基于一種LED電源測試系統(tǒng)的設計

唐幸兒,梁季彝

（江門職業(yè)技術學院電子與信息技術系，廣東 江門 529000）

基于一種LED電源測試系統(tǒng)的設計

唐幸兒,梁季彝

（江門職業(yè)技術學院電子與信息技術系，廣東 江門 529000）

當今社會已步入工業(yè)4.0的時代，LED電源測試更著重于效率和協(xié)調(diào)生產(chǎn)等方面的因素。LED電源測試系統(tǒng)具有無線質(zhì)量反饋的裝置。此裝置是以LED電源高效測試器作為下位機，通過無線模塊NRF24L01芯片把LED電源質(zhì)量的檢測結果發(fā)送到上位機的PC電腦中，也可在上位計算機通過無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)改變下位機的上、下限電流參數(shù)。這樣，測試系統(tǒng)有線上管理，線下監(jiān)控的功能。經(jīng)試驗證明經(jīng)此系統(tǒng)測試合格后的LED電源在對影響浪涌電流四個重要因素（如：雷電衰減振蕩頻率、靜電放電頻率、電壓突變頻率、開關動作頻率）方面有良好的抵御作用。

浪涌電流測試;電流互感器;輸出電流軌跡曲線;檢測無線質(zhì)量反饋

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.045

1 引言

LED照明的質(zhì)量好壞主要取決于電源的輸入回路的質(zhì)量。輸入回路由于有隔離變壓器初級線圈的存在，從而導致電壓突變時浪涌電流的產(chǎn)生，浪涌電流對質(zhì)量差的LED電源輸入回路來說是致命的打擊。我們總結了造成LED驅動電源輸入回路可能燒毀的4種主要因素,如雷電衰減振蕩波頻率、電壓突變頻率、開關動作頻率、靜電放電頻率是造成電壓突變浪涌電流產(chǎn)生的根本。

由于在檢測LED電源時加入浪涌電流測試，使老化測試效率得到了革命性的提高，同時通過電流互感器采集浪涌電流變化信號經(jīng)RMS-DC模塊及A/D轉換后,在液晶屏上輸出電流軌跡曲線,使一線生產(chǎn)者能通過電流的反饋信號精確判斷LED電源產(chǎn)品質(zhì)量起到實質(zhì)性的意義。

2 國、內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)以杭州威銳電子科技有限公司的8061LED電源綜合測試儀為代表,對LED驅動電源的輸入電壓、電流、功率(效率),輸出電壓、電流、紋波、過電流測試、短路測試、電源調(diào)整率、負載調(diào)整率、輸出電壓調(diào)整、綜合調(diào)整率、效率、平均效率等參數(shù)進行測試，并沒有加入浪涌電流測試。然而，浪涌電流是影響LED電源質(zhì)量的重要指標。杭州遠方測試系統(tǒng)中也只是對電子器件的單一浪涌測試并沒有對影響LED電源浪涌電流的4種主要因素進行測試。

國際的情況是以致茂電子公司LED電源的整體測試解決方案包括輸入端的可編程交流源或直流源，精準的數(shù)位功率表,還有特殊為LED電源輸出拉載設計的專用電子負載。Chroma也發(fā)揮自動測試系統(tǒng)的整合能力，以多功能可編程交流電源供應器61500Series為例，現(xiàn)有的多功能可編程交流電源供應器61500 Series測試儀器，測試儀功能包括:電壓、電流、功率、涌浪電流等。雖有加入浪涌電流測試，但也沒有插入電壓突變頻率與浪涌電流同步的不同頻率測試，而且操作起來不夠直觀。國外EMC浪涌測試及國內(nèi)的遠方測試系統(tǒng)價錢昂貴，只有大企業(yè)和科研機構才能配置，且需要長時間專業(yè)培訓才可以使用該設備。對中小企業(yè)是不易做到的。

LED驅動電源經(jīng)過多年的快速發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展瓶頸包括產(chǎn)品規(guī)格、品牌、價格、渠道建設、營銷模式等。隨著行業(yè)的市場快速擴大，企業(yè)間的價格肉搏最后只能是兩敗俱傷，這幾乎已經(jīng)是所有LED企業(yè)的共識。那么，為了更好地在這個愈加殘酷的市場上更好地生存下去，找到藍海，正是所有LED電源企業(yè)的當務之急，LED電源的質(zhì)量是企業(yè)繼續(xù)發(fā)展的根本保證。本測試是一種新型的LED電源高效測試。

3 項目基本思路

3.1 研究項目總體設計內(nèi)容

本系統(tǒng)由數(shù)字信號處理器DSP（IAP15W4K58S4）模塊、4路頻率調(diào)節(jié)MCU輸入中斷模塊、6路高頻晶閘管控制模塊、電壓電流采集模塊，輸出顯示模塊、數(shù)值轉換模塊、無線發(fā)送模塊等組成。多功能高效LED驅動電源檢測儀，可以實現(xiàn)對電壓、電流、功率、LED驅動電源輸入回路的檢測，達到判斷LED驅動電源的質(zhì)量的目的。系統(tǒng)總設計框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3.2 工作原理

系統(tǒng)工作原理：首先將雙聯(lián)開關打到連接電源模塊的位置，通過上位計算機的電流上、下限設置后經(jīng)無線模塊發(fā)送到下位測試器中來，計算出電流上、下限的平均值后通過選擇固定電壓測試（例如250V），進行下位機的軌跡曲線描繪，并把軌跡曲線存進寄存器作為測試標準曲線。在真正測試時，選擇浪涌測試模式，這樣便可以根據(jù)模擬LED電源的使用環(huán)境來選擇4種頻率：雷電衰減振蕩(90～100kHz)、電壓突變(40～65Hz)、開關動作(0.2～1kHz)、靜電放電(50～100Hz)之一送入單片機中斷，由單片機輸出PWM信號控制可控硅切換6路不同電壓模擬產(chǎn)生外部環(huán)境的浪涌電流，與此同時通過電流互感器次級繞組經(jīng)單片機A/D轉換后送至顯示模塊輸出電流軌跡曲線。這樣便可與測試標準曲線作比較，若偏差超過測試標準曲線的參考值±6%，則可判定待檢測的LED驅動電源質(zhì)量不好，下位測試器會自動報警。反之，則判定合格。當然，也可以先測試固定電壓下的輸出曲線，再測試浪涌電壓下的輸出曲線。下位機檢測得到的合格率可以發(fā)送到上位機或智能終端設備中，相關人員根據(jù)檢測結果便可判定該批次產(chǎn)品是否合格。同樣，相關人員也可以根據(jù)實際需要，調(diào)整下位機的晶閘管控制模塊的輸出流限。這樣，下限機的輸出電流的標準曲線的上下限范圍就相應地更改了，就可以測試不同功率的電源，而不是單一的電源，迎合工業(yè)4.0的智能化測試便可實現(xiàn)。本測試器具有對浪涌電流相同負載測試；浪涌電流不同負載測試；固定電壓不同負載測試；具備輸出電流軌跡監(jiān)控。部分電路原理圖如圖2示。

圖2 部分電路原理圖

3.3 系統(tǒng)硬件設計模塊

3.3.1 輸入模塊

由雷電衰減振蕩波頻率、電壓突變頻率、開關動作頻率、靜電放電頻率、中斷信號組成。產(chǎn)生中斷后送入主控模塊。

3.3.2 主控模塊

由高速數(shù)字信號處理器STC系列（IAP15W4K58S4）組成，通過MCU產(chǎn)生PWM信號。

3.3.3 脈沖寬度調(diào)節(jié)模塊（PWM）

由模擬四種實際環(huán)境頻率：雷電衰減振蕩波頻率、開關動作頻率、電壓突變頻率、靜電放電頻率產(chǎn)生中斷送進單片機（見表1）。另外本項目設置頻率微調(diào)功能，由MCU自帶的PWM輸出后再經(jīng)旋轉編碼器微調(diào)送進分頻器，分出六路進入晶閘管控制極。

表1 技術指標

3.3.4 旋轉編碼器模塊

通過旋轉編碼器對輸入頻率進行細調(diào)，該頻率可由旋轉編碼器調(diào)節(jié)頻率增減。通過分頻器分出六路進入晶閘管控制極。

3.3.5 晶體管控制模塊

晶閘管控制模塊由六只雙向可控硅組成。雙向可控硅切換六路不同電壓模擬電壓突變頻率，通過電流互感器次級放大后由RMS-DC轉換器輸入A/D轉換模塊，經(jīng)A/D轉換后送進輸出模塊在LCD屏上顯示輸出電流軌跡曲線。

3.3.6 輸出顯示模塊

由液晶顯示屏、IC/IO接口、輸出驅動組成。把A/D轉換后的信號通過主控模塊運算處理后經(jīng)IO接口及輸出驅動在液晶屏上輸出電流軌跡曲線，及輸出電流、電壓顯示。

3.3.7 電流和電壓采集模塊

由電流互感器次級繞組、RMS-DC電壓轉換模塊、MCU內(nèi)置的A/D轉換組成。

3.3.8 數(shù)值轉換模塊

主要由MCU組成，是對數(shù)據(jù)進行收發(fā)狀態(tài)轉換。

3.3.9 無線發(fā)送模塊

由IAP15W4K58S4及NRF24L01模塊組成，負責將在一定的時間內(nèi)的測試結果進行合格率計算發(fā)送到上位機電腦中來。另外可以在上位計算機中改變上、下限電流參數(shù)通過NRF24L01無線模塊對下位機測試器進行測試標準曲線電流上、下限的修改（見圖3）。

圖3 無線發(fā)送設計圖

3.4 系統(tǒng)軟件部分設計圖

圖4為系統(tǒng)軟件部分設計圖（見圖4）。

圖4 系統(tǒng)軟件部分設計圖

3.5 上位機顯示效果圖

上位機顯示效果圖如圖5、圖6所示。

圖5 串口設置

圖6 電流設置

4 系統(tǒng)方案確定與特點

4.1 系統(tǒng)采用的核心方法

本檢測儀是采用單片機的PWM技術使其產(chǎn)生模擬6種影響浪涌電流的雷電衰減振蕩波頻率、靜電放電頻率、電壓突變頻率、開關動作頻率的脈沖振蕩頻率并可用旋轉編碼器調(diào)節(jié)各種脈沖波的頻率范圍，送進可控硅的控制極，切換6組不同電壓進入LED電源驅動板的輸入端模擬產(chǎn)生浪涌電流，在電流互感器次級經(jīng)RMS-DC轉換模塊反饋到MCU，利用單片機A/D轉換運算控制后在液晶屏上產(chǎn)生輸出電流軌跡曲線。圖7為采樣模塊圖（見圖7）。

圖7 采樣模塊圖

4.2 項目技術特點

1）本項目采用高速數(shù)字信號處理器MCU結合控制旋轉編碼器頻率精確調(diào)節(jié)，由于頻率的變化對LED驅動電源輸入回路造成影響，所以有必要對頻率進行PWM頻率脈寬調(diào)節(jié)的精準控制。

2）采取液晶屏輸出電流軌跡曲線對LED驅動電源輸入回路監(jiān)視曲線的偏差進行監(jiān)控，使之偏差度少于±6%定義為質(zhì)量好的LED電源驅動板。

3）進行浪涌電流相同負載測試、浪涌電流不同負載測試、固定電壓不同負載測試。

4）模擬雷電振蕩波頻率振蕩波、開關動作頻率、靜電放電頻率、電壓突變頻率，使LED驅動電源更接近實際環(huán)境進行模擬測試。

5）電流互感器和RMS-DC轉換成隨浪涌電流實時變化的直流電壓，經(jīng)A/D轉換后輸入到MCU，再經(jīng)過輸出接口電路在LCD液晶屏上輸出電流軌跡曲線，形成偏差曲線（浪涌電流情況下），從而確定LED驅動電源的質(zhì)量。

6）設置了模擬實際環(huán)境的4種頻率范圍：雷電衰減振蕩頻率90～100kHz（旋轉編碼器調(diào)節(jié)）、電壓突變頻率40～65Hz（旋轉編碼器調(diào)節(jié)）、開關動作頻率0.2～1kHz（旋轉編碼器調(diào)節(jié)）、靜電放電頻率50-100Hz（旋轉編碼器調(diào)節(jié)），按高頻脈沖的脈間與脈寬比例通過公式量化編碼數(shù)據(jù)確定定時器溢出率和定時器0初值，晶振 F0=24MHz，定時器0溢出率f（t0）=f（PWM）*256。

7）選擇影響LED電源驅動板4個方面模擬實際環(huán)境：雷電衰減振蕩波頻率、開關動作頻率、靜電放電頻率、電壓突變頻率，送入單片機中斷，經(jīng)單片機PWM程序分頻輸出，分別加到6只雙向可控硅的控制極。

8）浪涌模塊控制：雙向可控硅第二陽極與電流互感器初級線圈串聯(lián)，分頻后的移相頻率切換六組不同電壓90V、110V、150V、180V、220V、250V通過可控硅進入LED電源驅動板的電源輸入端。

9）電流互感器次級繞組把信號經(jīng)RMS-DC轉換器后變成直流電壓輸入到單片機進行A/D轉換。

10）A/D轉換后送到高速數(shù)字信號處理器 DSP（IAP15W4K58S4）主控模塊然后再由輸出模塊的輸出端監(jiān)視輸出電流軌跡曲線。LED負載輸出電流的軌跡曲線用液晶屏顯示。

11）由下位機（檢測裝置）在一定的周期內(nèi)計算出合格率通過無線模塊把測試結果發(fā)送到上位機中來，同時通過從上位機中更改電流上、下限數(shù)值調(diào)整下位機測試器的標準電流上、下限參數(shù)，使測試器能測不同功率的LED電源，輔助管理者對產(chǎn)品質(zhì)量進行管理。

5 結論

本項目下位機利用電流互感器作為LED電源輸入回路電流檢測信號反饋采集和通過RMS-DC轉換模塊轉換成直流電壓的監(jiān)視信號送至單片機經(jīng)A/D轉換后送進MCU中央處理器進行運算，由輸入/輸出（I/O）送至液晶屏輸出電流軌跡曲線，并在測試時結合四種造成LED電源燒毀的頻率結合6路不同的電壓切換模擬電壓突變引起的浪涌電流是一項創(chuàng)新性的發(fā)明，屬國內(nèi)、國際首創(chuàng)。經(jīng)多次測量試驗，多功能高效LED驅動電源檢測儀具有直觀、方便使用、功耗低、準確度高、運行穩(wěn)定可靠、體積小、價格低廉的特點，除測試外，最大的使用優(yōu)勢在于對LED電源的老化試驗，經(jīng)試驗該測試器是傳統(tǒng)測試器老化效率的3倍以上，適合大量用于LED電源生產(chǎn)企業(yè)，作為老化檢測LED電源使用。另外本系統(tǒng)加裝無線質(zhì)量反饋功能，為生產(chǎn)管理者實時監(jiān)控LED電源的產(chǎn)品質(zhì)量提供可靠的技術數(shù)據(jù)。

【1】姜世芬，張正勇，梁季彝.線切割高頻電源控制系統(tǒng)的設計[J].煤炭技術，2012，31（12):42-43.

【2】孔凡建.太陽電池組件I-V特性曲線異常[J].電源技術，2010,34（2）：181-185.

【3】樓然苗，李光飛.快熱式家用電熱水器的設計[A].單片機課程設計指導[C].北京：北京航空航天大學出版社，2007（7）：266-283.

【4】曹桂平.VxWorks設備驅動開發(fā)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

【5】季明逸，游有鵬.基于虛擬主軸法的同步控制策略研究[J].機電一體化，2012（8）：36-41.

Design of the Testing System Based on LED Power Supply

TANGXing-er,LIANGJi-yi
（DepartmentofElectronicandInformationTechnology,JiangmenVoctionalandTechnicalCollgeg,Jiangmen529000,China)

Nowadays, the societyhasentered the era ofindustrial 4.LEDpower test ismore focused on the efficiencyand coordination of production and other aspects of the factors. For this reason, there is a kind ofwireless qualityfeedback device in LEDpower testing system.The device uses high power LEDtester as slave computer and the result of LEDpower quality detection is sent to themaster computer through thewirelessmodule nRF24L01 chip. Themaster computer also can transmit data through the wireless module to modify the maximum/minimum current. Therefore, the testing system has the functions of both on-line management and off-linemonitoring. It is proved by experiments that the test-passed LEDpower has good protection from fourmajor factors of influencing the surgecurrent(suchasLightningattenuationoscillationfrequency,electrostaticdischargefrequency,Voltagemutationfrequencyandswitchingfrequency).

surgecurrenttest;currenttransformer;outputcurrenttrajectorycurve;wirelessdetectionqualityfeedback

Tn76

A

1007-9467（2016）07-0070-03

2016-6-10

唐幸兒（1964～），女，廣東江門人，講師，從事應用電子電路設計研究，（電子信箱）930816350@qq.com。