高功率LED路燈控制器設(shè)計(jì)與製作組員：何應(yīng)宏、王智暐、曾雍舜、詹盛傑德霖技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系日四技0942指導(dǎo)老師：林柳絮老師摘要LED是臺(tái)灣光電產(chǎn)業(yè)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品之一，臺(tái)灣光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前建構(gòu)的最完整項(xiàng)目也應(yīng)推LED，從上游的磊晶片，中游晶粒至下游封裝，國(guó)內(nèi)均有業(yè)者投入，其中國(guó)聯(lián)更是全球第三家開(kāi)始量產(chǎn)高亮度LED。臺(tái)灣目前已成為全球可見(jiàn)光LED下游封裝產(chǎn)品最大供應(yīng)中心，高亮度LED也已進(jìn)入世界排名，全球競(jìng)爭(zhēng)力大幅提升。臺(tái)灣在發(fā)光二極體產(chǎn)業(yè)僅次於日本、美國(guó)，排名世界第三。臺(tái)灣LED中下游的晶粒切割、封裝和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)完整，單位製造成本大幅降低，發(fā)光二極體的需求將持續(xù)增加，未來(lái)前景看好，上游磊晶片的研發(fā)、生產(chǎn)也在快速成長(zhǎng)中，將具有成為全球第一大LED生產(chǎn)國(guó)的實(shí)力。致謝感謝老師給我們這次機(jī)會(huì)且指導(dǎo)我們，在我們遇到瓶頸時(shí)，給予適時(shí)的鼓勵(lì)與建議，使我們學(xué)到遇到困難就必須努力解決，且對(duì)MCU與LED路燈有更進(jìn)一步的了解。一、簡(jiǎn)介1.1LED發(fā)展LED具有省電、輕巧、壽命長(zhǎng)、高耐久性等特徵，70年代開(kāi)始商業(yè)化之後，便快速朝向高輝度、多色化以及高發(fā)光效率方向發(fā)展，80年代陸續(xù)出現(xiàn)GaAsP高輝度紅光LED與AlGaAs綠光LED，90年代則有AlGaInP高輝度紅光、橙色LED與GaInN藍(lán)光、綠光LED被開(kāi)發(fā)。LED的用途從早期的警示、廣告為主，逐漸轉(zhuǎn)移到一般照明領(lǐng)域，尤其是高亮度藍(lán)光LED的實(shí)用化後，使得白光LED照明光源的發(fā)展動(dòng)向備受歐美日各國(guó)的重視。隨著高亮度LED的實(shí)用化，不論是由用途或是省能源的觀點(diǎn)來(lái)看，低成本、高效率化、可靠性、高亮度的提升，將是LED未來(lái)發(fā)展的主要方向。光電科技工業(yè)協(xié)進(jìn)會(huì)（PIDA）表示，手機(jī)彩色化應(yīng)用帶動(dòng)2003年臺(tái)灣高亮度藍(lán)光LED晶粒與白光SMD型LED出貨，而2004年除手機(jī)背光源外，汽車(chē)、交通號(hào)誌等LED新應(yīng)用也正崛起中；ITIS也表示高亮度發(fā)光二極體（HighBrightnessLED；HBLED）的應(yīng)用領(lǐng)域除各種顯示器及交通號(hào)誌燈外，手機(jī)螢?zāi)徊噬⑹謾C(jī)閃光燈、照明、LCD背光源及汽車(chē)市場(chǎng)也正興起，估計(jì)2003年全球高亮度LED市場(chǎng)模達(dá)23億美元，較2002年成長(zhǎng)達(dá)30％，而2004年將達(dá)29.46億美元，2002～2008年年均複合成長(zhǎng)率達(dá)20％；另外，亞洲地區(qū)已成為全球高亮度LED上中下游的主要供應(yīng)地點(diǎn)，其中臺(tái)灣的產(chǎn)能在2004年將達(dá)到每月約11億～12億顆的水準(zhǔn)，成為全球最大的HBLED生產(chǎn)基地。本文將探討LED的今、明年將有哪些應(yīng)用市場(chǎng)的興起，促使國(guó)內(nèi)LED廠商的營(yíng)運(yùn)能更上層樓。1.2LED路燈發(fā)展儘管LED發(fā)光效率已普遍提升至可以商品化的標(biāo)準(zhǔn)，但是LED路燈從去年以來(lái)都還是雷聲大雨點(diǎn)小的狀態(tài)。主要原因仍在於LED路燈標(biāo)準(zhǔn)仍未明確的被規(guī)範(fàn)出來(lái)，因此相關(guān)政府單位在採(cǎi)購(gòu)上仍無(wú)所適從。此外、目前LED路燈維修費(fèi)用相較於高壓鈉燈高出數(shù)倍，尤其是要將220W轉(zhuǎn)換成10幾伏特的電壓所需的變壓設(shè)備費(fèi)用高昂，也是地方政府單位有疑慮之處。目前路邊所看到的LED路燈多為示範(fàn)性質(zhì)，多為僅3.5米高度，且安裝於捷運(yùn)周?chē)?，公園或是校園等非主要幹道。二、LED工作原理2.1LED基本原理LED是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子零件，並同時(shí)具備二極體的特性，也就是具備一正極一負(fù)極，LED最特別的地方在於只有從正極通電才是會(huì)發(fā)光，故一般給予直流電時(shí)，LED會(huì)穩(wěn)定地發(fā)光，但如果接上交流電，LED會(huì)呈現(xiàn)閃爍的型態(tài)，閃亮的頻率依據(jù)輸入交流電的頻率而定。LED的發(fā)光原理是外加電壓，讓電子與電洞在半導(dǎo)體內(nèi)結(jié)合後，將能量以光的形式釋放。目前全球產(chǎn)業(yè)所發(fā)展出的不同種類LED能夠發(fā)出從紅外線到藍(lán)之間不同波長(zhǎng)的光線，而業(yè)界也有紫色～紫外線的LED，近年來(lái)LED最吸引人的發(fā)展是在藍(lán)光LED上塗上螢光粉，將藍(lán)光轉(zhuǎn)化成白光的白光LED產(chǎn)品。LED之所以被稱為世紀(jì)新光源，原因在於LED具備點(diǎn)光源與固態(tài)光源的特性，能夠節(jié)省能源、高耐震、壽命長(zhǎng)、體積小響應(yīng)快速、並且色彩飽和度高。2.2LED的亮度在討論LED產(chǎn)品會(huì)看的發(fā)光亮度有3種單位，分別是照度單位勒克司（Lux）、光量單位流明（Lumen；lm）、發(fā)光強(qiáng)度單位燭光（Candlepower；CD），3種單位各自有適合使用的領(lǐng)域，但是在數(shù)值上是互通的。1CD表示完全輻射的物體，在白金凝固點(diǎn)溫度下，每六十分之一平方公分面積的發(fā)光強(qiáng)度。適合用在主動(dòng)發(fā)光燈具領(lǐng)域，如白熱燈泡。1lm表示1CD光照射在距離為1公分，面積為1平方公分平面上的光量。適合用在反射燈具與穿透燈具領(lǐng)域，如投影機(jī)。1Lux表示指1Lm光量均勻分佈在1平方公尺面積上的照度。適合用在攝影領(lǐng)域。一般而言，單一LED的發(fā)光強(qiáng)度以CD為單位，並配上視角參數(shù)，而LED的發(fā)光強(qiáng)度從各位數(shù)mCD到5,000mCD不等。廠商在標(biāo)示LED單一產(chǎn)品時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度規(guī)格是說(shuō)LED在20mA電流下點(diǎn)亮?xí)r，最佳視角上和中心位置上發(fā)光強(qiáng)度最大點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度。2.3LED的節(jié)能效益基於環(huán)保立場(chǎng)以及節(jié)約能源訴求，全球各國(guó)政府重視LED與節(jié)能燈具帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)與節(jié)能效益，而廠商也看好這次照明革命的商機(jī)而紛紛投入。除了歐盟與美國(guó)國(guó)會(huì)均進(jìn)行階段性禁止白炙燈泡的使用外，目前已經(jīng)有加拿大宣佈2010年全面禁用白炙燈泡，而美國(guó)加州在內(nèi)的部份州，也要在2012年禁止白炙燈泡，而澳洲則宣佈在2010年全面禁止販?zhǔn)郯字藷襞?，中?guó)、日本也有LED的獎(jiǎng)勵(lì)方案在規(guī)劃中。雖然目前市面上已經(jīng)有另一種節(jié)能燈具產(chǎn)品省電型螢光燈（CFL），但由於其照明品質(zhì)仍舊不夠，啟動(dòng)時(shí)間較一般白炙燈泡長(zhǎng)，而且不能調(diào)整光源輸出亮度，普及度仍不夠高。LED則具備更多的節(jié)能效益，並且藉由技術(shù)的提昇，亮度已經(jīng)達(dá)到讓人滿意的程度，但價(jià)格高昂是一大問(wèn)題，未來(lái)隨著全球LED廠商的量產(chǎn)腳步加快，價(jià)格降低後可加速LED燈具的普及程度。2.4LED的壽命一般LED的發(fā)光壽命很長(zhǎng)，產(chǎn)品大多標(biāo)明為100,000小時(shí)以上，但事實(shí)上LED的亮度是會(huì)衰減的，在運(yùn)用一段時(shí)間後，亮度會(huì)衰撿到原本的一半或甚至更少。但所幸隨著業(yè)界技術(shù)的進(jìn)步，減少LED亮度衰減問(wèn)題的方案很多。在生產(chǎn)過(guò)程中，選用如4元素LEC材料能夠擁有較久的亮度衰減週期，而廠商使用的LED製程與成品究竟能耐用多久有很大的關(guān)係，配色也是LED廠的生產(chǎn)關(guān)鍵。LED的使用壽命，比一般白炙燈泡的1,000小時(shí)、日光燈具的1萬(wàn)小時(shí)，LED使用壽命可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)，大幅降低燈具替換的成本。這項(xiàng)特性幫助LED燈具在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)上，有了將一般燈泡替換成LED的好理由，更可藉由這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，讓許多原本因經(jīng)濟(jì)考量而不能全天開(kāi)啟的環(huán)境，藉由LED照明讓公共或私人場(chǎng)所更安全。比如說(shuō)公共停車(chē)場(chǎng)、冰箱等等應(yīng)用範(fàn)圍，美國(guó)最大零售業(yè)者威名百貨（Wal-Mart），日前就已經(jīng)將該公司的冷凍設(shè)備改採(cǎi)省電的LED產(chǎn)品。LED較明顯的缺點(diǎn)就是散熱問(wèn)題，不當(dāng)?shù)纳釋?dǎo)致LED燈具的光度與使用壽命衰減，所幸這部份藉由新技術(shù)的加持，漸漸也有了顯著的改善。三、驅(qū)動(dòng)原理3.1定電流控制與定電壓控對(duì)LED的影響LED燈源因顏色或使用的LED顆數(shù)不同，要點(diǎn)亮各個(gè)燈源即需要不同的電壓值，而若要只使用一種定電壓電源供應(yīng)器(如12V)來(lái)點(diǎn)亮不同的燈源時(shí)，必須依LED顆數(shù)在各個(gè)燈源上加上數(shù)量不等的串聯(lián)限流電阻，以限制電源供應(yīng)器輸出過(guò)高的電壓到燈源上，如此雖可以點(diǎn)亮LED但也同時(shí)帶來(lái)功率損耗並轉(zhuǎn)成熱能累積在燈源上，不只違反照明節(jié)能目標(biāo)也使LED衰減加速。此外，雖然可以在理論上計(jì)算出所需的限流電阻值，但因燈源點(diǎn)亮後或環(huán)境的熱效應(yīng)會(huì)造成電阻值變動(dòng)，最常發(fā)生的情形是溫度昇高時(shí)燈源本身電阻會(huì)下降，此時(shí)電源供應(yīng)器輸出的電流會(huì)大幅超越額定電流值並造成LED過(guò)度驅(qū)動(dòng)發(fā)亮而縮短壽命。另一方面若燈源與電源供應(yīng)器距離太遠(yuǎn)時(shí)(延長(zhǎng)線使用過(guò)長(zhǎng))會(huì)造成壓降而大大降低光度輸出。定電壓控制系統(tǒng)當(dāng)串聯(lián)的LED上有單顆損壞時(shí)週邊LED也會(huì)整體電壓快速降低而使得電流加大而陸續(xù)過(guò)熱損壞；定電流系統(tǒng)因會(huì)依回授電阻、電流值來(lái)調(diào)整因此能避免此現(xiàn)像。3.2在亮度、穩(wěn)定度及壽命上的比較就LED照明的電源供應(yīng)來(lái)說(shuō)，LED與傳統(tǒng)燈泡發(fā)光方式不同之處在於燈泡是靠電子流過(guò)產(chǎn)生的熱能而發(fā)光，而LED是靠電子流過(guò)激發(fā)出光子來(lái)發(fā)光；故轉(zhuǎn)換效率越高，或是電子數(shù)量越大，光就越亮，而當(dāng)電子數(shù)量過(guò)大就會(huì)造成LED燒毀，因此為得到更好的亮度，驅(qū)動(dòng)電流都會(huì)設(shè)計(jì)到逼近LED的最大電流上限値，因處?kù)杜R界值，要避免危險(xiǎn)選用定電流方式驅(qū)動(dòng)，會(huì)比電流不恆定的定電壓驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)良。也因?yàn)槿绱耍褂枚妷候?qū)動(dòng)LED因擔(dān)心LED燒毀因此必須犧性亮度使用較低的電流驅(qū)動(dòng)LED，故當(dāng)視覺(jué)照明需要較高亮度時(shí)就無(wú)法達(dá)到。而使用定電流驅(qū)動(dòng)不論在亮度、穩(wěn)定度及壽命均會(huì)優(yōu)於同樣亮度的定電壓驅(qū)動(dòng)燈源。

3.3PWM調(diào)光控制LED亮度可透過(guò)PWM訊號(hào)控制，這種方法透過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通時(shí)間控制LED的輸出電流。模擬調(diào)光改變的是LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電流，會(huì)導(dǎo)致色彩失真。所以，PWM調(diào)光是調(diào)節(jié)LED亮度的理想方式。採(cǎi)用PWM調(diào)光方式時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通時(shí)間可調(diào)，其工作週期近似等效於顯示器亮度，即100%工作週期對(duì)應(yīng)最大亮度。也可以利用PWM調(diào)光方案從零到滿負(fù)載調(diào)節(jié)LED電流，但由於控制迴路速度太慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較寬的亮度調(diào)節(jié)範(fàn)圍。對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)則可獲得快速響應(yīng)，利用HT46R24就可以實(shí)現(xiàn)這樣的PWM調(diào)光控制迴路。當(dāng)PWM調(diào)光訊號(hào)變低時(shí)，透過(guò)斷開(kāi)與LED串聯(lián)的開(kāi)關(guān)，可迅速將LED電流降到零。同時(shí)，用於驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)MOSFET的閘極驅(qū)動(dòng)器透過(guò)短接MAX16818的CLP接腳被關(guān)閉，透過(guò)導(dǎo)通Q1完成該作業(yè)。同時(shí)，與外部電壓迴路中補(bǔ)償元件串聯(lián)的開(kāi)關(guān)(Q3)開(kāi)路，因而保持外部電壓迴路補(bǔ)償電容器的電壓。將CLP接腳短路到地可以立即將輸入電流降至零。因?yàn)槠骄娏骺刂颇Ｊ接泻芨叩慕辉筋l率：所以，不需要將一個(gè)開(kāi)關(guān)與內(nèi)部迴路電流的補(bǔ)償電容器串聯(lián)。一旦PWM調(diào)光訊號(hào)變高，CLP接腳斷開(kāi)，而與外部電壓補(bǔ)償電路串聯(lián)的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，打開(kāi)LED串聯(lián)開(kāi)關(guān)允許LED電流流過(guò)。透過(guò)這種方式，控制迴路可以恢復(fù)到斷開(kāi)LED電流通路前的狀態(tài)，快速恢復(fù)LED電流，而且電流過(guò)衝非常小。LED驅(qū)動(dòng)器的完整原理圖如圖1所示。圖1中的LED驅(qū)動(dòng)器輸入電壓為7V至28V，LED電流透過(guò)電位器R2在0.4A到1.2A範(fàn)圍內(nèi)調(diào)節(jié)。LED支路可以串聯(lián)1到4只LED。圖2提供了一個(gè)亮度調(diào)節(jié)過(guò)程的例子。LED電流具有較快的上升和下降時(shí)間，當(dāng)PWM調(diào)光訊號(hào)變高時(shí)，對(duì)於0.8A的LED電流會(huì)有小於100mA的過(guò)衝。圖1：降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器原理圖。圖2a中，3只串聯(lián)LED的電流為0.8A，輸入電壓為7V。示波器通道1為PWM調(diào)光訊號(hào)，通道4為L(zhǎng)ED電流，該電流在PWM訊號(hào)變高時(shí)會(huì)增大。圖2b中，當(dāng)PWM訊號(hào)切斷時(shí)，LED電流降為0。

圖2a：PWM調(diào)光過(guò)程中，LED電流的上升過(guò)程(Vin=7V，I=0.8A，3只LED串聯(lián))(Ch1：PWM調(diào)光訊號(hào)；Ch4：LED電流)

圖2b：PWM調(diào)光過(guò)程中，LED電流的下降過(guò)程(Ch1：PWM調(diào)光訊號(hào)；Ch2：LED電流)圖3a和圖3

圖3a：PWM調(diào)光過(guò)程中，LED電流的上升過(guò)程(Vin=14V，I=0.8A

圖3b：PWM調(diào)光過(guò)程中，LED電流的下降中(Ch1：PWM調(diào)光訊號(hào)；Ch4：LED電流)從上述測(cè)試結(jié)果可以看出，平均電流控制模式能夠理想用於LED驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，也可以方便地對(duì)該電路加以改良，使PWM亮度控制電路能實(shí)現(xiàn)較高的調(diào)光比。四、LED路燈系統(tǒng)本作品『高功率LED路燈控制器設(shè)計(jì)與製作』，主要是由36Watt路燈、驅(qū)動(dòng)電路、MCU控制電路、DC24V電源供應(yīng)器與鋁擠型散熱器所組程，如圖4所示。分述如下:圖4高功率LED路燈控制系統(tǒng)1.36WattLED路燈:主要由12顆高功率LED(If=700mA，Vf=3V)所構(gòu)成並且採(cǎi)用6串聯(lián)2並聯(lián)方式完成LED陣列，。如圖5所示。圖5LED陣列2.散熱器：由鋁材擠製而成，高功率LED燈經(jīng)由散熱器以熱傳導(dǎo)與對(duì)流方式將熱散去，如圖6所示。圖6鋁擠型散熱器3.驅(qū)動(dòng)電路：本作品高功率LED路燈其電氣規(guī)格，電流為1.4A，電壓為24V，功率36W，驅(qū)動(dòng)電路中需要很高的電流增益，單一個(gè)電晶體難以達(dá)到此項(xiàng)要求，所以我們採(cǎi)用可兩個(gè)電晶體組成達(dá)靈頓電晶體模組來(lái)驅(qū)動(dòng)LED路燈，如圖7所示，其中Q1採(cǎi)用2222A電晶體，Q2採(cǎi)用2N3055電晶體。圖7達(dá)靈頓電晶體驅(qū)動(dòng)電路3.MCU控制電路：本作品『高功率LED路燈控制器設(shè)計(jì)與製作』控制核心採(cǎi)用盛群半導(dǎo)體公司ADType之HT4624MCU，其中微控制器藉由AD埠讀取調(diào)光旋鈕VR訊號(hào)，經(jīng)由微控制器PWM埠輸出PWM訊號(hào)驅(qū)動(dòng)LED路燈，MCU控制功能方塊圖，如圖8所示。整體電路圖，如圖9所示。圖8MCU功能方塊圖圖9整體電路圖4.MCU控制程式：本專題製作『高功率LED路燈控制器設(shè)計(jì)與製作』控制流程方塊圖，如圖10所示。圖10控制流程方塊圖五、實(shí)際測(cè)試本專題將專題作品分成36WattLED路燈、驅(qū)動(dòng)電路、MCU控制電路、DC24V電源供應(yīng)器與鋁擠型散熱器，進(jìn)行個(gè)別實(shí)機(jī)測(cè)試，最後再將四個(gè)元件組合起來(lái)進(jìn)行整合系統(tǒng)實(shí)機(jī)測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目為改變PWM值觀察36WattLED路燈照度與溫度變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表一所示，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示36WattLED路燈之驅(qū)動(dòng)電流、照度與溫度均與微控制器輸出PWM訊號(hào)成線性正比，證明本專題所製作之高功率LED路燈控制器之可行性，本作品36WattLED路燈點(diǎn)亮測(cè)試情形如圖11顯