基于STM32的多功能LED驱动电源*

黄永俊,王双喜,叶家星,李少杰,王文君

(汕头大学工学院,广东 汕头 515063)

基于STM32的多功能LED驱动电源*

黄永俊,王双喜*,叶家星,李少杰,王文君

(汕头大学工学院,广东 汕头 515063)

目前大功率LED照明灯具的驱动电源主要使用集成电路作为电源驱动芯片,其扩展性能差、功能少。针对这些问题,作者基于STM32开发了一种多功能LED驱动电源,通过编程可以实现无级调光与自动温控散热两个扩展功能。测试结果表明:在额定电压为30 V、额定电流为3.3 A的负载下,输入电压从90 V～264 V变化时,驱动电源输出电压的波动范围为±1.5 V,而输出电流波动范围为±0.11 A,恒流特性较好,驱动电源的功率因数均值在0.95以上。

LED;驱动电源;STM32;无级调光;自动控温

LED作为第4代照明光源具有出色的节能效果,其耗电量只有普通白炽灯的1/10[1]。近年来,随着人们节能减排意识的不断提高与国家环保政策大力推动,LED照明逐渐代替传统的灯具。同时,人们对LED灯具的要求也不仅局限于亮度、光效,还希望LED照明具有更多智能化、人性化的功能。目前大功率LED照明灯具的驱动电源主要以集成电路作为驱动芯片,大多数的LED驱动电源都是针对某一型号的LED设计的,其功率和电流基本不变,扩展性能差,当对LED驱动电源做功能扩展时,需要添加独立的功能模块,这将进一步增加电源不稳定的影响因素。其中,文献[2]提出了一种可多路输出的驱动电源,通过匹配不同负载所需要的额定电压与电流以提高驱动电源的适用性,但其设计的驱动电源只能针对特定的负载进行供电,并不具备扩展能力。文献[3]进一步提出了一种多功能驱动电源,可调节输出电流与电压,应用范围广,但只适用于中小功率场合,并且只针对电流与电压控制进行功能扩展。

针对上述问题,本文设计了一种基于STM32的具有扩展性能的LED驱动电源,且通过编程可以实现无级调光与自动温控散热两个扩展功能。

1 驱动电源系统设计

本文中驱动电源以STM32作为控制核心,使用两级开关电路作为驱动电源的主电路,开关电路具有体积小,效率高等优点,而采用两级机构,其承载能力可以得到大大的提高,适用于大功率驱动电源。

如图1所示为主电路结构示意图,输入的交流电首先通过交流滤波把交流电中的高频谐波滤除,然后通入前级功率因数校正电路,本文采用BOOST电路作为功率因数校正电路,把交流电转换成400 V直流电,最后通过LLC谐振结构的DC/DC电路转换成LED灯具所需要的稳定的电压值。无级调光功能通过控制后级PFM实现,自动温控散热通过外加热敏电阻实现。

图1 主电路结构示意图

2 驱动电源硬件设计

2.1 BOOST电路设计

前级使用BOOST电路,图2为BOOST电路原理图,如图2所示D1为整流桥,L3为升压电感,D2为输出二极管,C8为输出电容,Q1为开关管,R2与R4组合用于输入电压采样,R8与R10组合用于输出电压采样,R5用于电流采样。在开关管导通时,电源为升压电感充电,在开关管闭合时,升压电感上的电压就会与电源电压一起为负载供电。

其输入与输出电压关系如式(1)所示

Vo=VI/(1-D)

(1)

式中:Vo为输出电压,Vi为输入电压,D为开关管导通的占空比。本文通过STM32产生可变的PWM波,实现变占空比控制。

图2 BOOST电路工作原理图

BOOST电路关键器件计算如下:

升压电感感量L计算[4]:

(2)

式中:Vm为交流电整流后的有效值,由于本文中使用市电供电则127 V≤Vm≤373 V,且输出电压为400 V,则0.32≤Vm/Vout≤0.93,由式(2)可得升压电感的临界电感值为225 μH,考虑升压电感需要加进一定的余量,取电感感量L=250 μH。为防止磁性饱和,使用铁氧体磁芯进行电感的绕制,代替一般的环形电感与工字型电感,初选RM10作为电感磁芯。

校核RM10磁芯是否适用于本电源,主要参考磁芯Ap值。

(3)

式中:Pt=PIN+POUT=POUT(1+1/η);Ku为绕组系数,一般取0.2～0.5,本文取0.4;Bmax为磁芯最大磁通密度,通过查铁氧体磁芯规格书知Bmax=0.39 T;f为开关管工作频率,为100 kHz;Kf为波形系数,这里取Kf=4;j为电流密度,通常取3～6 A/mm2,本文中取j=4 A/mm2;X为幂系数,取-0.17,通过计算得,Ap1=0.032 1 cm4。

RM10磁芯Ap值为:

Ap2=Ae×Aw

(4)

式中:Ae为磁芯截面积,Aw为绕线面积,通过查询RM10磁芯规格书可得,Ae=0.98 cm2,Aw=0.695 cm2,则Ap2=0.681 1。明显可以看出Ap2远大于Ap1,因而,RM10磁芯适用于本电源中升压电感的制作。

电感电流峰值为:

(5)

电感L3的匝数N为:

(6)

式中:ΔB为磁通变化量,取ΔB=0.2,则可以计算出电感匝数N=23。

为防止电感磁芯饱和,在磁芯中需要设计气隙,则气隙大小为:

(7)

电感电流有效值为0.79 A,取电流密度为4 A/mm2,则可求得总需要导电面积为0.2 mm2,考虑到集肤现象,选用5股0.4 mm漆包线并饶的方法绕制。

输出电容C计算:

(8)

式中:tk为维持时间,根据开关频率为100 kHz,可取tk为1 ms,由于纹波电压最大为20 V,所以最小输出电压为380 V,将各个值代入式(8),可得输出电容C为192 μF,则选用450 V/220 μF铝电解电容作为输出电容。

2.2 LLC谐振电路设计

后级采用LLC谐振电路作DC/DC变换,图3为LLC谐振电路原理图。

图3 LLC谐振电路原理图

(9)

(10)

在本文中,选取电感系数k=3,品质系数Q=0.3,工作频率fs=fr=100 kHz,则可计算谐振电路中的各个参数。

等效负载电阻为:

(11)

并联谐振电感为:

(12)

式中:td为开关管工作时的死区时间,取td=300 ns,Cj为开关管的结电容,本文选取FQPF8N60C作为谐振电路的开关管,通过查询FQPF8N60C规格书可知Cj=600 pF,计算得Lm=312.6 μH。

串联谐振电感Lr为:

(13)

谐振电容Cr为:

(14)

2.3 辅助电路设计

2.3.1 电流采样电路设计

(1)前级电流采样

电流采样需要把电流信号转换成STM32可以检测的电压信号。根据电流的大小,前级与后级分别使用不同的电流采样方式进行采样。前级BOOST电路输出电流均在1 A以下,本文利用串接在电路主线上的阻值0.1R的高精度电阻进行电流采样。小电流信号使用HCPL7840隔离放大器作信号的采样,HCPL7840主要用于对-0.2 V～+0.2 V低电压信号进行采集,并且对于采集的信号具有8倍的增益效果[7],完全可以满足采样电阻上的低电压信号采集的要求。

(2)后级电流采样

后级LLC谐振电路输出电流达到3.3 A,使用0.1R电阻进行采样会造成较大的损耗与误差。因此在大电流输出端使用ACS712进行电流的采样。

ACS712是低功耗隔离型芯片,内部集成有霍尔传感器,适用于较大电流转换,ACS712输入电流信号与输出电压信号比为185 mV/A[8],为了能得到较好的采样信号,在后级加入了一个同相放大器,把采样信号进行三倍的放大。

2.3.2 电压采样电路设计

在本文中利用HCNR201进行电压采样,其内部包含一个AlGaAs型发光二极管与两个性能、特性都极为相似的光电二极管PD1与PD2,当发光二极管上有电流IF流过时,发光二极管所发出的光会在PD1与PD2中形成感应电流IPD1与IPD2[9]。

为了满足STM32对于电压信号采样的要求,通过硬件的设计,使得输出电压Vout与输入电压Vin形成特定的比例关系:

(15)

式中:K为比例系数,通常取1,Ra、Rb、Rc为分压电阻。文中电压采样电路主要对0～15 V的电压信号进行采样,电路中主要由HCNR201的IPD1、IPD2决定电阻的取值,由于IPD1、IPD2必须小于50 μA,则Ra、Rb、Rc取110 kΩ。

2.3.3 MOSFET驱动电路设计

(1)单管MOSFET驱动电路

本文采用BOOST电路作为前级主电路,电路中的MOSFET为单管驱动,本文选用FQPF8N60C作为BOOST电路的开关管,开启阈值为10 V～15 V,使用STM32驱动,需要把3.3 V信号上拉到10 V以上,并且信号之间转换不能失真,因此文中选用TLP250[10]作为驱动芯片。

(2)双管MOSFET驱动电路

与前级BOOST电路不同,LLC谐振电路中的开关管需要交替导通来形成互补的方波信号,文中使用IR2110作为两个MOSFET的控制芯片。

IR2110具有高端悬浮自举功能,只需要一组电源即可实现对输出上下端的控制,可以有效地减少电源输入的数量[11],自举功能的实现需要电路中包含自举电容与自举二极管,芯片电源信号通过自举二极管给自举电容充电实现对两个MOSFET的同时控制[12]。

2.3.4 温度检测电路设计

LED对温度极为敏感,当结温超出额定温度时会使LED光通量减少,荧光粉转换效率下降,严重影响LED的寿命、电气参数以及可靠性[13]。对比不同的散热方式主动散热是最有效的散热方式,但主动散热器的寿命往往要低于LED的寿命,因此在本文中使用温控散热器,针对不同的使用环境,可设定不同的散热器启动温度,当温度超过设定值时,STM32会发出启动信号,启动散热器。

文中使用温敏电阻进行温度采样,通过LM393双电压比较器可以手动的设定采样温度。STM32通过检测LM393的OUT端的信号判断是否需要启动散热器,文中设计的温度检测电路可以控制散热器根据温度变化而有选择性地启动与关闭,可以更有效地使用散热器,减少散热器的使用时间,从而延长散热器的使用寿命。

3 电源控制程序设计

3.1 BOOST电压环控制

BOOST电路电压环程序流程如图4所示,本文设计BOOST电路允许有±20 V的纹波输出,程序开始后首先需要对输入信号进行判断,如果输出信号大于420 V则需要中断PWM信号的输出,判断输出信号在适用范围内后程序进入BOOST电路电压环控制程序,处理后的数据会传递到下一级进行处理。

图4 BOOST电路电压环程序流程图

图5 BOOST电路电压环算法结构

BOOST电路电压环控制程序的主要作用是产生电流环所需要的基准值,其算法结构如图5所示,其中Vref为电压的基准值,通过由于本文中前级BOOST电路用于400 V输出,则Vref为400 V,V_pfc_out为通过ADC检测到的输出电压值,Vref与V_pfc_out相减后的差值进入PID算法,通过PID算法生成电压PID值Vpid,Vpid进入后级运算,后级运算中K为比例系数,sinx为正弦值,由于BOOST电路的主要功能是对电流进行功率因数校正,最理想情况下电流信号要接近于正弦,因此在后级运算中需要乘以一个正弦值,但由于STM32中不能对正弦函数进线直接运算,因此本文使用读取正弦表的方法读取正弦值。V_pfc_in为整流后输入电压值,由于输出电流反比于输入电流,因此后级运算中需要除以输入电压值。

3.2 BOOST电路电流环控制

BOOST电路电流环控制程序主要是用于控制输出信号的PWM波,图6所示为BOOST电路电流环算法结构图,图中Iref为电压环程序运算后所得到的基准值,I_pfc_out为通过BOOST电路主线路上串接的0.1R电阻所读取的电流值,电流环算法中Iref与I_pfc_out相减后的差值送入PID算法,通过PID算法控制PWM波的占空比。

图6 BOOST电路电流环算法结构

3.3 LLC谐振电路控制程序

LLC谐振电路控制程序与BOOST电路控制程序不同,LLC谐振电路控制程序的主要作用是调节电源最终输出量,使电源恒定在LED灯具所需电流下工作,因此只需要一个单环控制输出电流恒定即可。

如图7所示为LLC谐振电路程序流程图,本文设计的电源输出端为30 V～40 V电压输出,恒流3.3 A输出,适用于100 W到120 W LED灯具,在进入主程序前会对输出电压采样值进行判断,如果超过40 V直接关断PFM信号的输出,判断输出电压在正常的工作范围后,进入LLC谐振电路主程序,主程序控制值直接赋予STM32的寄存器来控制PFM波输出。

图7 LLC谐振电路程序流程图

图8 LLC谐振电路算法结构

图8为LLC谐振电路算法结构图,如图所示后级LLC电路只有一个电流环,图中Iref为电流基准值,由于输出电流恒定在3.3 A,则Iref=3.3 A,I_out为利用霍尔传感器电流采样电路采样所得的实际输出电流值,I_ref与I_out相减后的差值直接进入后级的PID运算,运算后的值直接赋予STM32的寄存器中,用于直接控制PFM波的输出。

4 驱动电源研制

本文根据上述设计制作出实验用驱动电源,为了方便实验时对各个部分进行调试,本文对于前级与后级进行分开制作,图9为BOOST电路PCB板图,图10为LLC谐振电路PCB图。

图9 BOOST电路PCB板图

图10 LLC谐振电路PCB图

4.1 电源基本性能

使用Agilent公司生产的54622A型示波器做各路输出波形的检测,其检测波形如图11～图14所示。

图11 STM32输出PWM波形

图12 单管MOSFET驱动电路输出波形

图13 STM32输出PFM波形

图14 双管MOSFET驱动电路输出波形

图12所示为以TLP250作为驱动芯片的单管MOSFET驱动电路输出波形图,BOOST电路使用PWM控制方式,图中分别为输出占空比30%、40%、50%的PWM波,对比图11可以看出TLP250输出信号保真性较好,同时原有输出信号的尖峰毛刺被很好的去除。

图14为以IR2110作为驱动芯片的双管MOSFET驱动电路输出波形图,图中分别为频率为66.7 kHz、100 kHz、150 kHz的PFM波,对比图13可以看出IR2110对输入信号的保真性较好,同时原来信号上的毛刺信号在通过IR2110后被很好的消除。

使用额定功率为100 W的集成封装型LED作为电源的负载,其额定电压为30 V,额定电流为3.3 A,在90 V到264 V的输入电压范围下,电源输出参数如表1所示。

表1 电源输出结果

由表1可以看出,输出电压能保持在±1.5 V的范围内波动,而输出电流在±0.11 A的范围内波动,恒流特性比较好,功率因数均值在0.95以上,效率最高值为90.5%,最小值为86.5%。

4.2 电源无级调光功能

本文驱动电源中加入了无级调光与自动温控散热两个扩展功能,其中无级调光利用一个可调电阻对3.3 V电压进行分压,再通过STM32中的ADC采样调节信号实现对PFM的控制,在LLC谐振电路的开关电路中,开关管Q2与Q3互补导通,组成半桥变换电路,通过在两个开关管之间设置一定的死区时间来防止两个开关管同时导通造成短路,而死区时间越大输出电压越小,因此,通过这种方式调压实现了无级调光。图15为调节信号与输出电压关系图。

图15 调节信号与输出电压关系图

图15中横坐标为利用可调电阻调节的电压信号,纵坐标为输出电压值,由图可以看出调节信号与输出电压基本成线性关系。

4.3 自动温控散热功能

自动温控散热功能通过加入热敏电阻与主动散热器来实现,热敏电阻把温度转变成电信号,再利用一个可调电阻设定电压信号的基准值,通过比较电信号与基准值可生成驱动信号,驱动信号可用于驱动风扇、热管等主动散热设备。对于热敏电阻采集的温度信号具有一定的精度要求,因此本文利用热电偶采集的温度信号与热敏电阻采集的温度信号进行对比,结果如表2所示。

表2 温度测量结果对比 单位:℃

由表2可以看出热敏电阻采集的温度信号与热电偶采集的温度信号基本一致,但在温度达到90 ℃时,热敏电阻采集的温度信号出现的较大的偏差,通过分析本文中使用的热敏电阻温度测量范围为0～100 ℃,在温度达到90 ℃时,已经接近热敏电阻温度测量的最高限制,温度信号与其转换的电信号在接近测量极限时呈现非线性关系,导致测量结果出现偏差。

5 结论

驱动电源是LED照明的心脏。本文开发了一种基于STM32的具有扩展性能的LED驱动电源,并且通过编程实现无级调光与自动温控散热两个扩展功能,试验结果表明:在额定电压为30 V、额定电流为3.3 A的100 W负载下,输入电压从90 V～264 V变化时,驱动电源输出电压的波动范围为±1.5 V,而输出电流波动范围为±0.11 A,驱动电源恒流特性比较好,功率因数均值在0.95以上;控制电路调节信号与输出电压基本成线性关系,实现了无极调光。

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DevelopofLEDDriverwithExtendedFunctionBasedonSTM32*

HUANGYongjun,WANGShuangxi*,YEJiaxing,LIShaojie,WANGWengjun

(College of Engineering,Shantou University,Shantou Guangdong 515063,China)

At present,most power drivers for high-power LED lighting take integrated circuit chips as the control chip. However,the commercial integrated circuit boards are hard to extend for additional function. In view of the shortages,a kind of power driver for high-power LED lighting based on STM32 has been designed,which is easy to extend its function. Unlimited dimming and cooling temperature control function for the LED driver had been realized independently by programming. The experimental results showed that under rated load with 30 V and 3.3 A,when the input voltage ranged from 90 V to 264 V,the LED driver had good constant current characteristic by keeping the output voltage fluctuating in 1.5 V and output current fluctuating in 0.11 A. The average power factor of the LED driver is above 0.95.

LED;Power driver;STM32;Unlimited dimming;temperature automatically control

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.038

项目来源:广东省扬帆计划项目(2015-9);广东省创新强校项目(3803016502)

2016-11-02修改日期2017-05-05

TN86

A

1005-9490(2017)06-1527-07

黄永俊(1992-),男,硕士研究生,广西梧州人,研究方向为LED器件,15yjhuang3@stu.edu.cn;

王双喜(1965-),男,博士,河北无极人,汕头大学工学院教授,主要研究方向为LED器件、轻工机械等,sxwang@stu.edu.cn。