動態光調節下的數字式LED驅動電源嵌入式設計

蔡建軍

摘 要： 由于動態光調節下的數字式LED驅動電源設計不完善，使動態光對LED的調節無法達到預期效果，而嵌入式系統則可有效提升LED驅動電源各項性能。為此，設計基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源。其中的A/D采集模塊對動態光調節下的數字式LED數據進行采集、整流、濾波和A/D轉換，得到A/D采樣數據并傳輸到驅動電路。驅動電路采用嵌入式設計對A/D采樣數據進行優化，進而實現對LED發光的合理控制和動態光對數字式LED的有效調節。C8051F021芯片是基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的“管理者”，其管理流程圖于軟件中給出。軟件還對A/D采集模塊的數據采集語言進行了設計。實驗結果表明，所設計的數字式LED驅動電源驅動性能強、電源轉換效率高。

關鍵詞： 動態光調節； 數字式LED驅動電源； 嵌入式設計； C8051F021

中圖分類號： TN86?34； TP303.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0103?04

Abstract： The adjustment of LED controlled by dynamic light can′t achieve the expected effect due to the imperfect design of digital LED driving power supply adjusted by dynamic light， but the embedded system can improve the performances of LED driving power supply effectively. An embedded system based digital LED driving power supply controlled by dynamic light was designed. The A/D acquisition module performs the acquisition， rectification， filtering and A/D conversion of data of digital LED adjusted by dynamic light to get the A/D sampling data， and transfer it to the driving circuit. The embedded design is adopted in the driving circuit to optimize the A/D sampling data， so as to control the LED lighting reasonably and regulate the digital LED with dynamic light effectively. The C8051F021 chip is the "manager" of the embedded system based digital LED driving power supply under dynamic light control. Its management flow chart is given in the third part of this paper. The data acquisition language of A/D acquisition module was design also in the third part. The experimental results show that the designed digital LED driving power supply has strong driving performance and high power conversion efficiency.

Keywords： dynamic light control； digital LED driving power supply； embedded design； C8051F021

0 引 言

現如今，數字式LED以其低耗、顯示清晰、壽命長等優點，在家用電器的顯示配件方面占據了主導地位。動態光調節是一種能夠有效縮減數字式LED顯示屏漏光現象、增強顯示效果的方法，但由于動態光調節下的數字式LED驅動電源的設計不完善，使動態光對LED的調節無法達到預期效果，這已成為科研組織的研究難題[1?4]。嵌入式是一種以應用為核心、以電子信息技術為根基的計算機系統，其能夠調控軟硬件的靈活性，進而提升LED驅動電源的各項性能[5?6]。為此，利用嵌入式系統，設計動態光調節下的數字式LED驅動電源，增強數字式LED驅動電源的驅動性能和轉換效率，實現動態光對數字式LED的調節效果。

科研組織對動態光調節下數字式LED驅動電源的設計成果均存在一些不足之處。如文獻[7]提出的能耗密度分配模型方法。這種方法能夠將動態光調節下數字式LED驅動電源的多余能耗合理分配出去，達到增強電源轉換效率的目的；但這種方法過于受限于電源傳送功率配對，故其驅動性能較低。文獻[8]提出基于阻抗模型構建動態光調節下數字式LED驅動電源的方法，阻抗模型能夠較為合理實現電源驅動的高性能；但這種方法的耗能較大，電源轉換效率不高。

從以上動態光調節下數字式LED驅動電源的設計成果中可看出，我國科研組織對基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的設計迫在眉睫。

1 數字式LED驅動電源嵌入式設計

1.1 LED驅動電源整體設計

基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的工作原理如圖1所示。

由圖1可知，在基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的設計中，A/D采集模塊對數字式LED數據進行整流、濾波、A/D采樣，其對數字式LED驅動電源有著過渡作用，是數字式LED驅動電源的基礎組成部分。驅動電路是實現數字式LED驅動電源對動態光調節控制的基礎，高性能的驅動電路能夠給予數字式LED驅動電源較高的驅動性能?？刂菩酒菙底质絃ED驅動電源的控制核心，其管理著整個數字式LED驅動電源的工作流程。

1.2 A/D采集模塊設計

在A/D采集模塊中，整流是將采集到的動態光調節下的數字式LED的交流電近似轉化為直流電的過程；濾波是將近似直流電中的交流波形去除，最終輸出標準直流電的過程。圖2是濾波器電路圖。

濾波是排除電力干擾的一項重要手段，其能夠避免電源損傷、使電路元件維持在正常狀態下工作。由圖2可知，A/D采集模塊選用低通濾波器為動態光調節下的數字式LED進行濾波，其能夠進行50 Hz電力信號的濾波，對高頻干擾的衰減效果較強。所設計的低通濾波器擁有2個輸入、輸出端口，并配備1個電源接地端。C，C1代表差模濾波電容，C2，C3代表共模濾波電容，L1，L2代表電感，T代表共模電感。如果出現干擾信號，電感則會高速增長，阻止干擾信號通過，進而實現對動態光調節下數字式LED的濾波。整流濾波之后，A/D采集模塊將對其獲取到的數據進行A/D采樣，圖3是A/D采樣電路圖。

由圖3可知，A/D采集模塊主要由對比器、寄存器和A/D轉換器組成，其最重要的組成元件是A/D轉換器。A/D采集模塊將其最初采集到的動態光調節下的數字式LED數據，利用對比器提高數據分辨率，并暫存在寄存器中。用戶可對寄存器處理流程進行編程，A/D轉換器會對寄存器中的數據進行依次調用，進行模/數轉換。

模/數轉換的方式采用高速形式，以增強基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的驅動性能和電源轉換效率。A/D轉換器的輸出結果會經由對比器與最初采集數據進行比較，如果對比器的對比結果是負數，A/D采集模塊將把寄存器狀態調至高效位；反之，則調至低效位。

寄存器的效位狀態會對A/D采集模塊的效率產生影響，通過不斷調整寄存器效位狀態，能夠提高數字式LED驅動電源的工作效率。最后，A/D采集模塊利用控制與定時邏輯原理，將其獲取到的A/D采樣數據輸出到驅動電路。

1.3 驅動電路嵌入式設計

受限于我國的科技能力，數字式LED的單顆發光物質功率過低，在實際應用中，只有將多顆發光物質連接起來使用才能夠實現LED的肉眼可視發光，連接方式主要采用串聯和并聯的混合連接。為此，必須通過特定的驅動電路才能夠令動態光調節下的數字式LED完成正常顯示功能，所設計驅動電路采用嵌入式。

反激式轉換器是一種擁有簡單拓撲結構的電源開關，其能夠為驅動電路提供較高水平的電壓升降和多路輸出。為此，基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的設計中，將反激式轉換器納入到驅動電路，并利用隔離式轉換器維持數字式LED的正常發光。圖4為驅動電路電路圖。

由圖4可知，所設計的驅動電路有著成本低、效率高的特點，能夠實現對LED發光的合理控制。驅動電路能夠容納的輸入電壓范圍是[170 V，280 V]，LED發光物質的連接方式是15顆串聯、5顆并聯，電流、電壓和功率的極大輸出值分別為350 mA，DC 60 V和20 W。A/D采集模塊會將其獲取到A/D采樣數據輸入到驅動電路，驅動電路的輸出接收元件是單片機?；谇度胧较到y的動態光調節下數字式LED驅動電源為驅動電路的連接設計成嵌入式連接，驅動電路對數字式LED發光的控制并非只有簡單的開啟和關閉，而是能夠合理調節數字式LED的發光亮度，以提高其使用壽命、增強動態光對數字化LED的調節效果。

1.4 控制芯片設計

控制芯片是基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的“管理者”，故在控制芯片的選擇上應絕對符合數字式LED驅動電源的設計初衷，這就要求所選擇的控制芯片應具有高集成度和處理效率。因此，選擇某公司出產的C8051F021芯片作為數字式LED驅動電源的控制芯片，此芯片的性能較高且能夠獨立進行高效的控制工作。

C8051F021芯片是一種擁有CIP?51 內核的芯片，是對8051系列芯片的優化成果。CIP?51 內核擁有高兼容性和流水線結構，能夠通過803x/805x編碼器對其進行開發。CIP?51 內核配備了5個16位定時器、2個通用異步收發傳輸器、1個256 B隨機存取存儲器以及1個特殊功能的寄存器，可實現對控制指令的完美操作。

C8051F021芯片的內部組成并不簡單，這為其自身功能的完善提供了較為有利的元件支持。C8051F021芯片內置看門狗計時器、電源監聽監控設備、視頻存儲設備以及時鐘振蕩器，其中的視頻存儲設備可對基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源進行再編碼和更新。但由于經再編碼后的數據容易丟失，故在使用此功能前必須對數字式LED驅動電源的數據類型進行檢測。

2 數字式LED驅動電源嵌入式軟件設計

2.1 C8051F021芯片管理流程設計

基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的軟件部分為C8051F021芯片的管理流程進行了設計，如圖5所示。

圖5中，C8051F021芯片所需進行的初始化包括看門狗計時器參數重置、接口輸出配置以及編程單元參數設定，軟件也會同時對A/D轉換器進行初始化。如果控制信號不存在，用戶則可手動切換控制模式，否則將默認為自動調光模式；如果控制信號存在，初始化后的C8051F021芯片將會自動接收控制信號，并進行LED發光控制模式的設定。在C8051F021芯片進行管理工作的過程中，用戶如果需要切換控制模式，應在設定控制模式后選擇切換模式，否則只能選擇在基于嵌入式系統的動態光調節下和數字式LED驅動電源未工作的情況下進行切換。這樣設計有助于維持數字式LED驅動電源的工作連貫性，提高驅動性能。

2.2 數據采集語言設計

3 實驗驗證

3.1 驅動性能驗證

對本文設計的基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的驅動性能的驗證，可通過驗證其驅動效率和數字式LED輸出特性實現。驅動效率是影響數字式LED光效的最主要原因，通過數字式LED輸出特性數據則能夠看出數字式LED電源驅動設計的成功與否。

實驗對6種不同規格的數字式LED進行驅動，先利用萬用表對本文數字式LED驅動電源驅動中整流濾波后的電壓進行了測量，隨后將C8051F021芯片的輸出信號頻率調至30 kHz，并利用特定電源為C8051F021芯片供電。實驗室的溫度恒定在20 ℃，濕度控制較為嚴格，此時的驅動效率曲線如圖6所示，數字式LED輸出特性如表1所示。

由圖6、表1可知，本文所設計的數字式LED驅動電源的驅動效率維持在89%左右，而市面上的數字式LED驅動電源的驅動效率一般為80%；在數字式LED輸出特性統計表中，實際輸出的電流和電壓均在正常范圍內波動，且電流變化對電壓輸出的影響不大。當電流小于300 mA時，數字式LED驅動電源會停止對數字式LED進行驅動。以上結果能夠證明，基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的驅動性能較強。

3.2 電源轉換效率驗證

對本文設計的基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的電源轉換效率進行驗證，其結果如圖7所示。

由圖7可知，本文所設計的數字式LED驅動電源的電源轉換效率范圍在[80%，88%]之間，且波動較為穩定，未產生尖峰脈沖現象，可見其對數字式LED功率的矯正水平較高，能夠實現動態光對數字式LED的有效調節，驗證了基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的電源轉換效率較高。

4 結 論

本文設計基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源。其中的A/D采集模塊對動態光調節下的數字式LED數據進行采集、整流、濾波和A/D轉換，得到A/D采樣數據并傳輸到驅動電路。驅動電路采用嵌入式設計對A/D采樣數據進行優化，進而實現對LED發光的合理控制和動態光對數字式LED的有效調節。C8051F021芯片是基于嵌入式系統的動態光調節下數字式LED驅動電源的“管理者”，其管理流程圖于軟件中給出。軟件還對A/D采集模塊的數據采集語言進行了設計。實驗結果表明，所設計的數字式LED驅動電源驅動性能強、電源轉換效率高。

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