基于C51單片機的LED驅動電源設計研究

袁孟，陳彥霖，梁青云

（廣東文理職業學院，廣東湛江，524400）

0 引言

現階段，我國絕大部分地區的用電方式為照明用電，而LED是高效能的照明設備產品，長期以來其設計與開發工作都是行業關注的重點我國專家學者在研究LED的過程中認為，LED驅動電源結構優化設計將對延長LED照明燈壽命和優化其結構性能起著關鍵性作用，因此，突破LED驅動電源設計瓶頸將會使LED照明產業迎來全新的發展機遇。在此條件下，本文對基于C51單片機的LED驅動電源的設計進行研究和分析，具備重要的理論意義和現實價值。

1 LED驅動分析

在LED半導體的制作過程中，LED驅動方式主要包括串聯連接和并聯連接兩大類，其中串聯連接能夠使每一個LED產品具備相同的功能，保證實際流過的電流相同，從而確保LED燈管的亮度較為均勻，但是它的缺點是：①所需要的電壓較高，需要升壓芯片；②如果一只LED斷路，會不影響其他LED的正常工作；③如果一只LED短路，如果是恒壓驅動，則余下的LED分配到的電壓會變大，進而可能導致LED損壞；如果使用恒流驅動，則不會影響整個LED電路的正常工作。并聯連接方式能夠使LED燈管的實際電壓值較低，但同樣它的缺點是：①由于每只LED 的正向壓降不一樣，導致每只LED 的亮度不同，除非進行單獨調節。②如果一只LED短路，則整個電路會短路，其余LED都不能正常工作。③如果一只LED斷路，如果使用恒流驅動，則分配到余下的LED的電流會變大，進而可能導致LED損壞；如果是恒壓驅動，則不會影響整個LED電路的正常工作?？偠灾?，不論采用串聯連接方式還是并聯連接方式，在驅動電流處于正常值的狀態下，任意LED燈管自身出現故障都將使其子電路處于斷路狀態，但并不影響其它LED正常點亮。當驅動器損害導致LED中的大電流沖擊燒毀產品時，LED內部結構之間的引線處于開路狀態，此時的驅動器處于損壞結構，不管何種聯系方式，均不能讓LED燈管正常點亮?？偠灾?，在使用LED燈管的過程中，應優先選用串聯結構方式，由于LED燈管工作的特性有所不同，LED驅動器可分為交流驅動器和直流驅動器兩大類別，表1即為LED驅動器分類示意表。

表1 LED驅動器分類示意表

2 LED驅動電源設計

2.1 整體方案設計

本文將以C51系列的單片機作為其控制中心，對該單片機LED驅動電源結構進行設計優化，圖1即為系統整體方案設計圖。

圖1 系統整體方案設計圖

2.2 控制電路設計

基于C51單片機的LED驅動電源控制電路設計主要包括整流濾波模塊設計、數模轉換采樣電路設計和功率因素校正模塊設計三大部分內容。通過以上內容控制電路需要實現以下五種功能：（1）控制正能量傳遞，無偏磁現象；（2）隔離輸入和輸出；（3）穩定輸出電壓；（4）過載保護功能；（5）啟動時，限制脈沖寬度使其緩慢上升。其中，整流濾波模塊結構設計依托二極管理論知識，濾波模塊結構設計能夠用于LED驅動電源結構中的濾波整流，其四位數碼管顯示電路如圖2所示，4×4矩陣鍵盤電路如圖3所示。

圖2 四位數碼管顯示電路圖

圖3 4×4矩陣鍵盤電路圖

就功率因素校正模塊設計而言，該模塊主要是校正C51單片機的LED驅動電源設計中的功率因素，防止整個電源結構系統受到諧波干擾，設計時采用電流型控制器的功率因素校正芯片，其設計原理如圖4所示，數模轉換采樣電路結構設計圖如圖4所示。

圖4 設計原理圖

對于PWM占空比D1的計算，輸入電壓為12.5V，輸出電壓為24V。因此，可根據方程式（1）計算驅動功率的占空比D1：

為了得到電感器的平均電流ILA，令輸出的電流為1A，

根據方程式（4）計算電感器的平均電流為（單位為A）：

當設計電路在CCM模式下運行變流器時，感應線圈中的電流變化不得大于感應線圈平均流量的百分之五十。設計應計算感應線圈中百分之四十的最大電流變化（單位：a）：

因此，可計算出電感器的峰值電流（單位為A）：

由已知 XL6006 的開關頻率fs是180 kHz，則由方程式（3）計算轉換器的電感值（單位為μH）：

根據以上的電感的計算后分析得出的結果，本文中電路使用的是47μH，5A的電感器。

開關型功率變換器的電路形狀直接取決于工作狀態。通常，它根據實際使用需要和不同的性能決定應采用何種形式。這種形式的差異也直接導致需要引入不同的上游變壓器。

圖5 數模轉換采樣電路結構設計圖

(1)如果比較輸出，則使用全橋>推挽式>半橋式>正向式>反激式；(2)如果我們比較開關的數量，全橋是最多的；(3)以E133變壓器為例，在工作頻率為50kHz、溫升為500° C的條件下，全波到全波、橋式到全波、橋到橋的效率分別為0.99062、0.99205、0.9933336。

鑒于以上特點和設計要求，半橋變換器應用最為廣泛，電路結構簡單，開關元件少，使用功率范圍廣，因此最終采用半橋變換器作為主變換器。

2.3 軟件設計

基于C51單片機的LED驅動電源的軟件設計，主要包括LED驅動電源軟件部分相關程序的編寫，本文利用C語言在編譯平臺上進行程序編寫，進一步通過編譯后寫入單片機結構中，實現LED驅動電源在C51單片機上的軟件優化過程，圖6即為該LED驅動電源軟件設計流程示意圖。由圖可知，開始時首先對定時器等的初始化進行設計，在LED驅動電源產生PWM驅動信號后，進一步通過周期數值控制將模擬信號轉化為數字信號，輸出與數字信號相符的電壓保護值和電流保護值，并將其與預設大小值相比，根據輸入值和預設大小值的對比，判斷PWM機動性和整個系統開關的實際運行狀態，再進一步通過C51單片機的LED驅動電源輸出電壓值與預定值的對比分析，以增大或減小PWM脈沖信號的方式實現對C51單片機的LED驅動電源的循環調節，從而使整個LED驅動電源系統處于穩定狀態。

圖6 LED驅動電源軟件設計流程示意圖

3 系統測試與試驗

為進一步驗證基于C51單片機的LED驅動電源設計的合理性，依托上文的控制電路結構設計、硬件選型設計與軟件建構設計內容，制作簡易的涵蓋電路基本架構圖和元器件的操作系統，在實驗室控制變量的前提下對電路結構的設計效果進行量化分析。其中，LED電路連接采用串聯連接方式，接通電源后將其放置于某一大型散熱元器件上，測試時根據試驗目的調節設計電路系統的輸出電壓值和輸入電壓值，利用測試設備測得不同結構中輸入電壓的大小，計算電路結構在輸入和輸出之間的能量轉變，計算兩者之間的轉化效率，最后用表格記錄任意次的測量結果，表2即為電源轉換效率結果示意。

由表2可知，當設計電路的輸入電壓控制在11V左右時，驅動電源的真實轉換效率為87%；當輸入電壓值增加1V達到12V左右時，驅動電源的轉化效率為89%；再一次增加至13V時，電源的實際轉換效率為90%左右；增加至14V時，電源的轉換效率達到最大值91%。由此可知，本文所設計的基于C51單片機的LED驅動電源具備良好的轉換效率，進一步將該數值和開關的升壓比進行擬合，分析擬合曲線可知，升壓比和電源轉換效率成反比關系，當升壓比大致為1.4左右時，轉換效率為92%左右，當升壓比增加至1.5左右時，轉換效率降低至91%左右，當升壓比增加至2時，轉換效率進一步降低到87%左右。由此可知，在基于C51單片機的LED驅動系統中，要想使其驅動電源得到較高的轉化效率，必須控制升壓比參數在2以內。

表2 電源轉換效率結果

4 結論

本文通過對基于C51單片機的LED驅動電源的設計和研究，在對整個驅動電源進行設計的過程中，應加強對基于單片機整體框架結構的優化設計，加強其控制電路結構設計和軟件程序編譯設計，同時亦應加強對設備器件的選擇，通過謹慎思考和計算，保證設計出的基于C51單片機的LED驅動電源架構符合預期標準，從而使LED參數性能得到大幅度提升。