基于LabVIEW的LED驅(qū)動系統(tǒng)研究

宋家勇，楊 晨

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

LED燈作為21世紀(jì)新一代的光源，被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活，具有環(huán)保、節(jié)能以及可應(yīng)用性良好等優(yōu)點[1]。許多國家都制訂相應(yīng)的計劃去推動LED研究，如我國的《國家半導(dǎo)體照明工程》，這使LED產(chǎn)業(yè)在全球得到快速的發(fā)展。驅(qū)動電路的穩(wěn)定性是影響LED性能的重要因素之一，較差的穩(wěn)定性會造成使用壽命縮短或亮度不恒定等一系列負面影響[2]。因此，對驅(qū)動電路的研究具有重要的經(jīng)濟意義。

1 相關(guān)背景

LED亮度的穩(wěn)定性受電流的影響較大，為保持亮度的穩(wěn)定一般選擇設(shè)計特定的連接方式或開發(fā)恒流源驅(qū)動器[3]。相比于特定的連接方式，設(shè)置恒流源驅(qū)動相對簡單并且適用于多種使用環(huán)境，因此許多學(xué)者圍繞恒流源驅(qū)動設(shè)計做了大量工作。2015年，付賢松等人針對LED驅(qū)動器的電流穩(wěn)定性差、可靠性低以及功耗高等固有問題，結(jié)合單片機與控制算法，設(shè)計了一款電流可調(diào)的高精度LED恒流驅(qū)動[4]。2016年，楊磊等人為使LED路燈根據(jù)外界環(huán)境自動調(diào)光，基于通信單元、Buck電路及單片機制作了一個LED路燈智能恒流源系統(tǒng)[5]。同年，景妍妍等人基于磁場耦合電能傳輸實現(xiàn)了無線LED驅(qū)動電路，可以提供1.5 A、1 A及0.5 A這3種輸出模式[6]。2020年，李宗平等人結(jié)合PWM芯片和斬波電路等設(shè)計一種雙反饋恒流源，以減小波紋電壓[7]。

因此，本文基于LabVIEW虛擬軟件設(shè)計一個恒流值靈活可調(diào)的動態(tài)LED驅(qū)動系統(tǒng)。使用LabVIEW軟件開發(fā)單片機的DAC驅(qū)動程序，并控制其DAC通道輸出預(yù)期電壓，然后使用該電壓為恒流源模塊提供控制邏輯，使其輸出相應(yīng)的恒流值，用以驅(qū)動LED。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

LED驅(qū)動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)整體由LabVIEW、恒流源模塊、ARM單片機及LED負載4個部分構(gòu)成。基于LabVIEW軟件開發(fā)ARM單片機的DAC驅(qū)動程序和輸出電壓控制程序，控制單片機的輸出邏輯電壓，恒流源模塊按照邏輯電壓的大小輸出相應(yīng)的恒流值，以驅(qū)動LED發(fā)光。

圖1 LED驅(qū)動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2.2 基于LABVIEW的DAC開發(fā)

基于LabVIEW軟件開發(fā)ARM單片機的DAC驅(qū)動程序，如圖2所示。

圖2 DAC驅(qū)動程序開發(fā)

LabVIEW是一種常用的虛擬儀器開發(fā)軟件，具有良好的人機交互頁面。其自帶大量的控件包，用戶只需要在前面板中放置控件并進行連接，就可以通過控件實時控制下位機[8-10]。本文采用LabVIEW集成的DAC驅(qū)動設(shè)計包，其設(shè)計簡易且本質(zhì)依然是對寄存器進行操作。同時，采用一個精度為8位的DAC轉(zhuǎn)換器，并且將其參考電壓標(biāo)定為3.3 V。為了精確的輸出邏輯電壓，設(shè)置轉(zhuǎn)換邏輯為：

2.3 恒流源電路設(shè)計

所采用的恒流源電路如圖3所示，它是一種由放大器（U1）和功率器件（Q1）組成的負反饋壓控式電路。

圖3 負反饋壓控式恒流源電路

由“虛短”可知，U1正負兩端的電壓的大小等于輸入電壓Vin，因此負載電阻（RL）上的電壓也為Vin。由“虛斷”可知，U1兩端無電流流通，流過LED的電流（ILED）為：

為了確定電路模塊設(shè)計的正確性，對其恒流特性和輸入與輸出的響應(yīng)關(guān)系進行仿真驗證，結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，該電路恒流特性良好。當(dāng)負載電阻較小時，恒流值隨著負載電阻的改變而小幅變化，當(dāng)負載電阻超過其承受限制時，輸出的恒流值隨著負載電阻的增加急劇下降。從圖4（b）可以看出，輸出電流與控制電壓之間的線性程度良好，但是達到電路承受限制時，輸出電流不會隨著控制電壓的改變而變化。

圖4 電路性能

3 結(jié)論與分析

3.1 實例制作

基于仿真結(jié)果設(shè)計并制作電路，如圖5所示，設(shè)計15個電流通道用于LED的驅(qū)動。圖5（a）為實例焊接，使用散熱鋁片覆蓋功率器件表面，以確保其熱穩(wěn)定性，圖5（b）是其PCB設(shè)計，采用單面板兩層設(shè)計。為了方便散熱，將功率器件集中布置于中心。

圖5 電路制作

3.2 性能測試

使用LabVIEW軟件設(shè)置不同的控制電壓，對電路實例進行了5 min的測試，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，輸出的恒流值與控制電壓呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，恒流值隨著控制電壓的增加而增加，同時在整個測試時間內(nèi)，電流的穩(wěn)定性較好。

圖6 電路性能實測

4 結(jié) 論

本文基于負反饋壓控式恒流源電路模塊、LabVIEW軟件以及ARM單片機模塊等設(shè)計一種LED燈動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。使用LabVIEW軟件開發(fā)了ARM單片機的DAC驅(qū)動程序程序，基于負反饋壓控式恒流源電路設(shè)計了一種恒流模塊，并進行實例制作和性能測試。