大功率LED智能化照明控制系统设计

引言

随着LED 技术的不断发展,推动了白光LED 的问世,照明产业开始了绿色照明时代。由于LED 能耗少、热辐射低、发光效率高,是一种节能、环保、经济、安全的新型照明器件,因此,加快技术研究并提高其发光效率成为当今首要问题。大功率LED 要成为照明业的主体,其中安全、高效的驱动研究是推广应用大功率LED的关键。

1 大功率LED 工作特性

LED 是一种新型半导体固态冷光源,它是一种能够将电能转化为可见光的光电器件。一般来说, 大功率LED 的功率至少在1 W 以上,目前比较常见的有1 W、3 W、5 W、8 W和10 W;被称为“绿色光源”的LED ,正朝着大电流(300 mA～1. 4 A) 、高效率(60～120 lm/ W) 、亮度可调的方向发展[1 ] 。

(1) 伏安特性
大功率LED 是低电压、大电流的驱动器件,当LED电压变化很小时,电流变化很大。当正向电压超过某个阈值,即通常所说的导通电压之后,可近似认为, IF 与VF 成正比,如图1 所示。



(2) 光特性

根据LED 的发光原理,LED 的发光亮度基本随LED的电流正向变化。控制大功率LED 的发光亮度,实质是控制它的输出光通量。

(3) 温度

LED 正向电流的大小也是随温度变化而变化的。环境温度一旦超过某一值,白光LED 的容许正向电流会大幅度降低。在此情况下,如果仍旧施加大电流,很容易造成白光LED 老化。图2 是LED 的温度与正向电流关系曲线。



2 系统方案设计

光源系统的稳定性与驱动电源有很大的关系,瞬态的电流或电压尖峰等许多因素都很容易对其造成损坏。驱动电源的性能直接影响整个光源系统的工作寿命、稳定性等性能[ 2 ] 。大功率LED 所需的驱动电源为直流的低电压,所以传统上用以驱动灯泡(钨丝) 、日光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率LED。根据以上大功率LED 特性,V F 的微小变化会引起较大的IF 变化;电流过强会引起LED 光的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度;温度升高时LED 的势垒电势降低,电流会越来越大。因此采用恒压源驱动不能保证LED 亮度的一致性,并且影响LED 的可靠性、寿命和光衰,故超高亮LED通常适宜采用恒流源驱动。另外,要提高发光的效率,设计具有完善、可靠的保护功能的LED 驱动系统,具备自动控制与检测的智能型LED 驱动成为技术发展的必要途径。本文采用硬件电路设计和软件程序设计相结合的方法,以单片机为核心,通过负反馈调整输出电流以达到稳定的目的,从而完成亮度可调的适合于多种大功率LED的智能驱动系统,使系统的性能得到很大的改善和提高,有效地解决了光源输出稳定性和可靠性的问题。系统原理框图如图3 所示。



2. 1 　可控恒流源

图4 是系统中用到的恒流源电路。该电路属于电流串联负反馈的拓扑结构,由集成运放和MOS 管构成。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D/ A 输出的可调电压信号V in ,使其成为受控恒流源。在反向输入端连接采样电阻R。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R1 的比值,用公式表示为[ 3 ]：



集成运放LM358 内部包括2 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、3～30 V 的宽电源电压范围,且可用作电压跟随器。运放配合MOSFET RF830 通过反馈跟随输入电压V in ,功率MOSFET 的基极与运放的输出级相连,用来增加驱动电流。当LM358 的同相端输入电压恒定时,由于负反馈的存在,保证了LM358 输出电压恒定,从而使流经LED 负载的电流为恒定电流。本设计是在0～30 V 电源供电的条件下,调节电流源的输入电压V in 从0～2. 4 V 变化,控制恒流源电路得到0～2. 4 A 的电流输出,由此可计算采
样电阻的阻值应该为1 Ω来保证所需的恒流数值。

采样电阻的选择会直接影响恒流源的稳定度。当输出电流达到一定程度时, R 必然会发热引起自身阻值的变化,这是影响恒流源输出电流值精度的一个关键因素。同时,A/ D 转换通过采样R 上的电压值为单片机进行闭环控制提供数据,因本设计最大输出电流为2. 4 A ,所以R 的功
率应足够大。为此,采用了温度系数比较小的康铜材料制作的阻值为1 Ω、功率为10 W的电阻。此外,MOSFET 是电压控制型器件,稳态时其栅极所需控制电流IG 几乎为0 ,不会影响输出电流UD 的精度,从而保证了恒流源的输出电流精度。对于电路中MOSFET 管也应选取大功率管以满足电流的要求,本系统采用漏极电流达4. 5 A、耗散功率为74 W的N 沟道增强型MOSFET 管RF830 。

2. 2 　自动控制单元

上述可控恒流源的设计已满足了电源的稳定输出的要求,但电源的稳定只是光源稳定的必要条件。因为在电源稳定的情况下,光源输出电流仍会在长时间工作中出现波动[ 4 ] 。系统中自动控制模块主要由键盘、LED 数字显示、具有A/ D 和D/ A 控制等功能的单片机(C8051F040)
系统组成。其中4 个按键( S1～S4) 控制实现2 个功能,2个选择键,2 个加减键。当LED 光源改变,LED 的电参数跟随改变,所要求的恒流值也改变,通过选择按键1 设定当前LED 的所需电流值;当固定LED 光源,控制其达到恒流工作情况时,通过S2 可方便设定LED 发光亮度。系
统电路设计原理如图5 所示。



此部分的主要功能是按给定电流值,提供调节输出电流所需的精密电压信号。首先采用键盘输入方式设置给定电流值。根据单片机写入的数据经过其内置的12 位D/ A 转换输出直流电压提供给恒流源的输入电压V in 使其得到一个稳定的恒流输出,再通过12 位A/ D 采样将LED 输出的电流数据送入单片机,通过单片机处理计算出控制电压,根据实际的电流与设定电流的比较,向单片机写入新的数据,从而更新输出电流,再反馈回可控恒流源电路,实现对恒流源输出电流的精确调节,最后由数码管分别显示设定电流与输出电流的数值。

C8051F040 作为控制系统的核心,其内置12 位A/ D、D/ A 转换,以及内置的2. 4V 基准电压,更加方便系统电路的设计[5 ] 。根据基准电压,A/ D 输出电流与D/ A 输入的电压范围一一对应,用12 位A/ D 转换所得电流精度可以达到0. 6 mA ,满足设计要求。