大功率LED智能化照明控制系統(tǒng)設計

摘要：在綠色照明領域，既要體現(xiàn)節(jié)能，又要具備較高的光效，大功率LED驅(qū)動設計顯得越來越重要。針對大功率LED的特性，研究設計了適用于不同參數(shù)指標的白光LED的驅(qū)動與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機C8051F040為核心，結合外圍電路，用數(shù)字控制技術代替模擬電路控制，對大功率LED的恒流驅(qū)動電流進行高精度控制，以及對LED亮度進行自動調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)了多種大功率LED智能化照明。
關鍵詞：大功率LED；恒流驅(qū)動；C8051F040；智能化照明

引言
    隨著LED技術的不斷發(fā)展，推動了白光LED的問世，照明產(chǎn)業(yè)開始了綠色照明時代。由于LED能耗少、熱輻射低、發(fā)光效率高，是一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟、安全的新型照明器件，因此，加快技術研究并提高其發(fā)光效率成為當今首要問題。大功率LED要成為照明業(yè)的主體，其中安全、高效的驅(qū)動研究是推廣應用大功率LED的關鍵。

1 大功率LED工作特性
    LED是一種新型半導體固態(tài)冷光源，它是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的光電器件。一般來說，大功率LED的功率至少在1 w以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W；被稱為“綠色光源”的LED，正朝著大電流(300 mA～1．4 A)、高效率(60～120 lm／W)、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。
    (1)伏安特性
    大功率LED是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，當LED電壓變化很小時，電流變化很大。當正向電壓超過某個閾值，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比，如圖1所示。

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    (2)光特性
    根據(jù)LED的發(fā)光原理，LED的發(fā)光亮度基本隨LED的電流正向變化?？刂拼蠊β蔐ED的發(fā)光亮度，實質(zhì)是控制它的輸出光通量。
    (3)溫 度
    LED正向電流的大小也是隨溫度變化而變化的。環(huán)境溫度一旦超過某一值，白光LED的容許正向電流會大幅度降低。在此情況下，如果仍舊施加大電流，很容易造成白光LED老化。圖2是LED的溫度與正向電流關系曲線。

2 系統(tǒng)方案設計
    光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與驅(qū)動電源有很大的關系，瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等許多因素都很容易對其造成損壞。驅(qū)動電源的性能直接影響整個光源系統(tǒng)的工作壽命、穩(wěn)定性等性能。大功率LED所需的驅(qū)動電源為直流的低電壓，所以傳統(tǒng)上用以驅(qū)動燈泡(鎢絲)、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅(qū)動大功率LED。根據(jù)以上大功率IED特性，VF的微小變化會引起較大的IF變化；電流過強會引起LED光的衰減，電流過弱會影響LED的發(fā)光強度；溫度升高時LED的勢壘電勢降低，電流會越來越大。因此采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰，故超高亮LED通常適宜采用恒流源驅(qū)動。另外，要提高發(fā)光的效率，設計具有完善、可靠的保護功能的LED驅(qū)動系統(tǒng)，具備自動控制與檢測的智能型LED驅(qū)動成為技術發(fā)展的必要途徑。本文采用硬件電路設計和軟件程序設計相結合的方法，以單片機為核心，通過負反饋調(diào)整輸出電流以達到穩(wěn)定的目的，從而完成亮度可調(diào)的適合于多種大功率LED的智能驅(qū)動系統(tǒng)，使系統(tǒng)的性能得到很大的改善和提高，有效地解決了光源輸出穩(wěn)定性和可靠性的問題。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

2．1 可控恒流源
    圖4是系統(tǒng)中用到的恒流源電路。該電路屬于電流串聯(lián)負反饋的拓撲結構，由集成運放和MOS管構成。為了實現(xiàn)可調(diào)恒流源控制，在運算放大器的同相輸人端引入由D／A輸出的可調(diào)電壓信號Vin，使其成為受控恒流源。在反向輸入端連接采樣電阻R。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R1的比值，用公式表示為：Is=Vin／R。

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    集成運放了LM358內(nèi)部包括2個獨立的、高增益的、內(nèi)部頻率補償?shù)倪\算放大器，具有高增益、失調(diào)電壓影響小、3～30 V的寬電源電壓范圍，且可用作電壓跟隨器。運放配合MOSFET RF830通過反饋跟隨輸入電壓Vin，功率MOSFET的基極與運放的輸出級相連，用來增加驅(qū)動電流。當LM358的同相端輸入電壓恒定時，由于負反饋的存在，保證了LM358輸出電壓恒定，從而使流經(jīng)LED負載的電流為恒定電流。本設計是在0～30 V電源供電的條件下，調(diào)節(jié)電流源的輸入電壓Vin從O～2．4 V變化，控制恒流源電路得到O～2．4 A的電流輸出，由此可計算采樣電阻的阻值應該為lΩQ來保證所需的恒流數(shù)值。
    采樣電阻的選擇會直接影響恒流源的穩(wěn)定度。當輸出電流達到一定程度時，R必然會發(fā)熱引起自身阻值的變化，這是影響恒流源輸出電流值精度的一個關鍵因素。同時，A／D轉(zhuǎn)換通過采樣R上的電壓值為單片機進行閉環(huán)控制提供數(shù)據(jù)，因本設計最大輸出電流為2．4 A，所以R的功率應足夠大。為此，采用了溫度系數(shù)比較小的康銅材料制作的阻值為1 Ω、功率為10 W的電阻。此外，MOSFET是電壓控制型器件，穩(wěn)態(tài)時其柵極所需控制電流IG幾乎為O，不會影響輸出電流UD的精度，從而保證了恒流源的輸出電流精度。對于電路中MOSFET管也應選取大功率管以滿足電流的要求，本系統(tǒng)采用漏極電流達4．5 A、耗散功率為74 W的N溝道增強型MOSFET管RF830。
2．2 自動控制單元
    上述可控恒流源的設計已滿足了電源的穩(wěn)定輸出的要求，但電源的穩(wěn)定只是光源穩(wěn)定的必要條件。因為在電源穩(wěn)定的情況下，光源輸出電流仍會在長時間工作中出現(xiàn)波動。系統(tǒng)中自動控制模塊主要由鍵盤、LED數(shù)字顯示、具有A／D和D／A控制等功能的單片機(C8051F040)系統(tǒng)組成。其中4個按鍵(S1～S4)控制實現(xiàn)2個功能，2個選擇鍵，2個加減鍵。當LED光源改變，LED的電參數(shù)跟隨改變，所要求的恒流值也改變，通過選擇按鍵1設定當前LED的所需電流值；當固定LED光源，控制其達到恒流丁作情況時，通過S2可方便設定LED發(fā)光亮度。系統(tǒng)電路設計原理如圖5所示。

    此部分的主要功能是按給定電流值，提供調(diào)節(jié)輸出電流所需的精密電壓信號。首先采用鍵盤輸入方式設置給定電流值。根據(jù)單片機寫入的數(shù)據(jù)經(jīng)過其內(nèi)置的12位D／A轉(zhuǎn)換輸出直流電壓提供給恒流源的輸入電壓Vin使其得到一個穩(wěn)定的恒流輸出，再通過12位A／D采樣將LED輸出的電流數(shù)據(jù)送入單片機，通過單片機處理計算出控制電壓，根據(jù)實際的電流與設定電流的比較，向單片機寫入新的數(shù)據(jù)，從而更新輸出電流，再反饋回可控恒流源電路，實現(xiàn)對恒流源輸出電流的精確調(diào)節(jié)，最后由數(shù)碼管分別顯示設定電流與輸出電流的數(shù)值。
    C8051F040作為控制系統(tǒng)的核心，其內(nèi)置12位A／D、D／A轉(zhuǎn)換，以及內(nèi)置的2．4V基準電壓，更加方便系統(tǒng)電路的設計。根據(jù)基準電壓，A／D輸出電流與D／A輸入的電壓范圍一一對應，用12位A／D轉(zhuǎn)換所得電流精度可以達到O．6 mA，滿足設計要求。

3 系統(tǒng)軟件設計
    軟件程序的設計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C51語言編寫。根據(jù)硬件電路，整個單片機軟件部分主程序流程如圖6所示。

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    在閉環(huán)比較運算中，通過比較實際值與設定值的差值逼近標準值。如果實際值大于設定值，則將原來D／A的入口數(shù)值減去這個差值再送去D／A轉(zhuǎn)換；如果實際值小于設定值，則把原來D／A的入口數(shù)值加上這個差值再送去轉(zhuǎn)換。循環(huán)比較，使實際值和設定值相一致后通過數(shù)碼管把穩(wěn)定的實際值顯示出來。
    系統(tǒng)的性能指標主要由兩大關系所決定：設定值與A／D采樣顯示值的關系；內(nèi)部測量值與實際測量值的關系。后者是由于取樣電阻與負載電阻和晶體管的放大倍數(shù)受溫度的影響和測量儀表的誤差所造成的。為了減少這種誤差，一定要選用溫度系數(shù)低的電阻作采樣電阻；而A／D與D／A轉(zhuǎn)換過程的誤差可以通過多次實驗得出一定的比例關系，將所得的誤差加入系統(tǒng)程序中。

4 數(shù)據(jù)處理與結果分析
    數(shù)據(jù)測試是反映系統(tǒng)性能的重要指標。本測試選用1 W、2 W、10 W的LED，依次加9 V、1 2 V、15 V的電源電壓，通過按鍵設定所選功率LED對應的輸出電流值(1 W—O．35 mA，2 W—0．70 mA，lO W一1 A)，分別檢測對應D／A轉(zhuǎn)換輸出電壓、電流源自身檢測到實際輸出電流值以及通過外部電流表測量的電流值和數(shù)碼管的2個數(shù)據(jù)顯示值。其次針對2 W的LED單獨進行電流調(diào)節(jié)，以10 mA的步進遞增遞減，觀察其發(fā)光亮度的變化。相關數(shù)據(jù)如表1、表2所列。

    從以上測試結果可以看出，該系統(tǒng)實現(xiàn)了由單片機C8051F040控制的精密恒流源，保證了大功率LED的交效穩(wěn)定工作，對于不同功率LED輸出電流滿足誤差精度在±3 mA范圍內(nèi)的要求。另外，在進行亮度調(diào)節(jié)時可以看出，電流值小時，輸出電流更接近給定電流；電流值較大時，由于系統(tǒng)散熱性能不夠優(yōu)良導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，同時系統(tǒng)工作時采樣電阻發(fā)熱，阻值變化也會引起誤差。但總的看來，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和精度。

結語
    本系統(tǒng)通過單片機控制，有效地提高了光源輸出的電流穩(wěn)定性。實現(xiàn)了數(shù)字化光源驅(qū)動的智能控制，對大功率LED照明的發(fā)展具有很大的意義。在數(shù)據(jù)測試和調(diào)試方面，由于儀表存在誤差和電路器件因工作時間過長溫度升高而產(chǎn)生的誤差，使得測量數(shù)據(jù)不是很精確，通過軟件設計盡可能減少誤差的存在，從而使輸出電流的誤差范圍減小到±2 mA，大大提高了系統(tǒng)的精度。