楊凌職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院 馮春衛(wèi) 閔衛(wèi)鋒 雷 娟

一種高精度數(shù)控L E D恒流驅(qū)動電源設(shè)計

楊凌職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院 馮春衛(wèi) 閔衛(wèi)鋒 雷 娟

設(shè)計的高精度數(shù)控LED恒流驅(qū)動電源以MC34063芯片作為降壓電路芯片，IRF640作為調(diào)整管，采用AT89S52單片機作為主控芯片。電路通過采樣、比較等過程實現(xiàn)了輸出電流在0～350mA范圍內(nèi)精確可調(diào)，電流步進值小于1mA，控制精度優(yōu)于0．5%，具備實時電流值顯示、過流保護等功能。

LED；高精度；數(shù)控；驅(qū)動電源

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展以及人們節(jié)能環(huán)保觀念的建立，LED照明逐步成為市場主角。與傳統(tǒng)的白幟燈相比，LED具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、相應(yīng)速度快、壽命長等諸多優(yōu)點[1]。未來市場，LED照明將占據(jù)市場主導(dǎo)地位[2]。

LED恒流驅(qū)動電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器。一般分為DC-DC型和AC-DC型。通常情況下，LED驅(qū)動電源的輸入包括高壓工頻交流、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流等。在使用LED照明設(shè)備時，之所以使用恒流源，主要是因為正向電壓的微小變化都可能引起輸出電流的較大變化，造成LED燒毀。LED恒流驅(qū)動電源電流的輸出則可隨LED正向壓降值變化而輸出穩(wěn)定電流。

1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

結(jié)合LED使用場景及控制要求，系統(tǒng)設(shè)計方案如下：220V市電經(jīng)工頻變壓器降壓為 36V交流，然后經(jīng)過橋式整流、電源濾波后，由場效應(yīng)管IRF604N構(gòu)成的串聯(lián)式開關(guān)可調(diào)穩(wěn)壓電源得到30V直流電壓，經(jīng)V/I變換產(chǎn)生穩(wěn)定恒定的電流給串聯(lián)在一起的10個LED 燈供電。在負載LED處進行電壓采樣，一路返回給單片機，由單片機產(chǎn)生的模擬電壓和另一路采集電壓進行比較，進一步控制IRF640開關(guān)管，進而達到恒流輸出的目的，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 電源變換器主回路電路設(shè)計

電路中串聯(lián)式開關(guān)可調(diào)穩(wěn)壓電源采用IRF640作為調(diào)整管。IRF640屬于Vishay的第三代Power MOSFETS，具有轉(zhuǎn)換快速、堅固耐用、低導(dǎo)通阻抗和高效益等特點?；鶞孰妷盒酒捎肨L431，它是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準電壓源。電源變換主回路電路圖如圖2所示。

降壓部分電路采用專用于DC－DC變換器控制的MC34063芯片，獲取直流12V和5V分別供給集成運放和單片機。MC34063芯片能使用最少的外接元件構(gòu)成降壓式變換器，使用及其方便，電路圖如圖3所示。

2.2 恒流源主電路設(shè)計

恒流源電路原理如圖4所示，主要通過對功率主要通過對功率調(diào)整管的電壓控制實現(xiàn)對恒流源電流的控制[3]。恒流源主電路主要完成模擬信號的采樣并接收單片送來的控制信號，從而達到恒流的目的。

2.3 控制電路設(shè)計

微處理器作為恒流源控制核心，直接決定恒流 源電流、電壓在各個環(huán)節(jié)的變化與轉(zhuǎn)換狀態(tài)[4]?？刂齐娐愤x用AT89S52單片機作為主控芯片，通過鍵盤預(yù)置電流值，并輸出相應(yīng)的數(shù)字信號給 D/A轉(zhuǎn)換器, D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號送到運算放大器，控制主電路電流大小[5]。電路選用LCD12864液晶模塊作為顯示器，系統(tǒng)鍵盤采用獨立式鍵盤，設(shè)置了四個功能鍵，分別為設(shè)置鍵、電流增加、電流減小和預(yù)留鍵。A/D采集電路選用10位串行AD轉(zhuǎn)換器TLC1549。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路則選用DAC8512芯片。具體控制電路如圖5所示。

圖2 電源變換主回路電路

圖3 降壓電路原理圖

圖4 恒流源主電路原理圖

2.4 保護電路設(shè)計

過流保護電路并不是單獨設(shè)計的，而是整合在由IRF640構(gòu)成的串聯(lián)型開關(guān)電源電路中。當輸出電流高于額定值時，保護電阻R4上的電壓降增加使得保護管Q2導(dǎo)通，而使得IRF640斷開；當再次檢測到負載電流降低到設(shè)定的電流以下時，保護電阻R4上的電壓降下降使得保護管Q2截止，而使得IRF640工作，重新將恒壓模式切換為恒流模式，達到過流保護的目的。

圖5 單片機控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計總體說明

本系統(tǒng)完成硬件電路設(shè)計后，需要軟件的支持才能完成其相關(guān)功能。根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)軟件部分程序采用C語言編寫，主要包括主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序、A/D及D/A子程序、誤差修正等。

3.2 系統(tǒng)流程圖

在本系統(tǒng)中，LED恒流源驅(qū)動電流的采集、控制、調(diào)整及顯示均通過軟件來完成。系統(tǒng)初始化之后，送電流控制初值，通過采樣電路及A/D電路測量出輸出電流值并在顯示器上顯示。系統(tǒng)設(shè)置的獨立式按鍵配合鍵盤掃描子程序判斷電路是否有鍵按下而進入電流調(diào)整設(shè)置狀態(tài)并改變輸出電流。若電路進入電流調(diào)整設(shè)置狀態(tài)，則通過兩個按鍵進行增大電流和減小電流操作，并可以設(shè)定電流調(diào)整步進值?？傮w設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.3 軟件編程注意事項及技巧

軟件部分設(shè)計時遵循了模塊化設(shè)計思路，編好各個模塊子程序，再組合成整個程序。為了消除硬件電路干擾帶來的數(shù)據(jù)誤差，在軟件設(shè)計上通過多次測量取平均值、分段線性擬合及近似處理等方式進行軟件修正，使誤差范圍、控制精度等達到要求。所有子程序用到的端口，全部用宏定義在程序頂部說明以便日后方便全局調(diào)用。關(guān)鍵數(shù)據(jù)盡量定義為全局變量，因為實踐發(fā)現(xiàn)，在非全局變量情況下，進行某些復(fù)雜運算時，數(shù)據(jù)可能發(fā)生突變，影響結(jié)果。

4 系統(tǒng)測試及分析

準備系統(tǒng)測試所需的儀器及工具：示波器、萬用表、電流表、功率因數(shù)表、調(diào)壓器等進行測試得到以下結(jié)果。

（1）電流步進調(diào)整、電流控制精度、波紋電壓峰峰值數(shù)據(jù)測試。

10個LED負載接通情況下，設(shè)定輸出電流初始值為150mA，進入設(shè)置狀態(tài)后通過按鍵進行輸出電流調(diào)整，系統(tǒng)設(shè)定的電流調(diào)整步進值為2mA，部分測試數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 電路步進調(diào)整數(shù)據(jù)測試

經(jīng)過計算，電流控制精度平均值為0.23%，測得電路波紋電壓峰峰值為0.8V。

（2）U2在32V～40V范圍內(nèi)變化時，IO變化測試。

調(diào)壓器初級連接220V交流電源，次級接工頻隔離變壓器初級。電路連接完畢，調(diào)整調(diào)壓器電壓旋鈕，使U2輸出為32V，此時記錄IO電流值。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器旋鈕，使其在30V～40之間逐漸增大，步進為1V，依次記錄IO電流值，如表2所示.

表2 U2變化時IO變化測試

（3）負載變化時IO變化測試。

設(shè)定U2=36V，IO設(shè)定為200mA，利用硬件電路設(shè)計的短路節(jié)點使負載由2個LED增加至10個，依次記錄IO電流值如表3所示：

表3 負載變化時IO變化測試

（4）電源效率測試。

在工頻隔離變壓器次級串接電流表，測得電流值I2= 420mA ，U2=36V，電源效率為：

（5）電流測量、顯示、測量精度測試。

電路通過LCD12864顯示電流值，測量精度小于1%；

（6）LED斷路監(jiān)測功能測試。

利用電路設(shè)計的短路和斷路功能斷開任意一個發(fā)光二極管，電路中其它LED發(fā)光管工作正常。

5 結(jié)論

從電路測試結(jié)果來看，本系統(tǒng)電路能夠較好完成恒流功能；從測試數(shù)據(jù)來看，本系統(tǒng)電路控制精度高；從測試過程來看，系統(tǒng)電路穩(wěn)定可靠，長時間工作無元件損壞，功能失效等現(xiàn)象發(fā)生，具有短路和斷路保護功能。

[1]蔣天堂．LED特性及驅(qū)動電源的發(fā)展趨勢[J]．照明工程學報,2011,(3)：59-60．

[2]張準．大功率LED恒流驅(qū)動電源設(shè)計[J]．現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(16)：164-165．

[3]田俊杰,董威,陳靜,等．基于場效應(yīng)管的恒流源設(shè)計[J]．中國測試,2009,35(1)：118-121．

[4]郭鍵．一種基于MSP430 單片機的開關(guān)電源設(shè)計[J]．電子設(shè)計工程,2012,20(19)：134-138．

[5]陳明杰,王向喬．一種高精度數(shù)控直流電流源的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．電源技術(shù),2008,24(2-1)：178-179．

馮春衛(wèi)（1982—），男，碩士，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學和研究工作。

閔衛(wèi)鋒（1978—），男，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)教學與研究工作。

雷娟（1983—），女，碩士，講師，主要研究從事電子與通信技術(shù)教學和研究工作。