LED控制系统电路设计与研究

　　采用"数控恒流源+高精度温控"的方案，设计了SLED控制系统，并且在系统内引入了PID 控制算法。通过多次试验表明，SLED光源可以显著提高光源出纤光功率的稳定性。数字控制方法是目前比较理想的驱动方案，具有较好的发展前途。系统主要实现了恒流驱动及恒温控制等功能。整个系统由单片机控制。单片机采用MSP430系列的F449单片机，它其集成12位ADC和采样保持电路，采样速度快，最高可达200ks/s。系统原理如图1所示。

　　图1 控制系统原理图

　　恒流源电路

　　系统对恒流源的要求是电流高度稳定，漂移和噪声足够小。采用高精度DAC作为恒压源，再通过V-I转换电路就构成了数字式恒流源，电路原理如图2所示。本系统采用美信公司的12位串行DAC MAX5812结合两个运放组成V-I转换电路。其中，MAX5812与单片机的通信采用串行I2C总线，需注意的是其SDA、SCL管脚在使用时要外接上拉电阻。

　　图2 恒流源电路原理图

　　该恒流源克服了模拟式恒流源的缺点，可以根据系统需要灵活地改变电流的大小，且其精度与稳定度与DAC精度有关，如果采用更高位数的DAC就可以做成更高精度的恒流源。

　　温度采样电路

　　该光源模块组件采用温敏电阻来反映管芯温度，温度采样电路如图3所示。采用电阻桥式电路，后面配合专用的桥式放大芯片和电压调理转换电路，将温敏电阻变化引起的电压变化转化为适合于单片机ADC输入的量程范围内。

　　图3温度采样电路

　　电路中桥式放大器采用了美信公司的MAX4194。它是一种微功耗、单电源、满摆幅、精密、增益可调的仪表放大器，非常适合于做桥式放大器使用。但MAX4194的输出电压范围不适合MSP430F449单片机的输出量程，后面还需要加上信号调理电路，将信号调整到0～2.5V的输入电压范围。MSP430的ADC基准有片内和片外两种。虽然选用片内基准就可以不外接，减小电路的复杂程度，但因为所需的转换精度较高，且片内基准的温度系数较大（100&TImes;10-6/℃），这里选用了精度比较高的片外基准电压源MAX6173。它的输入电压为4.5～40V，输出电压为2.5V，最大温度系数为3&TImes;10-6/℃，可以达到设计要求。

　　TEC控制电路

　　TEC控制器按输出的工作模式可分成线性和开关两种。传统SLED的温度控制大多采用线性模式的TEC控制器，一个简单的线性驱动 TEC电路由两个推挽功率三极管构成，虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点，但功率效率低，控制精度不高，电路集成度较低，而且存在温度控制"死区"问题。MAX1968是一款适用于 Pehier TEC模块的开关型驱动芯片，工作于单电源，能够提供±3 A双极性输出，采用直接的电流控制。MAX1968用于设定和稳定TEC的温度，每个加载在 MAX1968电流控制输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对SLED供热或制冷。SLED的温度由温度采集电路采集后，再经内部单片机运算后反馈给MAX1968，用于调整系统回路和驱动TEC工作。

　　图4 温度控制原理图

　　图4为SLED温度控制电路原理图。在电路中，MAXIP和MAXIN引脚的电压用来控制流过TEC的最大正向和反向驱动电流，MAXIV 引脚的电压用来设置TEC的最大驱动电压。通过一个分压电路来实现各个引脚电压的设定，如图4所示。CS和OS1引脚之间的电阻RSENSE用来设置流过 TEC的最大工作电流，这里选用了200mΩ的电阻。当VCTLI》1.5V时，MAX1968制冷，反之制热。在实际应用中，根据驱动不同的 SLED光源组件，合理设置参数即可。系统中主控回路采用负反馈，将温度传感器输出的电压与给定电压比较，所得误差值经PID控制算法处理后，经过DAC，送入MAX1968，以控制 TEC上的电压、电流的大小和方向，进而实现制冷或制热。

　　键盘和显示电路

　　键盘采用3键式独立按键，可以实现对PID控制算法三个参数的设置以及报警等功能的设计。由于MSP430的P1口具有中断功能，因此键盘软件的编写采用中断的方式来实现。显示电路采用RT1602C，这是一种能同时显示16&TImes;2个字符的液晶，内部存贮有常用的点阵字符图形，方便易用。由于是5V电压操作，而MSP430单片机在3.3V工作，因此采用了一个电平转换芯片SN74LVC4245DB来完成转换。
　　编辑点评：系统中，电桥电路对温敏电阻进行电压采样，送入ADC进行转换，再经过内部的PID控制程序，通过DAC2输出一个电压来控制专用的半导体制冷器（TEC）控制芯片，以达到对SLED进行温度控制的目的。恒流功能由DAC1结合恒流源电路来实现。