LED可控恒流源驱动系统设计方案 - 全文

　　摘要： 针对小功率LED 在现有照明系统中驱动方式存在的一些不足，设计了一种高效的驱动系统。本驱动系统以STC89C52 单片机作为核心控制器件，通过D/A 变换构成的数控单元，由运算V/I 转换电路构成电流闭环反馈控制系统。人机接口采用独立键盘及LCD 液晶显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。

　　LED作为第三代照明光源， 具有工作电压低， 耗电量小， 发光效率高、寿命长等优点。LED 是一个非线性器件， 当LED 导通时， 只要LED 上的电压发生微小变化，就会使电流过大导致LED 器件发热损坏。LED 的工作特性对其供电电源质量的依赖程度很大， 因此实现一个高质量的供电电源对提高LED 的照明质量、电能利用率、延长LED 的使用寿命有着重要的意义。供电电源的稳定性主要取决于LED 驱动电路设计， 恒流源驱动是最佳的LED 驱动方式， 采用恒流源驱动， LED 上流过的电流将不受电压、环境温度变化， 以及LED 参数离散性的影响， 从而能保持电流恒定， 充分发挥LED 的各种优良特性。目前广泛采用的恒流源有两种形式： 一种是线性电源改进型恒流源， 另一种是开关电源式恒流源。线性电源改进型恒流源的线性损耗大， 适用范围小； 开关电源式恒流源的可靠性较差， 适应范围小， 而且成本高。因此，经济实用、性能可靠的数控恒流源就得到了广泛的应用。本文针对小功率LED 在现有照明系统中驱动方式存在的一些不足， 设计了一种高效的驱动系统， 提出了一种相应的新型驱动系统。

　　1 LED 特性

　　1.1 LED 伏安特性

　　LED 伏安特性的数学模型可以表示为：

　　式中，V 是LED 启动电压；RS 表示伏安曲线斜率；IF 表示LED 正向电流；T 表示环境温度；△VF/△T 是LED 正向电压的温度系数，对于大多数LED 而言，它的典型值为-2V/℃。从LED 的数学模型看，在一定的环境温度条件下LED 在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED 电流的很大变化。

　　1.2 LED 温度特性

　　LED 正向电流的大小是随温度变化而变化的， 白光LED 的工作电流一般在200mA 左右，当环境温度一旦超过50℃，白光LED 的容许正向电流会幅度降低而达不到正常发光亮度所需的工作电流，在此情况下如果仍旧施加大电流，很容易使白光LED 老化。

　　1.3 LED 光学特性

　　光源的光通量是指单位时间内通过4π 立体角的可见光能量。白光LED 电流与光通量的关系如图1所示，随着电流的增加， LED 的光通量非线性增加，并逐渐趋于饱和。其原因主要是因为随着电流及时间的增大，大功率LED 内部温度上升，发生在P/N 结结区的载流子复合几率下降，造成LED 发光效率降低。

　　图1 LED 光通量与电流关系图

　　2 系统方案选择与比较

　　2.1 系统结构框图

　　系统结构框图如图2 所示。

　　图2 LED 可控恒流源驱动系统结构框图

　　2.2 核心控制器的选择

　　控制器采用目前比较通用的STC 系列单片机STC89C52， 一种带8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Falsh Programmableand Erasable Read Only Memory）的高性能8 位微处理器。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能8 位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC 的STC89C52 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

　　2.3 时钟功能模块的选择

　　方案1 采用DS1302 时钟芯片。 此芯片体积小、引脚少，操作起来非常方便。缺点是使用时需要外接备份电池和外部晶振，硬件线路较复杂，成本较高。

　　方案2 采用DS12C887 时钟芯片。此芯片，体积相对较大，内部集成有可充电锂电池，同时还集成32.768kHz 的标准晶振，可有效地保持时间的连续性，使用起来非常方便，但价格昂贵。

　　方案3 利用单片机（晶振11.0592M）的定时器设计时钟。时间显示在1602 液晶上，用独立键盘调节时钟的时、分、秒，并且可以设置定时。成本低，不需要在启用其他的芯片和外围电路，但程序较为复杂。

　　考虑到性价比的问题和电路优化问题，所以选用方案3。

　　2.4 恒流源模块选择

　　方案1 采用单片机产生PWM 信号，输出到达林顿管，经滤波器消除纹波，实现恒流源功能。采用PWM 脉冲方式来实现的恒流源可简化硬件电路，易于控制和调节，但是该方案精度难以保证，要适应本设计对精度的要求在技术上难度较高，且该方案很难适应电流调节范围大的应用需求，受纹波和稳定性等因素的限制，难以实现。

　　方案2 由运算V/I 转换电路构成恒流电路。运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的缺点。该方案可实现0~5V/0~500mA 的V/I 转换，且转换精度较高。若输入端由单片机配合数字电位器控制，还可很方便实现数控恒流源。

　　方案3 通过专门的恒流/恒压芯片LT1769 和简单的控制线路来实现压控电流源方案。这种恒压芯片具有集成度高，使用起来控制系统的软硬件都变得相对简单的优点。但缺点是方案实现不够灵活；由于该芯片精度不高，设备性能被局限在这种专用芯片性能指标所允许的范围内。所以这种设计一般只适合于精度要求不高，但集成度和便携性要求高的场合，事实证明，这不是做理想的数控电流源实现方案。

　　鉴于论证与比较，最终选择方案2。

　　2.5 D/A 转换器选择

　　对于D/A 转换器，笔者使用非常普遍的8 位D/A 转换器DAC0832，其转换时间为1μs，工作电压为+5V~+15 V，基准电压为±10V，与微处理器接口完全兼容，具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点， 在单片机应用系统中得到广泛的应用。 其D/A 转换器由8 位输入锁存器、8 位DAC 寄存器、8 位D/A 转换电路及转换控制电路构成。

　　3 硬件电路设计

　　3.1 系统电源电路

　　如图3 所示， 该电源利用正压集成稳压器LM7812 和负压集成稳压器LM7912 提供对称的正/负12V 稳压输出，供给运放使用，而后再通过LM7805 稳压成5V 输出，供给单片机使用。

　　图3 系统电源电路图

　　3.2 LED 驱动电路

　　图4 所示的电路可以很方便地实现电压/电流的转换。运放U1A 构成比较器，U1C 构成电压跟随器，起负反馈作用。输入信号Vi与反馈信号Vf比较，在比较器U1A 的输出端可得输出电压V1，V1控制运放U1B 的输出电压V2，从而改变三极管Q1 的输出电流IL，而输出IL又影响反馈电压Vf，到达跟踪输入电压Vi的目的。输出电流IL的计算式为IL=Vf /R13 ，因负反馈使Vi=Vf ，故而IL=Vi/R13.若R13取值为10Ω，则可实现0~5V/0~500mA 的V/I 转换；若所选择器件的性能参数稳定，运放UA1，UA2 的放大倍数足够大，则其转换精度较高。V13 的电压由单片机配合D/A 输出控制，可很方便实现数字恒流源输出。

　　图4 LED 驱动电路图

　　3.3 D/A 转换电路

　　DA 转换电路如图5 所示。

　　图5 D/A 转换原理图

　　4 软件设计

　　软件系统的任务主要有D/A 转换、步进加减、键盘扫描、液晶显示、时钟等功能。 为了将所有任务有序的组织起来， 软件系统采用前后台结构。其中键盘扫描、液晶显示，放在主程序中，D/A 转换任务需要定周期运行，放在时基中断服务子程序中运行，有效的保证了重要任务能及时执行。

　　系统采用看门狗技术，若程序出现死循环或者跑飞现象，单片机内部的看门狗将使单片机复位，将单片机重新拉回有序的工作状态。

　　4.1 主程序

　　系统上电复位后， 主程序首先完成系统初始化，其中包括I/O 口，中断系统，定时器/计数器等工作状态的设置，系统变量赋初值等工作。

　　完成系统初始化后打开中断， 随之进入键盘扫描程序， 键盘扫描获取键值后， 根据键值完成设定预置电流值、步进加减、时钟调节等，并通过LCD 显示输出电流值和时间。主程序流程图如图6 所示。

　　图6 主程序流程图

　　4.2 D/A 转换程序

　　D/A 转换器DAC0832 的接口形式为并行接口， 因此在对DAC0832 进行操作时需要考虑到时序问题。D/A 的控制流程图如图7所示。

　　图7 D/A 转换流程图

　　4.3 时钟程序

　　由于时钟没有借助任何外围器件，仅依靠单片机内部定时器来完成时钟运行，因此对定时器进行操作时采用溢出中断法，秒、分、时的过渡采用累加跳转处理法。时钟的控制流程如图8 所示。

　　图8 时钟控制流程图

　　5 测试结果与分析

　　5.1 测试仪器

　　本系统的测试仪器为4 位半数字万用表（ 胜利VC9806+），示波器。

　　5.2 测试数据

　　测试数据如表1 所示。

　　表1 测试数据

　　测试结果分析：由表1 可知输出电流满足要求，同时，电流值小时，输出电流更接近给定电流。电流值较大时，由于系统散热性能不够优良导致恒流源电源性能下降，引起误差增大。误差存在的原因主要是采样电阻制作误差，同时系统工作时采样电阻与LED 灯发热引起误差，但总的看来，该电流源有较好的精度。

　　5.3 难点分析

　　恒流源的设计与制作过程遇到的主要难点在于如何减少纹波。通过仔细分析，确定要使纹波尽可能小，需要运算放大器的电源和输入端信号要稳定。因此。采用独立电源供电，保证了放大器有稳定电源电压，进而使输出较小的纹波电流成为可能。然而，当将控制电路与主电路结合在一起时，输出纹波电流的增大又成为一大问题。这是由于控制电路的输出有纹波，加到运算放大器的输入端将纹波放大，导致输出电流纹波加剧。为解决这一问题，我们在运放输入端并联电容，以达到滤波的目的，从而较好的解决纹波问题。

　　本系统以8 位STC89C52 单片机控制、调整主电路输出电流，并通过液晶显示电流值，完成了数控恒流源的制作。驱动电路是由运算V/I 转换电路构成电流闭环反馈控制系统构成，根据运算V/I 转换电路构成电流闭环反馈控制系统计算出的值和测试结果非常接近，恒流特性较好。通过按键调节D/A 输出电流，实现了输出电流可调，步进加、减等功能。该驱动硬件电路简单，可靠性好，实时性强，调整方便，性价比高。该方案稍加改造即可实现各类容量的直流恒流系统。