采用PID控制的LED恒流源设计

杨思俊

（西安航空职业技术学院，西安710089）

采用PID控制的LED恒流源设计

杨思俊

（西安航空职业技术学院，西安710089）

通过c8051f020的控制使开关电源输出电流恒定并在LED负载变化的情况下仍可驱动LED高效、稳定的工作。恒流源系统由电源电路、BUCK主电路、驱动电路、电压电流采样电路、控制电路、显示电路、断路检测模块组成。电源模块采用接触式调压器，并对输出进行整流、滤波、稳压；降压电路采用超低导通电阻及快速响应时间的功率MOSFET作为调整管；单片机根据检测电流的大小采用PID控制输出PWM波来控制调整管，改变其输出脉冲占空比，使LED驱动电源处于恒压和恒流状态。结果表明该系统电流精度高，纹波电压小，运行稳定，效率高。

降压电路;恒流控制;PID控制;LED恒流源;c8051f020控制器;PWM占空比;PID算法

1 引言

LED恒流驱动电源的总体结构框图如图1所示，主要由如下几大部分组成：电源电路、BUCK主电路、驱动电路、电压电流采样电路、控制电路、显示电路、断路检测模块。

图1 LED恒流驱动电源总体结构框图

2 硬件电路设计

（1）电源电路

系统中需有+36V、+15V、+5V电源，如图2所示，由工频隔离变压器输出，进行整流和滤波后输出+36V，为主电路提供电源。由U3 24S15DC-DC降压模块产生系统所需的+15V电压，给MOS管的驱动芯片光耦TLP521提供电源。由U4 220S05AC-DC降压模块产生系统所需的+5V电压，给主控芯片c8051f020、显示电路、信号处理电路提供电源。

（2）降压主电路

降压主电路如图3所示。在Buck电路中，采用N沟道IFR640N作为开关管，电感量为220uH，开关频率 ?fs为10KHz，C8051F020单片机进行控制输出不同占空比的PWM信号。光耦TLP521驱动开关管，开关周期为 ?TS，导通时间为 ?t1= ?D1TS,断开时间为 ?t2? D2TS，开关管导通时间为? tON?t1−D1TS，?t ?t?T?t ?DT?D−T_开关管截止时间OFF2S 12S ，T＜1，称D1为导通时间占空比，D2为截止时间占空比[1]。调节Q1的占空比D1，主回路电压输入电压为+36V，接入10个LED负载情况下，输出电流在150mA-350mA范围内步进调整，步进值为50mA，且电流精度为1%，纹波电压小于1V。当Buck电路输入电压在32V-40V范围内变化时，调节占空比D1，输出电流保持恒定，LED负载电流变化为1%。当Buck电路输入电压为36V，接入的LED负载由2个逐渐增加至10个，调节PWM占空比，保持负载电流恒定，变化不超过1%。

图2 电源电路

图3 降压主电路及驱动电路

（3）电压电流检测电路

电压检测采用电阻分压，如图4，送入主控芯片进行AD显示。

电流检测采用LM358，设计中通过采样康铜丝电阻两端的电压降来反映流过康铜丝的电流。将采样的电压经集成运放LM358放大，输入到单片机中，进行数据处理和控制[2]。

（4）控制电路

控制电路主要包含以下功能：显示，电压、电流AD转换及处理，PWM输出，PID控制。如图5所示。

c8051f020单片机具有8位500 ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列[3]。其控制12864显示输入电压、电流、输出电压、电流及电流步进值。将检测电路采集的电压、电流进行AD转换，并进行处理、滤波。通过软件编程实现PID控制PWM占空比，使系统保持恒压、恒流，控制精度高，稳定性强，精度达1%，纹波电压峰值小于1V。

图4 电压电流检测电路

图5 控制电路

（5）LED断路检测电路

LED断路监测的控制是由10个继电器和10个LED组成，为电路提供负载。当单片机检测到某路灯断开时，本电路能自动将其短路并使三极管导通驱动继电器自动闭合，以保证正常照明。

3 程序控制

（1）主程序流程

单片机主控程序完成输出电流检测，从而控制输出电压、电流的大小，以保证恒压和恒流输出[4]，主程序流程如图6所示。

（2）PID控制

在以微处理器为硬件核心的控制系统中，由于是以采样周期对输入和输出状态进行实时采样，故它是离散时间控制系统[5]。在离散控制系统中，PID控制采用差分方程表示:

图6 主程序流程

式中u(n)为N采样周期时的输出，en为N采样周期的偏差，N为采样周期。在实际应用中采用增量式[6]：

比例系数KP的作用在于加快系统响应速度，提高系统的调节精度，设计中KP=20；积分时间常数Ki可以影响积分部分消除系统偏差，设计中Ki=0.1；微分时间常数Kd决定闭环系统的稳定性和动态响应速度[8]，设计中Kd=0.2。

PID的算法实现流程图如图7所示。

图7 PID的算法实现流程图

4 调试及结果分析

（1）在LED负载条件下，输出的电流可在150mA-350mA范围内步进调整，对应的输出电流测试数据如表1所示，步进值50mA,电流精度为1%。

表1 设定电流与输出电流测量值

（2）当负载为10个LED，输入电压在32V-40V范围内变化时，对应的输出电流测试数据如表2所示。对应的输出电流变化近似为1%。

表2 输入电压与输出电流测量值

（3）先预设一个电流值为200mA，输入电压为36V，负载由2个LED增加到10个时，对应的输出电流测试数据如表3所示，输出电流近似不变。

表3 负载变化与输出电流测量值

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LED Constant Current Source by PID Control

Yang Sijun
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089，China）

The output current of switch power supply,controlled by c8051f020，is stable,and can still drive LED working efficiently and stably with the changing of the LED load.The constant current source is composed of Power supply circuit,BUCK main circuit,drive circuit,voltage and current sampling circuit,control circuit,display circuit and open circuit detection module.Power supply module uses the contact voltage regulator and perform rectifier,filter and voltage stability for the output;Buck circuit adopts low resistance and rapid response time MOSFET;CPU determines the constant voltage mode and constant current mode according to the sampling current and changes the output pulse duty ratio，which adopts PID Control,and makes the LED drive power supply in constant voltage or constant current.Results show that the system current is of high precision,small ripple voltage,stable running and high efficiency.

BUCK circuit；Constant-Current Control；PID Control；The LED Constant Current Source；c8051f020 controller；PWM duty ratio；PID Algorithm

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.021

TN73

A

1002-2279-（2017）02-0082-04

杨思俊（1981-），女，陕西省渭南市潼关县人，讲师,硕士研究生，主研方向:嵌入式控制、开关电源。

2016-07-07