一種高精度數(shù)控L E D恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 馮春衛(wèi) 閔衛(wèi)鋒 雷 娟

一種高精度數(shù)控L E D恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 馮春衛(wèi) 閔衛(wèi)鋒 雷 娟

設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控LED恒流驅(qū)動(dòng)電源以MC34063芯片作為降壓電路芯片，IRF640作為調(diào)整管，采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片。電路通過采樣、比較等過程實(shí)現(xiàn)了輸出電流在0～350mA范圍內(nèi)精確可調(diào)，電流步進(jìn)值小于1mA，控制精度優(yōu)于0．5%，具備實(shí)時(shí)電流值顯示、過流保護(hù)等功能。

LED；高精度；數(shù)控；驅(qū)動(dòng)電源

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展以及人們節(jié)能環(huán)保觀念的建立，LED照明逐步成為市場(chǎng)主角。與傳統(tǒng)的白幟燈相比，LED具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、相應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。未來市場(chǎng)，LED照明將占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位[2]。

LED恒流驅(qū)動(dòng)電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器。一般分為DC-DC型和AC-DC型。通常情況下，LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入包括高壓工頻交流、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流等。在使用LED照明設(shè)備時(shí)，之所以使用恒流源，主要是因?yàn)檎螂妷旱奈⑿∽兓伎赡芤疠敵鲭娏鞯妮^大變化，造成LED燒毀。LED恒流驅(qū)動(dòng)電源電流的輸出則可隨LED正向壓降值變化而輸出穩(wěn)定電流。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

結(jié)合LED使用場(chǎng)景及控制要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：220V市電經(jīng)工頻變壓器降壓為 36V交流，然后經(jīng)過橋式整流、電源濾波后，由場(chǎng)效應(yīng)管IRF604N構(gòu)成的串聯(lián)式開關(guān)可調(diào)穩(wěn)壓電源得到30V直流電壓，經(jīng)V/I變換產(chǎn)生穩(wěn)定恒定的電流給串聯(lián)在一起的10個(gè)LED 燈供電。在負(fù)載LED處進(jìn)行電壓采樣，一路返回給單片機(jī)，由單片機(jī)產(chǎn)生的模擬電壓和另一路采集電壓進(jìn)行比較，進(jìn)一步控制IRF640開關(guān)管，進(jìn)而達(dá)到恒流輸出的目的，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 電源變換器主回路電路設(shè)計(jì)

電路中串聯(lián)式開關(guān)可調(diào)穩(wěn)壓電源采用IRF640作為調(diào)整管。IRF640屬于Vishay的第三代Power MOSFETS，具有轉(zhuǎn)換快速、堅(jiān)固耐用、低導(dǎo)通阻抗和高效益等特點(diǎn)。基準(zhǔn)電壓芯片采用TL431，它是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。電源變換主回路電路圖如圖2所示。

降壓部分電路采用專用于DC－DC變換器控制的MC34063芯片，獲取直流12V和5V分別供給集成運(yùn)放和單片機(jī)。MC34063芯片能使用最少的外接元件構(gòu)成降壓式變換器，使用及其方便，電路圖如圖3所示。

2.2 恒流源主電路設(shè)計(jì)

恒流源電路原理如圖4所示，主要通過對(duì)功率主要通過對(duì)功率調(diào)整管的電壓控制實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源電流的控制[3]。恒流源主電路主要完成模擬信號(hào)的采樣并接收單片送來的控制信號(hào)，從而達(dá)到恒流的目的。

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

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(gè)環(huán)節(jié)的變化與轉(zhuǎn)換狀態(tài)[4]。控制電路選用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，通過鍵盤預(yù)置電流值，并輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)給 D/A轉(zhuǎn)換器, D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)送到運(yùn)算放大器，控制主電路電流大小[5]。電路選用LCD12864液晶模塊作為顯示器，系統(tǒng)鍵盤采用獨(dú)立式鍵盤，設(shè)置了四個(gè)功能鍵，分別為設(shè)置鍵、電流增加、電流減小和預(yù)留鍵。A/D采集電路選用10位串行AD轉(zhuǎn)換器TLC1549。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路則選用DAC8512芯片。具體控制電路如圖5所示。

圖2 電源變換主回路電路

圖3 降壓電路原理圖

圖4 恒流源主電路原理圖

2.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過流保護(hù)電路并不是單獨(dú)設(shè)計(jì)的，而是整合在由IRF640構(gòu)成的串聯(lián)型開關(guān)電源電路中。當(dāng)輸出電流高于額定值時(shí)，保護(hù)電阻R4上的電壓降增加使得保護(hù)管Q2導(dǎo)通，而使得IRF640斷開；當(dāng)再次檢測(cè)到負(fù)載電流降低到設(shè)定的電流以下時(shí)，保護(hù)電阻R4上的電壓降下降使得保護(hù)管Q2截止，而使得IRF640工作，重新將恒壓模式切換為恒流模式，達(dá)到過流保護(hù)的目的。

圖5 單片機(jī)控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)總體說明

本系統(tǒng)完成硬件電路設(shè)計(jì)后，需要軟件的支持才能完成其相關(guān)功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)軟件部分程序采用C語(yǔ)言編寫，主要包括主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序、A/D及D/A子程序、誤差修正等。

3.2 系統(tǒng)流程圖

在本系統(tǒng)中，LED恒流源驅(qū)動(dòng)電流的采集、控制、調(diào)整及顯示均通過軟件來完成。系統(tǒng)初始化之后，送電流控制初值，通過采樣電路及A/D電路測(cè)量出輸出電流值并在顯示器上顯示。系統(tǒng)設(shè)置的獨(dú)立式按鍵配合鍵盤掃描子程序判斷電路是否有鍵按下而進(jìn)入電流調(diào)整設(shè)置狀態(tài)并改變輸出電流。若電路進(jìn)入電流調(diào)整設(shè)置狀態(tài)，則通過兩個(gè)按鍵進(jìn)行增大電流和減小電流操作，并可以設(shè)定電流調(diào)整步進(jìn)值。總體設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.3 軟件編程注意事項(xiàng)及技巧

軟件部分設(shè)計(jì)時(shí)遵循了模塊化設(shè)計(jì)思路，編好各個(gè)模塊子程序，再組合成整個(gè)程序。為了消除硬件電路干擾帶來的數(shù)據(jù)誤差，在軟件設(shè)計(jì)上通過多次測(cè)量取平均值、分段線性擬合及近似處理等方式進(jìn)行軟件修正，使誤差范圍、控制精度等達(dá)到要求。所有子程序用到的端口，全部用宏定義在程序頂部說明以便日后方便全局調(diào)用。關(guān)鍵數(shù)據(jù)盡量定義為全局變量，因?yàn)閷?shí)踐發(fā)現(xiàn)，在非全局變量情況下，進(jìn)行某些復(fù)雜運(yùn)算時(shí)，數(shù)據(jù)可能發(fā)生突變，影響結(jié)果。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

準(zhǔn)備系統(tǒng)測(cè)試所需的儀器及工具：示波器、萬用表、電流表、功率因數(shù)表、調(diào)壓器等進(jìn)行測(cè)試得到以下結(jié)果。

（1）電流步進(jìn)調(diào)整、電流控制精度、波紋電壓峰峰值數(shù)據(jù)測(cè)試。

10個(gè)LED負(fù)載接通情況下，設(shè)定輸出電流初始值為150mA，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)后通過按鍵進(jìn)行輸出電流調(diào)整，系統(tǒng)設(shè)定的電流調(diào)整步進(jìn)值為2mA，部分測(cè)試數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 電路步進(jìn)調(diào)整數(shù)據(jù)測(cè)試

經(jīng)過計(jì)算，電流控制精度平均值為0.23%，測(cè)得電路波紋電壓峰峰值為0.8V。

（2）U2在32V～40V范圍內(nèi)變化時(shí)，IO變化測(cè)試。

調(diào)壓器初級(jí)連接220V交流電源，次級(jí)接工頻隔離變壓器初級(jí)。電路連接完畢，調(diào)整調(diào)壓器電壓旋鈕，使U2輸出為32V，此時(shí)記錄IO電流值。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器旋鈕，使其在30V～40之間逐漸增大，步進(jìn)為1V，依次記錄IO電流值，如表2所示.

表2 U2變化時(shí)IO變化測(cè)試

（3）負(fù)載變化時(shí)IO變化測(cè)試。

設(shè)定U2=36V，IO設(shè)定為200mA，利用硬件電路設(shè)計(jì)的短路節(jié)點(diǎn)使負(fù)載由2個(gè)LED增加至10個(gè)，依次記錄IO電流值如表3所示：

表3 負(fù)載變化時(shí)IO變化測(cè)試

（4）電源效率測(cè)試。

在工頻隔離變壓器次級(jí)串接電流表，測(cè)得電流值I2= 420mA ，U2=36V，電源效率為：

（5）電流測(cè)量、顯示、測(cè)量精度測(cè)試。

電路通過LCD12864顯示電流值，測(cè)量精度小于1%；

（6）LED斷路監(jiān)測(cè)功能測(cè)試。

利用電路設(shè)計(jì)的短路和斷路功能斷開任意一個(gè)發(fā)光二極管，電路中其它LED發(fā)光管工作正常。

5 結(jié)論

從電路測(cè)試結(jié)果來看，本系統(tǒng)電路能夠較好完成恒流功能；從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，本系統(tǒng)電路控制精度高；從測(cè)試過程來看，系統(tǒng)電路穩(wěn)定可靠，長(zhǎng)時(shí)間工作無元件損壞，功能失效等現(xiàn)象發(fā)生，具有短路和斷路保護(hù)功能。

[1]蔣天堂．LED特性及驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展趨勢(shì)[J]．照明工程學(xué)報(bào),2011,(3)：59-60．

[2]張準(zhǔn)．大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(16)：164-165．

[3]田俊杰,董威,陳靜,等．基于場(chǎng)效應(yīng)管的恒流源設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)測(cè)試,2009,35(1)：118-121．

[4]郭鍵．一種基于MSP430 單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(19)：134-138．

[5]陳明杰,王向喬．一種高精度數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電源技術(shù),2008,24(2-1)：178-179．

馮春衛(wèi)（1982—），男，碩士，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)和研究工作。

閔衛(wèi)鋒（1978—），男，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)教學(xué)與研究工作。

雷娟（1983—），女，碩士，講師，主要研究從事電子與通信技術(shù)教學(xué)和研究工作。