大功率LED智能化照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在綠色照明領(lǐng)域，既要體現(xiàn)節(jié)能，又要具備較高的光效，大功率LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)顯得越來越重要。針對(duì)大功率LED的特性，研究設(shè)計(jì)了適用于不同參數(shù)指標(biāo)的白光LED的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)C8051F040為核心，結(jié)合外圍電路，用數(shù)字控制技術(shù)代替模擬電路控制，對(duì)大功率LED的恒流驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行高精度控制，以及對(duì)LED亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)了多種大功率LED智能化照明。
關(guān)鍵詞：大功率LED；恒流驅(qū)動(dòng)；C8051F040；智能化照明

引言
    隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了白光LED的問世，照明產(chǎn)業(yè)開始了綠色照明時(shí)代。由于LED能耗少、熱輻射低、發(fā)光效率高，是一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、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(dāng)今首要問題。大功率LED要成為照明業(yè)的主體，其中安全、高效的驅(qū)動(dòng)研究是推廣應(yīng)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(dǎo)體固態(tài)冷光源，它是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的光電器件。一般來說，大功率LED的功率至少在1 w以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W；被稱為“綠色光源”的LED，正朝著大電流(300 mA～1．4 A)、高效率(60～120 lm／W)、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。
    (1)伏安特性
    大功率LED是低電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)器件，當(dāng)LED電壓變化很小時(shí)，電流變化很大。當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值，即通常所說的導(dǎo)通電壓之后，可近似認(rèn)為，IF與VF成正比，如圖1所示。

    (2)光特性
    根據(jù)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。控制大功率LED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。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與驅(qū)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(duì)其造成損壞。驅(qū)動(dòng)電源的性能直接影響整個(gè)光源系統(tǒng)的工作壽命、穩(wěn)定性等性能。大功率LED所需的驅(qū)動(dòng)電源為直流的低電壓，所以傳統(tǒng)上用以驅(qū)動(dòng)燈泡(鎢絲)、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅(qū)動(dòng)大功率LED。根據(jù)以上大功率IED特性，VF的微小變化會(huì)引起較大的IF變化；電流過強(qiáng)會(huì)引起LED光的衰減，電流過弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度；溫度升高時(shí)LED的勢(shì)壘電勢(shì)降低，電流會(huì)越來越大。因此采用恒壓源驅(qū)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(qū)動(dòng)。另外，要提高發(fā)光的效率，設(shè)計(jì)具有完善、可靠的保護(hù)功能的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具備自動(dòng)控制與檢測(cè)的智能型LED驅(qū)動(dòng)成為技術(shù)發(fā)展的必要途徑。本文采用硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，以單片機(jī)為核心，通過負(fù)反饋調(diào)整輸出電流以達(dá)到穩(wěn)定的目的，從而完成亮度可調(diào)的適合于多種大功率LED的智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使系統(tǒng)的性能得到很大的改善和提高，有效地解決了光源輸出穩(wěn)定性和可靠性的問題。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

2．1 可控恒流源
    圖4是系統(tǒng)中用到的恒流源電路。該電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由集成運(yùn)放和MOS管構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)恒流源控制，在運(yùn)算放大器的同相輸人端引入由D／A輸出的可調(diào)電壓信號(hào)Vin，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：Is=Vin／R。

    集成運(yùn)放了LM358內(nèi)部包括2個(gè)獨(dú)立的、高增益的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，具有高增益、失調(diào)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(yùn)放配合MOSFET RF830通過反饋跟隨輸入電壓Vin，功率MOSFET的基極與運(yùn)放的輸出級(jí)相連，用來增加驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)LM358的同相端輸入電壓恒定時(shí)，由于負(fù)反饋的存在，保證了LM358輸出電壓恒定，從而使流經(jīng)LED負(fù)載的電流為恒定電流。本設(shè)計(jì)是在0～30 V電源供電的條件下，調(diào)節(jié)電流源的輸入電壓Vin從O～2．4 V變化，控制恒流源電路得到O～2．4 A的電流輸出，由此可計(jì)算采樣電阻的阻值應(yīng)該為lΩQ來保證所需的恒流數(shù)值。
    采樣電阻的選擇會(huì)直接影響恒流源的穩(wěn)定度。當(dāng)輸出電流達(dá)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(zhuǎn)換通過采樣R上的電壓值為單片機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制提供數(shù)據(jù)，因本設(shè)計(jì)最大輸出電流為2．4 A，所以R的功率應(yīng)足夠大。為此，采用了溫度系數(shù)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(wěn)態(tài)時(shí)其柵極所需控制電流IG幾乎為O，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(duì)于電路中MOSFET管也應(yīng)選取大功率管以滿足電流的要求，本系統(tǒng)采用漏極電流達(dá)4．5 A、耗散功率為74 W的N溝道增強(qiáng)型MOSFET管RF830。
2．2 自動(dòng)控制單元
    上述可控恒流源的設(shè)計(jì)已滿足了電源的穩(wěn)定輸出的要求，但電源的穩(wěn)定只是光源穩(wěn)定的必要條件。因?yàn)樵陔娫捶€(wěn)定的情況下，光源輸出電流仍會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間工作中出現(xiàn)波動(dòng)。系統(tǒng)中自動(dòng)控制模塊主要由鍵盤、LED數(shù)字顯示、具有A／D和D／A控制等功能的單片機(jī)(C8051F040)系統(tǒng)組成。其中4個(gè)按鍵(S1～S4)控制實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能，2個(gè)選擇鍵，2個(gè)加減鍵。當(dāng)LED光源改變，LED的電參數(shù)跟隨改變，所要求的恒流值也改變，通過選擇按鍵1設(shè)定當(dāng)前LED的所需電流值；當(dāng)固定LED光源，控制其達(dá)到恒流丁作情況時(shí)，通過S2可方便設(shè)定LED發(fā)光亮度。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)輸出電流所需的精密電壓信號(hào)。首先采用鍵盤輸入方式設(shè)置給定電流值。根據(jù)單片機(jī)寫入的數(shù)據(jù)經(jīng)過其內(nèi)置的12位D／A轉(zhuǎn)換輸出直流電壓提供給恒流源的輸入電壓Vin使其得到一個(gè)穩(wěn)定的恒流輸出，再通過12位A／D采樣將LED輸出的電流數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，通過單片機(jī)處理計(jì)算出控制電壓，根據(jù)實(shí)際的電流與設(shè)定電流的比較，向單片機(jī)寫入新的數(shù)據(jù)，從而更新輸出電流，再反饋回可控恒流源電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源輸出電流的精確調(diào)節(jié)，最后由數(shù)碼管分別顯示設(shè)定電流與輸出電流的數(shù)值。
    C8051F040作為控制系統(tǒng)的核心，其內(nèi)置12位A／D、D／A轉(zhuǎn)換，以及內(nèi)置的2．4V基準(zhǔn)電壓，更加方便系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)基準(zhǔn)電壓，A／D輸出電流與D／A輸入的電壓范圍一一對(duì)應(yīng)，用12位A／D轉(zhuǎn)換所得電流精度可以達(dá)到O．6 mA，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件程序的設(shè)計(jì)主要包括初始化管理模塊、按鍵管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，所有模塊都用單片機(jī)C51語言編寫。根據(jù)硬件電路，整個(gè)單片機(jī)軟件部分主程序流程如圖6所示。

    在閉環(huán)比較運(yùn)算中，通過比較實(shí)際值與設(shè)定值的差值逼近標(biāo)準(zhǔn)值。如果實(shí)際值大于設(shè)定值，則將原來D／A的入口數(shù)值減去這個(gè)差值再送去D／A轉(zhuǎn)換；如果實(shí)際值小于設(shè)定值，則把原來D／A的入口數(shù)值加上這個(gè)差值再送去轉(zhuǎn)換。循環(huán)比較，使實(shí)際值和設(shè)定值相一致后通過數(shù)碼管把穩(wěn)定的實(shí)際值顯示出來。
    系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要由兩大關(guān)系所決定：設(shè)定值與A／D采樣顯示值的關(guān)系；內(nèi)部測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值的關(guān)系。后者是由于取樣電阻與負(fù)載電阻和晶體管的放大倍數(shù)受溫度的影響和測(cè)量?jī)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(shù)低的電阻作采樣電阻；而A／D與D／A轉(zhuǎn)換過程的誤差可以通過多次實(shí)驗(yàn)得出一定的比例關(guān)系，將所得的誤差加入系統(tǒng)程序中。

4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析
    數(shù)據(jù)測(cè)試是反映系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。本測(cè)試選用1 W、2 W、10 W的LED，依次加9 V、1 2 V、15 V的電源電壓，通過按鍵設(shè)定所選功率LED對(duì)應(yīng)的輸出電流值(1 W—O．35 mA，2 W—0．70 mA，lO W一1 A)，分別檢測(cè)對(duì)應(yīng)D／A轉(zhuǎn)換輸出電壓、電流源自身檢測(cè)到實(shí)際輸出電流值以及通過外部電流表測(cè)量的電流值和數(shù)碼管的2個(gè)數(shù)據(jù)顯示值。其次針對(duì)2 W的LED單獨(dú)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，以10 mA的步進(jìn)遞增遞減，觀察其發(fā)光亮度的變化。相關(guān)數(shù)據(jù)如表1、表2所列。

    從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由單片機(jī)C8051F040控制的精密恒流源，保證了大功率LED的交效穩(wěn)定工作，對(duì)于不同功率LED輸出電流滿足誤差精度在±3 mA范圍內(nèi)的要求。另外，在進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)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(tǒng)散熱性能不夠優(yōu)良導(dǎo)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(tǒng)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，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和精度。

結(jié)語
    本系統(tǒng)通過單片機(jī)控制，有效地提高了光源輸出的電流穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化光源驅(qū)動(dòng)的智能控制，對(duì)大功率LED照明的發(fā)展具有很大的意義。在數(shù)據(jù)測(cè)試和調(diào)試方面，由于儀表存在誤差和電路器件因工作時(shí)間過長(zhǎng)溫度升高而產(chǎn)生的誤差，使得測(cè)量數(shù)據(jù)不是很精確，通過軟件設(shè)計(jì)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(tǒng)的精度。