袁孟，陳彥霖，梁青云

（廣東文理職業(yè)學院，廣東湛江，524400）

0 引言

現(xiàn)階段，我國絕大部分地區(qū)的用電方式為照明用電，而LED是高效能的照明設備產品，長期以來其設計與開發(fā)工作都是行業(yè)關注的重點我國專家學者在研究LED的過程中認為，LED驅動電源結構優(yōu)化設計將對延長LED照明燈壽命和優(yōu)化其結構性能起著關鍵性作用，因此，突破LED驅動電源設計瓶頸將會使LED照明產業(yè)迎來全新的發(fā)展機遇。在此條件下，本文對基于C51單片機的LED驅動電源的設計進行研究和分析，具備重要的理論意義和現(xiàn)實價值。

1 LED驅動分析

在LED半導體的制作過程中，LED驅動方式主要包括串聯(lián)連接和并聯(lián)連接兩大類，其中串聯(lián)連接能夠使每一個LED產品具備相同的功能，保證實際流過的電流相同，從而確保LED燈管的亮度較為均勻，但是它的缺點是：①所需要的電壓較高，需要升壓芯片；②如果一只LED斷路，會不影響其他LED的正常工作；③如果一只LED短路，如果是恒壓驅動，則余下的LED分配到的電壓會變大，進而可能導致LED損壞；如果使用恒流驅動，則不會影響整個LED電路的正常工作。并聯(lián)連接方式能夠使LED燈管的實際電壓值較低，但同樣它的缺點是：①由于每只LED 的正向壓降不一樣，導致每只LED 的亮度不同，除非進行單獨調節(jié)。②如果一只LED短路，則整個電路會短路，其余LED都不能正常工作。③如果一只LED斷路，如果使用恒流驅動，則分配到余下的LED的電流會變大，進而可能導致LED損壞；如果是恒壓驅動，則不會影響整個LED電路的正常工作?？偠灾徽摬捎么?lián)連接方式還是并聯(lián)連接方式，在驅動電流處于正常值的狀態(tài)下，任意LED燈管自身出現(xiàn)故障都將使其子電路處于斷路狀態(tài)，但并不影響其它LED正常點亮。當驅動器損害導致LED中的大電流沖擊燒毀產品時，LED內部結構之間的引線處于開路狀態(tài)，此時的驅動器處于損壞結構，不管何種聯(lián)系方式，均不能讓LED燈管正常點亮。總而言之，在使用LED燈管的過程中，應優(yōu)先選用串聯(lián)結構方式，由于LED燈管工作的特性有所不同，LED驅動器可分為交流驅動器和直流驅動器兩大類別，表1即為LED驅動器分類示意表。

表1 LED驅動器分類示意表

2 LED驅動電源設計

2.1 整體方案設計

本文將以C51系列的單片機作為其控制中心，對該單片機LED驅動電源結構進行設計優(yōu)化，圖1即為系統(tǒng)整體方案設計圖。

圖1 系統(tǒng)整體方案設計圖

2.2 控制電路設計

基于C51單片機的LED驅動電源控制電路設計主要包括整流濾波模塊設計、數(shù)模轉換采樣電路設計和功率因素校正模塊設計三大部分內容。通過以上內容控制電路需要實現(xiàn)以下五種功能：（1）控制正能量傳遞，無偏磁現(xiàn)象；（2）隔離輸入和輸出；（3）穩(wěn)定輸出電壓；（4）過載保護功能；（5）啟動時，限制脈沖寬度使其緩慢上升。其中，整流濾波模塊結構設計依托二極管理論知識，濾波模塊結構設計能夠用于LED驅動電源結構中的濾波整流，其四位數(shù)碼管顯示電路如圖2所示，4×4矩陣鍵盤電路如圖3所示。

圖2 四位數(shù)碼管顯示電路圖

圖3 4×4矩陣鍵盤電路圖

就功率因素校正模塊設計而言，該模塊主要是校正C51單片機的LED驅動電源設計中的功率因素，防止整個電源結構系統(tǒng)受到諧波干擾，設計時采用電流型控制器的功率因素校正芯片，其設計原理如圖4所示，數(shù)模轉換采樣電路結構設計圖如圖4所示。

圖4 設計原理圖

對于PWM占空比D1的計算，輸入電壓為12.5V，輸出電壓為24V。因此，可根據方程式（1）計算驅動功率的占空比D1：

為了得到電感器的平均電流ILA，令輸出的電流為1A，

根據方程式（4）計算電感器的平均電流為（單位為A）：

當設計電路在CCM模式下運行變流器時，感應線圈中的電流變化不得大于感應線圈平均流量的百分之五十。設計應計算感應線圈中百分之四十的最大電流變化（單位：a）：

因此，可計算出電感器的峰值電流（單位為A）：

由已知 XL6006 的開關頻率fs是180 kHz，則由方程式（3）計算轉換器的電感值（單位為μH）：

根據以上的電感的計算后分析得出的結果，本文中電路使用的是47μH，5A的電感器。

開關型功率變換器的電路形狀直接取決于工作狀態(tài)。通常，它根據實際使用需要和不同的性能決定應采用何種形式。這種形式的差異也直接導致需要引入不同的上游變壓器。

圖5 數(shù)模轉換采樣電路結構設計圖

(1)如果比較輸出，則使用全橋>推挽式>半橋式>正向式>反激式；(2)如果我們比較開關的數(shù)量，全橋是最多的；(3)以E133變壓器為例，在工作頻率為50kHz、溫升為500° C的條件下，全波到全波、橋式到全波、橋到橋的效率分別為0.99062、0.99205、0.9933336。

鑒于以上特點和設計要求，半橋變換器應用最為廣泛，電路結構簡單，開關元件少，使用功率范圍廣，因此最終采用半橋變換器作為主變換器。

2.3 軟件設計

基于C51單片機的LED驅動電源的軟件設計，主要包括LED驅動電源軟件部分相關程序的編寫，本文利用C語言在編譯平臺上進行程序編寫，進一步通過編譯后寫入單片機結構中，實現(xiàn)LED驅動電源在C51單片機上的軟件優(yōu)化過程，圖6即為該LED驅動電源軟件設計流程示意圖。由圖可知，開始時首先對定時器等的初始化進行設計，在LED驅動電源產生PWM驅動信號后，進一步通過周期數(shù)值控制將模擬信號轉化為數(shù)字信號，輸出與數(shù)字信號相符的電壓保護值和電流保護值，并將其與預設大小值相比，根據輸入值和預設大小值的對比，判斷PWM機動性和整個系統(tǒng)開關的實際運行狀態(tài)，再進一步通過C51單片機的LED驅動電源輸出電壓值與預定值的對比分析，以增大或減小PWM脈沖信號的方式實現(xiàn)對C51單片機的LED驅動電源的循環(huán)調節(jié)，從而使整個LED驅動電源系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 LED驅動電源軟件設計流程示意圖

3 系統(tǒng)測試與試驗

為進一步驗證基于C51單片機的LED驅動電源設計的合理性，依托上文的控制電路結構設計、硬件選型設計與軟件建構設計內容，制作簡易的涵蓋電路基本架構圖和元器件的操作系統(tǒng)，在實驗室控制變量的前提下對電路結構的設計效果進行量化分析。其中，LED電路連接采用串聯(lián)連接方式，接通電源后將其放置于某一大型散熱元器件上，測試時根據試驗目的調節(jié)設計電路系統(tǒng)的輸出電壓值和輸入電壓值，利用測試設備測得不同結構中輸入電壓的大小，計算電路結構在輸入和輸出之間的能量轉變，計算兩者之間的轉化效率，最后用表格記錄任意次的測量結果，表2即為電源轉換效率結果示意。

由表2可知，當設計電路的輸入電壓控制在11V左右時，驅動電源的真實轉換效率為87%；當輸入電壓值增加1V達到12V左右時，驅動電源的轉化效率為89%；再一次增加至13V時，電源的實際轉換效率為90%左右；增加至14V時，電源的轉換效率達到最大值91%。由此可知，本文所設計的基于C51單片機的LED驅動電源具備良好的轉換效率，進一步將該數(shù)值和開關的升壓比進行擬合，分析擬合曲線可知，升壓比和電源轉換效率成反比關系，當升壓比大致為1.4左右時，轉換效率為92%左右，當升壓比增加至1.5左右時，轉換效率降低至91%左右，當升壓比增加至2時，轉換效率進一步降低到87%左右。由此可知，在基于C51單片機的LED驅動系統(tǒng)中，要想使其驅動電源得到較高的轉化效率，必須控制升壓比參數(shù)在2以內。

表2 電源轉換效率結果

4 結論

本文通過對基于C51單片機的LED驅動電源的設計和研究，在對整個驅動電源進行設計的過程中，應加強對基于單片機整體框架結構的優(yōu)化設計，加強其控制電路結構設計和軟件程序編譯設計，同時亦應加強對設備器件的選擇，通過謹慎思考和計算，保證設計出的基于C51單片機的LED驅動電源架構符合預期標準，從而使LED參數(shù)性能得到大幅度提升。