三色LED燈恒流驅動電路設計

鄔麗娜， 鄧建平

(蘇州職業大學 電子信息工程系， 江蘇 蘇州 215104)

?

三色LED燈恒流驅動電路設計

鄔麗娜， 鄧建平

(蘇州職業大學 電子信息工程系， 江蘇 蘇州 215104)

設計和制作了一套三色LED燈的恒流驅動電路。采用恒流源驅動方式, LED 上流過的電流將不受電壓和環境溫度變化, 以及LED 參數離散性的影響，從而能充分發揮LED 的各種優良特性。主要通過數控直流恒流源實現對4只三色LED燈的控制，每只LED燈的單色流經額定電流為100 mA，并具有調色溫和過流保護功能。還采用AT89S52單片機、AD、DA模塊實現電壓采樣，1602液晶可顯示LED中某單色支路的當前電流值，并加入聲控模塊來實現LED變色效果。

LED; 恒流源; 色溫; 聲控模塊; 1602液晶

0 引 言

具有環保、節能、高效優點的LED燈在照明方面有了越來越廣泛的應用，并有取代傳統光源的趨勢。目前小功率LED照明產品中廣泛采用兩種驅動電路形式：恒流驅動和穩壓驅動[1]。而采用恒流源驅動, LED 上流過的電流將不受電壓和環境溫度變化, 以及LED 參數離散性的影響，從而能充分發揮LED 的各種優良特性。因此研究簡單、廉價的驅動電路具有重要意義[2]。本文重點介紹一種基于數控直流恒流源控制的三色LED驅動電路實例。

1 系統的構成

設計要求：針對4只紅、綠、藍三色LED燈來進行驅動電路設計，每只LED單色為1 W，單色上允許流經額定電流均為100 mA，誤差控制在±5 mA，可設置LED燈的色溫。電路還具有當LED單色流過電流超過150 mA時自動關閉電源過流保護功能，以及考慮聲控模塊來控制LED變色功能。系統框圖見圖1。

設計初期考慮控制色溫，PWM支路比較多，單片機PWM信號驅動能力較弱，需外接驅動電路，成本難以控制。最終采用在LED單色回路中加入恒流源來驅動的方案， 4只LED燈的同一色并聯后統一接入恒流源中[3]。該系統主要由主控電路、電源、D/A和恒流源、A/D和1602液晶模塊、色溫設置模塊、聲控模塊、過流保護模塊組成。整個系統結構簡單，綜合應用了模擬電子技術、電力電子技術、開關電源和單片機信號處理等技術[4]。

圖1 系統框圖

2 系統具體設計

2.1 電源和控制器電路

本設計中，主控電路即為一個52系列單片機的最小系統，單片機選擇了Atmel公司的AT89C52。本設計中還采用了HKS05003電源模塊，該模塊能夠為AT89C52提供5 V，3 A的持續負載電流。這種寬電壓輸入、大電流輸出的特性，以及滿載無需外接散熱器，是7805所遠遠不及的。該電源模塊效率非常高，內置電感、肖特基、灌封膠密封，廣泛用于LED，車載MP3、MP4等領域[5]。HKS05003電源模塊接線圖如圖2所示。

圖2 HKS05003電源模塊

2.2 基于TLC5615的D/A和恒流源模塊

恒流源產生恒定電流是本設計系統的最主要部分。實驗過程中選擇好D/A轉換器位數和類型，將影響到恒流源的精度和工作時間。綜合考慮采用TLC5615，它是一個串行10 bit DAC芯片，它以10 bit開關電容逐次逼近的方法實現D/A轉換[6]。DA和恒流源模塊仿真調試電路圖如圖3所示。由AT89C52輸出給TLC5615數字信號后，配合DCSCLK腳上時序脈沖，完成TLC5615給后續恒流源LM358運放DAOUT1信號。

由運算放大器LM358組成的恒流源是利用了運算放大器的兩個基本特性：虛短路和虛路。其中R12為采樣電阻，采用康銅絲繞制而成。運算放大器U5是一個電壓跟隨器，該電路加了擴流部分[7]。采用MOS管2N6660作為運算放大器的括流器件。輸入阻抗高，基本沒有分流，因此電流全部流入負載R12。若U5的輸入電壓為Uin，根據疊加原理，流經R12的電流完全由輸入控制電壓Uin決定，I=Uin/R12。

圖3 DA和恒流源模塊

由于U5的輸入端不取電流，電流完全由輸入控制電壓Uin決定，實現了壓控直流電流源的功能。圖3中，當LM358的2、3引腳輸入為電壓源所示1 V時，串聯在R12回路中電流源顯示0.1 A，滿足了I=Uin/R12的關系。經多組仿真調試結果分析：0～150 mA時，該恒流源特性效果很好，誤差控制在±5 mA內。

2.3 AD和1602顯示電路

本設計在實物調試方面還考慮對R12電阻上AD1端口上電壓進行ADC0804采樣后經單片機處理后1602液晶上顯示電流值的功能。ADC0804是一種低價位的8 bit逐次比較式A/D轉換器。在此采用直接連接的方式與處理器連接，從而構成廉價的測控系統[8]。1602液晶顯示，有占用端口少驅動電流小，顯示功能較全面的優點。當LED某一色的R12所在電流為50 mA時可看到此時1602液晶顯示也為50 mA。

2.4 色溫設置模塊和過流保護模塊

色溫設置模塊考慮采用3按鍵BLUE、GREEN、RED結合軟件編程來完成3顏色所在電路電流值的可調。每按1次鍵對應顏色所在電路的電流就增加10 mA，因為有過流保護所以顏色所在電路的電流達到峰值150 mA后就軟件設置復位為0。所以可實現通過改變電流值來改變對應顏色的深淺度，完成色溫控制效果[9]。

過流保護采用了圖3恒流源模塊中的Q6和繼電器RTE24005F，并通過軟件編程實現對AD采樣得到的電流值與150 mA相比較。一旦當前電流大于150 mA，圖3中單片機guan端口送出低電平Q6導通，繼電器動作恒流源出現斷路，從而達到過流保護功能[10]。

2.5 聲控模塊

聲控模塊的作用是采集人的聲音，將采集到的信號可先送入LM358運放放大，然后單片機處理后控制TLC5615的輸出[11]。聲音采集電路和具體采樣到的聲音波形如圖4所示。

圖4 聲音變送器波形圖

3 實驗結果

除了仿真，在實驗階段我們還對實物進行了測試，看電路是否達到恒流效果。采取對實物上的紅色支路所在LM358的2腳輸入端電壓值和該支路R12電阻上電壓測試得到如表1所示數據。

表1 LM358輸入端電壓和R12上電流比較

從表1的數據中可以看出，本方案的恒流設計是符合要求的，誤差控制在±5 mA內，當送給LED燈的電流值超過150 mA時，系統也會自動關閉恒流源來保護LED。系統能耗主要是電阻及LCD液晶顯示，從表格數據看出電阻的功耗較低，所以系統的功耗較小。

本次設計實物如圖5所示，對LED控制效果比較明顯。在主程序運行初期設置每隔10 s LED燈3種顏色所在電流值依次變化，出現了7種顏色的效果：深藍色、深綠色、深紅色、白色以及3種花色。上述7種顏色變化循環出現3次后進入色溫控制階段，燈初始為白色，此時通過BLUE、GREEN、RED三鍵以每按一次10 mA的步進來改變相應電流。軟件設置上述三按鍵控制5 min后進入聲控色溫階段，燈初始仍為白色，在此聲控信號以控制紅光支路為主，LED上顏色隨聲音越響紅色越明顯的規律變化[12]。再次通過軟件設置上述5 min聲控色溫階段后，進入主程序再次循環執行過程。

圖5 實物圖

在實驗過程中還發現系統在經過長時間運行后會出現不穩定以及明顯光衰現象。所以查閱資料分析后，考慮系統還應加入對LED溫度的監測和控制部分來進行完善[13]。因為LED的穩定性很容易受自身散熱和環境溫度影響。當LED工作溫度超過其承載溫度，將會使LED發光效率快速降低，產生明顯光衰，甚至會對LED造成永久性破壞[14]。這也是后期電路應該改進的地方。

4 結 語

經過實驗驗證，此系統達到了很好的節能和多種顏色進行照明或裝飾的效果。該系統結構簡單，實用性強。實際使用過程中可考慮去除AD和1602液晶顯示，來增加多個按鍵給操作者，如色溫開始鍵、聲控開始鍵、停止鍵等[15]。還可進一步開發設計作為新型燈具或廣場裝飾照明燈的驅動控制電路。

[1] 張喜成.LED直流驅動電路設計新方法 [J].中國照明電器,2009,1(1):33-34.

[2] 駱祖國,陳淵睿.高效LED照明驅動及智能調光電路設計[J].微處理機,2011,32(2):84-87.

[3] 王 易,徐祥柱.一種用于LED驅動恒流控制電路設計[J].微電子學,2012,4(2):229-231.

[4] 緱新科,王 娟.基于單片機的LED 室內照明控制系統[J].工業儀表與自動化裝置,2013,1(1):36-38.

[5] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽系統設計[M].北京:航空航天出版社,2011.

[6] 張筱云,李淑萍.單片機原理及接口技術項目[M].蘇州:蘇州大學出版社,2012.

[7] 張 輝,呂昱洲.基于Boost大功率LED 恒流驅動電路[J].現代科學儀器,2013,2(1):97-98.

[8] 藍和慧,寧 武.全國大學生電子設計競賽單片機應用技能精解[M].北京:電子工業出版社,2009.

[9] 姜德昌,劉滿信.礦用電車一體化LED照明系統設計[J].工礦自動化,2013,8(1):105-107.

[10] 王瑞福.單片機微測控系統設計大全[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[11] 孫正鳳.基于STC89C52的超生波語音測距儀設計[J].數字技術與應用,2014,7(1):18-19.

[12] 宋潔瓊,林燕丹.基于視覺舒適的LED驅動器評價方法[J].照明工程學報,2012,23(5):58-65.

[13] 汪 容,甘世榮.自動控制系統模擬量數據準確性分析[J].電子技術與軟件工程,2014(10):258-259.

[14] 梅 毅,陳郁陽,袁 川,等.LED溫度特性的測試[J].照明工程學報,2007,18(1):17-20.

[15] 李學禮.基于Proteus的8051單片機的實例教程[M].北京:電子工業出版社,2008.

Design of Constant Current Drive Circuit for Three-color LED Lights

WULi-na，DENGJian-ping

(School of Electronic and Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

This paper presents a kind of LED driving circuit which outputs the constant current source to supply power for three-color LED lights. Driven by constant current source, the current on the LED will not be affected by changes of voltage and ambient temperature, and the discreteness of LED parameters. The design can make full use of all kinds of the good qualities of the LED. The current of each monochrome LED is 100 mA. The driving circuit also has functions of color adjustment and over current protection. This design adopts MCU, AD and DA modules to achieve voltage sampling, adopts 1602 liquid crystal to display the current of LED one branch, and uses sound control module to control the LED color. The experiment proves this method can basically complete the design intention, and provides valuable experience for the development of new LED lamps.

LED; constant-current source; adjustable color; sound control module; 1602 liquid crystal

2015-04-21

鄔麗娜(1976-)，女，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：單片機和嵌入式系統。

Tel.：13915513401；E-mail:wln@jssvc.edu.cn

TP 29

A

1006-7167(2015)11-0074-03