付賢松 李圓圓 孔旭東 王 婷 郭娜娜 張嬌娜

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300387 2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津 300387 3.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

1 引言

在科技不斷發(fā)展、全球污染加劇的背景下，LED以其無污染、壽命長且光效高等優(yōu)點(diǎn)，在目前及未來照明領(lǐng)域都扮演非常重要的角色[1]。如今市場上大部分采用恒壓控制加限流電阻或基于專用 LED驅(qū)動(dòng)芯片的恒流驅(qū)動(dòng)器，一般只具有單一的或有限的幾檔電流值，通用性和可靠性不強(qiáng)，穩(wěn)定性及精度差，并且當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)器未能及時(shí)作出反應(yīng)，無法輸出恒定電流，這將嚴(yán)重影響LED 的壽命，所以研究LED 恒流驅(qū)動(dòng)器已成為該領(lǐng)域的焦點(diǎn)[2]。

目前恒流源已朝著數(shù)字化方向發(fā)展，從開關(guān)電源的發(fā)展來看，模擬電源芯片一直是開關(guān)電源的主流設(shè)計(jì)方案，由于數(shù)控電源起步晚，基于算法的數(shù)字控制技術(shù)的電源研究更是少之又少[3]。通過實(shí)驗(yàn)與研究發(fā)現(xiàn)，基于算法的數(shù)控恒流源與基于模擬芯片設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器相比，無論是從體積、成本還是性能參數(shù)考慮，都具有巨大的潛力，因此，在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)境下，研究高效節(jié)能的智能化恒流源驅(qū)動(dòng)電源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為突顯設(shè)計(jì)理念（節(jié)能、高穩(wěn)定度、智能無閃爍可調(diào)、恒流），充分發(fā)揮微處理器MSP430G2553的智能控制特點(diǎn)，本文把電源的智能化與LED 相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款基于 PID 算法的高精度智能可調(diào)DC-DC 恒流源。本文對其主要部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后做出樣機(jī)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

2 DC-DC 數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)指標(biāo)及整體電路框圖

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

DC-DC 數(shù)控恒流源的輸入直流電壓為0～50V；功率1～48W 可調(diào)；恒流輸出可調(diào)范圍0～2.4A；恒流源精度小于1%；效率大于90%；軟啟動(dòng)電路解決沖擊電流；安卓手機(jī)APP 和鍵盤實(shí)現(xiàn)智能無閃爍調(diào)光。

2.2 DC-DC 數(shù)控恒流源電路框圖

DC-DC 數(shù)控恒流電路由控制核心 MSP430-G2553 單片機(jī)、BUCK 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、霍爾電流傳感器、鍵盤輸入模塊、LCD 顯示模塊、調(diào)光模塊、軟啟動(dòng)電路和過流保護(hù)組成。圖1為DC-DC 恒流源框架圖。

圖1 DC-DC 恒流源框架圖Fig.1 The framework of DC-DC constant-current source

給系統(tǒng)加載一定直流電壓后，單片機(jī)MSP430-G2553 對其引腳進(jìn)行模式設(shè)置，并初始化PWM 模塊、定時(shí)器模塊，LCD 顯示模塊和鍵盤模塊，然后外部鍵盤設(shè)置程序運(yùn)行的目標(biāo)電流值，通過串行通信接口到達(dá)單片機(jī)，經(jīng)其內(nèi)部定時(shí)器中斷運(yùn)行數(shù)字PID 算法，不斷地調(diào)整輸出PWM 占空比，最終達(dá)到恒流輸出值，并顯示在LCD 顯示屏上，在該過程中，霍爾電流傳感器將反饋信息傳給單片機(jī)，如果該反饋信息經(jīng)內(nèi)部程序計(jì)算得到的電流值大于3A，則單片機(jī)立刻關(guān)斷LED 驅(qū)動(dòng)器部分，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)[3-6]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 微處理器MSP430G2553 的介紹

微處理器作為恒流源控制核心，直接決定恒流源電流、電壓在各個(gè)環(huán)節(jié)的變化與轉(zhuǎn)換狀態(tài)[5]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換器、I/O 接口及串行通信接口等，而MSP430G2553 單片機(jī)是TI 公司推出的混合信號微控制器，具有內(nèi)置的16 位的定時(shí)器、多達(dá)24 個(gè)支持觸摸感測的I/O 引腳、一個(gè)通用型的模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內(nèi)置通信能力和一個(gè)10 位模數(shù)（A/D）、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器。MSP430G2553 功能框圖如圖2 所示。

圖2 MSP430G2553 功能框圖Fig.2 The block diagram of MPS430G2553’s function

故MSP430G2553 能完全能滿足恒流源系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性、高精度及多任務(wù)性等要求，并且具有高的性價(jià)比和超低功耗的優(yōu)勢。

3.2 數(shù)控算法

本文采用數(shù)字PID 控制算法，PID 控制是根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制，通過參數(shù)整定來確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小[6]。PID 控制器是常見的反饋回路部件，這個(gè)控制器把收集的數(shù)據(jù)與參考值進(jìn)行比較，然后差別計(jì)算得新的輸入值。和其他控制運(yùn)算不同，PID 控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確及穩(wěn)定。

本系統(tǒng)數(shù)字PID 算法放在定時(shí)器中斷里執(zhí)行，保證定時(shí)輸出不被其他程序干擾。由于系統(tǒng)微處理器的時(shí)鐘為1MHz 和外部驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)時(shí)間為7μs，設(shè)計(jì)PWM 的頻率周期為8.3ms，定時(shí)器中斷時(shí)間為15ms，也就是1s 可執(zhí)行大約66 次數(shù)字PID 算法，故微處理器有足夠時(shí)間調(diào)整好電流參數(shù)。圖3為數(shù)字PID 算法流程圖。

單片機(jī)開始執(zhí)行PID 算法，此時(shí)內(nèi)部設(shè)定有系統(tǒng)初始值，然后外部的鍵盤模塊通過串行通信接口向單片機(jī)發(fā)出設(shè)置目標(biāo)電流值的指令，單片機(jī)控制程序開始運(yùn)行，運(yùn)用數(shù)字PID 算法比較檢測值與目標(biāo)值，如果反饋值與設(shè)定的目標(biāo)電流值不匹配，則繼續(xù)執(zhí)行數(shù)值PID 算法來調(diào)整輸出PWM 脈沖占空比，直到輸出目標(biāo)恒流值為止，同時(shí)，在該過程中，如果檢測到的電流值大于3A 或是存在沖擊電流，則與單片機(jī)I/O 接口相連的保護(hù)電路和軟啟動(dòng)電路將起作用。

圖3 數(shù)字PID 算法流程圖Fig.3 The flow chart of digital PID algorithm

3.3 反饋電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)用霍爾電流傳感器代替常用的反饋檢測電阻，圖4為該系統(tǒng)反饋電路原理圖。

圖4 反饋電路原理圖Fig.4 The principle diagram of the feedback circuit

該恒流源的反饋電路采用具有較高穩(wěn)定度和精度的ACS712 芯片，原邊電流會從芯片內(nèi)部流過，而芯片內(nèi)部的內(nèi)置路徑內(nèi)阻的阻值為1.2mΩ，所以當(dāng)大電流流經(jīng)它時(shí)所產(chǎn)生的功耗很小，且該原邊電流與副邊電路沒有接觸，當(dāng)電流流過時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)磁場，ACS712 根據(jù)磁場感應(yīng)出一個(gè)線性的電壓信號，經(jīng)內(nèi)部放大、濾波與斬波，輸出一個(gè)電壓信號。該反饋電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，測量直流電流的精度和線性度較高。

3.4 降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式

本系統(tǒng)電路拓?fù)涫歉鶕?jù)遲滯轉(zhuǎn)換器改進(jìn)而來的，圖5為遲滯轉(zhuǎn)換器改進(jìn)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。遲滯轉(zhuǎn)換器具有快速啟動(dòng)、低成本和高穩(wěn)定度的優(yōu)勢，它的關(guān)鍵特點(diǎn)是自振蕩，其頻率將隨輸入電壓、LED電流和驅(qū)動(dòng)LED 數(shù)量的變化而變化，而且經(jīng)常運(yùn)行在連續(xù)模式下，這就意味著：①遲滯轉(zhuǎn)換器無限續(xù)流，嚴(yán)重增加功耗，且無法關(guān)斷；②MOS 管的驅(qū)動(dòng)源占空比與頻率不斷改變，使檢測電阻出現(xiàn)阻抗不匹配問題，流經(jīng)檢測電阻和LED 的電流不一致，影響電路的電流精度；③當(dāng)負(fù)載發(fā)生改變時(shí)，恒流電路不能正常工作[6]。

圖5 遲滯轉(zhuǎn)換器改進(jìn)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 The topological structure of the improved hysteresis converter

結(jié)合遲滯轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)對其進(jìn)行改良，去除芯片，增加一個(gè)MOS 管和一個(gè)肖特基二極管，在采用PID 算法控制輸出PWM 占空比和霍爾電流傳感器的情況下，提高驅(qū)動(dòng)器的精度及實(shí)時(shí)處理性。

3.5 線性可調(diào)光設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)線性調(diào)光設(shè)計(jì)通過安卓客戶端 APP 和單片機(jī)MSP430G2553 通信，來改變輸出電流實(shí)現(xiàn)線性數(shù)字調(diào)光。該恒流源具有人機(jī)交互界面，安卓手機(jī)界面上有四個(gè)按鍵：開燈、關(guān)燈、變量、變暗。安卓客戶端和單片機(jī)通過藍(lán)牙連接后，手機(jī)界面上的開關(guān)鍵可通過單片機(jī)程序控制恒流源的關(guān)斷，界面上的變亮、變暗鍵發(fā)出命令，單片機(jī)通過DIP 算法調(diào)整PWM 輸出改變占空比，使輸出電流在目標(biāo)電流值的基礎(chǔ)上增加或減小40%，從而調(diào)節(jié)輸出電流，實(shí)現(xiàn)手機(jī)無線通信調(diào)光控制[7]。與傳統(tǒng)的PWM調(diào)占空比的方式相比，具有線性度高，效果好，可靠性高等特點(diǎn)。圖6為安卓程序界面。

圖6 安卓程序界面Fig.6 The interface of Android APP

3.6 軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)開機(jī)通常具有沖擊電流和無法完全關(guān)閉電源的情況，因此本系統(tǒng)采用繼電器電路和1Ω的功率電阻構(gòu)成軟啟動(dòng)電路。繼電器由微處理器控制，當(dāng)單片機(jī)I/O為低電平時(shí)，繼電器的開關(guān)狀態(tài)構(gòu)不成導(dǎo)通回路；當(dāng)單片機(jī)I/O為高電平時(shí)，繼電器改變工作狀態(tài)構(gòu)成導(dǎo)通回路，對開機(jī)沖擊電流和無法關(guān)斷電路有很好的控制。

4 系統(tǒng)參數(shù)確定與樣機(jī)測試結(jié)果

4.1 BUCK 拓?fù)潆娐分须姼辛康倪x擇

已知額定工作電壓45V，此時(shí)的占空比為：

根據(jù)MOS 管手冊和單片機(jī)程序，得開關(guān)頻率：

從而MOS 管的導(dǎo)通時(shí)間為：

這里紋波系數(shù)r 取0.3，那么電感的電感量為：

由于用到PID 算法，需要留一定裕量，故電感量取10mH[8-10]。

4.2 整個(gè)系統(tǒng)樣機(jī)連接圖

各模塊具有各自特定的功能，將其組裝后得到如圖7 所示的樣機(jī)連接圖。

圖7 樣機(jī)連接圖Fig.7 The prototype connection diagram

4.3 系統(tǒng)測試結(jié)果

（1）直流輸入電壓與輸出電流的關(guān)系

在鍵盤上設(shè)定1 400mA 的目標(biāo)電流值，通過改變輸入電壓來觀察輸出電流的情況。圖8為直流輸入電壓與輸出電流的關(guān)系圖。

圖8 直流輸入電壓與輸出電流的關(guān)系圖Fig.8 The relationship between the DC input voltage and output current

從上圖觀察可得，當(dāng)目標(biāo)電流一定時(shí)，輸出電流幾乎不隨輸入電壓的變化而變化，故該系統(tǒng)可以達(dá)到恒流的目的，輸出穩(wěn)定度高。

（2）輸出電流與目標(biāo)電流值的對比

給該DC-DC 恒流源加載一定輸入電壓，在鍵盤上設(shè)置目標(biāo)電流值，經(jīng)微處理器控制后，將恒流源最終的輸出電流值顯示在LCD 顯示屏上。表1是輸出電流與目標(biāo)電流的對比。

表1 輸出電流與目標(biāo)電流的對比Tab.1 The comparison of the output current and the target current

觀察表1 數(shù)據(jù)可得，設(shè)置的目標(biāo)電流值與輸出電流值相差無幾，恒流源精度小于0.57%，所以本系統(tǒng)可通過鍵盤實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)光功能。

（3）安卓手機(jī)APP 智能調(diào)光

安卓手機(jī)界面有四個(gè)按鍵：開、關(guān)、變亮、變暗，通過按鍵控制恒流源的工作狀態(tài)，在恒流源45V輸入電壓，1 000mA 初始目標(biāo)電流值的情況下，利用安卓手機(jī)智能調(diào)光的結(jié)果見表2。

表2 手機(jī)智能調(diào)光結(jié)果Tab.2 The result of Mobile phone intelligent dimming

將表2 的數(shù)據(jù)與初始目標(biāo)電流值進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，通過安卓手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)40%的變亮、變暗操作，能很好的控制DC-DC 恒流源的開關(guān)狀態(tài)，且調(diào)光過程無閃爍。

（4）恒流源輸出電流與負(fù)載的關(guān)系

給DC-DC 恒流源輸入端加載恒定的45V 電壓，設(shè)置目標(biāo)電流值為1 000mA，觀察輸出電流隨負(fù)載的變化情況。圖9為輸出電流與負(fù)載的關(guān)系曲線。

圖9 輸出電流與負(fù)載的關(guān)系曲線Fig.9 The relationship between the output current and the load

觀察上圖曲線可知，當(dāng)輸入電壓與目標(biāo)電流值恒定時(shí)，系統(tǒng)輸出電流變化甚小，因此，該系統(tǒng)可在1～48W 范圍內(nèi)輸出電流穩(wěn)定，變負(fù)載恒流穩(wěn)定性小于0.5%。

（5）48W 負(fù)載時(shí)恒流源的效率

將48W 負(fù)載接入該恒流源系統(tǒng)，加載42V 的直流電壓，并在鍵盤上設(shè)置1 300mA 目標(biāo)恒流值，用4 個(gè)萬用表分別對其輸入電壓、電流，輸出電壓、電流進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖10 所示。

圖10 恒流源輸入輸出參數(shù)Fig.10 The input and output parameters of constant-current source

觀察上圖數(shù)據(jù)可明顯看出輸入輸出參數(shù)變化不大，也就是說該電路損耗小，根據(jù)電源效率等于輸出功率與輸入功率比值可得，該恒流源系統(tǒng)效率為92%。

5 結(jié)論

通過了解市場照明的需求，結(jié)合MSP430G2553設(shè)計(jì)了一種基于PID 算法可智能調(diào)光的DC-DC 恒流源系統(tǒng)，并制作樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：在輸入直流電壓為0～50V 的情況下效率高達(dá)92%；通過手機(jī)終端或鍵盤可實(shí)現(xiàn)1～48W 的智能無閃爍調(diào)光；恒流源可在0～2.4A 范圍內(nèi)恒流輸出，同時(shí)精度小于0.57%，且穩(wěn)定度高。在科技化、信息化且智能化的今天，智能控制型的高效可調(diào)驅(qū)動(dòng)將逐漸成為主流趨勢。

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