基于PSoC大功率LED恒流源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

苗 濤 姚海瑞 李 俊

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著照明事業(yè)的不斷發(fā)展，LED因其優(yōu)越的節(jié)能環(huán)保特性而成為照明業(yè)的發(fā)展潮流。但當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，只要LED上的電壓發(fā)生微小變化，就會(huì)引起電流很大變化，甚至可能導(dǎo)致LED發(fā)熱損壞。如采用恒流源驅(qū)動(dòng)，LED上流過的電流將不受電壓變化以及LED參數(shù)離散性的影響，從而能保持電流恒定，充分發(fā)揮LED的各種優(yōu)良特性。因此，恒流源驅(qū)動(dòng)是最佳的LED驅(qū)動(dòng)方式。

目前廣泛采用的恒流源有兩種形式:一種是開關(guān)電源式恒流源，另一種是線性電源改進(jìn)型恒流源。這兩種形式都比較復(fù)雜，適用范圍小。本文擬研究一種低成本新型恒流源驅(qū)動(dòng)器件，其可在輸入電壓變化較大的范圍內(nèi)工作，而且輸出恒流可調(diào)，精度高。該器件也可在多種需要恒流源的場合下使用。因此，該課題的研究具有一定的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性［1－2］。

1 基于PSoC控制方案的設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)恒流源一般采用三極管和儲(chǔ)能元件反饋實(shí)現(xiàn)恒流或者采用穩(wěn)壓器輸出恒定電壓，通過電阻調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)恒流。該方案利用功率MOSFET的恒流特性，再加上電流反饋電路，使得該電路的精度很高［1－3］，并可以結(jié)合片上可編程系統(tǒng) (programmable system-on-chip，PSoC)構(gòu)成數(shù)控電流源。

為了防止恒流源電路中的較大電流對控制部分產(chǎn)生干擾，將輔助電源和主回路電源分成獨(dú)立的兩部分，輸入電壓經(jīng)變壓器降壓后分別供給主回路整流器和輔助電源整流器。整流濾波電路采用橋式整流、低通濾波，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出作為輔助電源，基準(zhǔn)電壓是由輔助電源產(chǎn)生［4－5］。

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Principle of the system

圖1中，輸入電壓經(jīng)過整流濾波作為主回路電壓，輸出電流通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送到PSoC，通過設(shè)定值比較運(yùn)算后產(chǎn)生PWM控制波，最后由調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)電流設(shè)定。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，首先預(yù)置所需電流值，微處理器通過比較運(yùn)算預(yù)置電流值和基準(zhǔn)電壓后輸出相應(yīng)信號(hào)，控制主電路調(diào)整電路，從而實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)。實(shí)際輸出的電流再通過采樣電阻采樣變成電壓信號(hào)反饋到PSoC中。PSoC將反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，調(diào)整輸出控制信號(hào)。這樣就形成了負(fù)反饋調(diào)節(jié)，以提高輸出電流的精度。采樣電流信號(hào)送到PSoC中，通過顯示電路實(shí)現(xiàn)電流值顯示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure of the system

處理器采用Cypress CY8C24794微控制器。PSoC設(shè)計(jì)先完成芯片內(nèi)部資源規(guī)劃，其具體流程為:確定系統(tǒng)需求、選擇用戶模塊、放置用戶模塊、設(shè)置全局變量和用戶模塊參數(shù)、定義輸出引腳、產(chǎn)生應(yīng)用代碼、編輯應(yīng)用代碼［6－8］。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和調(diào)整處理等。主系統(tǒng)加電后，首先完成系統(tǒng)初始化，打開中斷;無線信號(hào)掃描程序。獲取預(yù)置電流值后，根據(jù)預(yù)置值完成設(shè)定電流值，并通過LCD顯示輸出電流值及系統(tǒng)工作是否正常［4］。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main program

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行異常而導(dǎo)致輸出電流過大時(shí)，若無保護(hù)功能，將造成嚴(yán)重后果。因此，在硬件方面，選取帶有過流、短路保護(hù)功能的集成線性穩(wěn)壓電路;在軟件方面，當(dāng)預(yù)置電流或采樣電流值超過限定值時(shí)，控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)為0，則主電路輸出的電流也相應(yīng)為0，同時(shí)LCD顯示“工作不正常”。這樣系統(tǒng)得到雙重保護(hù)，能確保其工作安全可靠［2］。

3 在智能照明中的應(yīng)用

PSoC采用發(fā)射芯片CYRF7936，采用賽普拉斯寬帶(cyprees fidelity，CyFi)方案。2.4 GHz頻段非常擁擠，且干擾和噪聲強(qiáng)。該解決方案采用了直接序列展頻(direct sequence spread spectrum，DSSS)將數(shù)據(jù)編碼成更長串的比特流或片碼經(jīng)過調(diào)變載至射頻信號(hào)后傳送出去;接收端將收到的信號(hào)解調(diào)之后，再用直接序列展頻編碼相反的程序?qū)?shù)據(jù)解出。同時(shí)，方案還具有多通道、低功耗等特點(diǎn)［9］。

在CyFi方案中，PSoC采用發(fā)射芯片CYRF7936實(shí)現(xiàn)物聯(lián)，以集中實(shí)時(shí)地控制眾多大功率LED，方便管理和故障診斷。這種方法可以運(yùn)用于樓宇、路燈、特殊燈光效果等環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)智能照明控制［10］。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以具有豐富片上資源的賽普拉斯PSoC作為控制核心，減少了外部電路設(shè)計(jì)，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和板上面積，降低了功耗，易于調(diào)試，使得輸出電流大小更精確，而且減少了成本和干擾影響。其可在輸入電壓變化較大的范圍內(nèi)工作，而且輸出恒流可調(diào)，精度高。PSoC采用發(fā)射芯片CYRF7936和CyFi方案，可以實(shí)現(xiàn)眾多大功率LED的集中實(shí)時(shí)控制，方便管理和故障診斷。

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