數字式LED驅動電源嵌入式設計研究

丁 犇

（佛山職業(yè)技術學院，廣東 佛山 528137）

引言

如今，數字式LED以壽命長、低消耗等優(yōu)勢，在家用電器中占據了重要的地位。數字式LED采用動態(tài)光進行調節(jié)，能夠更好地增強屏幕顯示效果。但是，在動態(tài)光調節(jié)之下，數字式LED驅動電源設計還存在一些問題，對電源的調節(jié)無法達到預期理想的效果。嵌入式系統(tǒng)，以穩(wěn)定性著稱，能夠有效調節(jié)系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件的靈活性，進一步提高數字式LED驅動電源的功能。因此，采用嵌入式系統(tǒng)來設計數字式LED驅動電源，能夠實現(xiàn)有效的調節(jié)效果和效率。

1 LED的概述

1.1 LED結構

LED是一種固體態(tài)的半導體，能夠直接將電能轉化成為光能，LED的核心是一個半導體晶體，晶體的一端附著在支架上，一端連接了電源的正極，一端連接了電源的負極，整個半導體晶體被絕緣體材料封裝了起來[1]。LED的結構主要是由電極、結晶片和光學系統(tǒng)所組成的。結晶片主要包括兩個部分，一部分是N型半導體，在這里面占據主導的是電子，另一部分是P型半導體，在這里面占據主導的是空穴。在電壓的作用下，LED開始工作，電能會從N型半導體區(qū)域注入P型半導體區(qū)域，但多數載電流和非平衡少數電流復合后，就會將電能轉化成為光能。

1.2 LED特性

LED結構性能的主要參數是I-V特性，LED的I-V特性具有單向導電性和非線性的特點。當LED的單向導電性向正面偏壓時，LED則會表現(xiàn)為低電阻的狀態(tài)，反之向反面偏壓時，LED則會表現(xiàn)為高電阻的狀態(tài)。但LED的正向電壓小于整體的閾值時，則LED的通電電流會更小，在此狀態(tài)下LED不提供照明。但是，當電壓超過整體閾值后，LED的電流會隨著電壓的增大而逐漸增大，LED會越來越亮。當LED正常發(fā)光時，電壓會有一個小幅度的波動，波動過程中會引起電流的變化，長時間的電流波動會導致LED處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，會影響到LED的使用壽命。但是，LED的I-V特性并不是固定的，會隨著LED溫度的變化而發(fā)生變化，溫度變化的同時，供電電流也會隨之發(fā)生變化，也會影響到LED的使用壽命。

1.3 LED照明特點

1）使用壽命長。LED燈使用壽命大約為10 000～50 000 h，是普通白熾燈的數倍，使用LED燈，能夠最大程度地減少更換燈具的頻率，減少更換成本。

2）發(fā)光效率高。LED是固態(tài)光源，在實際的發(fā)光過程中會將電能轉化成為光能，要知道LED照明燈的發(fā)光效率達到了50～2 00l m/W，而且耗電量更低[2]。

3）易調光控制。LED驅動電源可以采用可控硅調光、模擬調光以及脈寬調光等，能夠充分利用LED調光的特點，在不同的光照強度下選擇合適的光照，進一步降低LED燈的能耗。

4）綠色環(huán)保。LED燈不含鉛、氙和汞等有害元素，在使用過程中不會對環(huán)境造成污染。

2 數字式LED驅動電源嵌入式硬件結構設計

2.1 系統(tǒng)整體設計

在嵌入式系統(tǒng)下的LED驅動電源設計，如下頁圖1所示。在整體設計中，數字式LED主要是用A/D采集模塊來對相關數據進行整流、濾波以及采樣，對數字式LED驅動電源具有有效的過濾作用，這也是數字式LED驅動電源的重要組成結構[3]。驅動電路是實現(xiàn)數字式LED驅動電源調節(jié)控制的基礎，高性能的LED通過電源設計能夠實現(xiàn)較高驅動性能的設計。人體感應模塊能夠更好地提高LED燈對光的敏感性，實現(xiàn)智能調光功能。

圖1 LED驅動電源設計

2.2 A/D采集模塊設計

在數字式LED驅動電源設計中的A/D采集模塊中，濾波主要是去除直流電流中的交流波，從而有效輸出直流電的過程，整流主要是在數字式LED交流電中采集調節(jié)數據，從而將交流電轉化成為直流電的過程。濾波與整流相比較，濾波可以說是作為一種排除電力干擾的手段，能夠有效避免電源損傷，讓LED電路元件能夠維持正常的工作狀態(tài)[4]。在A/D采集模塊中，選擇濾波器能夠更好地調節(jié)LED濾波，對高頻干擾的衰減效果會更加強烈。在數字式LED驅動電源低通濾波器中，擁有輸入端口、輸出端口以及電源端，當出現(xiàn)干擾信號后，能夠有效阻止干擾信號通過。A/D采集模塊利用定時邏輯原理和控制原理，能夠將采集到的數據全部傳輸到驅動電路中。

2.3 驅動電路嵌入式設計

傳統(tǒng)的數字式LED驅動電源在作業(yè)過程中的功率較低，但是在實際應用過程中，只有將所有的物質都連接起來才能夠實現(xiàn)LED驅動電源的設計。因此,必須要通過特定的驅動電路，才能夠在動態(tài)光調節(jié)下顯示正常的數字式LED的功能，數字式LED驅動電源的嵌入式驅動電路如圖2所示。由驅動電路可以知道，所設計出來的驅動電路具有效率高、成本低的特點，能夠有效控制LED發(fā)光性能，驅動電路能夠容納150～250 V的輸入電壓，并且發(fā)光物質連接主要是以串聯(lián)和并聯(lián)的方式，A/D采集模塊會將數據輸入驅動電路。基于嵌入式的系統(tǒng)下數字式LED驅動電源可以實現(xiàn)嵌入式連接，驅動電路控制LED只有簡單的關閉和開啟，能夠實現(xiàn)對LED發(fā)光亮度的有效調節(jié)，更進一步增強LED光的調節(jié)效果。

圖2 驅動電路

2.4 人體感應模塊設計

為了提高數字式LED驅動電源調光系統(tǒng)的智能性，在嵌入式系統(tǒng)中設計了人體感應模塊，通過在一定范圍內感應信號情況，從而達到LED燈自動開啟和關閉的作用。人體感應模塊設計接入電池后，可以設置光敏控制，光電池的另外一個作用是在感應光照強度，也能夠自動調節(jié)燈光亮度，從而實現(xiàn)自動調光功能[5]。人體感應模塊的電路主要功能器件包括了紅外線傳感器、光敏原件等。在人體感應模塊中紅外線傳感器是一種集成電路信號處理器，配備了紅外線傳感器和外接原件，是一種可以與多種傳感器匹配的信號處理器，能夠有效抑制干擾，實現(xiàn)有效調節(jié)。

3 數字式LED驅動電源嵌入式系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)功能

在嵌入式數字式LED驅動電源系統(tǒng)的硬件設計完成后，系統(tǒng)的主要功能將由軟件來實現(xiàn)，因此，軟件的設計將直接決定系統(tǒng)的有效性。在硬件設計部分，嵌入式系統(tǒng)的硬件設計中搭建了LED驅動電路，而要實現(xiàn)調光功能，則需要根據光線強度來調節(jié)LED燈的亮度，從信號入手實現(xiàn)手動調節(jié)。系統(tǒng)軟件必須要具備以下功能：自動采集光照數據功能；接收無線遙控信號功能[6]；自動感應人體信號功能；采集光照和處理人體信號的功能；數據刷新功能，主要用于系統(tǒng)顯示屏的顯示；判斷決策功能，主要用于接收遙控執(zhí)行信號。

3.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)下的數字式LED驅動電源軟件設計主要是由C語言來進行開發(fā)的，C語言具有靈活性、功能強、轉化率高和容易簡便等優(yōu)勢。因此，在軟件設計中得到了廣泛的應用，在數字式LED驅動電源設計中，C語言開發(fā)的程序清晰，并且應用效果強大且良好，更有利于系統(tǒng)后期進行功能擴展，系統(tǒng)的軟件設計開發(fā)主要采用了仿真器等器件實施全面的設計操作。

3.3 光照數據采集模塊設計

在數字式LED驅動電源嵌入式設計系統(tǒng)中，光照數據采集模塊主要是用于處理光照數據，光照信號在經過合理轉換后形成電壓值[7]。光照數據采集模塊主要通過不同的通道，將數據從單端輸入轉變?yōu)殡p端輸入，并通過轉換通道，全面地放大模擬量和速度的倍數，從而實現(xiàn)對模擬量的有效驅動，在保持轉換完成后，還需要設定數字式信號，完成數據信號采集。

3.4 無線遙控模塊設計

無線遙控主要用于數字式LED驅動電源設計系統(tǒng)模式的調光調節(jié)，用戶能夠根據自身的需求來合理調節(jié)LED燈光的亮度。在無線遙控模塊中，通過單片機進行通信，無線遙控主要分為接受和發(fā)送兩個部分，無線模塊的主器件主要用于發(fā)送數據，無線模塊的從器件主要用于接收數據，在數據傳輸的過程中，才能夠將數據實現(xiàn)整合傳輸，在主器件和從器件傳輸數據時，能夠同時實現(xiàn)傳輸中斷，在無線遙控模塊中，自動調光模塊的光感應必須要進行手動調節(jié)，然后采取正確的信號實施功能調整。

4 系統(tǒng)測試

4.1 LED驅動模塊測試

數字式LED驅動電源的嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件都完成設計后，就需要對系統(tǒng)進行全面的測試，對于LED驅動模塊的設計，可以通過測試驅動效率和輸出特性來判斷。通過對不同規(guī)格的LED燈進行驅動，利用數字式LED驅動電源中的濾波將電壓進行有效的調整和測量，然后將輸出信號頻率進行調整，由此可測試數字式LED驅動電源的驅動性。以上測試結果可以證明，嵌入式的數字式LED驅動電源在調控下的驅動性能較強。

4.2 電池和人體感應模塊測試

電池和人體感應模塊在數字式LED驅動電源嵌入式系統(tǒng)中屬于自動調光模式，當切換到人體感應模式時，模塊中心能夠自動感應到紅外線信號，并將信號進一步傳輸給單片機，通過軟件設計后，檢測到了光感應中的紅外線信號，當信號離開人體后，感應模塊將不會感應到紅外線信號，會進一步將輸出電流拉低。經過反復測試，電池和人體感應模塊的靈敏感可以根據信號依次做出反應，且能夠實現(xiàn)智能調光功能，從而實現(xiàn)調光模式的設計。