LED可控恒流源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

LED作為第三代照明光源，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。LED是一個(gè)非線性器件，當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，只要LED上的電壓發(fā)生微小變化，就會(huì)使電流過大導(dǎo)致LED器件發(fā)熱損壞。LED的工作特性對其供電電源質(zhì)量的依賴程度很大，因此實(shí)現(xiàn)一個(gè)高質(zhì)量的供電電源對提高LED的照明質(zhì)量、電能利用率、延長LED的使用壽命有著重要的意義。供電電源的穩(wěn)定性主要取決于LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，恒流源驅(qū)動(dòng)是最佳的LED驅(qū)動(dòng)方式，采用恒流源驅(qū)動(dòng)，LED上流過的電流將不受電壓、環(huán)境溫度變化，以及LED參數(shù)離散性的影響，從而能保持電流恒定，充分發(fā)揮LED的各種優(yōu)良特性。目前廣泛采用的恒流源有兩種形式：一種是線性電源改進(jìn)型恒流源，另一種是開關(guān)電源式恒流源。線性電源改進(jìn)型恒流源的線性損耗大，適用范圍??；開關(guān)電源式恒流源的可靠性較差，適應(yīng)范圍小，而且成本高。因此，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能可靠的數(shù)控恒流源就得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對小功率LED在現(xiàn)有照明系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)方式存在的一些不足，設(shè)計(jì)了一種高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出了一種相應(yīng)的新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1  LED特性

1.1LED伏安特性

LED伏安特性的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中，V是LED啟動(dòng)電壓；RS表示伏安曲線斜率；IF表示LED正向電流；T表示環(huán)境溫度；△VF/△T是LED正向電壓的溫度系數(shù)，對于大多數(shù)LED而言，它的典型值為-2V/℃。從LED的數(shù)學(xué)模型看，在一定的環(huán)境溫度條件下LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起LED電流的很大變化。

1.2LED溫度特性

LED正向電流的大小是隨溫度變化而變化的，白光LED的工作電流一般在200mA左右，當(dāng)環(huán)境溫度一旦超過50℃，白光LED的容許正向電流會(huì)幅度降低而達(dá)不到正常發(fā)光亮度所需的工作電流，在此情況下如果仍舊施加大電流，很容易使白光LED老化。

1.3LED光學(xué)特性

光源的光通量是指單位時(shí)間內(nèi)通過4π立體角的可見光能量。白光LED電流與光通量的關(guān)系如圖1所示，隨著電流的增加，LED的光通量非線性增加，并逐漸趨于飽和。其原因主要是因?yàn)殡S著電流及時(shí)間的增大，大功率LED內(nèi)部溫度上升，發(fā)生在P/N結(jié)結(jié)區(qū)的載流子復(fù)合幾率下降，造成LED發(fā)光效率降低。

2  系統(tǒng)方案選擇與比較

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2核心控制器的選擇

控制器采用目前比較通用的STC系列單片機(jī)STC89C52，一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的高性能8位微處理器。該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，STC的STC89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

2.3時(shí)鐘功能模塊的選擇

方案1采用DS1302時(shí)鐘芯片。此芯片體積小、引腳少，操作起來非常方便。缺點(diǎn)是使用時(shí)需要外接備份電池和外部晶振，硬件線路較復(fù)雜，成本較高。

方案2采用DS12C887時(shí)鐘芯片。此芯片，體積相對較大，內(nèi)部集成有可充電鋰電池，同時(shí)還集成32.768kHz的標(biāo)準(zhǔn)晶振，可有效地保持時(shí)間的連續(xù)性，使用起來非常方便，但價(jià)格昂貴。

方案3利用單片機(jī)（晶振11.0592M）的定時(shí)器設(shè)計(jì)時(shí)鐘。時(shí)間顯示在1602液晶上，用獨(dú)立鍵盤調(diào)節(jié)時(shí)鐘的時(shí)、分、秒，并且可以設(shè)置定時(shí)。成本低，不需要在啟用其他的芯片和外圍電路，但程序較為復(fù)雜。

考慮到性價(jià)比的問題和電路優(yōu)化問題，所以選用方案3。

2.4恒流源模塊選擇

方案1采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號，輸出到達(dá)林頓管，經(jīng)濾波器消除紋波，實(shí)現(xiàn)恒流源功能。采用PWM脈沖方式來實(shí)現(xiàn)的恒流源可簡化硬件電路，易于控制和調(diào)節(jié)，但是該方案精度難以保證，要適應(yīng)本設(shè)計(jì)對精度的要求在技術(shù)上難度較高，且該方案很難適應(yīng)電流調(diào)節(jié)范圍大的應(yīng)用需求，受紋波和穩(wěn)定性等因素的限制，難以實(shí)現(xiàn)。

方案2由運(yùn)算V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成恒流電路。運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒流電路擺脫了晶體管恒流電路受限于工藝參數(shù)的缺點(diǎn)。該方案可實(shí)現(xiàn)0~5V/0~500mA的V/I轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換精度較高。若輸入端由單片機(jī)配合數(shù)字電位器控制，還可很方便實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流源。

方案3通過專門的恒流/恒壓芯片LT1769和簡單的控制線路來實(shí)現(xiàn)壓控電流源方案。這種恒壓芯片具有集成度高，使用起來控制系統(tǒng)的軟硬件都變得相對簡單的優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是方案實(shí)現(xiàn)不夠靈活；由于該芯片精度不高，設(shè)備性能被局限在這種專用芯片性能指標(biāo)所允許的范圍內(nèi)。所以這種設(shè)計(jì)一般只適合于精度要求不高，但集成度和便攜性要求高的場合，事實(shí)證明，這不是做理想的數(shù)控電流源實(shí)現(xiàn)方案。

鑒于論證與比較，最終選擇方案2。

2.5D/A轉(zhuǎn)換器選擇

對于D/A轉(zhuǎn)換器，筆者使用非常普遍的8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，工作電壓為+5V~+15V，基準(zhǔn)電壓為±10V，與微處理器接口完全兼容，具有價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。其D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。

3  硬件電路設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)電源電路

如圖3所示，該電源利用正壓集成穩(wěn)壓器LM7812和負(fù)壓集成穩(wěn)壓器LM7912提供對稱的正/負(fù)12V穩(wěn)壓輸出，供給運(yùn)放使用，而后再通過LM7805穩(wěn)壓成5V輸出，供給單片機(jī)使用。

3.2LED驅(qū)動(dòng)電路

圖4所示的電路可以很方便地實(shí)現(xiàn)電壓/電流的轉(zhuǎn)換。運(yùn)放U1A構(gòu)成比較器，U1C構(gòu)成電壓跟隨器，起負(fù)反饋?zhàn)饔谩］斎胄盘朧i與反饋信號Vf比較，在比較器U1A的輸出端可得輸出電壓V1，V1控制運(yùn)放U1B的輸出電壓V2，從而改變?nèi)龢O管Q1的輸出電流IL，而輸出IL又影響反饋電壓Vf，到達(dá)跟蹤輸入電壓Vi的目的。輸出電流IL的計(jì)算式為IL=Vf/R13，因負(fù)反饋使Vi=Vf，故而IL=Vi/R13.若R13取值為10Ω，則可實(shí)現(xiàn)0~5V/0~500mA的V/I轉(zhuǎn)換；若所選擇器件的性能參數(shù)穩(wěn)定，運(yùn)放UA1，UA2的放大倍數(shù)足夠大，則其轉(zhuǎn)換精度較高。V13的電壓由單片機(jī)配合D/A輸出控制，可很方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字恒流源輸出。

3.3D/A轉(zhuǎn)換電路

DA轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

4  軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有D/A轉(zhuǎn)換、步進(jìn)加減、鍵盤掃描、液晶顯示、時(shí)鐘等功能。為了將所有任務(wù)有序的組織起來，軟件系統(tǒng)采用前后臺(tái)結(jié)構(gòu)。其中鍵盤掃描、液晶顯示，放在主程序中，D/A轉(zhuǎn)換任務(wù)需要定周期運(yùn)行，放在時(shí)基中斷服務(wù)子程序中運(yùn)行，有效的保證了重要任務(wù)能及時(shí)執(zhí)行。

系統(tǒng)采用看門狗技術(shù)，若程序出現(xiàn)死循環(huán)或者跑飛現(xiàn)象，單片機(jī)內(nèi)部的看門狗將使單片機(jī)復(fù)位，將單片機(jī)重新拉回有序的工作狀態(tài)。

4.1主程序

系統(tǒng)上電復(fù)位后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括I/O口，中斷系統(tǒng)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)置，系統(tǒng)變量賦初值等工作。

完成系統(tǒng)初始化后打開中斷，隨之進(jìn)入鍵盤掃描程序，鍵盤掃描獲取鍵值后，根據(jù)鍵值完成設(shè)定預(yù)置電流值、步進(jìn)加減、時(shí)鐘調(diào)節(jié)等，并通過LCD顯示輸出電流值和時(shí)間。主程序流程圖如圖6所示。

4.2D/A轉(zhuǎn)換程序

D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的接口形式為并行接口，因此在對DAC0832進(jìn)行操作時(shí)需要考慮到時(shí)序問題。D/A的控制流程圖如圖7所示。

4.3時(shí)鐘程序

由于時(shí)鐘沒有借助任何外圍器件，僅依靠單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器來完成時(shí)鐘運(yùn)行，因此對定時(shí)器進(jìn)行操作時(shí)采用溢出中斷法，秒、分、時(shí)的過渡采用累加跳轉(zhuǎn)處理法。時(shí)鐘的控制流程如圖8所示。

5  測試結(jié)果與分析

5.1測試儀器

本系統(tǒng)的測試儀器為4位半數(shù)字萬用表（勝利VC9806+），示波器。

5.2測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)如表1所示。

測試結(jié)果分析：由表1可知輸出電流滿足要求，同時(shí)，電流值小時(shí)，輸出電流更接近給定電流。電流值較大時(shí)，由于系統(tǒng)散熱性能不夠優(yōu)良導(dǎo)致恒流源電源性能下降，引起誤差增大。誤差存在的原因主要是采樣電阻制作誤差，同時(shí)系統(tǒng)工作時(shí)采樣電阻與LED燈發(fā)熱引起誤差，但總的看來，該電流源有較好的精度。

5.3難點(diǎn)分析

恒流源的設(shè)計(jì)與制作過程遇到的主要難點(diǎn)在于如何減少紋波。通過仔細(xì)分析，確定要使紋波盡可能小，需要運(yùn)算放大器的電源和輸入端信號要穩(wěn)定。因此。采用獨(dú)立電源供電，保證了放大器有穩(wěn)定電源電壓，進(jìn)而使輸出較小的紋波電流成為可能。然而，當(dāng)將控制電路與主電路結(jié)合在一起時(shí)，輸出紋波電流的增大又成為一大問題。這是由于控制電路的輸出有紋波，加到運(yùn)算放大器的輸入端將紋波放大，導(dǎo)致輸出電流紋波加劇。為解決這一問題，我們在運(yùn)放輸入端并聯(lián)電容，以達(dá)到濾波的目的，從而較好的解決紋波問題。

本系統(tǒng)以8位STC89C52單片機(jī)控制、調(diào)整主電路輸出電流，并通過液晶顯示電流值，完成了數(shù)控恒流源的制作。驅(qū)動(dòng)電路是由運(yùn)算V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)運(yùn)算V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)計(jì)算出的值和測試結(jié)果非常接近，恒流特性較好。通過按鍵調(diào)節(jié)D/A輸出電流，實(shí)現(xiàn)了輸出電流可調(diào)，步進(jìn)加、減等功能。該驅(qū)動(dòng)硬件電路簡單，可靠性好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，調(diào)整方便，性價(jià)比高。該方案稍加改造即可實(shí)現(xiàn)各類容量的直流恒流系統(tǒng)。