王 麗 王曉東，2 黃國勇，2 吳建德，2 范玉剛，2

(昆明理工大學信息工程與自動化學院1，云南 昆明 650500;云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心2，云南 昆明 650500)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和交通建設步伐的逐步加快，隧道建設無論從數(shù)量上還是長度上都呈現(xiàn)出直線上升的趨勢。隧道的照明不同于普通公路的照明，其不僅需要在晚上照明，白天的照明控制更加復雜［1］。在當今世界能源緊缺、經(jīng)濟危機、環(huán)保壓力日益增加的情況下，如何在保證行車安全穩(wěn)定的前提下降低隧道的運營費用，是一個亟待解決的問題。

目前，隧道中主要使用的照明工具是熒光燈和高壓鈉燈。熒光燈閃動頻繁且含紅外線和紫外線以及重金屬汞，不環(huán)保;啟動時它需要高壓激活熒光粉，有一定的危險性;工作時其需要鎮(zhèn)流器和啟輝器相配合，功耗比較大且使用壽命不是很長。高壓鈉燈的噪聲大、溫升高;啟動時間長且啟動時要求電壓波動不能過大;同時，整體光效比較低，造成能源浪費。

LED燈的發(fā)光效率高，大約是55～80 lm/W;燈具效率(有效光效)高，只需要熒光燈一半的功率就可以達到相同的亮度;使用壽命長;不含汞，無污染;色溫范圍廣，顯色指數(shù)高且沒有紫外線輻射;調(diào)控方便，容易維護［2］。據(jù)統(tǒng)計，如果使用LED燈替代傳統(tǒng)的照明設備，全球的照明能耗可降低50%以上。

PWM調(diào)光技術(shù)利用了數(shù)字脈沖以及反復開關(guān)大功率LED驅(qū)動器的方式。它充分利用人眼的視覺殘留現(xiàn)象，高速率地進行零電流和滿幅度電流的切換，從而調(diào)節(jié)大功率LED的亮度。PWM脈沖占空比改變了LED的有效平均電流，可實現(xiàn)高達3000∶1的調(diào)光范圍。由于LED電流只有最大值和被關(guān)斷2種狀態(tài)，因此PWM調(diào)光技術(shù)能夠避免在電流變化時發(fā)生LED色譜偏移。為此，本文設計了一種基于PWM的恒流可控電路驅(qū)動大功率LED的調(diào)光系統(tǒng)。

1 方案設計

由LED的發(fā)光原理可知，LED的發(fā)光亮度基本會隨LED的電流變化而呈正向變化，控制大功率LED的發(fā)光亮度，實質(zhì)上就是控制其輸出光通量。被稱為“綠色光源”的LED，正朝著大電流、高效率、亮度可調(diào)的方向發(fā)展［3］。目前，使用比較多的 LED 驅(qū)動器［4］有線性驅(qū)動器和開關(guān)驅(qū)動器2種。

1.1 恒電壓源模式

恒電壓源模式［5］包括工頻變壓器線性穩(wěn)壓源和高頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓源2種。工頻變壓器線性穩(wěn)壓源由50 Hz工頻變壓器、整流器、濾波器和串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器組成。它的特點是實現(xiàn)電壓調(diào)整功能的器件始終在線性放大區(qū)工作。這種穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的動態(tài)響應特性，并且穩(wěn)壓效果較好，但同時也存在以下缺點:①輸入采用50 Hz工頻變壓器，體積龐大;②電壓調(diào)整器件(三極管)工作在線性放大區(qū)內(nèi)，損耗大，效率低;③過載能力差、溫升現(xiàn)象嚴重;④工頻電壓的波動也會導致LED燈發(fā)光亮度不穩(wěn)定。

高頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓源由高頻變壓器、整流濾波電路和過流保護電路組成。這種穩(wěn)壓電源具有體積小、功耗低、穩(wěn)壓范圍寬、安全可靠且對電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應性強的優(yōu)點，但是它的電源部分因工作在高電壓、大電流的工作環(huán)境中，往往導致設備的故障率較高、維修難度較大，且LED燈發(fā)光亮度也不穩(wěn)定。綜上可知，這2種穩(wěn)壓源均不適用于隧道照明節(jié)能。

1.2 恒電流源模式

恒電流源［6］模式的驅(qū)動電路大多采用集成運放負反饋的控制方法，其恒流源的調(diào)整管普遍采用MOS晶體管。這種穩(wěn)壓電源的優(yōu)點和高頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓源所具有的優(yōu)點相類似，但LED燈的發(fā)光亮度穩(wěn)定和輸出電流恒定是恒電流源模式所獨有的。

恒電流源控制電路可以自動限流，相比利用電阻達到的恒壓限流控制方法，其可以很方便地實現(xiàn)限流和過流保護。同時因為控制電路中沒有額外多加限流電阻，降低了電路損耗，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。恒電流源模式的控制電路符合大功率LED的伏安特性曲線，這就避免了由于電壓波動造成的電流波動，從根本上保證了大功率LED燈串聯(lián)時發(fā)光亮度的穩(wěn)定性。對于并聯(lián)方式的大功率LED燈，恒電流源模式尚不能確保其整個電路中LED燈發(fā)光亮度的一致性。針對這一情況，可以用多個恒電流源分別驅(qū)動各并聯(lián)分支的LED燈，并且要求各分支的LED燈特性相同，以解決并聯(lián)電路中發(fā)光亮度的一致性問題。

綜上所述，恒電流源模式在能量轉(zhuǎn)換效率、散熱、做功、發(fā)光亮度穩(wěn)定性、過壓過流過溫保護等方面都優(yōu)于恒電壓源模式。

2 LED調(diào)光系統(tǒng)的軟硬件設計

2.1 硬件部分的設計

本設計硬件部分［7－8］主要由控制電路PWM產(chǎn)生電路和LED供電電路2大部分組成，如圖1所示。

圖1 硬件部分設計Fig.1 Design of the hardware

PWM產(chǎn)生電路部分的PWM由STC12C5620AD單片機產(chǎn)生，STC12C5620AD內(nèi)置4路8位PWM模塊和8路10位A/D。由于MCU的I/O口驅(qū)動負載能力只有幾毫安，因此必須對MCU產(chǎn)生的PWM脈沖進行功率放大。

恒電流源驅(qū)動的主要難點在于如何使紋波減小。由分析可知，要使紋波盡可能變小，就需要運算放大器的電源以及輸入端信號穩(wěn)定。因此，本文采用獨立電源供電，以保證放大電路有穩(wěn)定的電源電壓，進而保證其輸出較小的紋波電流。

考慮到大功率LED的驅(qū)動電源和MCU的供電電源采用的不是同一個電源，為了避免LED驅(qū)動電源對控制部分產(chǎn)生干擾或其他影響，在對PWM放大后加入了高速光耦隔離放大電路，以保證輸出的PWM具有足夠的驅(qū)動功率和較強的外界抗干擾能力。本設計采用高速光耦TLP250。

電源部分由三部分組成，即 MCU供電電源、TLP250供電電源和大功率LED恒流驅(qū)動電路。

第一部分是MCU供電電源，用來為MCU供電。由于MCU的功耗低，在設計中采用LM7805加上散熱片可提供將近2 A的電流，從而組成線性電源，如圖2所示。

圖2 MCU 5V供電電源Fig.2 MCU 5V power supply

第二部分是TLP250供電電源。TLP250能提供的最大電流為1.5 A。考慮到每路PWM的獨立可靠工作性，該部分電源由4個LM7818構(gòu)成4個獨立的18 V電源，能穩(wěn)定持續(xù)地對4路PWM信號進行隔離放大，以驅(qū)動后級電路中的場效應管MOSFET。TLP250供電電源如圖3所示。

圖3 TLP250供電電源Fig.3 TLP250 power supply

第三部分是大功率LED恒流驅(qū)動電路。220 VAC通過單相橋式半控整流模塊輸出穩(wěn)定可調(diào)的直流，該模塊具有過壓過流保護引腳。開關(guān)電源主電路部分主要是由一個用PWM控制的MOSFET功率開關(guān)管構(gòu)成。此外，電路中加入了電流采樣部分電路，電流采樣部分電路的輸出端直接和MCU的A/D采樣端連接，通過MCU內(nèi)部的程序即可控制PWM脈沖的占空比，從而達到恒流控制的目的。同時，電路中也加入了過壓保護電路，當過壓保護電路檢測到輸出端電壓高于設定值時，立即輸出高電平封鎖整流模塊，使輸出電壓為0 V，從而達到過壓保護的目的。過壓保護電路采用純硬件電路實現(xiàn)，實時性好、穩(wěn)定性高，同時也減輕了MCU的負荷。大功率LED恒流驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 大功率LED恒流驅(qū)動電路Fig.4 Constant current drive circuit for large power LED

設計中加入了DS1302時鐘芯片，可實現(xiàn)對LED的分時控制。白天燈開到最大亮度，晚上則根據(jù)不同時段車流量的多少，對LED亮度進行調(diào)節(jié)。

2.2 軟件部分的設計

軟件部分設計［9－10］主要采用 C 語言編寫，通過Keil uvision4軟件實現(xiàn)程序的編寫，并利用STC ISP在線調(diào)試工具對程序進行調(diào)試。單片機的主程序流程圖如圖5所示。

單片機主要通過A/D采樣和時間的讀取進行控制。當MCU讀取A/D采樣值后，與程序中預先設定的值進行比較。如果采樣值偏大，則立即減小1%占空比的導通時間;如果采樣值偏小，則立即增大1%占空比的導通時間，即實現(xiàn)對MCU的PWM脈沖占空比的控制，從而達到輸出恒定電流控制LED亮度的目的。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

PWM占空比調(diào)節(jié)過程如圖6所示。

圖6 PWM占空比調(diào)節(jié)流程圖Fig.6 Flowchart of PWM duty cycle adjustment

3 試驗結(jié)果

本設計中，當負載為5個大功率LED時，更改程序中的PWM占空比，所得到的LED亮度和電流值如圖7所示。

圖7 不同占空比對應的LED亮度和電流Fig.7 Different duty cycle vs.LED brightness and current

當負載分別采用3、4、5個5 W大功率LED串聯(lián)時，系統(tǒng)能快速調(diào)整PWM占空比，使輸出電流調(diào)整至亮度最佳電流(1.45 A左右)。不同負載下PWM的占空比示意圖如圖8所示。

圖8 不同負載下PWM的占空比Fig.8 The PWM duty factors under different load

當改變系統(tǒng)的實時時鐘時，MCU可以快速根據(jù)已設定值改變PWM的輸出值，從而改變大功率LED的亮度。

4 結(jié)束語

本文在組成Buck型開關(guān)轉(zhuǎn)換的基礎上，設計了一種基于微控制器的大功率LED驅(qū)動電路。該電路可對電流進行采樣反饋，并對微控制器的PWM脈沖進行控制，以達到恒流輸出的目的，降低了開關(guān)損耗，效率高且輸出波形穩(wěn)定;只要簡單修改程序，就可以增加或者減少大功率LED的數(shù)量，抗干擾能力強;可以直接驅(qū)動LED發(fā)光，便于實際工程中的控制。該電路還能夠減小電源電壓波動和環(huán)境溫度等其他因素對輸出電流以及對LED參數(shù)離散性的影響，從而使電流保持恒定。

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