.45V2 图2.1半波整流电路2.1.2 桥式整流图2-2所示电路为桥式整流电路。整流过程中，四个二极管两两轮流导通，因此正、负半周内都有电流流过RL，从而使输出电压的直流成份提高，脉动系数降低。在V2的正半周内，D2D3导通，D1D4截止，负半周时，D1D4导电，D2D3截止，但是无论在正半周或负半周，流过的RL的电流方向是一致的。综上所述，桥式整流电路输入、输出电流的关系为：VO=0.9V2图2.2桥式整流电路2.1.3 电容滤波在整流电路的输出端并联一个容量很大的电容器，就是电容滤波电路。加入滤波电容后，整流器的负载具有电容性质，电路的工作状态完全不同于纯电阻的情况。图2-3中，我们知道接通电源后，当V2为正半周时，D2D3导通，V2通过D2D3向电容器C充电，V2为负半周时，D1D4导通，V2经D1D4向电容C充电，充电过程中，电容两端电压VC逐渐上升，使得，接入RL后，电容C通过RL放电，故电容两端的电压VC缓慢下降，因此，电源V2按正弦规律上升，当V2VC时，二极管D2D3受正向电压而导通，此时，V2经D2D3一方面向RL提供电流，另一方面向电容C充电，当VC随V2升高到。然后由于V2按正弦规律下降，当V2VC时，二极管又受反向电压而截止，电容C再次经RC放电，电容C如此周而复始地充放电，负载上便得一滤波后的锯齿波电压VC，使负载电压的波动减少了。如图1-1图2.3电容滤波电路图2.4电容滤波波形图2.2 串联稳压电路图2-5为串联稳压电路。它包括四个环节：调压环节、基准电压、比较放大器和取样电路。图2.5 串联稳压电路当电网或负载变动引起输出电压V0变化时，取样电路取输出电压VO的一部分送入比较放大器与基准电压进行比较，产生的误差电压经放大后去控制调整管的基极电流，自动地改变调整管的集-射极间电压，补偿V0的变化，使以维持输出电压基本不变。稳压电源的主要指标2.2.1 特性指标输出电流IL（即额定负载电流）。它的最大值决定于调整管最大允许功耗PCM和最大允许电流ICM。要求：IL(Vimax-Vomin)PCM，ILICM，式中Vomax是输电压最大可能值，Vomin是输出电压最小可能值。输出电压V0和输出电压调节范围。在固定的基准电压条件下，改变取样电压比就可以调节输出电压。2.2.2 质量指标稳压系数S：当负载和环境温度不变时，输出直流电压的相对变化量与输入直流电压的相对变化量之比值定义为S，即 （2-1） 通常稳压电源的S约为10-210-4。动态电阻RO：假设输入直流电压Vi及环境温度不变，由于负载电流IC变化IL引起输出直流电压VO相应变化VO，两者之比值称为稳压器的动态内阻，即： (2-2)从上式可知，RO越小，则负载变化对输出直流电压的影响越小，一般稳压电路的RO约为(1010-2)欧姆。输出纹波电压是指50Hz和100Hz的交流分量通常用有效值或峰峰值来表示，即当输入电压220V不变，在额定输出直流电压和额定输出电流的情况下测出的输出交流分量，经稳压作用可使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。2.2.3 集成稳压器随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。集成稳压管的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。而在这种类型的器件中，又以三端式稳压器应用最为广泛。78、79系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。78系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个档次，输出电流最大可达1.5A(加散热片)。同类型78M系列稳压器的输出电流为0.5A，78L系列稳压器的输出电流为0.1A。若要求负极性输出电压，则可选用79系列稳压器。图2-6为78系列的外形和接线图。它有三个引出端。输入端（不稳定电压输入端） 标以“1”输出端（稳定电压输出端） 标以“3”公共端 标以“2”除固定输出三端稳压器外，尚采可调式三端稳压器，后者可通过外接元件对输出电压进行调整，以适应不同的需要。图2.6 78系列外形及接线图 图2.7 1CQ-4B管脚图实验所用集成稳压器为三端固定正稳压7805，它的主要参数有：输出直流电压U0=+5V，输出电流L：0.1A，M:0.5A，电压调整率10mv/v，输出电阻R0=0.15，输入电压Ui的范围810V。因为一般Ui要比U0大35V，才能保证集成稳压器工作在线性区。图2-8是用三端稳压器7805构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器（也可用桥堆替代，型号1CQ-4B，内部接线和外部管脚引线如图2-7所示）。滤波电容C1、C2一般选取几百几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为0.33uF），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C4（0.1uF）用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。图2.8 由7805构成的串联型稳压电源 图2.9正、负双电压输出电路 图2.10 输出电压扩展电路图2-9为正、负双电压输出电路，例如需要UO1=+18V，UO2=-18V，则可选用7818和7918三端稳压器，这时的Ui应为单电压输出时的两倍。当集成稳压器本身的输出电压或输出电流不能满足要求时，可通过外接电路来进行性能扩展。图2-10是一种简单的输出电压扩展电路。如7805稳压器的3、2端间输出电压为5V，因此只要适当选择R的值，使稳压管工作在稳压区，则输出电压UO=5+UZ，可以高于稳压器本身的输出电压。图2-11是通过外接晶体管T及电阻R1来进行电流扩展的电路。电阻R1的阻值由外接晶体管的发射结导通电压UBE、三端式稳压器的输入电流Ii（近似等于三端稳压器的输出电流IO1和T的基极电流IB来决定，即. （2-1）式中：IC为晶体管T的集电极电流，它应等IC=IO-IO1于；为T的电流放大系数；对于锗管UBE可按0.3V估算，对于硅管UBE按0.7V估算。图2.11 输出电流扩展电路附：图2-12为79系列（输出负电压）外形及接线图图2-13为可调输出正三端稳压器317外形及接线图。图2.12 79系列外形及接线图 图2.13 317外形及接线图第三章 基于LTC3454LED手电硬件电路设计3.1 LED手电驱动电路原理3.1.1 W LED 手电驱动电路原理框和原理图图3-1 3W LED 手电驱动电路原理框图3-2 3W LED 手电驱动电路原理图3.1.2 电路功能单锂3WLED恒流驱动，3.0V-4.2V全程恒流，最大可输出700mA(实际可达1000mA)； 四种档位模式：三档调光+暴闪+慢闪+SOS+信标; 三档调光+暴闪+SOS; 二档调光; 六档调光+暴闪+慢闪+SOS+信标。 有记忆功能；只有一个电源开关控制，关机关电源，完全不耗电；电池过放保护，电压低于3V进入应急模式自动切换到30mA,电压低于2.7V进入休眠模式。 3.2 LTC3454的特点LTC3454可用1节锂离子电池（2.74.2V）供电,能以1A的电流驱动白光LED作闪光灯。在电池的电压VBAT大于LED的正向压降VF时,它工作于降压模式;若电池电压下降,VBAT0.68V,1.2V）低电平（0.2V）2EN2驱动电流ISET2的使能端，高电平与EN1不同3ISET1LED电流ISET1的设定端，外接电阻RSET1到地来设定LED的电流ILED。4ISET2LED电流ISET2的设定端，外接电阻RSET2到地来设定LED的电流ILED。若ISET1设有RSET1，并且EN1端为高电平，则LED的电流为ISET1+ ISET25LED接LED的阴极.LED接在VOUT与LED端之间，电流从VOUT经LED后流入LED端见图26SW2开关的节点。外部的电感器L1接在SW1SW2之间电感器L1=4.75uF7VOUT升/降式DC/DC变压器的输出端。此端需外接1个4.710uf片状多层陶瓷电容（MLCC）到地8VC内部误差放大器输出端的补偿点，此点连接1个0.1uF的MLCC到地。VC电压高低能控制内部开关组成升压式或降压式工作9VI1电源接入端（2.75.5），此端外接1个2.210UF电容（MLCC）到地10SW1开关节点，此端连接一个电感器L1，另一端接SW211散热垫及GND电源的接地点。散热垫接地可改善散热效果3.5 AT89S51单片机简介3.5.1 AT89S51主要功能为一般控制应用的 8 位单芯片; 晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）；内部程式存储器（ROM）为 4KB；内部数据存储器（RAM）为 128B；外部程序存储器可扩充至 64KB；32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 I/O 的控制；5 个中断向量源；2 组独立的 16 位定时器；1 个全多工串行通信端口；8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能；单芯片提供位逻辑运算指令。3.5.2 AT89S51各引脚功能图3-6 AT89A51单片机VCC：AT89S51 电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端。RESET：AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间。 EA/Vpp：EA为英文External Access的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。ALE/PROG：ALE是英文Address Latch Enable的缩写，表示地址锁存器启用信号。PSEN：此为Program Store Enable的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。3.5.3 最小硬件系统图3-7 最小硬件系统南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第四章 基于LTC3454LED手电软件设计4.1 AT89S51单片机的软件流程图图4-1 软件流程图4.2 部分程序void main(void) #pragma optsize- #ifdef _OPTIMIZE_SIZE_ #pragma optsize+ #endif /PORTB=0x19; /DDRB=0x23; flashing_on_off=1; lower_times=0; time_flash=0; frash_count=0; #asm(sei) temp=circle; TIMSK0=0x04; DIDR0=0x0F; ADMUX=0x41; ADCSRA=0x8D; #pragma optsize- WDTCR |= (1WDCE) | (1WDE); WDTCR=0x41; /64ms #ifdef _OPTIMIZE_SIZE_ #pragma optsize+ #endif OCR0A=200; TCCR0A=0x83; TCCR0B=0x01; check_change_circle=1; ADSC=1; adc_busy=1; while(check_change_circle=1) ; delay_ms(1); while (1) if(temp=XINGBIAO) EN_30mA=1; delay_ms(50); EN_30mA=0; #pragma optsize- WDTCR |= (1WDCE) | (1WDE); WDTCR=0x60; /4s #ifdef _OPTIMIZE_SIZE_ #pragma optsize+ #endif MCUCR=0x20; #asm(sleep); #asm(NOP); 第五章 总结本设计是在我离开学校后完成的，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，都是来自我在大学三年的学习，和工作后的经验，感谢李教授的指导。由于LED半导体照明具有节能、环保、寿命长、尺寸小等优点，同时具备省电、环保无汞、体积小、响应快速、高耐震、可应用在低温环境、光源具方向性、造成光害少、并且色彩饱和度高与色域丰富等优点。因此LED有着广泛的应用前景和意义。本文设计了LED半导体小功率手电驱动电路的应用。首先介绍了LED的基本结构及发光原理、LED的主要参数和特性、LED的应用领域和半导体市场发展趋势，接下来介绍了LED供电电源的几种电路。最后重点介绍了基于LTC3454LED手电软硬件电路设计。虽然我的设计不是很成熟，有很多不足之处。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从对LED相关技术很不了解的状态，但是通过查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩设计一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获。这次设计的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正自己学习的过程。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。参考文献1 杨成银,黄志辉,邱望标 太阳能LED 照明系统的设计M. 高等教育出版社， 20072 陈鸣,沈辉太阳能光伏照明与风光互补照明的发展M. 第二届新光源&新光源论坛文集3刘行仁海峡两岸第九届照明科技与营销研讨会专题报告文集M. 中国照明学会、台湾区照明灯具输出业同业公会编，20074 沈培宏白光LED 技术进展光电技术J .国防工业出版社，20055 裴虹汽车中的LED 光源电技术J .机械工业出版社，20056 裴虹白光LED 工艺技术趋向光电技术J . 20057 沈培宏半导体照明简述光电技术J . 高等教育出版社， 20058 刘行仁,薛胜黄等白光LED现状和问题光源和照明J . 重庆大学出版社，200932