智能LED照明驱动系统设计

王啸东

(南京铁道职业技术学院，江苏 215137)

1 引言

近年来，半导体光源正以新型固体光源的角色逐步进入照明领域。按固体发光物理学原理，LED发光效率能接近100%，具有工作电压低、耗电量小、响应时间短、发光效率高、抗冲击、使用寿命长、光色纯、性能稳定可靠及成本低等优点。随着LED价格的不断降低，发光亮度的不断提高，半导体光源在照明领域中展现了广泛的应用前景。LED的伏安特性与普通二极管的伏安特性相同，正向电压的较小波动就会导致正向电流的急剧变化。LED正向电流的大小会随环境温度变化而改变，环境达到一定温度，LED容许正向电流会急剧降低;在此情况下，如果仍旧通过大电流，容易造成LED老化，缩短使用寿命，因此LED在应用过程中需要一个有恒温、恒流控制的，具有可靠保护功能的LED驱动系统。本文介绍了一种智能LED驱动系统的设计方法。

2 LED模型

LED是低压驱动的PN结光电半导体器件，其电压与电流的关系可用式 (1)表示。

其中 IS——反向饱和导通电流;

UF——正向电压;

IF——正向电流;

K——玻尔兹曼常数;

T——热力学温度;

q——电子电荷。

LED正向电压超过阈值电压之后，LED的正向电流随正向电压的增加迅速增大，电压很小的波动，会引起电流较大变化。

LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，在正向电压小于某一值时，电流极小，不发光，当正向电压超过某一值后，正向电流随着正向电压的增加而迅速增加，LED的伏安特性模型可用式 (2)表示。

其中 U1——LED阀值电压;

RS——伏安特性曲线的斜率;

T——环境温度;

本文将多元线性回归模型理论和灰色系统理论相结合，模型解释能力强、预测精确性高，多元线性回归模型表明人口老龄化系数与城镇化率、老龄人口抚养比和卫生机构数量具有高度相关性，而灰色系统理论则支持多元线性回归模型做中长期预测，摆脱了多元线性回归模型由于缺乏未来的解释变量而不能预测未来的缺点。

ΔUF/ΔT——LED的正向温度系数，由表达式得到LED简化模型如图1。

图1 LED简化模型

LED简化模型反映了LED的伏安特性，用于分析电路驱动电流对LED电气特性的影响，以验证分析与设计的正确性。

3 系统设计

LED驱动系统的性能直接影响光源系统的工作寿命和工作稳定性。本驱动系统主要由开关电源、恒流驱动电路、单片机恒流控制三大部分组成，系统原理框图如图2所示。

图2 系统原理框图

本系统采用硬件电路设计和软件程序设计相结合的方法，以单片机控制为核心，通过负反馈调整输出电流，从而完成亮度可调，是适合于多种LED灯具的智能驱动控制系统，使LED的性能得到改善和提高，解决了LED光源输出稳定性和可靠性问题。

3.1 开关电源

LED照明只能采用直流供电，在AC220V供电情况下，首先要解决AC/DC转换问题。开关电源有转换效率高、小型轻量、输入范围宽、使用灵活节能等优点。开关电源一般用半导体功率器件做开关，将一种电源形态转换成另一种形态，在转换时自动控制稳定输出，具有多种保护电路。

开关电源的结构组成如图3所示，220V交流电经过低通滤波与桥式整流，得到一个未稳压的直流电压，此直流电压进行有源功率因数校正，提高电源功率因数。直流电压再经过逆变器成为符合要求的高频方波脉冲电压，整流滤波后变成直流电压输出。输出电压经分压、采样后，通过比较电路与基准电压进行比较、误差放大，通过脉宽调制达实现脉冲宽度可调，脉冲宽度调制 (PWM)是开关功率变换器中最常采用的方式。

图3 开关电源结构组成

3.2 恒流驱动电路

恒流源在一定的电压和温度变化下，产生电流变化接近于零，具有恒定电流值和很高的动态输出电阻。一般，恒流驱动电路用电子管、晶体管、恒流器件、集成电路、集成稳压器和其他元器件组成。为了适合LED灯具的应用，恒流源不仅要有较高稳定度和电流输出准确度，而且恒流驱动电路输出电流设计为可调输出。为了保证输出电流的精度，本设计采用单片机系统D/A转换输出电压，调节恒流源输出电流，原理图如图4所示。

图4 恒流电路原理图

此恒流驱动电路属于电流串联负反馈的拓扑结构，其中LED为负载，R6为采样电阻。在本设计中，为了实现可调恒流源控制，在运算放大器的同相输入端引入由单片机系统D/A输出的可调电压信号Vs，使其成为受控恒流源，也就是基准电压。在反向输入端连接采样电阻R6。运算放大器工作在深度负反馈状态，它配合功率MOS管通过反馈跟随输入基准电压Vs，功率MOS管与运算放大器的基极相连，用来增加驱动电流。当运算放大器的同相端输入电压恒定时，由于负反馈的存在，保证了输出电压的恒定，从而使流经LED负载的电流为恒定电流。恒流源的输出电流直接取决于D/A的输出电压和采样电阻R6的比值。由于反馈环节中使用了运算放大器，反馈环路的环路增益加大，反馈深度加大，恒流驱动电路的输出阻抗很大，满足使用要求。

输出电流与输入控制电压VS直接关系，运放失调与VS对输出电流有同样的影响，因而输出电流的稳定性，取决于受控电压VS的稳定性及运放的失调漂移，选择高稳定度的基准电压源作为控制电压，并选用低漂移运算放大器，是提高本电路输出电流稳定性的重要途径。电路中采用的集成运算放大器LM358，LM358内部包括有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的运算放大器，具有高增益、失调电压影响小的优点。

3.3 单片机恒流控制

为了得到稳定的驱动电流，提高LED的光稳定性。本系统通过改变恒流源的外围电压，利用电压的变化，来控制输出电流的大小。本系统控制部分由单片机系统为核心，结合按钮输入和LED数字显示，由A/D采样电压通过闭环反馈与输入电压相比较，进行相应调整，最后由D/A转换输出的模拟电压，作为恒流源的基准输入电压。

3.3.1 单片机硬件系统

单片机系统主要有 AT89C51、ADC0809、DAC0800、数码管、按钮等部分组成，单片机系统原理图如图5所示。

采样模拟电压输入到ADC0809的输入端，经过ADC0809转换，输出8位二进制数到单片机端口，单片机将得到的8位二进制数，转换成3位十进制数，显示在数码管上，同时将当前值与基准值相比较，由软件系统做出相应的调整控制。单片机系统软件运算输出一个8位二进制数值，经由DAC0800实现D/A转换，输出到DA1端口，DA1端口电压输入到恒流驱动电路，调整基准电压VS，实现恒流驱动电路输出电流设计为可调输出。

图5 单片机系统原理图

3.3.2 单片机软件系统

系统设计中，软件程序设计主要包括初始化管理模块、按键管理模块、数据处理模块和显示模块，所有模块都用单片机汇编语言编写。

在系统加电后，主程序首先要完成系统初始化，其中包括A/D、D/A、显示等工作状态的设定，给系统变量赋于初值，显示上次设定值等。然后扫描获取键值，判断设定键、校准键是否按下，执行相应的功能子程序。当启动键按下后，根据设定值进行D/A和A/D转换，将采样出来的值和设定值通过控制算法进行比较校正等参数计算，最后再进行闭环反馈调整，得到精确的恒定电流值。单片机软件部分主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程

4 系统测试

本系统进行了负载变化测试，对不同功率的LED工作时，检测系统电压、电流的变化，全面测试系统性能。本系统测试采用的测量仪器有:示波器，数字万用表。

负载变化测试选用市场上常用的1W、3W、10W的LED，依次加9V、12V、15V的电源电压，通过按钮设定所选功率LED对应的输出电流值(1W—0.35mA;3W—0.75mA;10W—1A)。分别检测对应D/A转换输出电压、电流源自身检测到实际输出电流值以及通过外部电流表测量的电流值和数码管的两个数据显示值。不同功率LED的性能参数在实际输出测量中的数值如表1所示。

表1 不同功率LED电流输出结果

5 结束语

系统设计以恒流源驱动为主体，完成了对LED照明灯具驱动电流的实时监测和高精度的可调控制，同时实现了LED亮度调节控制，满足了多种LED照明灯具稳定发光的电流需求。实践证明本文介绍的LED照明驱动系统的设计方法，安全可靠、稳定性高。

［1］毛兴武，张燕雯，周建军．新一代绿色光源LED及其技术应用 ［M］．北京:人民邮电出版社，2008．

［2］于海生，微型计算机控制技术;北京，清华大学出版社，1999.3．

［3］Cheng Jen-Hau， Liu Chun-Kai， Chao Yu-Lin， et al．Cooling performance of silicon-based thermoelectric device on high power LED ［C］//In:24th International Conference on Thermoelectrics，2005:53 ～56．

［4］Vander Broeck H．Power driver topologies and control schemes for LEDs［J］．22th Applied Power Electronics Conference，2007:1319～1325．

［5］景占荣，李晓霞．新型LED驱动电路研究 ［J］．西安工业大学学报，2009:570～573．