采用PID控制的LED恒流源設計

楊思俊

（西安航空職業技術學院，西安710089）

采用PID控制的LED恒流源設計

楊思俊

（西安航空職業技術學院，西安710089）

通過c8051f020的控制使開關電源輸出電流恒定并在LED負載變化的情況下仍可驅動LED高效、穩定的工作。恒流源系統由電源電路、BUCK主電路、驅動電路、電壓電流采樣電路、控制電路、顯示電路、斷路檢測模塊組成。電源模塊采用接觸式調壓器，并對輸出進行整流、濾波、穩壓；降壓電路采用超低導通電阻及快速響應時間的功率MOSFET作為調整管；單片機根據檢測電流的大小采用PID控制輸出PWM波來控制調整管，改變其輸出脈沖占空比，使LED驅動電源處于恒壓和恒流狀態。結果表明該系統電流精度高，紋波電壓小，運行穩定，效率高。

降壓電路;恒流控制;PID控制;LED恒流源;c8051f020控制器;PWM占空比;PID算法

1 引言

LED恒流驅動電源的總體結構框圖如圖1所示，主要由如下幾大部分組成：電源電路、BUCK主電路、驅動電路、電壓電流采樣電路、控制電路、顯示電路、斷路檢測模塊。

圖1 LED恒流驅動電源總體結構框圖

2 硬件電路設計

（1）電源電路

系統中需有+36V、+15V、+5V電源，如圖2所示，由工頻隔離變壓器輸出，進行整流和濾波后輸出+36V，為主電路提供電源。由U3 24S15DC-DC降壓模塊產生系統所需的+15V電壓，給MOS管的驅動芯片光耦TLP521提供電源。由U4 220S05AC-DC降壓模塊產生系統所需的+5V電壓，給主控芯片c8051f020、顯示電路、信號處理電路提供電源。

（2）降壓主電路

降壓主電路如圖3所示。在Buck電路中，采用N溝道IFR640N作為開關管，電感量為220uH，開關頻率 ?fs為10KHz，C8051F020單片機進行控制輸出不同占空比的PWM信號。光耦TLP521驅動開關管，開關周期為 ?TS，導通時間為 ?t1= ?D1TS,斷開時間為 ?t2? D2TS，開關管導通時間為? tON?t1?D1TS，?t ?t?T?t ?DT?D?T_開關管截止時間OFF2S 12S ，T＜1，稱D1為導通時間占空比，D2為截止時間占空比[1]。調節Q1的占空比D1，主回路電壓輸入電壓為+36V，接入10個LED負載情況下，輸出電流在150mA-350mA范圍內步進調整，步進值為50mA，且電流精度為1%，紋波電壓小于1V。當Buck電路輸入電壓在32V-40V范圍內變化時，調節占空比D1，輸出電流保持恒定，LED負載電流變化為1%。當Buck電路輸入電壓為36V，接入的LED負載由2個逐漸增加至10個，調節PWM占空比，保持負載電流恒定，變化不超過1%。

圖2 電源電路

圖3 降壓主電路及驅動電路

（3）電壓電流檢測電路

電壓檢測采用電阻分壓，如圖4，送入主控芯片進行AD顯示。

電流檢測采用LM358，設計中通過采樣康銅絲電阻兩端的電壓降來反映流過康銅絲的電流。將采樣的電壓經集成運放LM358放大，輸入到單片機中，進行數據處理和控制[2]。

（4）控制電路

控制電路主要包含以下功能：顯示，電壓、電流AD轉換及處理，PWM輸出，PID控制。如圖5所示。

c8051f020單片機具有8位500 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關；兩個12位DAC，具有可編程數據更新方式；有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列[3]。其控制12864顯示輸入電壓、電流、輸出電壓、電流及電流步進值。將檢測電路采集的電壓、電流進行AD轉換，并進行處理、濾波。通過軟件編程實現PID控制PWM占空比，使系統保持恒壓、恒流，控制精度高，穩定性強，精度達1%，紋波電壓峰值小于1V。

圖4 電壓電流檢測電路

圖5 控制電路

（5）LED斷路檢測電路

LED斷路監測的控制是由10個繼電器和10個LED組成，為電路提供負載。當單片機檢測到某路燈斷開時，本電路能自動將其短路并使三極管導通驅動繼電器自動閉合，以保證正常照明。

3 程序控制

（1）主程序流程

單片機主控程序完成輸出電流檢測，從而控制輸出電壓、電流的大小，以保證恒壓和恒流輸出[4]，主程序流程如圖6所示。

（2）PID控制

在以微處理器為硬件核心的控制系統中，由于是以采樣周期對輸入和輸出狀態進行實時采樣，故它是離散時間控制系統[5]。在離散控制系統中，PID控制采用差分方程表示:

圖6 主程序流程

式中u(n)為N采樣周期時的輸出，en為N采樣周期的偏差，N為采樣周期。在實際應用中采用增量式[6]：

比例系數KP的作用在于加快系統響應速度，提高系統的調節精度，設計中KP=20；積分時間常數Ki可以影響積分部分消除系統偏差，設計中Ki=0.1；微分時間常數Kd決定閉環系統的穩定性和動態響應速度[8]，設計中Kd=0.2。

PID的算法實現流程圖如圖7所示。

圖7 PID的算法實現流程圖

4 調試及結果分析

（1）在LED負載條件下，輸出的電流可在150mA-350mA范圍內步進調整，對應的輸出電流測試數據如表1所示，步進值50mA,電流精度為1%。

表1 設定電流與輸出電流測量值

（2）當負載為10個LED，輸入電壓在32V-40V范圍內變化時，對應的輸出電流測試數據如表2所示。對應的輸出電流變化近似為1%。

表2 輸入電壓與輸出電流測量值

（3）先預設一個電流值為200mA，輸入電壓為36V，負載由2個LED增加到10個時，對應的輸出電流測試數據如表3所示，輸出電流近似不變。

表3 負載變化與輸出電流測量值

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LED Constant Current Source by PID Control

Yang Sijun
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089，China）

The output current of switch power supply,controlled by c8051f020，is stable,and can still drive LED working efficiently and stably with the changing of the LED load.The constant current source is composed of Power supply circuit,BUCK main circuit,drive circuit,voltage and current sampling circuit,control circuit,display circuit and open circuit detection module.Power supply module uses the contact voltage regulator and perform rectifier,filter and voltage stability for the output;Buck circuit adopts low resistance and rapid response time MOSFET;CPU determines the constant voltage mode and constant current mode according to the sampling current and changes the output pulse duty ratio，which adopts PID Control,and makes the LED drive power supply in constant voltage or constant current.Results show that the system current is of high precision,small ripple voltage,stable running and high efficiency.

BUCK circuit；Constant-Current Control；PID Control；The LED Constant Current Source；c8051f020 controller；PWM duty ratio；PID Algorithm

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.021

TN73

A

1002-2279-（2017）02-0082-04

楊思俊（1981-），女，陜西省渭南市潼關縣人，講師,碩士研究生，主研方向:嵌入式控制、開關電源。

2016-07-07