LED電氣特性測試儀設計與實現?

王 琪

（西安工業大學電子信息工程學院，西安710032）

LED電氣特性測試儀設計與實現?

王 琪

（西安工業大學電子信息工程學院，西安710032）

隨著環境與能源問題的日益突出，LED燈因其具有能耗低、壽命長、高亮度、低熱量、材料環保的優點，逐漸引起了社會的關注，成為研究的熱點。在研究和分析LED電氣特性的基礎上，設計了一種由LED驅動電路和單片機檢測電路組成的LED電氣特性測試儀，可對LED恒流驅動，同時實現對LED燈的電流、電壓、溫度等參數的采樣與顯示。驅動電路采用單級反激式拓撲結構，以SA7527為核心設計PWM開關電源電路，實現了功率因數校正，簡化了電路結構，具有較高的功率因數，同時具有恒流限壓的特點，效率可達88%以上。檢測電路以ATmega16單片機為核心，實現對LED燈電流、電壓、溫度等參數的實時監測及顯示。實踐表明，該測試儀可以實現對LED電氣特性的測試與監控，具有較好的研究與應用前景。

電氣特性；反激式；功率因數；檢測

1 引 言

LED燈具依靠其功耗低、壽命長、亮度高以及綠色環保的特點，克服了傳統日光燈、白熾燈等能耗高、壽命短、污染環境的缺點，成為了研究熱點，逐漸在照明市場普及。大功率LED照明產品的開發、研制、生產已經成為具有廣泛應用前景的朝陽產業。我國綠色照明工程的組織實施，也極大地促進了LED照明技術的創新和發展，使得大功率LED照明技術在照明領域得以廣泛應用，其潛在的市場使大功率LED照明技術顯示出了強大的發展潛力。但是LED在發光過程中，仍有部分能量轉化為了熱能。因此大功率LED的散熱能力成為影響其光電性能和壽命的關鍵因素之一［1］。另外，目前市場上有一些LED驅動電源質量低劣，導致LED整體電路效率很低、發熱嚴重，嚴重降低了整個照明系統的效率和可靠性。只有在解決好制造技術與驅動電路技術這兩大問題之下，LED產品才能更加快速的發展。

LED電氣特性測試儀是在分析LED電壓、電流和PN節溫度三種主要參數的基礎上，開發的恒流限壓測試設備，該測試儀可對LED進行恒流驅動，使得LED獲得穩定的輸出。同時單片機檢測電路能實現對LED燈的實時監測，以便LED驅動電路在輸入電壓和環境溫度等因素發生變動的情況下以最佳方式控制LED電流的大小。

2 LED電氣特性分析

由于LED本質上就是能發光的二極管，所以其電氣特性類似于普通二極管，只不過開啟電壓和導通壓降要更大，一般在3V左右，其電氣特性主要就是伏安特性。LED伏-安特性是流過芯片PN結的電流隨加到PN結兩端上的電壓變化的特性，是表征LED芯片PN結性能的主要參數。完整的LED伏安特性包含正向特性和反向特性兩方面，同時與普通二極管一樣，LED也具有單向導電性和非線性特性，即外加正偏壓表現為低電阻，反之為高電阻［2］，如圖1所示。

圖1 LED伏-安特性Fig.1 LED volt ampere characteristic

當正向電壓小于某一值時，電流極小，LED不發光。當電壓超過一定值后，正向電流隨電壓增大而迅速增加，從而使LED發光。所以高功率LED理想狀態下的正向V-I特性曲線如圖2所示。

圖2 LED理想狀態伏安特性Fig.2 LED volt ampere characteristic on the ideal state

LEDV-I特性的數學模型可表示為：

式中，V0是LED的閾值電壓，Rs為伏安曲線的斜率，IF為正向電流，T為環境溫度，ΔVF/ΔT是LED正向電壓溫度系數，典型值為-2V/℃。

從LED的伏安曲線及數學模型看，LED在正向導通后其正向電壓的細小變動將引起LED電流的很大變化，并且環境溫度、LED老化、使用時間等因素也將影響LED的電氣性能。LED的光輸出量直接與LED的電流相關，故LED驅動電源在輸入電壓和環境溫度等因素發生變動的情況下必須精確控制高功率LED驅動電流大小，否則，LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化，不能輸出穩定的光強，嚴重影響其使用壽命。

3 LED電氣特性測試儀設計

LED電氣特性測試儀是針對LED的特點開發的恒流限壓控制電子電路，利用集成電路技術將LED的輸入電流控制在最佳電流值，使得LED能獲得穩定的電流，并產生最高的輸出光通量。同時，單片機檢測電路能實現對LED燈的實時監測，以便LED驅動電路在輸入電壓、環境溫度等因素發生變動的情況下穩定驅動LED工作。硬件電路分為LED恒流驅動電路和單片機檢測電路兩部分，其原理圖如圖3所示。

3.1 LED驅動電路設計

驅動電路主要由抗浪涌保護、EMI濾波、全橋整流、反激式變換器、PWM LED驅動控制器、閉環反饋電路組成。AC輸入電壓為全范圍交流市電輸入端，EMI濾波器用來阻擋驅動電路工作中產生的電磁干擾經電源線干擾電網，同時阻止電網的電磁干擾經電源線進入后級驅動電路。輸入的交流市電經過前端EMI濾波器后經整流橋整流進入臨界導通模式的高功率因數單級反激變換器［3］，將市電降到安全電壓以內，完成功率因數校正的同時也實現了高低壓電氣隔離。控制環路實現電流的恒定和電壓限制，從而給LED提供恒定的電流和安全的電壓。驅動電路如圖4所示。

圖3 LED電氣特性測試儀原理框圖Fig.3 Principle diagram of LED electrical characteristics tester

圖4 單級反激式驅動電路圖Fig.4 Single-stage flyback drive circuit

交流市電入口接有熔絲F1和抗浪涌的壓敏電阻Z1，熔絲起到線路輸入電流過流保護的作用，壓敏電阻Z1用來抑制來自電網的瞬時高電壓，保護輸入線路的安全。L1，C3，C9是共模濾波器，D1，D3，D4，D7是全橋整流電路，C4是電容濾波器。為了減少波動，由R5，C2，D5組成吸收漏感的RCD電路，為了防止功率管Q2在關斷過程中承受大反壓，箝位電路的二極管一般選擇快速恢復二極管。輸出濾波電容C5、C6、C7、C8并聯減少了電壓紋波。采用反激式拓撲的驅動電路具有寬電壓輸入、恒流/限壓特性、成本低、控制精度高、調試簡單等特點［4］。

3.2 單片機檢測電路設計

單片機檢測電路主要通過傳感器實時采樣大功率LED燈的電壓、電流和溫度數據，并且將電壓、電流和溫度數據實時顯示在LCD顯示器上，供現場直觀讀取，以便隨時做出調整。電路由單片機主電路、檢測電路（包括電壓檢測，電流檢測，溫度檢測）、顯示電路、串口通訊電路、系統供電電路五部分組成。其中單片機主電路以ATmega16為核心，輔以時鐘電路、復位電路和鉗位保護電路組成，如圖5所示。

圖6是LED電流放大電路，LED電流流過采樣電阻后信號是幾十毫伏級的微弱信號，通過該電路放大，送至單片機的AD轉換單元。溫度和電壓信號比較強，可通過分壓電路預處理成合適的電壓值供單片機AD轉換單元。這些信號經過AD單元轉換成數字量，單片機利用這些數字量實現監控、顯示等功能。

圖5 單片機電路Fig.5 Single chip circuit

圖6 LED電流放大電路Fig.6 LED current amplify circuit

3.3 軟件設計

軟件由兩部分組成，其一是以ATmega16單片機為主控芯片的下位機程序［5］，通過串口對LED燈的電流、電壓、溫度等參數進行采樣、濾波，輸出給MAX232芯片進行電平轉換，然后送入PC機進行存儲、顯示，主要包括系統初始化程序、A＼D轉化程序、數字濾波程序以及串口發送程序。其二是上位機程序，實時顯示輸出的電流、電壓、溫度信號，并在坐標系中描點顯示。系統主流程圖如圖7所示。

4 結束語

以SA7527為驅動電源的LED電氣特性測試儀，其驅動電源基于PWM型高頻開關電源恒壓/恒流控制器設計，采用電壓，電流雙控制環并聯結構，在正常情況下，工作在恒流狀態時，電流環起作用，驅動LED恒流工作，當LED燈出現斷線、開路等故障時，電路進行限壓控制，電壓環起作用，以免高壓損壞電路或者是LED燈，從而提高控制器可靠性和穩壓性。該電路具有寬輸入電壓（85-265VAC）、高功率因數（大于0.95），高轉化效率（大于88%）。單片機檢測電路實現了對LED燈的電壓、電路和溫度的實時監測，。該測試儀是比較實用的LED電氣特性測試和研究工具，可對LED的研制提供可靠的數據參考，具有很好的實用價值和應用前景。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow chart of themain program

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Chen Zhong-ping.C Language？Classic Example of Program Design for ATmega16［M］.Beijing：Electronics Industrial Publishing House，2013.

Design and Im plementation of LED Electrical Characteristics Tester

Wang Qi
（School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

As the issues of energy and environment have been focused on increasingly，the LED lamp，with the advantages of low energy consumption，long life，high brightness，low quantity of heat，environmental protection material，gradually arouses the concern and becomes the research hot spot.Based on the study and analysis of the electrical characteristics of LED，a LED electrical characteristics tester composed by LED driving circuit and SCM（Single Chip Microcomputer）detection circuit is designed，which can drive the LED with the constant current to sample and display the parameters of LED lamp，such as current，voltage and temperature.In the driving circuit，a single-stage flyback topology is used and the PWM switching power supply circuit is designed with SA7527 as the core to realize power factor correction and simplify the circuit structure，which has the advantages of high power factor，limiting voltage with constant current and high efficiency（upto 88%）.The detection circuit，using ATmega16 MCU as the core，can monitor and display the LED parameters of the current，voltage and temperature at real time.The practice shows that this tester can test and monitor the LED electrical characteristics and has good prospects for research and application.

Electrical characteristics；Flyback；Power factor；Detection

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.022

TP216

B

1002-2279（2015）03-0082-04

陜西省教育廳專項科研計劃項目（14JK1339）

王琪（1979-），女，山東省淄博市人，碩士，講師，主研方向：嵌入式、電力電子技術研究。

2014-12-05