基于MATLAB的线性电流调节的LED驱动器设计与仿真

王俊杰

（云南省电子信息高级技工学校，云南昆明，650225）

0 引言

LED是一种节能型的发光二极管器件，具有亮度大、耗能低等优点，在日常生产生活中被广泛应用，如小型台灯、智慧路灯等[1-3]。由于日常使用的电压源并非一直是恒定电压，在使用过程中会出现一定的电压振荡或波动，如在深夜使用LED灯照明时，其供电电源电压高于白天时的电压，此时灯光会显得较亮。若电压存在振荡时，即LED两端电压产生不规则变化，此时LED会表现出屏闪现象，电压值振荡变化的电压源会严重影响LED的使用寿命，因此需设计某种电路，可有效改善电压变化的影响，且能够保证LED的功率或通过电流是线性变化的，提高安全性和LED使用寿命。由于LED灯具有节约能源的明显优势，目前关于LED功率控制和屏闪规避的研究越来越多[4～6]。SUN F[7]等论述了LED灯光强变化的主要原因是输入交流电源、LED芯片驱动电路的谐波发射和控制方式。不同类型LED灯的光强变化不同，LED灯的光强变化识别是故障诊断、老化评估和防伪识别的基础，因此文中基于具有统计特性的BP神经网络，提出了一种LED灯具光强变化的识别算法，并将其应用于LED灯具的识别，通过提取LED灯光强变化的统计特征，如偏度、峰度和变异系数，以LED灯的统计特性为输入节点，以LED灯的类型参数为输出节点，建立了LED灯识别的BP神经网络模型，实验结果表明文中提出的识别算法能够有效地识别LED灯的类型及光强变化情况。王子权[8]等基于STM32单片机，采用PWM脉宽调制功率控制原理，设计实现了一种低功率LED灯光调节装置，文中详细论述的了PWM功率控制原理，及控制算法在STM32中的实现，通过开发板实验，得出PWM波形占空比与LED两端电压变化情况，为节能型LED灯亮度控制提供了参考。YAWALE P R[9]等认为传统光源在光输出和色点一致的情况下是可再现的，而LED不提供输出电平稳定性，其流明输出随温度和使用年限而变化。改变LED光输出的过程称为调光，LED可以通过两种不同的方式进行调光，一种是通过改变称为线性调光的正向电流，另一种是通过改变称为PWM技术的脉冲宽度。通常，通过LED的电流由可变电阻器控制，文中论述了正向电流变化对功率为1W的红光、绿光、蓝光和暖白光LED光谱特性的影响，为LED功率控制和屏闪规避提供了参考。

本文设计了一种LED线性电流调节驱动器，可在电压源变化的情况下，实现LED灯的电流线性调节，降低电压波动对LED的影响。基于MATLAB Simulink仿真环境搭建了驱动器的仿真模型，仿真电路包括分段线性电压源实现电压的线性调节、二极管、PNP型三极管、NPN型三极管和电阻组。在电路中串联两个LED负载，得出LED负载的电压、电流和功率变化曲线，达到了良好的线性控制效果。

1 驱动器仿真电路设计

1.1 驱动器整体电路

如图 1所示，设计的驱动器电路包括一个分段线性电源V Src；两个单向导通二极管D1和D2，并进行串联；四个电阻元件R1～R4；一个PNP型三极管，电路集电极连接至R2的低电位端，基极二极管D2输出端，发射极连接至电阻R3；一个NPN型三极管，电路集电极连接至LED2低电位端，基极连接至电阻R3的低电位端，发射极连接至地端；连个LED灯LED1和LED2，并进行串联。图中的函数f(x)=0表明低电位的电压值为理想的0V。

图1 驱动器仿真电路

其中分段线性电源V Src为电源线性变化模块，如将电源的电压值在0-1s时间内从0V沿直线上升至10V，可知电压上升的斜率为10；两个单向导通二极管D1和D2连接在分段线性电源的正极和PNP型三极管的基极，二极管D1和D2的导通方向指向三极管的基极；下拉电阻R1用于对电路进行限流，一般选择较大阻值的电阻；电阻R2与PNP三极管及LED连接，与LED及PNP三极管共同作用，稳定电路；PNP型三极管的发射极电压达到一定值后，PNP型三极管导通，经过电阻R3后传递至NPN型三极管基极，当NPN型三极管达到导通电压后，NPN型三极管导通，从而可使LED驱动电路导通，LED开启；电阻R3用于对PNP型三极管发出的电压进行降压；电阻R4与R3共通过作用，用于对PNP型三极管发出的电流进行限流；定义f(x)=0，用于指示分段线性电源的低电平为理想的0V；在分段线性电源的两端建立一个电压表，用于测量电源电压值随时间的变化趋势；在两个LED电路间建立一个电流表，用于测量经过两LED间的电流值随时间的变化趋势；在LED1和LED2上均建立一个光功率表，用于测量LED1和LED2的功率值随时间的变化趋势，从而可观测电路的调节电压、LED的电流变化趋势等。

根据图 1所示的设计电路，可知LED通过限流电阻R2控制，考虑LED及三极管的物理特性，设U为分段线性电源；Ucb为NPN型三极管集电极与基极间电压；Ube为NPN型三极管基极与发射极间电压；RLED1为LED1的电阻；RLED2为LED2的电阻；RNPN为NPN型三极管电阻，可得LED上流过的等效电流表达式为：

1.2 分段线性驱动电源

在MATLAB中分段线性电压源块表示使用时间值向量和相应电压值向量在查找表形式中指定的电压源。电压源必须至少指定四个时间当前值对，采用线性插值方法实现与时间对应的电压值，且其输出电压与通过电源的电流无关。设置分段线性驱动电源从0s至5s时间内由0V线性上升至30V，得到其电压随时间的插值变化关系如图 2所示，可知电压在0s至5s时间内实现了较理想的由0V线性上升至30V的变化，可满足本文对电压线性逐渐变化的需要。

图2 驱动器仿真电路

1.3 三极管模型

三极管是电子电路中常用的元器件，其中NPN型三极管基极b通高电压时，三极管被导通，此时三极管将发挥电流放大或开关作用，当基极b通低电压时，三极管将停止工作，PNP型三极管的集电极通高电压而基极通低电压时，三极管导通，当基极通高电压时，三极管截止。在MATLAB中使用Ebers-Moll的方程来表示PNP和NPN型双极晶体管。Ebers-Moll方程基于两个指数二极管加上两个电流控制电流源。模块中可设置基极b、集电极c和发射极e电阻、发射极e和基极b、集电极c电容、集电极c电流和基极b电流。基于Ebers-Moll方程的集电极和基极电流表达式为：

式中，Is为LED饱和电流；Vbe为基极发射极电压；Vbc为基极集电极电压；βR，βF为理想的最大电流增益；Va为正向早期电压；q为电子上基本电荷（1.602176e-19C）；k为玻尔兹曼常数（1.3806503 e-23J/k）；Tm为晶体管温度。

1.4 LED模型

LED灯具有节能、环保等特点，广泛应用于照明、显示等领域，其物理材料组成包括含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等化合物，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因此又具有寿命长、体积小等优势。在MATLAB中将发光二极管表示为与电流传感器串联的指数二极管，信号端口W处的光功率等于流过二极管的电流与单位电流参数值的光功率的乘积。指数二极管模型提供了二极管电流I和二极管电压V之间的关系为：

式中N为排放系数；Is为饱和电流；T为LED温度。

2 基于MATLAB Simulink的仿真分析

2.1 仿真参数设置

在MATLAB Simulink中建立如图 1所示的仿真模型，设置分段线性驱动电源从0s至5s时间内由0V线性上升至30V；导通二极管D1和D2的阻值均为0.01Ω；电阻R1为16kΩ；电阻R2为1.7Ω；电阻R3为1.1kΩ；电阻R4为85Ω；PNP型和NPN型三极管正向电流传输比为200，输出导纳为5e-5/Ω，集电极-发射极电压-5V，基极-发射极电压-0.55V，在基极-发射极电压-0.55V时的基极电流为-0.5A，集电极电阻0.01Ω，零偏压基极电阻为1Ω；LED1和LED2的单位电流的光功率为0.4W/A，饱和电流为5e-7A，排放系数为10，电阻值为0.5Ω，电阻温度为25℃，接面电容20pF。

2.2 仿真结果分析

得到驱动器输出电压如图 3所示，可知分段线性电源电压从0V至30V呈插值型直线变化，这与其仿真参数设置相对应。驱动器的输出电压在0s～0.5s时间内基本稳定在0V，无明显的上升趋势，这与三极管电路未导通有关，符合实际情况。在0.5s～2s时间范围内，驱动器电压先呈现出平滑的加速运动，在1s时刻左右时变化速度达到最大值，在1s～2s时间内，驱动器电压呈现出速度逐渐减小的平滑变化，在2s时刻左右时达到稳态电压，稳态电压约7.14V，此时分段线性电源电压约为11.87V，且随着分段线性电源电压的继续增大，驱动器电压并未发生改变，说明在分段线性电压达到11.87V左右时，驱动器电路电压达到稳态值，LED灯开启，且驱动器电压并未随分段线性电源电压变化而产生较明显的变化，达到了较小的稳态电压调节效果。

图3 驱动器输出电压曲线

得到LED导通电流与驱动电路效能随电压的变化曲线如图 4所示，可知LED电流在0s～1s时间内基本稳定在0A，无明显的上升趋势，这与三极管电路未导通和LED未达到导通调节有关，符合实际情况。在1s～2s时间范围内，LED电流呈现出明显平滑的加速运动，在1.5s时刻左右时变化速度达到最大值，在1.5s～2s时间内，LED电流呈现出速度逐渐减小的平滑变化，在1.75s时刻左右时达到稳态电流，稳态电流约0.28A，LED电流从0A到0.28A的变化曲线基本为一条直线，呈现出较明显的线性变化。随着分段线性电源电压的继续增大，LED电流呈现出非常小幅值的继续增大，最大电流为0.35A，且由0.28A到0.35A间的变化曲线基本为一条直线，呈现出较明显的线性变化趋势，实现了LED电流的线性调节。

图4 LED电流变化曲线

LED效能在0s～1s时间内基本稳定在0%，无明显的上升趋势，这与三极管电路未导通和LED未达到导通调节有关，符合实际情况。在1s～2s时间范围内，LED效能呈现出明显平滑的加速运动，在1.5s时刻左右时变化速度达到最大值，在1.5s～2s时间内，LED效能呈现出速度逐渐减小的平滑变化，LED效能从68%到24%的变化曲线基本为一条反比曲线。随着分段线性电源电压的继续增大，LED效能逐渐较少，表明过度地增大驱动电路的电压其实并不能提高效能，而只能提高电路的驱动功率，因此在实际应用中应选择在电路的最大效能处工作，不仅能获得最大的工作效能，又能节约电力能源。

3 结束语

本文基于MATLAB Simulink仿真环境设计了一种线性电流调节的LED驱动器电路。论述了驱动器电路的基本组成和基本理论，使用分段线性电压源模拟了电压的线性变化，利用三极管的导通特性实现了驱动器的稳压调节，得到了驱动器的电压变化曲线和LED灯的效能与电流变化曲线，结果表明驱动器能够很好地实现稳压功能，实现了LED灯的电流线性调节，为线性电流调节LED驱动器设计与仿真提供了参考，在实际应用中应选择在电路的最大效能处工作，以获得效率与能源的最佳平衡。同时，通过设置文中电路的元器件参数可获得不同的线性调节效果。