基于一種可控的LED照明驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

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。LED 是一個非線性器件， 當(dāng)LED 導(dǎo)通時， 只要LED 上的電壓發(fā)生微小變化，就會使電流過大導(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， 因此實現(xiàn)一個高質(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)動電路設(shè)計， 恒流源驅(qū)動是最佳的LED 驅(qū)動方式， 采用恒流源驅(qū)動， 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型恒流源， 另一種是開關(guān)電源式恒流源。線性電源改進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)濟實用、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)動方式存在的一些不足， 設(shè)計了一種高效的驅(qū)動系統(tǒng)， 提出了一種相應(yīng)的新型驅(qū)動系統(tǒng)。

1 LED 特性

1.1 LED 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螂妷旱募毿∽儎訉⒁餖ED 電流的很大變化。

1.2 LED 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 的容許正向電流會幅度降低而達不到正常發(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。

1.3 LED 光學(xué)特性

光源的光通量是指單位時間內(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。其原因主要是因為隨著電流及時間的增大，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。

圖1 LED 光通量與電流關(guān)系圖

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。

圖2 LED可控恒流源驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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STC89C52， 一種帶8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM-Falsh Programmableand Erasable Read Only Memory）的高性能8 位微處理器。該器件采用高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。 由于將多功能8 位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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廉的方案。

2.3 時鐘功能模塊的選擇

方案1 采用DS1302 時鐘芯片。 此芯片體積小、引腳少，操作起來非常方便。缺點是使用時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，同時還集成32.768kHz 的標準晶振，可有效地保持時間的連續(xù)性，使用起來非常方便，但價格昂貴。

方案3 利用單片機（晶振11.0592M）的定時器設(shè)計時鐘。時間顯示在1602 液晶上，用獨立鍵盤調(diào)節(jié)時鐘的時、分、秒，并且可以設(shè)置定時。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 采用單片機產(chǎn)生PWM 信號，輸出到達林頓管，經(jīng)濾波器消除紋波，實現(xiàn)恒流源功能。采用PWM 脈沖方式來實現(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，難以實現(xiàn)。

方案2 由運算V/I 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成恒流電路。運算放大器構(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。該方案可實現(xiàn)0~5V/0~500mA 的V/I 轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換精度較高。若輸入端由單片機配合數(shù)字電位器控制，還可很方便實現(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。但缺點是方案實現(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所允許的范圍內(nèi)。所以這種設(shè)計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，事實證明，這不是做理想的數(shù)控電流源實現(xiàn)方案。

鑒于論證與比較，最終選擇方案2。

2.5 D/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)換時間為1μs，工作電壓為+5V~+15 V，基準電壓為±10V，與微處理器接口完全兼容，具有價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點， 在單片機應(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

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 和負壓集成穩(wěn)壓器LM7912 提供對稱的正/負12V 穩(wěn)壓輸出，供給運放使用，而后再通過LM7805 穩(wěn)壓成5V 輸出，供給單片機使用。

圖3 系統(tǒng)電源電路圖

3.2 LED?驅(qū)動電路

圖4 所示的電路可以很方便地實現(xiàn)電壓/電流的轉(zhuǎn)換。運放U1A 構(gòu)成比較器，U1C 構(gòu)成電壓跟隨器，起負反饋作用。輸入信號Vi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，到達跟蹤輸入電壓Vi的目的。輸出電流IL的計算式為IL=Vf /R13 ，因負反饋使Vi=Vf ，故而IL=Vi/R13.若R13取值為10Ω，則可實現(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 的電壓由單片機配合D/A 輸出控制，可很方便實現(xiàn)數(shù)字恒流源輸出。

圖4 LED 驅(qū)動電路圖

3.3 D/A 轉(zhuǎn)換電路

DA 轉(zhuǎn)換電路如圖5 所示。

圖5 D/A 轉(zhuǎn)換原理圖

4 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有D/A 轉(zhuǎn)換、步進加減、鍵盤掃描、液晶顯示、時鐘等功能。 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)需要定周期運行，放在時基中斷服務(wù)子程序中運行，有效的保證了重要任務(wù)能及時執(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，單片機內(nèi)部的看門狗將使單片機復(fù)位，將單片機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)，定時器/計數(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、步進加減、時鐘調(diào)節(jié)等，并通過LCD 顯示輸出電流值和時間。主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

4.2 D/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 進行操作時需要考慮到時序問題。D/A 的控制流程圖如圖7所示。

圖7 D/A 轉(zhuǎn)換流程圖

4.3 時鐘程序

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

圖8 時鐘控制流程圖

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。

表1 測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果分析：由表1 可知輸出電流滿足要求，同時，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(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，同時系統(tǒng)工作時采樣電阻與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 難點分析

恒流源的設(shè)計與制作過程遇到的主要難點在于如何減少紋波。通過仔細分析，確定要使紋波盡可能小，需要運算放大器的電源和輸入端信號要穩(wěn)定。因此。采用獨立電源供電，保證了放大器有穩(wěn)定電源電壓，進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，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，我們在運放輸入端并聯(lián)電容，以達到濾波的目的，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)動電路是由運算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)運算V/I 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)計算出的值和測試結(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，實現(xiàn)了輸出電流可調(diào)，步進加、減等功能。該驅(qū)動硬件電路簡單，可靠性好，實時性強，調(diào)整方便，性價比高。該方案稍加改造即可實現(xiàn)各類容量的直流恒流系統(tǒng)。
來源；電子工程網(wǎng)