付賢松，秦 坤

(1.天津市大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心(天津工業(yè)大學(xué)),天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與通信工程學(xué)院,天津 300387)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展及全球污染的加劇,鹵素?zé)?、?jié)能燈(CFL)和LED 燈等耗能小的照明產(chǎn)品已經(jīng)逐漸取代白熾燈在照明領(lǐng)域的地位[1-4]。其中,LED 照明燈具以其無污染、自身壽命長、光效高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在信號(hào)指示燈、汽車照明、景觀照明、裝飾照明和室內(nèi)照明等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[5-8]。而LED 驅(qū)動(dòng)器的研制對(duì)推動(dòng)LED 發(fā)展具有極其重要的意義。目前市場上大部分是采用恒壓控制加限流電阻或是基于專用LED 驅(qū)動(dòng)芯片的恒流驅(qū)動(dòng)器,此類驅(qū)動(dòng)器雖能滿足基本功能需求且成本低,但不是真正意義的恒流源,當(dāng)負(fù)載改變時(shí),驅(qū)動(dòng)器未能及時(shí)作出反應(yīng),無法實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng),既影響了LED 的使用壽命,又限制了大功率LED 的發(fā)展[9-12]。目前,開關(guān)電源大多采用模擬芯片設(shè)計(jì),隨著數(shù)字技術(shù)和開關(guān)電源的發(fā)展,數(shù)控電源得到了認(rèn)可,基于算法的數(shù)控恒流源無論是體積成本還是性能參數(shù),都具有巨大的優(yōu)勢[13-14]。由于目前數(shù)字控制電源正在研發(fā)階段,還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)品化,基于算法的數(shù)字控制技術(shù)的電源研究更少之又少。因此,研究高效節(jié)能的基于智能算法的LED 數(shù)控恒流驅(qū)動(dòng)器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于上述前提,通過分析LED 的電氣特性、數(shù)字PID 算法和微處理器智能控制開關(guān)電源等,設(shè)計(jì)并制作一款基于數(shù)字PID 算法的新型高精度可調(diào)光數(shù)控恒流源LED 驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器不僅可以解決現(xiàn)階段恒流驅(qū)動(dòng)器功率小、電流諧波大、電磁兼容不達(dá)標(biāo)和可靠性差等問題,還可以通過無線智能控制,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

1 恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)40 W LED 的驅(qū)動(dòng),選用數(shù)字PID(偏差的比例(P)、積分(I)和微分(I))控制算法,采用AC-DC 穩(wěn)壓變換器和DC-DC 恒流變換器結(jié)合的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)方案。該系統(tǒng)具有效率高、易實(shí)現(xiàn)、成本低、可靠性高、線性度和精度高等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 AC-DC 穩(wěn)壓電路

AC-DC 穩(wěn)壓電路主要由輸入濾波整流電路、填谷式功率因數(shù)校正電路和基于TL431 的AC-DC 可調(diào)穩(wěn)壓電路等構(gòu)成。

2.1 填谷式PFC 電路

為解決由于開關(guān)器件的引入造成系統(tǒng)功率因數(shù)低和產(chǎn)生諧波污染造成電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)等問題,該系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的填谷式無源功率因數(shù)校正(PFC)電路,其原理圖如圖2 所示。

圖2 填谷式PFC 電路原理圖

該電路被置于橋式整流器輸出端,替代傳統(tǒng)的單個(gè)鋁電解電容器濾波,AC 輸入電流導(dǎo)通角由60°增加到120°左右,使電流波形得到修整,功率因數(shù)達(dá)到0.92～0.95,有效地解決EMI 和EMC 問題。

2.2 AC-DC 可調(diào)穩(wěn)壓電路

本系統(tǒng)采用基于TL431 的可調(diào)功率穩(wěn)壓模塊作為輔助輸入電源。當(dāng)TL431 的輸入電壓增大時(shí),其輸出電壓也會(huì)隨之增大,這時(shí)內(nèi)部電路通過自身調(diào)整使通過自身的電流增大,引起限流電阻的壓降增大,使得輸出電壓減小,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。AC-DC 功率可調(diào)穩(wěn)壓電路如圖3 所示。

圖3 AC-DC 功率可調(diào)穩(wěn)壓電路

3 DC-DC 數(shù)控恒流源電路

數(shù)控恒流源電路以微處理器MSP430G2553 為控制核心以及LED 降壓型(BUCK)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、NMOSFET 驅(qū)動(dòng)電路、霍爾電流傳感器的反饋電路、輸入模塊、顯示模塊等部分組成。

3.1 微處理器

為滿足該恒流源系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、較高的采集精度、多任務(wù)性、可擴(kuò)性、強(qiáng)抗干擾能力、高性價(jià)比和低功耗等要求。本恒流源系統(tǒng)選用TI 公司推出的超低功耗混合信號(hào)微控制器MSP430G2553 作為控制核心。該微處理器的引腳圖如圖4 所示。

圖4 MSP430G2553 微處理器引腳圖

3.2 BUCK 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為滿足LED 的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)和應(yīng)用要求,該系統(tǒng)采用降壓型電感電流持續(xù)導(dǎo)通模式作為拓?fù)?。遲滯轉(zhuǎn)換器拓?fù)潆娐穲D如圖5 所示。

圖5 遲滯轉(zhuǎn)換器拓?fù)潆娐穲D

該轉(zhuǎn)換器用單片機(jī)加PID 算法控制輸出PWM占空比,用霍爾電流傳感器代替檢測電阻,MOS 管和肖特基二極管用來減小器件熱損耗,增加使用壽命。

3.3 N-MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路

該系統(tǒng)的MOSFET 驅(qū)動(dòng)采用推挽驅(qū)動(dòng)NMOS電路,該驅(qū)動(dòng)電路具有良好的驅(qū)動(dòng)能力,將MOS 與微處理器的支持觸摸感的IO 模塊隔離,使系統(tǒng)可靠性增大,電路原理圖如圖6 所示。

圖6 推挽驅(qū)動(dòng)NMOS 電路圖

3.4 PID 控制算法

本設(shè)計(jì)采用數(shù)字PID 控制系統(tǒng),是控制系統(tǒng)中最為廣泛的一種控制方式。即在每一個(gè)采樣周期內(nèi),傳感器將所測模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入調(diào)節(jié)器,在調(diào)節(jié)器中與設(shè)定值進(jìn)行比較計(jì)算得出偏差量,經(jīng)過PID 運(yùn)算得出本次的控制量,經(jīng)執(zhí)行器輸出完成本次的控制調(diào)節(jié)任務(wù)。將該控制系統(tǒng)置于定時(shí)器中,使定時(shí)輸出不被其他程序干擾。系統(tǒng)微處理器時(shí)鐘為1 MHz,外部驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)時(shí)間為7 μs,PWM 的頻率周期為8.3 ms,定時(shí)器中斷時(shí)間為15 ms,即1 s 內(nèi)可執(zhí)行約66 次數(shù)字PID 算法,有足夠的時(shí)間調(diào)整電流參數(shù)。該控制器簡單易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性高且不需要精確的系統(tǒng)模型。

將以上模塊與霍爾電流傳感器的反饋電路、鍵盤輸入和LCD 顯示等模塊相連接,利用Eclipse 軟件編程,通過手機(jī)藍(lán)牙和WIFI 接受指令,利用小程序控制單片機(jī)進(jìn)行開關(guān)和調(diào)光操作,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

4 樣機(jī)制作

4.1 器件選擇與參數(shù)確定

根據(jù)電路的設(shè)計(jì)要求,需考慮耐壓、過流、響應(yīng)時(shí)間、開啟時(shí)間、成本等因素,綜合上述因素,選擇型號(hào)為IRF840 的MOSFET；為緩解MOS 和二極管的發(fā)熱狀況,采用雙續(xù)流回路,同時(shí)考慮到耐壓特性,選用型號(hào)為1N5822 的二極管；選用EI 型變壓器電感,容值為470 μF、耐壓值為50 V 的電解電容。

當(dāng)額定工作電壓為45 V 時(shí),此時(shí)占空比為:

開關(guān)頻率為:

MOS 管的開通時(shí)間:

電感量為:

4.2 樣機(jī)制作

連接上述各模塊,制作樣機(jī)如圖7 所示。

圖7 樣機(jī)連接圖

對(duì)該機(jī)進(jìn)行測試,檢測各項(xiàng)參數(shù)是否符合要求。

5 分析

利用四位半電壓表(VC88D)、三位半電壓表(UT39A)、LED 驅(qū)動(dòng)電源性能測試儀(LT-101A)、雙通道示波器(SS-7802A)和電子負(fù)載等儀器搭建測試平臺(tái)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測試,記錄電流輸出范圍、電流調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、電流波紋、最大功率、功率因數(shù)、效率等參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行分析,驗(yàn)證該系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)要求。

5.1 恒流源模塊的電流輸出范圍

對(duì)恒流源模塊進(jìn)行的測試,其電流輸出結(jié)果見表1 所示。

表1 LED 為負(fù)載時(shí)恒流源輸出電流范圍

大功率LED 作為驅(qū)動(dòng)電源負(fù)載時(shí),其輸出電流變化范圍為0～3 A,可驅(qū)動(dòng)不同功率的LED 陣列,基本符合恒流源驅(qū)動(dòng)LED 負(fù)載的特點(diǎn)。

5.2 電流調(diào)整率SI

在輸入電流為1.4 A,負(fù)載為4 并4 串16 W 的LED 的條件下測試,系統(tǒng)的電流調(diào)整率如表2 所示。

表2 LED 為負(fù)載時(shí)恒流源電流調(diào)整率

5.3 負(fù)載調(diào)整率SR

在輸入電壓為45 V,輸出電流為1 A 的情況下,通過改變負(fù)載LED 功率,測試實(shí)際輸出電流和負(fù)載調(diào)整率。

表3 LED 為負(fù)載時(shí)恒流源負(fù)載調(diào)整率

5.4 其他參數(shù)

在輸入電壓為45 V,輸出電流為1.396 A 的測試條件下,負(fù)載為4 并12 串48 W 的LED 陣列,測得電流波紋約為0.001 A。

對(duì)負(fù)載為4 并12 串48 W LED 陣列進(jìn)行測試,結(jié)果顯示:輸入電壓為41.9 V,輸入電流為1.29 A,輸出電壓為41.2 V,輸出電流為1.217 A,得出當(dāng)前效率約為92%。

在電流為2.4 A 條件下,對(duì)負(fù)載為8 并12 串LED 陣列進(jìn)行測試,結(jié)果顯示交流輸入電壓為224.5 V,輸入電流為0.748 A,輸出電壓為38.3 V,輸出電流為2.378 A,系統(tǒng)總功率為146.8 W,最大功率為96 W,功率因數(shù)為0.873。

測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)LED 陣列,實(shí)現(xiàn)恒流輸出、可調(diào)光和智能可控調(diào)光等功能。

6 總結(jié)

以TI 公司的微處理器MSP430G2553 為控制核心,提出一種基于數(shù)字PID 算法的高精度可調(diào)光智能數(shù)控恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出,驅(qū)動(dòng)大功率白光LED,具有實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)模塊并制作樣機(jī),對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明:樣機(jī)系統(tǒng)可通過手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 燈具調(diào)光的控制,能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電磁兼容進(jìn)行整改,解決沖擊電流的影響,恒流驅(qū)動(dòng)96 W 的LED 燈具,輸出功率在1 W～40 W 之內(nèi)可調(diào),電流調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均小于1%,恒流源模塊效率達(dá)92%,系統(tǒng)效率因數(shù)達(dá)0.87,電流精度高,提高LED 的壽命。該系統(tǒng)可用于實(shí)際生產(chǎn),為智能控制提供一種新型研發(fā)思路。