高精度可調光DC-DC 恒流源的設計

付賢松 李圓圓 孔旭東 王 婷 郭娜娜 張嬌娜

（1.天津工業大學電氣工程與自動化學院 天津 300387 2.天津工業大學電子與信息工程學院 天津 300387 3.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室 天津 300387）

1 引言

在科技不斷發展、全球污染加劇的背景下，LED以其無污染、壽命長且光效高等優點，在目前及未來照明領域都扮演非常重要的角色[1]。如今市場上大部分采用恒壓控制加限流電阻或基于專用 LED驅動芯片的恒流驅動器，一般只具有單一的或有限的幾檔電流值，通用性和可靠性不強，穩定性及精度差，并且當負載改變時，驅動器未能及時作出反應，無法輸出恒定電流，這將嚴重影響LED 的壽命，所以研究LED 恒流驅動器已成為該領域的焦點[2]。

目前恒流源已朝著數字化方向發展，從開關電源的發展來看，模擬電源芯片一直是開關電源的主流設計方案，由于數控電源起步晚，基于算法的數字控制技術的電源研究更是少之又少[3]。通過實驗與研究發現，基于算法的數控恒流源與基于模擬芯片設計的驅動器相比，無論是從體積、成本還是性能參數考慮，都具有巨大的潛力，因此，在全球經濟發展的環境下，研究高效節能的智能化恒流源驅動電源具有重要的現實意義。

為突顯設計理念（節能、高穩定度、智能無閃爍可調、恒流），充分發揮微處理器MSP430G2553的智能控制特點，本文把電源的智能化與LED 相結合，設計了一款基于 PID 算法的高精度智能可調DC-DC 恒流源。本文對其主要部分進行了詳細介紹，最后做出樣機進行結果驗證。

2 DC-DC 數控恒流源的設計指標及整體電路框圖

2.1 設計指標

DC-DC 數控恒流源的輸入直流電壓為0～50V；功率1～48W 可調；恒流輸出可調范圍0～2.4A；恒流源精度小于1%；效率大于90%；軟啟動電路解決沖擊電流；安卓手機APP 和鍵盤實現智能無閃爍調光。

2.2 DC-DC 數控恒流源電路框圖

DC-DC 數控恒流電路由控制核心 MSP430-G2553 單片機、BUCK 拓撲結構、霍爾電流傳感器、鍵盤輸入模塊、LCD 顯示模塊、調光模塊、軟啟動電路和過流保護組成。圖1為DC-DC 恒流源框架圖。

圖1 DC-DC 恒流源框架圖Fig.1 The framework of DC-DC constant-current source

給系統加載一定直流電壓后，單片機MSP430-G2553 對其引腳進行模式設置，并初始化PWM 模塊、定時器模塊，LCD 顯示模塊和鍵盤模塊，然后外部鍵盤設置程序運行的目標電流值，通過串行通信接口到達單片機，經其內部定時器中斷運行數字PID 算法，不斷地調整輸出PWM 占空比，最終達到恒流輸出值，并顯示在LCD 顯示屏上，在該過程中，霍爾電流傳感器將反饋信息傳給單片機，如果該反饋信息經內部程序計算得到的電流值大于3A，則單片機立刻關斷LED 驅動器部分，實現過流保護[3-6]。

3 系統設計

3.1 微處理器MSP430G2553 的介紹

微處理器作為恒流源控制核心，直接決定恒流源電流、電壓在各個環節的變化與轉換狀態[5]。本系統設計需要數模（A/D）轉換器、I/O 接口及串行通信接口等，而MSP430G2553 單片機是TI 公司推出的混合信號微控制器，具有內置的16 位的定時器、多達24 個支持觸摸感測的I/O 引腳、一個通用型的模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內置通信能力和一個10 位模數（A/D）、數模（D/A）轉換器。MSP430G2553 功能框圖如圖2 所示。

圖2 MSP430G2553 功能框圖Fig.2 The block diagram of MPS430G2553’s function

故MSP430G2553 能完全能滿足恒流源系統實時性、擴展性、高精度及多任務性等要求，并且具有高的性價比和超低功耗的優勢。

3.2 數控算法

本文采用數字PID 控制算法，PID 控制是根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行控制，通過參數整定來確定PID 控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小[6]。PID 控制器是常見的反饋回路部件，這個控制器把收集的數據與參考值進行比較，然后差別計算得新的輸入值。和其他控制運算不同，PID 控制器可以根據歷史數據和差別出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確及穩定。

本系統數字PID 算法放在定時器中斷里執行，保證定時輸出不被其他程序干擾。由于系統微處理器的時鐘為1MHz 和外部驅動電路響應時間為7μs，設計PWM 的頻率周期為8.3ms，定時器中斷時間為15ms，也就是1s 可執行大約66 次數字PID 算法，故微處理器有足夠時間調整好電流參數。圖3為數字PID 算法流程圖。

單片機開始執行PID 算法，此時內部設定有系統初始值，然后外部的鍵盤模塊通過串行通信接口向單片機發出設置目標電流值的指令，單片機控制程序開始運行，運用數字PID 算法比較檢測值與目標值，如果反饋值與設定的目標電流值不匹配，則繼續執行數值PID 算法來調整輸出PWM 脈沖占空比，直到輸出目標恒流值為止，同時，在該過程中，如果檢測到的電流值大于3A 或是存在沖擊電流，則與單片機I/O 接口相連的保護電路和軟啟動電路將起作用。

圖3 數字PID 算法流程圖Fig.3 The flow chart of digital PID algorithm

3.3 反饋電路設計

該系統用霍爾電流傳感器代替常用的反饋檢測電阻，圖4為該系統反饋電路原理圖。

圖4 反饋電路原理圖Fig.4 The principle diagram of the feedback circuit

該恒流源的反饋電路采用具有較高穩定度和精度的ACS712 芯片，原邊電流會從芯片內部流過，而芯片內部的內置路徑內阻的阻值為1.2mΩ，所以當大電流流經它時所產生的功耗很小，且該原邊電流與副邊電路沒有接觸，當電流流過時會產生一個磁場，ACS712 根據磁場感應出一個線性的電壓信號，經內部放大、濾波與斬波，輸出一個電壓信號。該反饋電路的優點是結構簡單，測量直流電流的精度和線性度較高。

3.4 降壓型拓撲結構及電感電流連續導通模式

本系統電路拓撲是根據遲滯轉換器改進而來的，圖5為遲滯轉換器改進后的拓撲結構。遲滯轉換器具有快速啟動、低成本和高穩定度的優勢，它的關鍵特點是自振蕩，其頻率將隨輸入電壓、LED電流和驅動LED 數量的變化而變化，而且經常運行在連續模式下，這就意味著：①遲滯轉換器無限續流，嚴重增加功耗，且無法關斷；②MOS 管的驅動源占空比與頻率不斷改變，使檢測電阻出現阻抗不匹配問題，流經檢測電阻和LED 的電流不一致，影響電路的電流精度；③當負載發生改變時，恒流電路不能正常工作[6]。

圖5 遲滯轉換器改進后的拓撲結構Fig.5 The topological structure of the improved hysteresis converter

結合遲滯轉換器的優缺點，本系統對其進行改良，去除芯片，增加一個MOS 管和一個肖特基二極管，在采用PID 算法控制輸出PWM 占空比和霍爾電流傳感器的情況下，提高驅動器的精度及實時處理性。

3.5 線性可調光設計

本系統線性調光設計通過安卓客戶端 APP 和單片機MSP430G2553 通信，來改變輸出電流實現線性數字調光。該恒流源具有人機交互界面，安卓手機界面上有四個按鍵：開燈、關燈、變量、變暗。安卓客戶端和單片機通過藍牙連接后，手機界面上的開關鍵可通過單片機程序控制恒流源的關斷，界面上的變亮、變暗鍵發出命令，單片機通過DIP 算法調整PWM 輸出改變占空比，使輸出電流在目標電流值的基礎上增加或減小40%，從而調節輸出電流，實現手機無線通信調光控制[7]。與傳統的PWM調占空比的方式相比，具有線性度高，效果好，可靠性高等特點。圖6為安卓程序界面。

圖6 安卓程序界面Fig.6 The interface of Android APP

3.6 軟啟動電路設計

電源系統開機通常具有沖擊電流和無法完全關閉電源的情況，因此本系統采用繼電器電路和1Ω的功率電阻構成軟啟動電路。繼電器由微處理器控制，當單片機I/O為低電平時，繼電器的開關狀態構不成導通回路；當單片機I/O為高電平時，繼電器改變工作狀態構成導通回路，對開機沖擊電流和無法關斷電路有很好的控制。

4 系統參數確定與樣機測試結果

4.1 BUCK 拓撲電路中電感量的選擇

已知額定工作電壓45V，此時的占空比為：

根據MOS 管手冊和單片機程序，得開關頻率：

從而MOS 管的導通時間為：

這里紋波系數r 取0.3，那么電感的電感量為：

由于用到PID 算法，需要留一定裕量，故電感量取10mH[8-10]。

4.2 整個系統樣機連接圖

各模塊具有各自特定的功能，將其組裝后得到如圖7 所示的樣機連接圖。

圖7 樣機連接圖Fig.7 The prototype connection diagram

4.3 系統測試結果

（1）直流輸入電壓與輸出電流的關系

在鍵盤上設定1 400mA 的目標電流值，通過改變輸入電壓來觀察輸出電流的情況。圖8為直流輸入電壓與輸出電流的關系圖。

圖8 直流輸入電壓與輸出電流的關系圖Fig.8 The relationship between the DC input voltage and output current

從上圖觀察可得，當目標電流一定時，輸出電流幾乎不隨輸入電壓的變化而變化，故該系統可以達到恒流的目的，輸出穩定度高。

（2）輸出電流與目標電流值的對比

給該DC-DC 恒流源加載一定輸入電壓，在鍵盤上設置目標電流值，經微處理器控制后，將恒流源最終的輸出電流值顯示在LCD 顯示屏上。表1是輸出電流與目標電流的對比。

表1 輸出電流與目標電流的對比Tab.1 The comparison of the output current and the target current

觀察表1 數據可得，設置的目標電流值與輸出電流值相差無幾，恒流源精度小于0.57%，所以本系統可通過鍵盤實現高精度調光功能。

（3）安卓手機APP 智能調光

安卓手機界面有四個按鍵：開、關、變亮、變暗，通過按鍵控制恒流源的工作狀態，在恒流源45V輸入電壓，1 000mA 初始目標電流值的情況下，利用安卓手機智能調光的結果見表2。

表2 手機智能調光結果Tab.2 The result of Mobile phone intelligent dimming

將表2 的數據與初始目標電流值進行對比可以發現，通過安卓手機可以實現40%的變亮、變暗操作，能很好的控制DC-DC 恒流源的開關狀態，且調光過程無閃爍。

（4）恒流源輸出電流與負載的關系

給DC-DC 恒流源輸入端加載恒定的45V 電壓，設置目標電流值為1 000mA，觀察輸出電流隨負載的變化情況。圖9為輸出電流與負載的關系曲線。

圖9 輸出電流與負載的關系曲線Fig.9 The relationship between the output current and the load

觀察上圖曲線可知，當輸入電壓與目標電流值恒定時，系統輸出電流變化甚小，因此，該系統可在1～48W 范圍內輸出電流穩定，變負載恒流穩定性小于0.5%。

（5）48W 負載時恒流源的效率

將48W 負載接入該恒流源系統，加載42V 的直流電壓，并在鍵盤上設置1 300mA 目標恒流值，用4 個萬用表分別對其輸入電壓、電流，輸出電壓、電流進行測量，測量結果如圖10 所示。

圖10 恒流源輸入輸出參數Fig.10 The input and output parameters of constant-current source

觀察上圖數據可明顯看出輸入輸出參數變化不大，也就是說該電路損耗小，根據電源效率等于輸出功率與輸入功率比值可得，該恒流源系統效率為92%。

5 結論

通過了解市場照明的需求，結合MSP430G2553設計了一種基于PID 算法可智能調光的DC-DC 恒流源系統，并制作樣機進行驗證。試驗結果表明：在輸入直流電壓為0～50V 的情況下效率高達92%；通過手機終端或鍵盤可實現1～48W 的智能無閃爍調光；恒流源可在0～2.4A 范圍內恒流輸出，同時精度小于0.57%，且穩定度高。在科技化、信息化且智能化的今天，智能控制型的高效可調驅動將逐漸成為主流趨勢。

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