基于PID 算法的高精度LED 數控恒流驅動電源設計

付賢松，秦 坤

(1.天津市大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心(天津工業大學),天津 300387；2.天津工業大學電子與通信工程學院,天津 300387)

隨著工業化進程的發展及全球污染的加劇,鹵素燈、節能燈(CFL)和LED 燈等耗能小的照明產品已經逐漸取代白熾燈在照明領域的地位[1-4]。其中,LED 照明燈具以其無污染、自身壽命長、光效高等優點,已經在信號指示燈、汽車照明、景觀照明、裝飾照明和室內照明等領域廣泛應用[5-8]。而LED 驅動器的研制對推動LED 發展具有極其重要的意義。目前市場上大部分是采用恒壓控制加限流電阻或是基于專用LED 驅動芯片的恒流驅動器,此類驅動器雖能滿足基本功能需求且成本低,但不是真正意義的恒流源,當負載改變時,驅動器未能及時作出反應,無法實現恒流驅動,既影響了LED 的使用壽命,又限制了大功率LED 的發展[9-12]。目前,開關電源大多采用模擬芯片設計,隨著數字技術和開關電源的發展,數控電源得到了認可,基于算法的數控恒流源無論是體積成本還是性能參數,都具有巨大的優勢[13-14]。由于目前數字控制電源正在研發階段,還未實現大規模產品化,基于算法的數字控制技術的電源研究更少之又少。因此,研究高效節能的基于智能算法的LED 數控恒流驅動器具有重要的現實意義。

基于上述前提,通過分析LED 的電氣特性、數字PID 算法和微處理器智能控制開關電源等,設計并制作一款基于數字PID 算法的新型高精度可調光數控恒流源LED 驅動器,該驅動器不僅可以解決現階段恒流驅動器功率小、電流諧波大、電磁兼容不達標和可靠性差等問題,還可以通過無線智能控制,實現人機交互。

1 恒流源系統設計

為實現40 W LED 的驅動,選用數字PID(偏差的比例(P)、積分(I)和微分(I))控制算法,采用AC-DC 穩壓變換器和DC-DC 恒流變換器結合的兩級驅動方案。該系統具有效率高、易實現、成本低、可靠性高、線性度和精度高等優點。該系統采用的結構框圖如圖1 所示。

圖1 數控恒流源系統的結構框圖

2 AC-DC 穩壓電路

AC-DC 穩壓電路主要由輸入濾波整流電路、填谷式功率因數校正電路和基于TL431 的AC-DC 可調穩壓電路等構成。

2.1 填谷式PFC 電路

為解決由于開關器件的引入造成系統功率因數低和產生諧波污染造成電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)等問題,該系統采用結構簡單、成本較低的填谷式無源功率因數校正(PFC)電路,其原理圖如圖2 所示。

圖2 填谷式PFC 電路原理圖

該電路被置于橋式整流器輸出端,替代傳統的單個鋁電解電容器濾波,AC 輸入電流導通角由60°增加到120°左右,使電流波形得到修整,功率因數達到0.92～0.95,有效地解決EMI 和EMC 問題。

2.2 AC-DC 可調穩壓電路

本系統采用基于TL431 的可調功率穩壓模塊作為輔助輸入電源。當TL431 的輸入電壓增大時,其輸出電壓也會隨之增大,這時內部電路通過自身調整使通過自身的電流增大,引起限流電阻的壓降增大,使得輸出電壓減小,實現穩壓。AC-DC 功率可調穩壓電路如圖3 所示。

圖3 AC-DC 功率可調穩壓電路

3 DC-DC 數控恒流源電路

數控恒流源電路以微處理器MSP430G2553 為控制核心以及LED 降壓型(BUCK)拓撲結構、NMOSFET 驅動電路、霍爾電流傳感器的反饋電路、輸入模塊、顯示模塊等部分組成。

3.1 微處理器

為滿足該恒流源系統實時性、較高的采集精度、多任務性、可擴性、強抗干擾能力、高性價比和低功耗等要求。本恒流源系統選用TI 公司推出的超低功耗混合信號微控制器MSP430G2553 作為控制核心。該微處理器的引腳圖如圖4 所示。

圖4 MSP430G2553 微處理器引腳圖

3.2 BUCK 拓撲結構

為滿足LED 的驅動特點和應用要求,該系統采用降壓型電感電流持續導通模式作為拓撲。遲滯轉換器拓撲電路圖如圖5 所示。

圖5 遲滯轉換器拓撲電路圖

該轉換器用單片機加PID 算法控制輸出PWM占空比,用霍爾電流傳感器代替檢測電阻,MOS 管和肖特基二極管用來減小器件熱損耗,增加使用壽命。

3.3 N-MOSFET 驅動電路

該系統的MOSFET 驅動采用推挽驅動NMOS電路,該驅動電路具有良好的驅動能力,將MOS 與微處理器的支持觸摸感的IO 模塊隔離,使系統可靠性增大,電路原理圖如圖6 所示。

圖6 推挽驅動NMOS 電路圖

3.4 PID 控制算法

本設計采用數字PID 控制系統,是控制系統中最為廣泛的一種控制方式。即在每一個采樣周期內,傳感器將所測模擬量轉換成數字量輸入調節器,在調節器中與設定值進行比較計算得出偏差量,經過PID 運算得出本次的控制量,經執行器輸出完成本次的控制調節任務。將該控制系統置于定時器中,使定時輸出不被其他程序干擾。系統微處理器時鐘為1 MHz,外部驅動電路響應時間為7 μs,PWM 的頻率周期為8.3 ms,定時器中斷時間為15 ms,即1 s 內可執行約66 次數字PID 算法,有足夠的時間調整電流參數。該控制器簡單易實現、穩定性高且不需要精確的系統模型。

將以上模塊與霍爾電流傳感器的反饋電路、鍵盤輸入和LCD 顯示等模塊相連接,利用Eclipse 軟件編程,通過手機藍牙和WIFI 接受指令,利用小程序控制單片機進行開關和調光操作,實現人機交互。

4 樣機制作

4.1 器件選擇與參數確定

根據電路的設計要求,需考慮耐壓、過流、響應時間、開啟時間、成本等因素,綜合上述因素,選擇型號為IRF840 的MOSFET；為緩解MOS 和二極管的發熱狀況,采用雙續流回路,同時考慮到耐壓特性,選用型號為1N5822 的二極管；選用EI 型變壓器電感,容值為470 μF、耐壓值為50 V 的電解電容。

當額定工作電壓為45 V 時,此時占空比為:

開關頻率為:

MOS 管的開通時間:

電感量為:

4.2 樣機制作

連接上述各模塊,制作樣機如圖7 所示。

圖7 樣機連接圖

對該機進行測試,檢測各項參數是否符合要求。

5 分析

利用四位半電壓表(VC88D)、三位半電壓表(UT39A)、LED 驅動電源性能測試儀(LT-101A)、雙通道示波器(SS-7802A)和電子負載等儀器搭建測試平臺對該系統進行測試,記錄電流輸出范圍、電流調整率、負載調整率、電流波紋、最大功率、功率因數、效率等參數并對其進行分析,驗證該系統是否符合設計要求。

5.1 恒流源模塊的電流輸出范圍

對恒流源模塊進行的測試,其電流輸出結果見表1 所示。

表1 LED 為負載時恒流源輸出電流范圍

大功率LED 作為驅動電源負載時,其輸出電流變化范圍為0～3 A,可驅動不同功率的LED 陣列,基本符合恒流源驅動LED 負載的特點。

5.2 電流調整率SI

在輸入電流為1.4 A,負載為4 并4 串16 W 的LED 的條件下測試,系統的電流調整率如表2 所示。

表2 LED 為負載時恒流源電流調整率

5.3 負載調整率SR

在輸入電壓為45 V,輸出電流為1 A 的情況下,通過改變負載LED 功率,測試實際輸出電流和負載調整率。

表3 LED 為負載時恒流源負載調整率

5.4 其他參數

在輸入電壓為45 V,輸出電流為1.396 A 的測試條件下,負載為4 并12 串48 W 的LED 陣列,測得電流波紋約為0.001 A。

對負載為4 并12 串48 W LED 陣列進行測試,結果顯示:輸入電壓為41.9 V,輸入電流為1.29 A,輸出電壓為41.2 V,輸出電流為1.217 A,得出當前效率約為92%。

在電流為2.4 A 條件下,對負載為8 并12 串LED 陣列進行測試,結果顯示交流輸入電壓為224.5 V,輸入電流為0.748 A,輸出電壓為38.3 V,輸出電流為2.378 A,系統總功率為146.8 W,最大功率為96 W,功率因數為0.873。

測試結果表明:該系統可以驅動LED 陣列,實現恒流輸出、可調光和智能可控調光等功能。

6 總結

以TI 公司的微處理器MSP430G2553 為控制核心,提出一種基于數字PID 算法的高精度可調光智能數控恒流源系統的設計。該系統可以實現恒流輸出,驅動大功率白光LED,具有實時性高等特點。設計模塊并制作樣機,對樣機進行測試。測試結果表明:樣機系統可通過手機軟件實現對LED 燈具調光的控制,能實現軟啟動對系統電磁兼容進行整改,解決沖擊電流的影響,恒流驅動96 W 的LED 燈具,輸出功率在1 W～40 W 之內可調,電流調整率和負載調整率均小于1%,恒流源模塊效率達92%,系統效率因數達0.87,電流精度高,提高LED 的壽命。該系統可用于實際生產,為智能控制提供一種新型研發思路。