基于LabVIEW的LED驅動系統研究

宋家勇，楊 晨

（貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

LED燈作為21世紀新一代的光源，被廣泛應用于人們的日常生活，具有環保、節能以及可應用性良好等優點[1]。許多國家都制訂相應的計劃去推動LED研究，如我國的《國家半導體照明工程》，這使LED產業在全球得到快速的發展。驅動電路的穩定性是影響LED性能的重要因素之一，較差的穩定性會造成使用壽命縮短或亮度不恒定等一系列負面影響[2]。因此，對驅動電路的研究具有重要的經濟意義。

1 相關背景

LED亮度的穩定性受電流的影響較大，為保持亮度的穩定一般選擇設計特定的連接方式或開發恒流源驅動器[3]。相比于特定的連接方式，設置恒流源驅動相對簡單并且適用于多種使用環境，因此許多學者圍繞恒流源驅動設計做了大量工作。2015年，付賢松等人針對LED驅動器的電流穩定性差、可靠性低以及功耗高等固有問題，結合單片機與控制算法，設計了一款電流可調的高精度LED恒流驅動[4]。2016年，楊磊等人為使LED路燈根據外界環境自動調光，基于通信單元、Buck電路及單片機制作了一個LED路燈智能恒流源系統[5]。同年，景妍妍等人基于磁場耦合電能傳輸實現了無線LED驅動電路，可以提供1.5 A、1 A及0.5 A這3種輸出模式[6]。2020年，李宗平等人結合PWM芯片和斬波電路等設計一種雙反饋恒流源，以減小波紋電壓[7]。

因此，本文基于LabVIEW虛擬軟件設計一個恒流值靈活可調的動態LED驅動系統。使用LabVIEW軟件開發單片機的DAC驅動程序，并控制其DAC通道輸出預期電壓，然后使用該電壓為恒流源模塊提供控制邏輯，使其輸出相應的恒流值，用以驅動LED。

2 系統設計

2.1 總體方案設計

LED驅動系統的整體結構如圖1所示。系統整體由LabVIEW、恒流源模塊、ARM單片機及LED負載4個部分構成。基于LabVIEW軟件開發ARM單片機的DAC驅動程序和輸出電壓控制程序，控制單片機的輸出邏輯電壓，恒流源模塊按照邏輯電壓的大小輸出相應的恒流值，以驅動LED發光。

圖1 LED驅動系統的整體結構

2.2 基于LABVIEW的DAC開發

基于LabVIEW軟件開發ARM單片機的DAC驅動程序，如圖2所示。

圖2 DAC驅動程序開發

LabVIEW是一種常用的虛擬儀器開發軟件，具有良好的人機交互頁面。其自帶大量的控件包，用戶只需要在前面板中放置控件并進行連接，就可以通過控件實時控制下位機[8-10]。本文采用LabVIEW集成的DAC驅動設計包，其設計簡易且本質依然是對寄存器進行操作。同時，采用一個精度為8位的DAC轉換器，并且將其參考電壓標定為3.3 V。為了精確的輸出邏輯電壓，設置轉換邏輯為：

2.3 恒流源電路設計

所采用的恒流源電路如圖3所示，它是一種由放大器（U1）和功率器件（Q1）組成的負反饋壓控式電路。

圖3 負反饋壓控式恒流源電路

由“虛短”可知，U1正負兩端的電壓的大小等于輸入電壓Vin，因此負載電阻（RL）上的電壓也為Vin。由“虛斷”可知，U1兩端無電流流通，流過LED的電流（ILED）為：

為了確定電路模塊設計的正確性，對其恒流特性和輸入與輸出的響應關系進行仿真驗證，結果如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，該電路恒流特性良好。當負載電阻較小時，恒流值隨著負載電阻的改變而小幅變化，當負載電阻超過其承受限制時，輸出的恒流值隨著負載電阻的增加急劇下降。從圖4（b）可以看出，輸出電流與控制電壓之間的線性程度良好，但是達到電路承受限制時，輸出電流不會隨著控制電壓的改變而變化。

圖4 電路性能

3 結論與分析

3.1 實例制作

基于仿真結果設計并制作電路，如圖5所示，設計15個電流通道用于LED的驅動。圖5（a）為實例焊接，使用散熱鋁片覆蓋功率器件表面，以確保其熱穩定性，圖5（b）是其PCB設計，采用單面板兩層設計。為了方便散熱，將功率器件集中布置于中心。

圖5 電路制作

3.2 性能測試

使用LabVIEW軟件設置不同的控制電壓，對電路實例進行了5 min的測試，結果如圖6所示。從圖中可以看出，輸出的恒流值與控制電壓呈現良好的線性關系，恒流值隨著控制電壓的增加而增加，同時在整個測試時間內，電流的穩定性較好。

圖6 電路性能實測

4 結 論

本文基于負反饋壓控式恒流源電路模塊、LabVIEW軟件以及ARM單片機模塊等設計一種LED燈動態調節系統。使用LabVIEW軟件開發了ARM單片機的DAC驅動程序程序，基于負反饋壓控式恒流源電路設計了一種恒流模塊，并進行實例制作和性能測試。