一种节能型LED驱动电路的设计

第１１卷第１期　电涤教　石Ｉ１日　Ｖｏ１．１１　Ｎｏ．１　２００８年１月　ＰＯＷＥＲ　ＳＵＰＰＬＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｊａｎｕａｒｙ　２００８　一种节能型ＬＥＤ驱动电路的设计　黄建华，　侯建国，　史斌宁，　舒俊波　（中山大学工学院，　广东　广州　５１０２７５）　摘要：ＬＥＤ发光辉度由驱动电流决定，驱动电流稳定与否直接影响ＬＥＤ发光辉度，通过设计一　种基于单片机数字控制的驱动电路，经试验证明，该电路使用可靠，并给出了具体的试验波形。　关键词：白光ＬＥＤ；ＰＷＭ控制；驱动电路　Ａ　Ｓａｖｉｎｇ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｒｕｎｎｉｎｇ　ＬＥＤ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ＨＵＡＮＧ　Ｊｉａｎ—ｈｕａ，ＨＯＵ　Ｊｉａｎ—ｇｕｏ，　ＳＨＩ　Ｂｉｎ－ｎｉｎｇ，　ＳＨＵ　Ｊｕｎ－ｂｏ　ｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　ＳＵＮ　ＹＡＴ—ＳＥＮ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５　１０２７５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＬＥＤ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｃｉｄｅｄ　ｂｙ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｉｆ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｓｔａｂｉｌｅ　ｗｉｌｌ　ｉｍｐａｃｔｓ　ｏｎ　ＬＥＤ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　Ａ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ，ｔｅｓｔ　ｐｒｏｖｅ　ｓｔａｂｉｌｅ，ａｎｄ　ｇｉｖｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｗａｖｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｈｉｔｅ　ＬＥＤ：ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｕｎｎｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　中图分类号：ＴＭ４６　文献标识码：Ｂ　文章编号：０２１９—２７１３（２００８）０ｌ一００５３—０５　０　引言　１　主电路的设计　在过去的一百多年里，作为人类文明象征的　主电路的拓扑结构如图１所示，三个串联的　照明技术有了飞速的发展。作为照明的技术主体　大功率白光ＬＥＤ作为ＢＵＣＫ型电路的输出负载，　的光源经历了三个重要的发展阶段：白炽灯、荧光　为了控制流过ＬＥＤ平均电流，增加电流检测电阻　灯和ＨＩＤ（Ｈｉｇｈ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）灯。在进入新　尺ｓ。　世纪的时候，提倡环保的今天，毋庸置疑二十一世　纪照明新光源是发光二极管ＬＥＤ，作为新一代光　源有着极其光明的发展前景。　白光ＬＥＤ发光电特性有这样的特点：白光　ＬＥＤ发光辉度由驱动电流决定，当ＬＥＤ两端电　压发生波动，电压略有变化，流过发光二极管中　的电流变换很快，而发光二极管的发光强度等比　于驱动电流…，因此驱动电流的好坏直接影响　ＬＥＤ发光质量。本文采用单片机控制一种恒流驱　图１　主电路结构图　动方式，采用３颗３５０ｍＡ／１ｗ的大功率白光ＬＥＤ　１．１　电源部分　作为光源，来进行驱动试验，验证了该驱动的可　靠性。　采用铅酸蓄电池供电，铅酸蓄电池单体开路　电压为２Ｖ，当作为一种备用能源使用时，通常由　６—８组串联使用，正常工作时输出电压为１２　收稿日期：２００７—０６—０１　１６Ｖ。３颗大功率白光ＬＥＤ正常工作时所需要的　５３　维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ１卷第１期　２００８年１月　电源艘　石ＩＩ目　ＰＯＷＥＲ　ＳＵＰＰＬＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｖ０ｌ＿ｌｌ　Ｎｏ．１　Ｊａｎｕａｒｙ　２００８　电压为１０．２Ｖ（３．４Ｖｘ３），而开关管的饱和导通压降　仅为０．３　０．４Ｖ。电流检测电阻上的压降为０．０３５Ｖ　（０．１　ｘ０．３５Ａ），稳态时一个周期内的电感压降为　零。输入电压高于我们负载所需要的输出电压，因　此，采用ＢＵＣＫ电路。当采用开关电源供电时，我　们同样可以提供稳定的１５Ｖ电压输入，如果考虑　到将来驱动更多大功率的白光ＬＥＤ，我们还可以　大功率白光ＬＥＤ　提供更高的电压输入。　１．２　采用均值控制方式　当我们设计白光ＬＥＤ恒流工作时的最大电　流３５０ｍＡ，由于开关管的存在，其均值电流肯定是　小于３５０ｍＡ，不能充分发挥白光ＬＥＤ的最大亮　度。根据白光ＬＥＤ发光的特点：当均值电流为　３５０ｍＡ时，其可以承受的最大峰值电流会随着开　关管导通时间的降低而增加。如：对于ＬＥＤ所能　够承受６００ｍＡ和８００ｍＡ的电流导通时间分别是　０．１ｌｘｓ和０．０１１ｘｓ。所以当我们考虑ＰＷＭ的输出频　率来控制峰值电流，还要考虑不超过ＬＥＤ均值电　流３５０ｍＡ的限制，由于白光ＬＥＤ发光的特点，即　使在峰值电流为８００ｍＡ，均值电流为３５０ｍＡ时，　其发光强度仍然不如白光ＬＥＤ恒流工作在　３５０ｍＡ，此结论在试验中得到了证实嘲。因此，我们　采用图１所示的结构，选择合适电感能保证恒定　的电流，用Ｒ　来检测输出均值电流的大小，以满　足ＬＥＤ对电流的限制，与此同时也增加了　ＭＯＳＦＥＴ的驱动电路设计的难度。　１－３　储能电感的设计　如图１所示，主电路中，当ＭＯＳＦＥＴ导通时，　电感电流增加，开始储能，ＥＬＤ开始发光，续流二　极管由于承受反向电压关闭，如图２所示。当　ＭＯＳＦＥＴ关断时，电感电流减少，开始释放能量，　通过肖特基二极管续流，如图３所示。当电路进入　稳态工作时，电感电流波形，如图４所示【３】。　当ＭＯＳＦＥＴ导通时，我们根据图２可以列方　程，即　Ｊ　．＿　娅＋　｝＋　ｌ　ＲＳ，ｌ　（１）　Ｕ　当ＭＯＳＦＥＴ断开时，我们根据图３可以列方　程，即　Ｊ　０＝Ｌ　＋　蛐＋Ｒｓ，２　（２）　图２　Ｍ０ＳＦＥＴ导通时ＬＥＤ发光过程图　大功率白光ＬＥＤ　Ｑ　图３　ＭＯＳＦＥＴ断开时ＬＥＤ发光过程图　图４　稳态工作时电感电流波形图　在此，我们假定输入电压为１５Ｖ，开关管　ＭＯＳＦＥＴ的饱和导通压降为０．４Ｖ，由三个ＬＥＤ组　成的负载所需要的输出电压不变化为１０．２ｖ　（３．４Ｖｘ３），肖特基二极管的导通压降为０．３ｖ，我们　要控制的电流其均值为３５０ｍＡ，而实际值在３４０　３６０ｍＡ之间波动。Ｏ￣ＤＴ时，电流为ｉｌ，ＤＴ￣Ｔ时，电　流为ｉ２，Ｄ＝ｔｏＪＴ，Ｄ为占空比。　式（１）改为　１５＝０．４＋ｚ　＋１０．２＋０．１ｉｌ　（３）　ｄｆ　式（２）改为　０＝ｚ　＋１０．２＋０．３＋０．１ｉ２　（４）　Ｕ　联立以上的两个微分方程解得Ｄ＝０．７０７，如果　我们控制开关管的频率为１０ｋＨｚ，则Ｔ＝０．１ｍｓ解　得Ｌ＝１５．４３ｍＨ。　１．４　主要元器件的选取　ＭＯＳＦＥＴ管所承受的最高电压为１６Ｖ，将来　考虑到其扩展性，我们不妨设其最高电压，控制在　维普资讯 http://www.cqvip.com ★技术交麓　——一种节能型ＬＥＤ驱动电路的设计——　安全电压范围内，即３６Ｖ。而其电流为０．３５Ａ，考虑　其尖峰电流的冲击，由于有平波电感的存在，我们　ＪＫ３单片机输出的ＰＷＭ信号是数字信号，低电平　是０ｖ，高电平仅为５Ｖ，而且驱动电流有限，驱动　能力有限，所以无法驱动ＭＯＳＦＥＴ管。通常驱动　ＭＯＳＦＥＴ采用的是１２Ｖ的电压。而且单片机的　假设其最高电流为０．５Ａ。开关频率设定为１０ｋＨｚ，　满足我们条件的开关管有很多，我们不妨选取　ＩＲＦ８３０（４．５Ａ／５００Ｖ）。续流二极管承受电源和电感　的反向电压最高可达到３０Ｖ，为了达到节能，我们　选用低导通压降的１Ｎ５８１９肖特基二极管。　ＰＷＭ是相对单片机地来讲的，所以必须设计的浮　地ＭＯＳＦＥＴ管的驱动。为此我们必须增加独立电　源ＶＤＤ，同时利用东芝公司ＴＰ２５０【６】实现光耦隔离　驱动，试验原理图如图６所示。　２　控制电路的设计　为了实现对ＬＥＤ亮度调节，以及定时等功能，　故我们采用微处理一ＭＣ６８ＨＣ９０８Ｊｋ３嘲，通过软件来　实现所需要的各种功能，如图５所示。采用软件的　控制方式，有以下几个好处：　（１）增加了控制的灵活性，可以满足很多新的　控制要求；　Ｄ　Ｄ　（２）当我们要控制的负载电路发生改变时，我　们不需要修改硬件电路，只需要修改软件部分，即　可方便地实现新的条件下的应用；　（３）在数字控制中，有一种应用十分广泛的控　制方式——数字式ＰＩＤ控制，本次课题设计中，为　了防止当蓄电池电压下降时，引起白光ＬＥＤ亮度　的变化，我们采用对流过ＬＥＤ的电流的采样，然　图６　采用ＴＩ．ＥＶ２５０光耦隔离驱动　４　电流采样反馈电路　本次设计的主ＢＵＣＫ电路的负载电流通过一　个１００ｍｌ＇￣小采样电阻取得，我们需要把此信号经　过放大，过滤后按照要求送到单片机ＡＤＣ的读入　口，采样电流原理图如图７所示。　流过ＬＥＤ的电流经过尺　采样后，取出的电　ＮＡ后通过单片机灵活的ＰＩＤ控制，・通过负反馈来实　现对开关管的控制。　压信号通过ＲＣ滤波后，送入放大器ＬＭ３５８的同　３　ＭＯＳＦＥＴ驱动电路的设计　本次课题设计的主电路采用ＢＵＣＫ主拓扑，　向输入端。经过发大５ｌ倍后，送至单片机读入口。　如果流过ＬＥＤ的电流是３５０ｍＡ，则ＲＳ两端的电　压就是０．０３５Ｖ，经过发大５ｌ倍后，就是１．７８５Ｖ。　尺２　Ｒｃｓ２　２４Ｍ　ＪＫ３　ＭＣ６８ＨＣ９　‘ＣＤ４０ｌ】　ＲＳＴ　口卜　ＩＲｒ￣ｌ。　ＶＳＳ　ＭＣＵ　ＯＳＣｌ　ＯＳＣ２，ＰＴＡ　ＶＤＤ　ＰＴＢ７　ＣＤ４０ｌ】　ＰＴＤ４　ＰＴＤ５　ＰＴＤ２　ＰＴＤ３　ＰＴＢＯ　Ｐ１＇Ｂｌ　ＰＴＢ２　ＰＴＢ３　ＰＴＢ４　一ＤＯ　Ｄｌ　Ｄ２　Ｄ３　电流采样ｆｅｅｄｂａｃｋ　ＰＴＢ６　ＰＴＢ５　ＰＴＤ７　ＰＴＤ６　——一ｌ０４　控制信号　电路主控芯片　＋５Ｖ　图５　主控制电路图　５５　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１１卷第１期　２００８年１月　电涤艘　石阙　ＰＯＷＥＲ　ＳＵＰＰＬＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｖｏｌ＿１１　Ｎｏ．１　Ｊａｎｕａｒｙ　２００８　媸　图７　电流采样反馈电路　５　试验电路波形图及其分析　下面通过实验波形来检测一下，我们的实验　是否达到了预期的效果。当我们改变蓄电池的供　电电压时，来观察ＰＷＭ的输出波形以及采样得　到的电流波形（电流采样取自采样电阻的端电　压），实验波形如图８一图１０所示。　ＡＵＴＯＳＥＴ　圃　八　／　＼　ＣＨ　１　．蛏．　峰值　・２８Ｖ　平　）值５‘　）６Ｖ　取消自动　周　１ｏｏ　６ｔａｓ　频　９９３　ＩｋＨｚ　设置　　ＩＩ　Ｉ　Ｍ　５０　０ｕｓ　ＣＨ１．／－２　６６Ｖ　９　９３３９７Ｈｚ　ＡＵＴＯＳＥＴ　圆圈　Ｖ厂＼　＾　ＦＦＴ　ＣＨ　１　峰．　峰值：ｌ　２０ｍ、　，　均ｊ　ｆ根值　２　０８、　，　取消自动　周　１　２Ｃ　０ｔａｓ　频ｉ　§８３３．　３ｋＨｚ　设置　Ｍ１ｏ０ｕｓ　ＣＨ１．／－２　０４Ｖ　＜１０Ｈｚ　图８　系统工作在１０，４Ｖ／３５０ｍＡ的工作模式下的　ＰＷＭ波形和采样电流波形　由图１１可知，当供电电压逐渐增高，ＪＫ３单　片机输出的ＰＷＭ控制信号的脉冲宽度逐渐的变　窄，采样电阻上得到的电流信号的波动幅度增加，　删叫　●—●ｈ　■●　■■■■　—＿　■＿●＿　一＿＿　●一　■－　●一　ｌ　八　Ｌ　／　＼　ＣＨ１　峰－峰值５　３６Ｖ　平均值４　１２Ｖ　一　取消自动　周期１００　６ｔｔｓ　频率９　９３７ｋＨｚ　设置　ｌｌｌｌｌｌｌ　Ｕ　Ｕ　八　／　＼　ＣＨ１　峰－￣＇ｆＪｇｔ９６０ｍＶ　平均值２　３１Ｖ　一　取消自动　周期４　８００￣ｓ　频率２０８　３ｋＨｚ　设置　图９　系统工作在１３Ｖ／３５０ｍＡ的工作模式下的　ＰＷＭ波形和采样电流波形　当开关管导通时问变短后，要想保持流过ＬＥＤ的　均值电流无变化，只有增加峰值电流量，而峰值电　流的大小和我们前面设计的储能电感有关。虽然　采样电流信号波动会随着电压增大而增大，但是　均值电流是基本无变化的。从肉眼来看亮度也无　明显变化。但是当供电电压降低到１０．４Ｖ时，亮度　有了明显的降低，而且从波形可以看出，ＰＷＭ到　了最大宽度，采样电流的波形，已经趋于基本无明　显波动，而均值电流值也出现了明显下降。此时的　供电电压已经无法满足３个ＬＥＤ同时工作在　３５０ｍＡ的最低电压要求。换言之，当供电电压过低　时，无法保证负载电流达到设定值，ＰＷＭ只有展　开到最大宽度值，此时开关管几乎处于完全开通　状态，故流过负载的电流接近于恒流。　６　结语　实验的结果和我们的预期是完全一致的。当　蓄电池电压值随着使用过程降低时，流过ＬＥＤ的　维普资讯 http://www.cqvip.com －■一Ｉｈ　ｌ■．．－　１　●．．－　●　■＿■　■●■　几　／　＼　ＣＨ１　。峰－峰值８　４０Ｖ　￣ｇｊＮ３　５４Ｖ　一　取消自动　周期１００　８ｐｓ　频率９　９１７ｋＨｚ　设置　２　５３Ｖ　～　、　＼　、　、Ｊ一　、一一　、．一　、．　、．一　、＿　、Ｊ　．／　’＼　ＣＨ１　峰－峰值１　２８Ｖ　均值２　３５Ｖ　一　取消自动　周期５９　６０ｐｓ　频率１６　７８ｋＨｚ　设置　２　４８Ｖ　图１０　系统工作在１５Ｖ／３５０ｍＡ的工作模式下　ＰＷＭ和波形的采样电流波形　电流也会跟着降低，当单片机检测到电流值低于　给定电流值时，即目前的ＰＷＭ输出脉冲的宽度　无法满足要求，就会自动调节使输出脉冲变宽，从　而使得开关管的导通时间增加，来保证流过ＬＥＤ　的电流保持不变，这也说明了ＰＩ调节程序是非常　成功的。　参考文献　【１］潘英俊，邹建．光电子技术【Ｍ］．重庆：重庆大学出版　社．２０００．　【２］侯建国，陈鸣，陈健．高亮度白光二极管发光特性的研　究［ＪＪ．光源与照明，２００６．　［３］黄俊，王兆安．电力电子变流技术（第三版）【Ｍ］．北京：　机械工业出版社．２００５．　【４］　Ｒｏｌａｎｄ　Ｈａｉｔｚ．Ａｎｏｔｈｅｒ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：Ｔｈｉｓ　Ｔｉｍｅ　ｉｔ＇ｓ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ，ＬＳ一９　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ．２００１．　【５］　Ｎｏｔｅ：ＭＣ６８ＨＣ９０８ＪＫ３　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄａｔａ［Ｚ］．ｈｔｔｐ：／／ｍｏｔｏｒｏｌａ．　ｃｏｍ／ｓｐｓ．　【６］Ｎｏｔｅ：ＴＬＰ２５０　Ｔｏｓｈｉｂａ　ＰｈｏｔｏＣｏｕｐｌｅ［Ｚ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．　★技术交麓　——一种节能型ＬＥＤ驱动电路的设计——　作者简介　黄建华（１９８２一），男，在读硕士研究生，电力电子专业，　研究方向为绿色照明技术。　侯建国（１９７８一），男，在读硕士研究生，电力电子专业，　研究方向为绿色照明技术。　史斌宁（１９４９一），男，中山大学教授，硕士生导师，长期　从事电力电子技术的研究。　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ第１　１届技术精英年会　在七个国家培训近３０００名工程师　全球领先的单片机和模拟半导体供应商——美国　微芯科技公司（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃ．）宣布近日结束　的Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ第１　１届系列技术精英年会参会人数再创历　史新高，近３０００名嵌入式设计人员分别参加了在七个国　家用四种语言举办的１　３场技术精英年会。Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ技术　精英年会是整个Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ培训计划的一部分，该计划还　包括由３５家Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ区域培训中心组成的全球网络、　由１００多个点播在线研讨会组成的Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ资料库，　以及Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ及其分销合作伙伴定期组织的动手实验　课程。　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ全球应用工程部副总裁Ｋｅｎ　Ｐｙｅ表示：　“技术精英年会致力于通过Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ本地专家为工程师　提供全面深入的技术培训课程。对于没能参加我们组织　的２００７年技术精英年会活动的　程师和技术人员而言，　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ培训计划还将通过当地的区域培训中心和在线　研讨会为大家提供常年培训机会。”　对于年会期间５８５场不同规模的会议所涉及的１００　多个课题，参会者均给予了非常积极的反馈。为期３０天　的培训课程结束之后，Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ专业指导人员发现网络　连接是２８７２名与会工程师最关注的课题之一。培训课程　涵盖了广泛的电子工程课题，包括ＵＳＢ嵌入式应用、以　太网、控制器局域网（ＣＡＮ）、无线（如ＺｉｇＢｅｅ＇１）ｄ网络）技　术、ＱＶＧＡ／图形显示、电容式触摸传感器、编程技术、信号　调理、振荡器、电机控制、智能电源设计以及语音处理函　数和其他基于ＤＳＰ的函数。　技术精英年会还为丁程师与同行以及ＭｉｃｒｏｃｈｉＤ广　大专家建立沟通交流提供了丰富的机会。同时，年会还设　立了由第ｊ二方开发＿Ｔ．具专家负责的展览区域，并安排了　模拟晶圆生产厂参观。多数年会还为与会人员及其家属　组织了丰富的晚会活动，例如挑战者号空间中心的“２０２０　月球基地”交互展示、“悬浮鼠标”搭建及比赛、魔术表演、　机器人竞赛、Ｓｃａｌｅｘｔｒｉｃ数字轨道赛车、卡西诺桌牌游戏、　运动酒吧以及视频游戏等。　５７