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研究生:吳明彥
研究生(外文):Ming-Yen Wu
論文名稱:LED照明可調光驅動電路之研製
論文名稱(外文):Study and Implementation of a Dimmable LED Driver for General Lighting Applications
指導教授:吳燦明
指導教授(外文):Tsan-Ming Wu
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:LED照明
外文關鍵詞:LEDLighting Applications
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本技術報告針對高亮度發光二極體(High Brightness LED)所需之驅動及調光控制進行研究,一般LED驅動電路包含功率因數修正器(Power Factor Corrector, PFC)與直流/直流轉換器(DC/DC Converter)來實現高功率因數跟均流控制。本論文採用單級返馳式功率因數修正器架構,以減少元件數與提升轉換效率,並加入雙匯流排(Twin-Bus)調光電路達到開關應力降低的目的。本論文詳細分析電路的動作原理以及設計參數,並完成一雛型電路驗證此控制與架構方式之可行性,根據實驗的結果,確實已達成效率的優化與調光的技術。
本技術報告詳細分析討論電路之動作原理與設計考量,並實現雛型電路驗證此架構的與控制策略之可行性。
This thesis aims to study the driving and dimming circuits by using the
control for high-brightness LED lamps. Conventional LED driver consists
of a power factor corrector and a DC/DC converter to achieve high power
factor and good current regulation. This thesis studies a single-stage flyback
PFC converter to reduce the component count and raise the conversion effi
ciency. A twin-bus dimming circuit is also developed to reduce the switch
stresses. The operation principles and design considerations of the studied
LED driver are analyzed and discussed. A laboratory prototype is designed
and tested to verify the feasibility. According the experimental verifications,
the overall conversion efficiency can be effectively improved. And dimmingg function is also fulfilled.

The operation principles and design considerations of the dimmable LED driver are analyzed and discussed. A laboratory prototype is also designed and tested to verify the feasibility.
摘  要 I
Abstract II
誌  謝 III
目  錄 IV
圖 索 引 VI
表 索 引 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 大綱 2
1.3 電路架構 3
第二章 LED特性分析 4
2.1 LED光源特性介紹 4
2.2 LED發光原理 4
2.2.1 自發性放射 6
2.2.2 放射光譜 8
2.2.3 色彩與波長 12
2.2.4 發光效率 13
2.2.5 電流-電壓特性的修正 16
2.3 LED與各光源特性比較 18
第三章 功率因數修正器 21
3.1 功率因數與總諧波失真之定義 21
3.1.1 總諧波失真和功率因數分析 22
3.1.2 主動式功率因數修正器模式 25
3.2 單級返馳式PFC轉換器之架構與原理 27
3.2.1 單級返馳式PFC轉換器簡介 27
3.2.2 單級返馳式PFC轉換器動作原理 28
第四章 雙輸入降壓式LED驅動電路原理 32
4.1 降壓式轉換器電路原理 32
4.2 降壓式轉換器導通模式 34
4.2.1 連續導通模式Continuous current mode (CCM)分析 36
4.2.2 邊界導通模式Boundary conduction mode(BCM)條件 41
4.2.3 不連續導通模式Discontinuous current mode (DCM)分析 42
4.3 雙輸入降壓式轉換器電路分析 47
第五章 電路參數設計與實驗結果 55
5.1 單級返馳式PFC設計 55
5.1.1 L6561簡介 56
5.1.2 單級返馳式PFC電路規格 58
5.1.3 元件設計 58
5.2 單級返馳式PFC實測波形及數據 61
5.2.1 實測電路波形 61
5.2.2 實測電路數據 64
5.3 雙輸入降壓式LED驅動電路設計 65
5.3.1 UC3842簡介 65
5.3.2 單組電路規格 67
5.3.3 元件設計 68
5.3.4 控制電路設計 70
5.4 雙輸入降壓式LED驅動電路實測波形及數據 71
5.4.1 實測電路波形 71
5.4.2 實測電路數據 76
第六章 結論與未來展望 77
6.1 結論 77
6.2 未來研究方向與建議 78
參考文獻 79


圖 索 引
圖1 1 LED驅動電路方塊圖 3
圖1 2 LED驅動電路架構圖 3
圖2 1 LED電流與放射光 5
圖2 2 順向偏壓發光二極體的操作:(a)同質結構式的發光二極體、
(b)雙異質結構式的發光二極體 5
圖2 3 原子模型 6
圖2 4 電子與光子交互作用:(a)穿透、(b)光吸收、(c)自發性放射、
(d)誘發性放射 8
圖2 5 直接能隙與間接能隙:(a)直接能隙、(b)間接能隙 8
圖2 6 半導體傳導帶與價電帶的E對k圖形 10
圖2 7 發光二極體的放射光譜 12
圖2 8 人眼視覺與波長 13
圖2 9 外部量子效率的影響因素 15
圖2 10 TIP發光二極體 16
圖2 11 理想二極體之電流-電壓特性曲線 17
圖2 12 串接電阻效應 17
圖3 1 交流/直流轉換電路 22
圖3 2 橋整後電流失真波形 22
圖3 3 功率因數控制基本架構 25
圖3 4 單級返馳式PFC轉換器電路架構 27
圖3 5 單級返馳式PFC轉換器之操作時序 28
圖3 6 單級返馳式PFC轉換器之操作電路圖 29
圖3 7 L6561內部方塊圖 29
圖3 8 單級返馳式PFC電路模式一之電路動作 30
圖3 9 單級返馳式PFC電路模式二之電路動作 31
圖4 1 降壓型電路架構 32
圖4 2 降壓型電路的開關訊號 33
圖4 3 降壓型電路架構:模式一 33
圖4 4 降壓型電路架構:模式二 33
圖4 5 降壓式轉換器之電感電流三種狀態:
(a) CCM之電感電流波形、(b) BCM之電感電流波形、
(c) DCM之電感電流波形 35
圖4 6 降壓式轉換器CCM操作等效電路:功率開關S導通 36
圖4 7 降壓式轉換器CCM操作等效電路:功率開關S截止 37
圖4 8 降壓式轉換器操作在連續導通模式下之電壓與電流波形:
(a)功率開關訊號、(b)功率開關兩端跨壓、
(c)飛輪二極體的電壓、(d)電感兩端電壓、
(e)流經功率開關的輸入電流、(f)二極體電流、
(g)電感電流、(h)電容器電流 39
圖4 9 降壓式轉換器不連續模式操作等效電路:(a) S導通D截止、
(b) S截止D導通、(c) S截止D截止 43
圖4 10 降壓式轉換器於不連續模式之電感器電壓與電流波形 45
圖4 11 降壓式轉換器操作在不連續導通模式下之電壓與電流波形:
(a)功率開關訊號、(b)功率開關兩端跨壓、
(c)飛輪二極體的電壓、(d)電感兩端電壓、
(e)流經功率開關的輸入電流、(f)二極體電流、
(g)電感電流、(h)電容器電流 47
圖4 12 雙輸入降壓式轉換器等效電路 47
圖4 13 雙輸入降壓式轉換器CCM操作等效電路:功率開關S導通 48
圖4 14 雙輸入降壓式轉換器CCM操作等效電路:功率開關S截止 49
圖4 15 雙輸入降壓式轉換器CCM操作之電壓與電流波形 51
圖5 1 單級返馳式PFC轉換器電路圖 55
圖5 2 L6561內部方塊圖 57
圖5 3 交流輸入電壓Vin與電流Iin波形(Vin=90 Vac) 61
圖5 4 交流輸入電壓Vin與電流Iin波形(Vin=115Vac) 61
圖5 5 交流輸入電壓Vin與電流Iin波形(Vin=130Vac) 62
圖5 6 功率開關Vgs控制訊號與Vds控制訊號波形(Vin=90Vac) 62
圖5 7 功率開關Vgs控制訊號與Vds控制訊號波形(Vin=115Vac) 63
圖5 8 功率開關Vgs控制訊號與Vds控制訊號波形(Vin=130Vac) 63
圖5 9 雙輸入降壓式LED驅動電路電路圖 65
圖5 10 切換頻率與最大工作週期 66
圖5 11 UC3842內部方塊圖 66
圖5 12 傳統LED驅動電路的控制方法 70
圖5 13 雙輸入降壓式LED控制電路 70
圖5 14 功率開關Vgs控制訊號、Vds控制訊號及電感電流IL波形 71
圖5 15 功率開關Vgs控制訊號、Vds控制訊號及電感電流IL波形 72
圖5 16 功率開關Vgs控制訊號、飛輪二極體跨壓VD及電感電流IL 73
圖5 17 功率開關Vgs控制訊號、飛輪二極體跨壓VD及電感電流IL 73
圖5 18 功率開關Vds控制訊號、Vd控制訊號及電感電流IL波形 73
圖5 19 功率開關Vds控制訊號、Vd控制訊號及電感電流IL波形 74
圖5 20 60%調光下所量測的LED電流 75
圖5 21 40%調光下所量測的LED電流 75
圖5 22 20%調光下所量測的LED電流 75

表 索 引
表2 1 LED使用之Ⅲ-Ⅴ族材料 9
表2 2 可見光LED材料分類及特性 10
表2 3 白光LED與其他光源之特性比較 19
表2 4 LED與其他光源之優缺點 20
表4 1 傳統降壓式轉換器與雙輸入降壓式轉換器之比較 54
表5 1 L6561各接腳之功能描述 57
表5 2 單級返馳式PFC轉換器輸入電壓變動之實驗數據 64
表5 3 UC3842各接腳之功能描述 67
表5 4 傳統降壓式轉換器於滿載50W之實驗數據 76
表5 5 雙輸入降壓式LED驅動電路於滿載50W之實驗數據 76
表5 6 整機電路之實驗數據 77
參考文獻
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