基于單片機(jī)的LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

張全禹，孫培剛，盧振生，張煜麗，陳世杰

(綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江綏化 152061)

引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，環(huán)境問題越來越嚴(yán)重。為了改善環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展，國(guó)家各部門共同努力，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。2021 年9 月22 日，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》中指出，強(qiáng)化能源消費(fèi)強(qiáng)度和總量雙控，大幅提升能源利用效率[1]。現(xiàn)階段，我國(guó)大部分地區(qū)用電方式主要是照明用電。照明方式有傳統(tǒng)的白熾燈、節(jié)能型熒光燈和LED 照明三種[2]，其中LED 是高效節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，屬于綠色照明光源，各國(guó)專家學(xué)者特別重視節(jié)能產(chǎn)品的研究。近年來LED 產(chǎn)品得到了較大發(fā)展，但LED 驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)發(fā)展緩慢。LED 驅(qū)動(dòng)電源性能直接決定著LED 燈的壽命和性能[3]，因此，如果能夠進(jìn)一步優(yōu)化LED 驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)洌岣週ED 的使用壽命，提升能源的利用率，將會(huì)大大推動(dòng)LED 綠色照明產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。隨著開關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用和大規(guī)模集成電路的進(jìn)步，LED 驅(qū)動(dòng)電源的尺寸更小，效率更高。目前，LED 照明用的驅(qū)動(dòng)器大多數(shù)是不可編程IC，靈活性不高。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)代替不可編程IC 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同使用場(chǎng)合下的多功能控制功能。

1 LED 及LED 驅(qū)動(dòng)器分析

LED 是一種電流控制器件，它的工作電壓一般為DC 2-3 V，不能直接使用220 V 的交流市電。LED 驅(qū)動(dòng)電源是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路裝置[4]，在實(shí)際使用中，依據(jù)需求轉(zhuǎn)成恒流直流電，也可以轉(zhuǎn)成恒壓直流電。LED 驅(qū)動(dòng)方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種情況，各有優(yōu)缺點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)器分為交流驅(qū)動(dòng)和直流驅(qū)動(dòng)兩類，可見，應(yīng)用環(huán)境不同和用途多樣的情況下，LED 必須有匹配的驅(qū)動(dòng)器，才能正常工作[5]，在實(shí)際應(yīng)用中主要從轉(zhuǎn)換效率、有效功率、恒流精度、電源壽命，電磁兼容性等技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)LED 驅(qū)動(dòng)器[6]。如果LED 驅(qū)動(dòng)電源與LED 燈具不匹配，則LED 很容易出現(xiàn)故障，大大減少使用壽命。總而言之，LED 與LED 驅(qū)動(dòng)器必須完全匹配，才能真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

2 開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源原理圖見圖1[7]。輸入端為電網(wǎng)電壓，也就是常說的220 V 市電，經(jīng)過整流濾波電路后作為開關(guān)電路的輸入電壓，電路根據(jù)基準(zhǔn)參考量和采樣量之間的差值，控制脈沖的占空比，改變開關(guān)管的狀態(tài)，從而控制輸出。假設(shè)電網(wǎng)波動(dòng)，輸入量增加，則輸出量也將隨之增加，反饋電路采樣放大后由脈沖調(diào)制電路控制脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的控制，從而控制輸出量減小，達(dá)到控制電壓或電流穩(wěn)定輸出。LED 開關(guān)電源大多數(shù)是開關(guān)電源電路和反饋電路組成。反饋電路從負(fù)載采樣后，對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓或電流。

圖1 開關(guān)電源原理

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以BOOST 型升壓開關(guān)電路為研究對(duì)象，采用STC15 系列單片機(jī)為控制核心完成小功率LED驅(qū)動(dòng)器的方案設(shè)計(jì)，其目的是改善傳統(tǒng)IC 不可編程，靈活性不高的問題，為提高LED 的性能和多場(chǎng)合控制提供解決方案。該系統(tǒng)主要由按鍵電路、單片機(jī)、功率因數(shù)校正及變換電路、液晶顯示電路、為單片機(jī)控制電路提供能量的電源電路，采樣及AD 轉(zhuǎn)換電路等組成，總體設(shè)計(jì)框圖見圖2。單片機(jī)定時(shí)采樣輸出量，通過采樣電路取樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)分析和處理，經(jīng)單片機(jī)處理后改變PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，從而控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止時(shí)間。在本設(shè)計(jì)中，使用者可以根據(jù)需要設(shè)置期望的輸出量，單片機(jī)對(duì)實(shí)際輸出量與期望輸出量進(jìn)行比較計(jì)算，之后單片機(jī)產(chǎn)生改變占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制開關(guān)管輸出量的穩(wěn)定。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)方案

3.1.1 整流濾波電路

整流濾波電路（見圖3）是把工頻50 Hz 的220 V 交流電轉(zhuǎn)換為方向不變的直流電。該電路由1 個(gè)整流橋和1 個(gè)電解電容構(gòu)成。整流橋的作用是將交流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電，電容的作用是將脈動(dòng)的直流電變成相對(duì)平滑的直流電[8-9]。因?yàn)?20 V 交流電經(jīng)整流濾波后的直流電壓達(dá)到300 V 左右，考慮安全系數(shù)不低于1.5 倍，因此，本設(shè)計(jì)選擇600 V/2 A 的整流橋和450 V /4.7 uF 的鋁電解電容。

圖3 整流濾波電路

3.1.2 功率因數(shù)校正及變換電路

為了減少輸入電流的諧波對(duì)交流電網(wǎng)的污染問題和提高輸入功率因數(shù)，本研究采用了有源功率因數(shù)校正電路（APFC）。PFC 電路通常分為兩級(jí)PFC 和單級(jí)PFC。兩級(jí)PFC 具有THD 小、功率因數(shù)高、輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[10]，但帶來的問題是電路元件多、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加、體積也較大，不適合100 W 以下的功率應(yīng)用場(chǎng)合。單級(jí)PFC 電路簡(jiǎn)單、成本低，僅用到一個(gè)開關(guān)管及控制電路，適合小功率應(yīng)用場(chǎng)合。經(jīng)過以上分析，本設(shè)計(jì)采用單級(jí)PFC。如圖4 所示，PFC校正及變換電路包括PFC 部分和DC-DC 變換器兩部分。其中PFC 部分為左側(cè)的BOOST 升壓變換器，從圖上看，由L、C1、D1、D2、VD1 等元件構(gòu)成，前級(jí)整流濾波電路將220 V 市電轉(zhuǎn)換為紋波較小的高壓直流電，通過BOOST 型單級(jí)功率因數(shù)校正后，給高頻變壓器提供高壓能量；右側(cè)是反激式DC-DC 變換器，從圖上看，由T、D3、VD1、C2 等元件構(gòu)成。高頻變壓器在開關(guān)管的控制下進(jìn)行磁電能量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的直流低壓經(jīng)二極管D3 和電容C2 進(jìn)行整流濾波，輸出比較穩(wěn)定的直流電[11]。

圖4 功率因數(shù)校正及變換電路

3.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本研究采用STC15 系列單片機(jī)作為控制器，主要是用來產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；分析和計(jì)算采樣數(shù)據(jù)，在合理范圍內(nèi)控制PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，從而保證輸出值的穩(wěn)定；另外控制LCD1602 顯示電壓和電流。由于本次使用的是STC15F2K60S2 轉(zhuǎn)STC89C52 轉(zhuǎn)接板，因此最小系統(tǒng)參考STC89C52 單片機(jī)的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接[12]。STC15F2K60S2 單片機(jī)是1T 的，系統(tǒng)運(yùn)行速度比傳統(tǒng)8051 快7～12 倍。單片機(jī)最小系統(tǒng)參考電路見圖5。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.1.4 按鍵電路

本研究設(shè)計(jì)了3 個(gè)按鍵來完成對(duì)單片機(jī)的輸入指令，分別與單片機(jī)的P11、P12、P13 相連，主要完成設(shè)置輸出值的大小以及系統(tǒng)啟動(dòng)及停止等功能，其中K1 鍵實(shí)現(xiàn)加數(shù)功能，K2 鍵實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止功能，K3 鍵實(shí)現(xiàn)減數(shù)功能。其具體電路見圖6。

圖6 按鍵電路

3.1.5 液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)采用LCD1602 液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)顯示輸出電壓和電流。LCD1602 能夠顯示2 行，每行顯示16 個(gè)字符，滿足設(shè)計(jì)需求。該模塊有16 個(gè)引腳，其中1 和2腳為顯示屏的電源負(fù)極和正極；3 腳為屏幕對(duì)比度調(diào)整端，通過連接一個(gè)10 k 電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)整；4 腳為命令/數(shù)據(jù)選擇端，與單片機(jī)的P22 腳相連；5 腳為讀/寫數(shù)據(jù)端，與單片機(jī)的P21 腳相連；6 腳為使能端，與單片機(jī)的P20 腳相連；7～14 腳為雙向數(shù)據(jù)端，與單片機(jī)的P00～P07 相連；15 和16 腳是背光的正極和負(fù)極。液晶顯示電路見圖7。

圖7 液晶顯示電路原理

3.1.6 采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

為了穩(wěn)定輸出，需要對(duì)輸出進(jìn)行采樣，并將變化量反饋到前級(jí)，系統(tǒng)采用PI 控制實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定，也就是通過反饋來控制PWM信號(hào)的占空比，從而保證輸出電壓或電流的穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)采用了PCF8591 完成采樣及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路見圖8，其中SCL和SDA 分別與單片機(jī)P23 和P24 相連。模擬輸入通道AIN0 對(duì)輸出電壓信號(hào)采樣，模擬輸入通道AIN1 對(duì)輸出電流信號(hào)進(jìn)行采樣。這兩個(gè)信號(hào)分別模數(shù)轉(zhuǎn)化后送單片機(jī)進(jìn)行分析和計(jì)算，之后對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，繼而控制輸出穩(wěn)定。

圖8 采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

3.1.7 電源轉(zhuǎn)換接口電路

本電源電路是給單片機(jī)控制電路部分供電，包括單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器等。由于經(jīng)過高頻變壓器后經(jīng)整流濾波的電壓在22～24 V 左右，不能直接給單片機(jī)使用。本研究采用24 V 轉(zhuǎn)5 V DC-DC 電源模塊的輸出作為單片機(jī)控制電路的電源。該模塊尺寸小，輸入電壓為7～28 V，輸出電壓固定為5 V。電源轉(zhuǎn)換接口電路見圖9。

圖9 電源轉(zhuǎn)換接口電路

3.2 軟件設(shè)計(jì)方案

3.2.1 主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)C 語言編寫程序，主程序流程見圖10。首先系統(tǒng)初始化，之后單片機(jī)產(chǎn)生PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)開關(guān)功率管，經(jīng)直流變換輸出直流電壓，用戶通過按鍵輸入設(shè)定值，AD 采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與系統(tǒng)設(shè)定值比較，單片機(jī)分析和計(jì)算后，根據(jù)比較情況控制PWM脈寬增大或減小占空比，電源輸出保持穩(wěn)定，系統(tǒng)通過液晶顯示實(shí)際輸出值。

圖10 系統(tǒng)程序流程

3.2.2 按鍵子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用3 個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加、數(shù)據(jù)減和啟動(dòng)/停止功能。系統(tǒng)定時(shí)掃描，當(dāng)有按鍵按下后，執(zhí)行相應(yīng)功能。按鍵子程序流程見圖11。

圖11 按鍵程序流程

3.2.3 AD 轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)模擬通道AIN0 和AIN1，分別對(duì)輸出的電壓以及電流進(jìn)行進(jìn)行采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過IIC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信。系統(tǒng)采樣開始時(shí)，首先選擇采樣通道，通道0 為輸出電壓采樣，通道1 為輸出電流采樣。AD 轉(zhuǎn)換程序流程見圖12。

圖12 AD 轉(zhuǎn)換程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本設(shè)計(jì)選用VC890C+萬用表和1 組LED 燈珠完成了LED 點(diǎn)亮測(cè)試。本次測(cè)試的負(fù)載LED 燈珠為白色0.5 W，工作電壓為3.0～3.3 V。該組LED 燈珠為混聯(lián)方式，每2 個(gè)LED燈珠并聯(lián)，多個(gè)并聯(lián)LED 組再串聯(lián)。為防止測(cè)試中電壓過高燒壞LED，在電源負(fù)極串入一只510 歐姆的電阻。由于開關(guān)電源輸出的電壓最大為24 V，因此負(fù)載LED 的數(shù)量不能超過9 串。系統(tǒng)搭建好后，首先對(duì)電源輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，然后分別選擇2 并6 串、2 并8串和2 并9 串3 種情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。從表中數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)LED 燈組兩端電壓為2.6 V 及以上，LED 能夠正常發(fā)光，而且電源電壓不變時(shí)，輸出電壓和電流也比較穩(wěn)定；隨著電壓的升高，電流也會(huì)隨之增大，LED 的亮度也會(huì)增加，在實(shí)際應(yīng)用中電壓的變化很小，確保了輸出穩(wěn)定；如果使用2 并8 串和2并9 串的連接形式，那么可以去掉510 電阻，LED 燈組兩端的電壓會(huì)有升高，LED 的亮度也會(huì)增加。若更換其它功率LED 或其它顏色LED，仍需重新考慮LED 的連接方式。相同的連接方式，不同顏色LED 或不同功率LED，驅(qū)動(dòng)LED 的最大數(shù)量不相同；不同的連接方式，驅(qū)動(dòng)LED 的最大數(shù)量也不相同。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本研究通過對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)電源的研究，進(jìn)一步了解了數(shù)字控制技術(shù)在LED 驅(qū)動(dòng)電源上的應(yīng)用，利用單片機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)IC，將會(huì)使LED 的控制更加靈活方便。采用單級(jí)PFC 技術(shù)使輸入電流與輸入電壓基本同相，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的校正，改善了輸入電流的諧波對(duì)交流電網(wǎng)的污染問題。利用BOOST 變換器及反激式DC-DC 變換器完成了能量的傳輸、轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)了AC 220 V-DC 24 V 的有效變換。系統(tǒng)測(cè)試表明，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)LED 工作的基本功能，還有許多問題需要進(jìn)一步研究。總之，只有正確設(shè)計(jì)PFC和DC-DC 變換器，選用合適的單片機(jī)，才能有效控制LED 驅(qū)動(dòng)電源輸出穩(wěn)定。