智能LED照明驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

近年來，半導(dǎo)體光源正以新型固體光源的角色逐步進(jìn)入照明領(lǐng)域。按固體發(fā)光物理學(xué)原理，LED發(fā)光效率能接近100%，具有工作電壓低、耗電量小、響應(yīng)時間短、發(fā)光效率高、抗沖擊、使用壽命長、光色純、性能穩(wěn)定可靠及成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著LED價(jià)格的不斷降低，發(fā)光亮度的不斷提高，半導(dǎo)體光源在照明領(lǐng)域中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。LED的伏安特性與普通二極管的伏安特性相同，正向電壓的較小波動就會導(dǎo)致正向電流的急劇變化。LED正向電流的大小會隨環(huán)境溫度變化而改變，環(huán)境達(dá)到一定溫度，LED容許正向電流會急劇降低;在此情況下，如果仍舊通過大電流，容易造成LED老化，縮短使用壽命，因此LED在應(yīng)用過程中需要一個有恒溫、恒流控制的，具有可靠保護(hù)功能的LED驅(qū)動系統(tǒng)。本文介紹了一種智能LED驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2 LED模型

LED是低壓驅(qū)動的PN結(jié)光電半導(dǎo)體器件，其電壓與電流的關(guān)系可用式(1)表示。

q———電子電荷。

LED正向電壓超過閾值電壓之后，LED的正向電流隨正向電壓的增加迅速增大，電壓很小的波動，會引起電流較大變化。

LED的伏安特性具有非線性和單向?qū)щ娦?，在正向電壓小于某一值時，電流極小，不發(fā)光，當(dāng)正向電壓超過某一值后，正向電流隨著正向電壓的增加而迅速增加，LED的伏安特性模型可用式(2)表示。

LED簡化模型反映了LED的伏安特性，用于分析電路驅(qū)動電流對LED電氣特性的影響，以驗(yàn)證分析與設(shè)計(jì)的正確性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動系統(tǒng)的性能直接影響光源系統(tǒng)的工作壽命和工作穩(wěn)定性。本驅(qū)動系統(tǒng)主要由開關(guān)電源、恒流驅(qū)動電路、單片機(jī)恒流控制三大部分組成，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，以單片機(jī)控制為核心，通過負(fù)反饋調(diào)整輸出電流，從而完成亮度可調(diào)，是適合于多種LED燈具的智能驅(qū)動控制系統(tǒng)，使LED的性能得到改善和提高，解決了LED光源輸出穩(wěn)定性和可靠性問題。

3.1開關(guān)電源

LED照明只能采用直流供電，在AC220V供電情況下，首先要解決AC/DC轉(zhuǎn)換問題。開關(guān)電源有轉(zhuǎn)換效率高、小型輕量、輸入范圍寬、使用靈活節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源一般用半導(dǎo)體功率器件做開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)，在轉(zhuǎn)換時自動控制穩(wěn)定輸出，具有多種保護(hù)電路。

開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，220V交流電經(jīng)過低通濾波與橋式整流，得到一個未穩(wěn)壓的直流電壓，此直流電壓進(jìn)行有源功率因數(shù)校正，提高電源功率因數(shù)。直流電壓再經(jīng)過逆變器成為符合要求的高頻方波脈沖電壓，整流濾波后變成直流電壓輸出。輸出電壓經(jīng)分壓、采樣后，通過比較電路與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、誤差放大，通過脈寬調(diào)制達(dá)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度可調(diào)，脈沖寬度調(diào)制(PWM)是開關(guān)功率變換器中最常采用的方式。

3.2恒流驅(qū)動電路

恒流源在一定的電壓和溫度變化下，產(chǎn)生電流變化接近于零，具有恒定電流值和很高的動態(tài)輸出電阻。一般，恒流驅(qū)動電路用電子管、晶體管、恒流器件、集成電路、集成穩(wěn)壓器和其他元器件組成。為了適合LED燈具的應(yīng)用，恒流源不僅要有較高穩(wěn)定度和電流輸出準(zhǔn)確度，而且恒流驅(qū)動電路輸出電流設(shè)計(jì)為可調(diào)輸出。為了保證輸出電流的精度，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓，調(diào)節(jié)恒流源輸出電流，原理圖如圖4所示。

此恒流驅(qū)動電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中LED為負(fù)載，R6為采樣電阻。在本設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)恒流源控制，在運(yùn)算放大器的同相輸入端引入由單片機(jī)系統(tǒng)D/A輸出的可調(diào)電壓信號Vs，使其成為受控恒流源，也就是基準(zhǔn)電壓。在反向輸入端連接采樣電阻R6。運(yùn)算放大器工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，它配合功率MOS管通過反饋跟隨輸入基準(zhǔn)電壓Vs，功率MOS管與運(yùn)算放大器的基極相連，用來增加驅(qū)動電流。當(dāng)運(yùn)算放大器的同相端輸入電壓恒定時，由于負(fù)反饋的存在，保證了輸出電壓的恒定，從而使流經(jīng)LED負(fù)載的電流為恒定電流。恒流源的輸出電流直接取決于D/A的輸出電壓和采樣電阻R6的比值。由于反饋環(huán)節(jié)中使用了運(yùn)算放大器，反饋環(huán)路的環(huán)路增益加大，反饋深度加大，恒流驅(qū)動電路的輸出阻抗很大，滿足使用要求。

輸出電流與輸入控制電壓VS直接關(guān)系，運(yùn)放失調(diào)與VS對輸出電流有同樣的影響，因而輸出電流的穩(wěn)定性，取決于受控電壓VS的穩(wěn)定性及運(yùn)放的失調(diào)漂移，選擇高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓源作為控制電壓，并選用低漂移運(yùn)算放大器，是提高本電路輸出電流穩(wěn)定性的重要途徑。電路中采用的集成運(yùn)算放大器LM358，LM358內(nèi)部包括有兩個獨(dú)立的、高增益的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，具有高增益、失調(diào)電壓影響小的優(yōu)點(diǎn)。

3.3單片機(jī)恒流控制

為了得到穩(wěn)定的驅(qū)動電流，提高LED的光穩(wěn)定性。本系統(tǒng)通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的變化，來控制輸出電流的大小。本系統(tǒng)控制部分由單片機(jī)系統(tǒng)為核心，結(jié)合按鈕輸入和LED數(shù)字顯示，由A/D采樣電壓通過閉環(huán)反饋與輸入電壓相比較，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，最后由D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓，作為恒流源的基準(zhǔn)輸入電壓。

3.3.1單片機(jī)硬件系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)主要有AT89C51、ADC0809、DAC0800、數(shù)碼管、按鈕等部分組成，單片機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖5所示。