智能LED照明驅動系統設計

王嘯東

(南京鐵道職業技術學院，江蘇 215137)

1 引言

近年來，半導體光源正以新型固體光源的角色逐步進入照明領域。按固體發光物理學原理，LED發光效率能接近100%，具有工作電壓低、耗電量小、響應時間短、發光效率高、抗沖擊、使用壽命長、光色純、性能穩定可靠及成本低等優點。隨著LED價格的不斷降低，發光亮度的不斷提高，半導體光源在照明領域中展現了廣泛的應用前景。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就會導致正向電流的急劇變化。LED正向電流的大小會隨環境溫度變化而改變，環境達到一定溫度，LED容許正向電流會急劇降低;在此情況下，如果仍舊通過大電流，容易造成LED老化，縮短使用壽命，因此LED在應用過程中需要一個有恒溫、恒流控制的，具有可靠保護功能的LED驅動系統。本文介紹了一種智能LED驅動系統的設計方法。

2 LED模型

LED是低壓驅動的PN結光電半導體器件，其電壓與電流的關系可用式 (1)表示。

其中 IS——反向飽和導通電流;

UF——正向電壓;

IF——正向電流;

K——玻爾茲曼常數;

T——熱力學溫度;

q——電子電荷。

LED正向電壓超過閾值電壓之后，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，會引起電流較大變化。

LED的伏安特性具有非線性和單向導電性，在正向電壓小于某一值時，電流極小，不發光，當正向電壓超過某一值后，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。

其中 U1——LED閥值電壓;

RS——伏安特性曲線的斜率;

T——環境溫度;

本文將多元線性回歸模型理論和灰色系統理論相結合，模型解釋能力強、預測精確性高，多元線性回歸模型表明人口老齡化系數與城鎮化率、老齡人口撫養比和衛生機構數量具有高度相關性，而灰色系統理論則支持多元線性回歸模型做中長期預測，擺脫了多元線性回歸模型由于缺乏未來的解釋變量而不能預測未來的缺點。

ΔUF/ΔT——LED的正向溫度系數，由表達式得到LED簡化模型如圖1。

圖1 LED簡化模型

LED簡化模型反映了LED的伏安特性，用于分析電路驅動電流對LED電氣特性的影響，以驗證分析與設計的正確性。

3 系統設計

LED驅動系統的性能直接影響光源系統的工作壽命和工作穩定性。本驅動系統主要由開關電源、恒流驅動電路、單片機恒流控制三大部分組成，系統原理框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖

本系統采用硬件電路設計和軟件程序設計相結合的方法，以單片機控制為核心，通過負反饋調整輸出電流，從而完成亮度可調，是適合于多種LED燈具的智能驅動控制系統，使LED的性能得到改善和提高，解決了LED光源輸出穩定性和可靠性問題。

3.1 開關電源

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轉換問題。開關電源有轉換效率高、小型輕量、輸入范圍寬、使用靈活節能等優點。開關電源一般用半導體功率器件做開關，將一種電源形態轉換成另一種形態，在轉換時自動控制穩定輸出，具有多種保護電路。

開關電源的結構組成如圖3所示，220V交流電經過低通濾波與橋式整流，得到一個未穩壓的直流電壓，此直流電壓進行有源功率因數校正，提高電源功率因數。直流電壓再經過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。輸出電壓經分壓、采樣后，通過比較電路與基準電壓進行比較、誤差放大，通過脈寬調制達實現脈沖寬度可調，脈沖寬度調制 (PWM)是開關功率變換器中最常采用的方式。

圖3 開關電源結構組成

3.2 恒流驅動電路

恒流源在一定的電壓和溫度變化下，產生電流變化接近于零，具有恒定電流值和很高的動態輸出電阻。一般，恒流驅動電路用電子管、晶體管、恒流器件、集成電路、集成穩壓器和其他元器件組成。為了適合LED燈具的應用，恒流源不僅要有較高穩定度和電流輸出準確度，而且恒流驅動電路輸出電流設計為可調輸出。為了保證輸出電流的精度，本設計采用單片機系統D/A轉換輸出電壓，調節恒流源輸出電流，原理圖如圖4所示。

圖4 恒流電路原理圖

此恒流驅動電路屬于電流串聯負反饋的拓撲結構，其中LED為負載，R6為采樣電阻。在本設計中，為了實現可調恒流源控制，在運算放大器的同相輸入端引入由單片機系統D/A輸出的可調電壓信號Vs，使其成為受控恒流源，也就是基準電壓。在反向輸入端連接采樣電阻R6。運算放大器工作在深度負反饋狀態，它配合功率MOS管通過反饋跟隨輸入基準電壓Vs，功率MOS管與運算放大器的基極相連，用來增加驅動電流。當運算放大器的同相端輸入電壓恒定時，由于負反饋的存在，保證了輸出電壓的恒定，從而使流經LED負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。由于反饋環節中使用了運算放大器，反饋環路的環路增益加大，反饋深度加大，恒流驅動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直接關系，運放失調與VS對輸出電流有同樣的影響，因而輸出電流的穩定性，取決于受控電壓VS的穩定性及運放的失調漂移，選擇高穩定度的基準電壓源作為控制電壓，并選用低漂移運算放大器，是提高本電路輸出電流穩定性的重要途徑。電路中采用的集成運算放大器LM358，LM358內部包括有兩個獨立的、高增益的、內部頻率補償的運算放大器，具有高增益、失調電壓影響小的優點。

3.3 單片機恒流控制

為了得到穩定的驅動電流，提高LED的光穩定性。本系統通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的變化，來控制輸出電流的大小。本系統控制部分由單片機系統為核心，結合按鈕輸入和LED數字顯示，由A/D采樣電壓通過閉環反饋與輸入電壓相比較，進行相應調整，最后由D/A轉換輸出的模擬電壓，作為恒流源的基準輸入電壓。

3.3.1 單片機硬件系統

單片機系統主要有 AT89C51、ADC0809、DAC0800、數碼管、按鈕等部分組成，單片機系統原理圖如圖5所示。

采樣模擬電壓輸入到ADC0809的輸入端，經過ADC0809轉換，輸出8位二進制數到單片機端口，單片機將得到的8位二進制數，轉換成3位十進制數，顯示在數碼管上，同時將當前值與基準值相比較，由軟件系統做出相應的調整控制。單片機系統軟件運算輸出一個8位二進制數值，經由DAC0800實現D/A轉換，輸出到DA1端口，DA1端口電壓輸入到恒流驅動電路，調整基準電壓VS，實現恒流驅動電路輸出電流設計為可調輸出。

圖5 單片機系統原理圖

3.3.2 單片機軟件系統

系統設計中，軟件程序設計主要包括初始化管理模塊、按鍵管理模塊、數據處理模塊和顯示模塊，所有模塊都用單片機匯編語言編寫。

在系統加電后，主程序首先要完成系統初始化，其中包括A/D、D/A、顯示等工作狀態的設定，給系統變量賦于初值，顯示上次設定值等。然后掃描獲取鍵值，判斷設定鍵、校準鍵是否按下，執行相應的功能子程序。當啟動鍵按下后，根據設定值進行D/A和A/D轉換，將采樣出來的值和設定值通過控制算法進行比較校正等參數計算，最后再進行閉環反饋調整，得到精確的恒定電流值。單片機軟件部分主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

4 系統測試

本系統進行了負載變化測試，對不同功率的LED工作時，檢測系統電壓、電流的變化，全面測試系統性能。本系統測試采用的測量儀器有:示波器，數字萬用表。

負載變化測試選用市場上常用的1W、3W、10W的LED，依次加9V、12V、15V的電源電壓，通過按鈕設定所選功率LED對應的輸出電流值(1W—0.35mA;3W—0.75mA;10W—1A)。分別檢測對應D/A轉換輸出電壓、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碼管的兩個數據顯示值。不同功率LED的性能參數在實際輸出測量中的數值如表1所示。

表1 不同功率LED電流輸出結果

5 結束語

系統設計以恒流源驅動為主體，完成了對LED照明燈具驅動電流的實時監測和高精度的可調控制，同時實現了LED亮度調節控制，滿足了多種LED照明燈具穩定發光的電流需求。實踐證明本文介紹的LED照明驅動系統的設計方法，安全可靠、穩定性高。

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