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引言 隨著(zhù)LED 技術(shù)的不斷發(fā)展,推動(dòng)了白光LED 的問(wèn)世,照明產(chǎn)業(yè)開(kāi)始了綠色照明時(shí)代。由于LED 能耗少、熱輻射低、發(fā)光效率高,是一種節能、環(huán)保、經(jīng)濟、安全的新型照明器件,因此,加快技術(shù)研究并提高其發(fā)光效率成為當今首要問(wèn)題。大功率LED 要成為照明業(yè)的主體,其中安全、高效的驅動(dòng)研究是推廣應用大功率LED的關(guān)鍵。 1 大功率LED 工作特性 LED 是一種新型半導體固態(tài)冷光源,它是一種能夠將電能轉化為可見(jiàn)光的光電器件。一般來(lái)說(shuō), 大功率LED 的功率至少在1 W 以上,目前比較常見(jiàn)的有1 W、3 W、5 W、8 W和10 W;被稱(chēng)為“綠色光源”的LED ,正朝著(zhù)大電流(300 mA～1. 4 A) 、高效率(60～120 lm/ W) 、亮度可調的方向發(fā)展[1 ] 。 (1) 伏安特性 大功率LED 是低電壓、大電流的驅動(dòng)器件,當LED電壓變化很小時(shí),電流變化很大。當正向電壓超過(guò)某個(gè)閾值,即通常所說(shuō)的導通電壓之后,可近似認為, IF 與VF 成正比,如圖1 所示。 
(2) 光特性 根據LED 的發(fā)光原理,LED 的發(fā)光亮度基本隨LED的電流正向變化�？刂拼蠊β蔐ED 的發(fā)光亮度,實(shí)質(zhì)是控制它的輸出光通量。 (3) 溫度 LED 正向電流的大小也是隨溫度變化而變化的。環(huán)境溫度一旦超過(guò)某一值,白光LED 的容許正向電流會(huì )大幅度降低。在此情況下,如果仍舊施加大電流,很容易造成白光LED 老化。圖2 是LED 的溫度與正向電流關(guān)系曲線(xiàn)。
2 系統方案設計 光源系統的穩定性與驅動(dòng)電源有很大的關(guān)系,瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等許多因素都很容易對其造成損壞。驅動(dòng)電源的性能直接影響整個(gè)光源系統的工作壽命、穩定性等性能[ 2 ] 。大功率LED 所需的驅動(dòng)電源為直流的低電壓,所以傳統上用以驅動(dòng)燈泡(鎢絲) 、日光燈、節能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅動(dòng)大功率LED。根據以上大功率LED 特性,V F 的微小變化會(huì )引起較大的IF 變化;電流過(guò)強會(huì )引起LED 光的衰減,電流過(guò)弱會(huì )影響LED的發(fā)光強度;溫度升高時(shí)LED 的勢壘電勢降低,電流會(huì )越來(lái)越大。因此采用恒壓源驅動(dòng)不能保證LED 亮度的一致性,并且影響LED 的可靠性、壽命和光衰,故超高亮LED通常適宜采用恒流源驅動(dòng)。另外,要提高發(fā)光的效率,設計具有完善、可靠的保護功能的LED 驅動(dòng)系統,具備自動(dòng)控制與檢測的智能型LED 驅動(dòng)成為技術(shù)發(fā)展的必要途徑。本文采用硬件電路設計和軟件程序設計相結合的方法,以單片機為核心,通過(guò)負反饋調整輸出電流以達到穩定的目的,從而完成亮度可調的適合于多種大功率LED的智能驅動(dòng)系統,使系統的性能得到很大的改善和提高,有效地解決了光源輸出穩定性和可靠性的問(wèn)題。系統原理框圖如圖3 所示。
2. 1 可控恒流源 圖4 是系統中用到的恒流源電路。該電路屬于電流串聯(lián)負反饋的拓撲結構,由集成運放和MOS 管構成。為了實(shí)現可調恒流源控制,在運算放大器的同相輸入端引入由D/ A 輸出的可調電壓信號V in ,使其成為受控恒流源。在反向輸入端連接采樣電阻R。恒流源的輸出電流直接取決于D/ A 的輸出電壓和采樣電阻R1 的比值,用公式表示為[ 3 ]：
集成運放LM358 內部包括2 個(gè)獨立的、高增益的、內部頻率補償的運算放大器,具有高增益、失調電壓影響小、3～30 V 的寬電源電壓范圍,且可用作電壓跟隨器。運放配合MOSFET RF830 通過(guò)反饋跟隨輸入電壓V in ,功率MOSFET 的基極與運放的輸出級相連,用來(lái)增加驅動(dòng)電流。當LM358 的同相端輸入電壓恒定時(shí),由于負反饋的存在,保證了LM358 輸出電壓恒定,從而使流經(jīng)LED 負載的電流為恒定電流。本設計是在0～30 V 電源供電的條件下,調節電流源的輸入電壓V in 從0～2. 4 V 變化,控制恒流源電路得到0～2. 4 A 的電流輸出,由此可計算采 樣電阻的阻值應該為1 Ω來(lái)保證所需的恒流數值。 采樣電阻的選擇會(huì )直接影響恒流源的穩定度。當輸出電流達到一定程度時(shí), R 必然會(huì )發(fā)熱引起自身阻值的變化,這是影響恒流源輸出電流值精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。同時(shí),A/ D 轉換通過(guò)采樣R 上的電壓值為單片機進(jìn)行閉環(huán)控制提供數據,因本設計最大輸出電流為2. 4 A ,所以R 的功 率應足夠大。為此,采用了溫度系數比較小的康銅材料制作的阻值為1 Ω、功率為10 W的電阻。此外,MOSFET 是電壓控制型器件,穩態(tài)時(shí)其柵極所需控制電流IG 幾乎為0 ,不會(huì )影響輸出電流UD 的精度,從而保證了恒流源的輸出電流精度。對于電路中MOSFET 管也應選取大功率管以滿(mǎn)足電流的要求,本系統采用漏極電流達4. 5 A、耗散功率為74 W的N 溝道增強型MOSFET 管RF830 。 2. 2 自動(dòng)控制單元 上述可控恒流源的設計已滿(mǎn)足了電源的穩定輸出的要求,但電源的穩定只是光源穩定的必要條件。因為在電源穩定的情況下,光源輸出電流仍會(huì )在長(cháng)時(shí)間工作中出現波動(dòng)[ 4 ] 。系統中自動(dòng)控制模塊主要由鍵盤(pán)、LED 數字顯示、具有A/ D 和D/ A 控制等功能的單片機(C8051F040) 系統組成。其中4 個(gè)按鍵( S1～S4) 控制實(shí)現2 個(gè)功能,2個(gè)選擇鍵,2 個(gè)加減鍵。當LED 光源改變,LED 的電參數跟隨改變,所要求的恒流值也改變,通過(guò)選擇按鍵1 設定當前LED 的所需電流值;當固定LED 光源,控制其達到恒流工作情況時(shí),通過(guò)S2 可方便設定LED 發(fā)光亮度。系 統電路設計原理如圖5 所示。
此部分的主要功能是按給定電流值,提供調節輸出電流所需的精密電壓信號。首先采用鍵盤(pán)輸入方式設置給定電流值。根據單片機寫(xiě)入的數據經(jīng)過(guò)其內置的12 位D/ A 轉換輸出直流電壓提供給恒流源的輸入電壓V in 使其得到一個(gè)穩定的恒流輸出,再通過(guò)12 位A/ D 采樣將LED 輸出的電流數據送入單片機,通過(guò)單片機處理計算出控制電壓,根據實(shí)際的電流與設定電流的比較,向單片機寫(xiě)入新的數據,從而更新輸出電流,再反饋回可控恒流源電路,實(shí)現對恒流源輸出電流的精確調節,最后由數碼管分別顯示設定電流與輸出電流的數值。 C8051F040 作為控制系統的核心,其內置12 位A/ D、D/ A 轉換,以及內置的2. 4V 基準電壓,更加方便系統電路的設計[5 ] 。根據基準電壓,A/ D 輸出電流與D/ A 輸入的電壓范圍一一對應,用12 位A/ D 轉換所得電流精度可以達到0. 6 mA ,滿(mǎn)足設計要求。 3 系統軟件設計 軟件程序的設計主要包括初始化管理模塊、按鍵管理模塊、數據處理模塊和顯示模塊,所有模塊都用單片機C51 語(yǔ)言編寫(xiě)。根據硬件電路,整個(gè)單片機軟件部分主程序流程如圖6 所示。
在閉環(huán)比較運算中,通過(guò)比較實(shí)際值與設定值的差值逼近標準值。如果實(shí)際值大于設定值,則將原來(lái)D/ A的入口數值減去這個(gè)差值再送去D/ A轉換;如果實(shí)際值小于設定值,則把原來(lái)D/ A的入口數值加上這個(gè)差值再送去轉換。循環(huán)比較,使實(shí)際值和設定值相一致后通過(guò)數碼管把穩定的實(shí)際值顯示出來(lái)。 系統的性能指標主要由兩大關(guān)系所決定:設定值與A/ D 采樣顯示值的關(guān)系;內部測量值與實(shí)際測量值的關(guān)系。后者是由于取樣電阻與負載電阻和晶體管的放大倍數受溫度的影響和測量?jì)x表的誤差所造成的。為了減少這種誤差,一定要選用溫度系數低的電阻作采樣電阻;而A/ D 與D/ A 轉換過(guò)程的誤差可以通過(guò)多次實(shí)驗得出一定的比例關(guān)系,將所得的誤差加入系統程序中。 4 數據處理與結果分析 數據測試是反映系統性能的重要指標。本測試選用1 W、2 W、10 W的L ED ,依次加9 V、12 V、15 V 的電源電壓,通過(guò)按鍵設定所選功率L ED 對應的輸出電流值(1 W—0. 35 mA ,2 W—0. 70 mA ,10 W—1 A) ,分別檢測對應D/ A 轉換輸出電壓、電流源自身檢測到實(shí)際輸出電流值以及通過(guò)外部電流表測量的電流值和數碼管的2 個(gè)數據顯示值。其次針對2 W 的L ED 單獨進(jìn)行電流調節,以10 mA 的步進(jìn)遞增遞減,觀(guān)察其發(fā)光亮度的變化。相關(guān)數據如表1 、表2 所列。
從以上測試結果可以看出,該系統實(shí)現了由單片機C8051F040 控制的精密恒流源,保證了大功率LED 的交效穩定工作,對于不同功率LED 輸出電流滿(mǎn)足誤差精度在±3 mA 范圍內的要求。另外,在進(jìn)行亮度調節時(shí)可以看出,電流值小時(shí),輸出電流更接近給定電流;電流值較大時(shí),由于系統散熱性能不夠優(yōu)良導致恒流源電源性能下降,引起誤差增大。誤差存在的原因主要是采樣電阻制作誤差,同時(shí)系統工作時(shí)采樣電阻發(fā)熱,阻值變化也會(huì )引起誤差。但總的看來(lái),該系統具有較高的穩定性和精度。 結語(yǔ) 本系統通過(guò)單片機控制,有效地提高了光源輸出的電流穩定性。實(shí)現了數字化光源驅動(dòng)的智能控制,對大功率L ED 照明的發(fā)展具有很大的意義。在數據測試和調試方面,由于儀表存在誤差和電路器件因工作時(shí)間過(guò)長(cháng)溫度升高而產(chǎn)生的誤差,使得測量數據不是很精確,通過(guò)軟件設計盡可能減少誤差的存在,從而使輸出電流的誤差范圍減小到±2 mA ,大大提高了系統的精度。 參考文獻 [ 1 ] 何占偉,趙智霞,王志本. 大功率L ED 照明恒流驅動(dòng)電源的設計. [OL ] . [ 2009209203 ] . www. 21ic. com. [ 2 ] 張劍家,辛德勝,史全林,等. 改善連續半導體激光器驅動(dòng)源性能的研究[J ]. 長(cháng)春光學(xué)精密機械學(xué)院學(xué)報,2001 ,24(3) : 9212. [ 3 ] 劉潤,譚薇,程榮貴. 一種高精度數控直流源的設計[J ] . 現代電子技術(shù),2006 (7) . [4 ] 袁川,周德成,梅毅,等. 標準光源高穩定電源的設計[J ] . 中國照明電器,2006 (1) :24227. [ 5 ] 張培仁,孫力. 基于C 語(yǔ)言C8051F 系列微控制器原理與應用[M] . 北京:清華大學(xué)出版,2007. 作者：羅靜華(碩士研究生) ,主要研究方向為先進(jìn)控制技術(shù)與自動(dòng)監測系統。 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》2010年01期 |
