大功率LED智能化照明控制系統設計

羅靜華

(西安電子科技大學 電子工程學院,西安710071)

羅靜華(碩士研究生),主要研究方向為先進控制技術與自動監測系統。

引 言

隨著LED技術的不斷發展,推動了白光LED的問世,照明產業開始了綠色照明時代。由于LED能耗少、熱輻射低、發光效率高,是一種節能、環保、經濟、安全的新型照明器件,因此,加快技術研究并提高其發光效率成為當今首要問題。大功率LED要成為照明業的主體,其中安全、高效的驅動研究是推廣應用大功率 LED的關鍵。

1 大功率LED工作特性

LED是一種新型半導體固態冷光源,它是一種能夠將電能轉化為可見光的光電器件。一般來說,大功率LED的功率至少在1 W以上,目前比較常見的有1 W、3 W、5 W 、8 W和 10 W;被稱為“綠色光源”的 LED,正朝著大電流(300 mA～1.4 A)、高效率(60～120 lm/W)、亮度可調的方向發展[1]。

(1)伏安特性

大功率LED是低電壓、大電流的驅動器件,當 LED電壓變化很小時,電流變化很大。當正向電壓超過某個閾值,即通常所說的導通電壓之后,可近似認為,IF與VF成正比,如圖1所示。

圖1 大功率LED伏安特性

(2)光特性

根據LED的發光原理,LED的發光亮度基本隨LED的電流正向變化。控制大功率LED的發光亮度,實質是控制它的輸出光通量。

(3)溫 度

LED正向電流的大小也是隨溫度變化而變化的。環境溫度一旦超過某一值,白光 LED的容許正向電流會大幅度降低。在此情況下,如果仍舊施加大電流,很容易造成白光LED老化。圖2是LED的溫度與正向電流關系曲線。

圖2 大功率LED溫度特性

2 系統方案設計

光源系統的穩定性與驅動電源有很大的關系,瞬態的電流或電壓尖峰等許多因素都很容易對其造成損壞。驅動電源的性能直接影響整個光源系統的工作壽命、穩定性等性能[2]。大功率 LED所需的驅動電源為直流的低電壓,所以傳統上用以驅動燈泡(鎢絲)、日光燈、節能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅動大功率LED。根據以上大功率LED特性,VF的微小變化會引起較大的IF變化;電流過強會引起LED光的衰減,電流過弱會影響LED的發光強度;溫度升高時LED的勢壘電勢降低,電流會越來越大。因此采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性,并且影響LED的可靠性、壽命和光衰,故超高亮 LED通常適宜采用恒流源驅動。另外,要提高發光的效率,設計具有完善、可靠的保護功能的LED驅動系統,具備自動控制與檢測的智能型LED驅動成為技術發展的必要途徑。本文采用硬件電路設計和軟件程序設計相結合的方法,以單片機為核心,通過負反饋調整輸出電流以達到穩定的目的,從而完成亮度可調的適合于多種大功率 LED的智能驅動系統,使系統的性能得到很大的改善和提高,有效地解決了光源輸出穩定性和可靠性的問題。系統原理框圖如圖3所示。

圖3 系統原理框圖

2.1 可控恒流源

圖4是系統中用到的恒流源電路。該電路屬于電流串聯負反饋的拓撲結構,由集成運放和MOS管構成。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D/A輸出的可調電壓信號 Vin,使其成為受控恒流源。在反向輸入端連接采樣電阻 R。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R1的比值,用公式表示為[3]:Is=Vin/R。

圖4 可控恒流源電路

集成運放LM358內部包括2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、3～30 V的寬電源電壓范圍,且可用作電壓跟隨器。運放配合MOSFET RF830通過反饋跟隨輸入電壓Vin,功率MOSFET的基極與運放的輸出級相連,用來增加驅動電流。當LM358的同相端輸入電壓恒定時,由于負反饋的存在,保證了LM358輸出電壓恒定,從而使流經 LED負載的電流為恒定電流。本設計是在0～30 V電源供電的條件下,調節電流源的輸入電壓Vin從0～2.4 V變化,控制恒流源電路得到0～2.4 A的電流輸出,由此可計算采樣電阻的阻值應該為1 Ω來保證所需的恒流數值。

采樣電阻的選擇會直接影響恒流源的穩定度。當輸出電流達到一定程度時,R必然會發熱引起自身阻值的變化,這是影響恒流源輸出電流值精度的一個關鍵因素。同時,A/D轉換通過采樣R上的電壓值為單片機進行閉環控制提供數據,因本設計最大輸出電流為2.4 A,所以R的功率應足夠大。為此,采用了溫度系數比較小的康銅材料制作的阻值為1 Ω、功率為10 W的電阻。此外,MOSFET是電壓控制型器件,穩態時其柵極所需控制電流IG幾乎為0,不會影響輸出電流UD的精度,從而保證了恒流源的輸出電流精度。對于電路中MOSFET管也應選取大功率管以滿足電流的要求,本系統采用漏極電流達4.5 A、耗散功率為74 W的N溝道增強型MOSFET管RF830。

2.2 自動控制單元

上述可控恒流源的設計已滿足了電源的穩定輸出的要求,但電源的穩定只是光源穩定的必要條件。因為在電源穩定的情況下,光源輸出電流仍會在長時間工作中出現波動[4]。系統中自動控制模塊主要由鍵盤、LED數字顯示、具有A/D和D/A控制等功能的單片機(C8051F040)系統組成。其中4個按鍵(S1～S4)控制實現2個功能,2個選擇鍵,2個加減鍵。當LED光源改變,LED的電參數跟隨改變,所要求的恒流值也改變,通過選擇按鍵1設定當前LED的所需電流值;當固定 LED光源,控制其達到恒流工作情況時,通過S2可方便設定LED發光亮度。系統電路設計原理如圖5所示。

圖5 自動控制模塊原理圖

此部分的主要功能是按給定電流值,提供調節輸出電流所需的精密電壓信號。首先采用鍵盤輸入方式設置給定電流值。根據單片機寫入的數據經過其內置的12位D/A轉換輸出直流電壓提供給恒流源的輸入電壓Vin使其得到一個穩定的恒流輸出,再通過12位A/D采樣將LED輸出的電流數據送入單片機,通過單片機處理計算出控制電壓,根據實際的電流與設定電流的比較,向單片機寫入新的數據,從而更新輸出電流,再反饋回可控恒流源電路,實現對恒流源輸出電流的精確調節,最后由數碼管分別顯示設定電流與輸出電流的數值。

C8051F040作為控制系統的核心,其內置12位A/D、D/A轉換,以及內置的2.4V基準電壓,更加方便系統電路的設計[5]。根據基準電壓,A/D輸出電流與D/A輸入的電壓范圍一一對應,用12位A/D轉換所得電流精度可以達到0.6 mA,滿足設計要求。

3 系統軟件設計

軟件程序的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C51語言編寫。根據硬件電路,整個單片機軟件部分主程序流程如圖6所示。

在閉環比較運算中,通過比較實際值與設定值的差值逼近標準值。如果實際值大于設定值,則將原來D/A的入口數值減去這個差值再送去D/A轉換;如果實際值小于設定值,則把原來D/A的入口數值加上這個差值再送去轉換。循環比較,使實際值和設定值相一致后通過數碼管把穩定的實際值顯示出來。

系統的性能指標主要由兩大關系所決定:設定值與 A/D采樣顯示值的關系;內部測量值與實際測量值的關系。后者是由于取樣電阻與負載電阻和晶體管的放大倍數受溫度的影響和測量儀表的誤差所造成的。為了減少這種誤差,一定要選用溫度系數低的電阻作采樣電阻;而A/D與D/A轉換過程的誤差可以通過多次實驗得出一定的比例關系,將所得的誤差加入系統程序中。

圖6 主程序流程

4 數據處理與結果分析

數據測試是反映系統性能的重要指標。本測試選用1 W、2 W、10 W 的LED,依次加9 V、12 V、15 V 的電源電壓,通過按鍵設定所選功率LED對應的輸出電流值(1 W—0.35 mA,2 W—0.70 mA,10 W —1 A),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2個數據顯示值。其次針對2 W的LED單獨進行電流調節,以10 mA的步進遞增遞減,觀察其發光亮度的變化。相關數據如表1、表2所列。

表1 不同功率LED電流輸出結果

表2 2W LED亮度調節結果

從以上測試結果可以看出,該系統實現了由單片機C8051F040控制的精密恒流源,保證了大功率LED的交效穩定工作,對于不同功率LED輸出電流滿足誤差精度在±3 mA范圍內的要求。另外,在進行亮度調節時可以看出,電流值小時,輸出電流更接近給定電流;電流值較大時,由于系統散熱性能不夠優良導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,同時系統工作時采樣電阻發熱,阻值變化也會引起誤差。但總的看來,該系統具有較高的穩定性和精度。

結 語

本系統通過單片機控制,有效地提高了光源輸出的電流穩定性。實現了數字化光源驅動的智能控制,對大功率LED照明的發展具有很大的意義。在數據測試和調試方面,由于儀表存在誤差和電路器件因工作時間過長溫度升高而產生的誤差,使得測量數據不是很精確,通過軟件設計盡可能減少誤差的存在,從而使輸出電流的誤差范圍減小到±2 mA,大大提高了系統的精度。

[1]何占偉,趙智霞,王志本.大功率LED照明恒流驅動電源的設計.[OL].[2009-09-03].www.21ic.com.

[2]張劍家,辛德勝,史全林,等.改善連續半導體激光器驅動源性能的研究[J].長春光學精密機械學院學報,2001,24(3):9-12.

[3]劉潤,譚薇,程榮貴.一種高精度數控直流源的設計[J].現代電子技術,2006(7).

[4]袁川,周德成,梅毅,等.標準光源高穩定電源的設計[J].中國照明電器,2006(1):24-27.

[5]張培仁,孫力.基于C語言C8051F系列微控制器原理與應用[M].北京:清華大學出版,2007.