智能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1  引言

近年來(lái)，半導(dǎo)體光源正以新型固體光源的角色逐步進(jìn)入照明領(lǐng)域。按固體發(fā)光物理學(xué)原理，LED發(fā)光效率能接近100%，具有工作電壓低、耗電量小、響應(yīng)時(shí)間短、發(fā)光效率高、抗沖擊、使用壽命長(zhǎng)、光色純、性能穩(wěn)定可靠及成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著LED價(jià)格的不斷降低，發(fā)光亮度的不斷提高，半導(dǎo)體光源在照明領(lǐng)域中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。LED的伏安特性與普通二極管的伏安特性相同，正向電壓的較小波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致正向電流的急劇變化。LED正向電流的大小會(huì)隨環(huán)境溫度變化而改變，環(huán)境達(dá)到一定溫度，LED容許正向電流會(huì)急劇降低;在此情況下，如果仍舊通過(guò)大電流，容易造成LED老化，縮短使用壽命，因此LED在應(yīng)用過(guò)程中需要一個(gè)有恒溫、恒流控制的，具有可靠保護(hù)功能的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文介紹了一種智能LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2  LED模型

LED是低壓驅(qū)動(dòng)的PN結(jié)光電半導(dǎo)體器件，其電壓與電流的關(guān)系可用式(1)表示。

q———電子電荷。

LED正向電壓超過(guò)閾值電壓之后，LED的正向電流隨正向電壓的增加迅速增大，電壓很小的波動(dòng)，會(huì)引起電流較大變化。

LED的伏安特性具有非線性和單向?qū)щ娦?，在正向電壓小于某一值時(shí)，電流極小，不發(fā)光，當(dāng)正向電壓超過(guò)某一值后，正向電流隨著正向電壓的增加而迅速增加，LED的伏安特性模型可用式(2)表示。

LED簡(jiǎn)化模型反映了LED的伏安特性，用于分析電路驅(qū)動(dòng)電流對(duì)LED電氣特性的影響，以驗(yàn)證分析與設(shè)計(jì)的正確性。

3  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能直接影響光源系統(tǒng)的工作壽命和工作穩(wěn)定性。本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)電源、恒流驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)恒流控制三大部分組成，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，以單片機(jī)控制為核心，通過(guò)負(fù)反饋調(diào)整輸出電流，從而完成亮度可調(diào)，是適合于多種LED燈具的智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，使LED的性能得到改善和提高，解決了LED光源輸出穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題。

3.1開(kāi)關(guān)電源

LED照明只能采用直流供電，在AC220V供電情況下，首先要解決AC/DC轉(zhuǎn)換問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源有轉(zhuǎn)換效率高、小型輕量、輸入范圍寬、使用靈活節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源一般用半導(dǎo)體功率器件做開(kāi)關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)，在轉(zhuǎn)換時(shí)自動(dòng)控制穩(wěn)定輸出，具有多種保護(hù)電路。

開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，220V交流電經(jīng)過(guò)低通濾波與橋式整流，得到一個(gè)未穩(wěn)壓的直流電壓，此直流電壓進(jìn)行有源功率因數(shù)校正，提高電源功率因數(shù)。直流電壓再經(jīng)過(guò)逆變器成為符合要求的高頻方波脈沖電壓，整流濾波后變成直流電壓輸出。輸出電壓經(jīng)分壓、采樣后，通過(guò)比較電路與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、誤差放大，通過(guò)脈寬調(diào)制達(dá)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度可調(diào)，脈沖寬度調(diào)制(PWM)是開(kāi)關(guān)功率變換器中最常采用的方式。

3.2恒流驅(qū)動(dòng)電路

恒流源在一定的電壓和溫度變化下，產(chǎn)生電流變化接近于零，具有恒定電流值和很高的動(dòng)態(tài)輸出電阻。一般，恒流驅(qū)動(dòng)電路用電子管、晶體管、恒流器件、集成電路、集成穩(wěn)壓器和其他元器件組成。為了適合LED燈具的應(yīng)用，恒流源不僅要有較高穩(wěn)定度和電流輸出準(zhǔn)確度，而且恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出電流設(shè)計(jì)為可調(diào)輸出。為了保證輸出電流的精度，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓，調(diào)節(jié)恒流源輸出電流，原理圖如圖4所示。

此恒流驅(qū)動(dòng)電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中LED為負(fù)載，R6為采樣電阻。在本設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)恒流源控制，在運(yùn)算放大器的同相輸入端引入由單片機(jī)系統(tǒng)D/A輸出的可調(diào)電壓信號(hào)Vs，使其成為受控恒流源，也就是基準(zhǔn)電壓。在反向輸入端連接采樣電阻R6。運(yùn)算放大器工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，它配合功率MOS管通過(guò)反饋跟隨輸入基準(zhǔn)電壓Vs，功率MOS管與運(yùn)算放大器的基極相連，用來(lái)增加驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)運(yùn)算放大器的同相端輸入電壓恒定時(shí)，由于負(fù)反饋的存在，保證了輸出電壓的恒定，從而使流經(jīng)LED負(fù)載的電流為恒定電流。恒流源的輸出電流直接取決于D/A的輸出電壓和采樣電阻R6的比值。由于反饋環(huán)節(jié)中使用了運(yùn)算放大器，反饋環(huán)路的環(huán)路增益加大，反饋深度加大，恒流驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗很大，滿足使用要求。

輸出電流與輸入控制電壓VS直接關(guān)系，運(yùn)放失調(diào)與VS對(duì)輸出電流有同樣的影響，因而輸出電流的穩(wěn)定性，取決于受控電壓VS的穩(wěn)定性及運(yùn)放的失調(diào)漂移，選擇高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓源作為控制電壓，并選用低漂移運(yùn)算放大器，是提高本電路輸出電流穩(wěn)定性的重要途徑。電路中采用的集成運(yùn)算放大器LM358，LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，具有高增益、失調(diào)電壓影響小的優(yōu)點(diǎn)。

3.3單片機(jī)恒流控制

為了得到穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，提高LED的光穩(wěn)定性。本系統(tǒng)通過(guò)改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的變化，來(lái)控制輸出電流的大小。本系統(tǒng)控制部分由單片機(jī)系統(tǒng)為核心，結(jié)合按鈕輸入和LED數(shù)字顯示，由A/D采樣電壓通過(guò)閉環(huán)反饋與輸入電壓相比較，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，最后由D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓，作為恒流源的基準(zhǔn)輸入電壓。

3.3.1單片機(jī)硬件系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)主要有AT89C51、ADC0809、DAC0800、數(shù)碼管、按鈕等部分組成，單片機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

采樣模擬電壓輸入到ADC0809的輸入端，經(jīng)過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換，輸出8位二進(jìn)制數(shù)到單片機(jī)端口，單片機(jī)將得到的8位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換成3位十進(jìn)制數(shù)，顯示在數(shù)碼管上，同時(shí)將當(dāng)前值與基準(zhǔn)值相比較，由軟件系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整控制。單片機(jī)系統(tǒng)軟件運(yùn)算輸出一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)值，經(jīng)由DAC0800實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，輸出到DA1端口，DA1端口電壓輸入到恒流驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)整基準(zhǔn)電壓VS，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出電流設(shè)計(jì)為可調(diào)輸出。

3.3.2單片機(jī)軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軟件程序設(shè)計(jì)主要包括初始化管理模塊、按鍵管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，所有模塊都用單片機(jī)匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。

在系統(tǒng)加電后，主程序首先要完成系統(tǒng)初始化，其中包括A/D、D/A、顯示等工作狀態(tài)的設(shè)定，給系統(tǒng)變量賦于初值，顯示上次設(shè)定值等。然后掃描獲取鍵值，判斷設(shè)定鍵、校準(zhǔn)鍵是否按下，執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后，根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行D/A和A/D轉(zhuǎn)換，將采樣出來(lái)的值和設(shè)定值通過(guò)控制算法進(jìn)行比較校正等參數(shù)計(jì)算，最后再進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)整，得到精確的恒定電流值。單片機(jī)軟件部分主程序流程如圖6所示。

4  系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)進(jìn)行了負(fù)載變化測(cè)試，對(duì)不同功率的LED工作時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)電壓、電流的變化，全面測(cè)

試系統(tǒng)性能。本系統(tǒng)測(cè)試采用的測(cè)量?jī)x器有:示波器，數(shù)字萬(wàn)用表。負(fù)載變化測(cè)試選用市場(chǎng)上常用的1W、3W、10W的LED，依次加9V、12V、15V的電源電壓，通過(guò)按鈕設(shè)定所選功率LED對(duì)應(yīng)的輸出電流值(1W—0.35mA;3W—0.75mA;10W—1A)。分別檢測(cè)對(duì)應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓、電流源自身檢測(cè)到實(shí)際輸出電流值以及通過(guò)外部電流表測(cè)量的電流值和數(shù)碼管的兩個(gè)數(shù)據(jù)顯示值。不同功率LED的性能參數(shù)在實(shí)際輸出測(cè)量中的數(shù)值如表1所示。

5  結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以恒流源驅(qū)動(dòng)為主體，完成了對(duì)LED照明燈具驅(qū)動(dòng)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和高精度的可調(diào)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了LED亮度調(diào)節(jié)控制，滿足了多種LED照明燈具穩(wěn)定發(fā)光的電流需求。實(shí)踐證明本文介紹的LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，安全可靠、穩(wěn)定性高。