LED可控恒流源驅(qū)動系統(tǒng)設計方案

LED作為第三代照明光源，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高、壽命長等優(yōu)點。LED是一個非線性器件，當LED導通時，只要LED上的電壓發(fā)生微小變化，就會使電流過大導致LED器件發(fā)熱損壞。LED的工作特性對其供電電源質(zhì)量的依賴程度很大，因此實現(xiàn)一個高質(zhì)量的供電電源對提高LED的照明質(zhì)量、電能利用率、延長LED的使用壽命有著重要的意義。供電電源的穩(wěn)定性主要取決于LED驅(qū)動電路設計，恒流源驅(qū)動是最佳的LED驅(qū)動方式，采用恒流源驅(qū)動，LED上流過的電流將不受電壓、環(huán)境溫度變化，以及LED參數(shù)離散性的影響，從而能保持電流恒定，充分發(fā)揮LED的各種優(yōu)良特性。目前廣泛采用的恒流源有兩種形式：一種是線性電源改進型恒流源，另一種是開關電源式恒流源。線性電源改進型恒流源的線性損耗大，適用范圍??；開關電源式恒流源的可靠性較差，適應范圍小，而且成本高。因此，經(jīng)濟實用、性能可靠的數(shù)控恒流源就得到了廣泛的應用。本文針對小功率LED在現(xiàn)有照明系統(tǒng)中驅(qū)動方式存在的一些不足，設計了一種高效的驅(qū)動系統(tǒng)，提出了一種相應的新型驅(qū)動系統(tǒng)。

1 LED特性

1.1LED伏安特性

LED伏安特性的數(shù)學模型可以表示為：

式中，V是LED啟動電壓；RS表示伏安曲線斜率；IF表示LED正向電流；T表示環(huán)境溫度；△VF/△T是LED正向電壓的溫度系數(shù)，對于大多數(shù)LED而言，它的典型值為-2V/℃。從LED的數(shù)學模型看，在一定的環(huán)境溫度條件下LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募毿∽儎訉⒁餖ED電流的很大變化。

1.2LED溫度特性

LED正向電流的大小是隨溫度變化而變化的，白光LED的工作電流一般在200mA左右，當環(huán)境溫度一旦超過50℃，白光LED的容許正向電流會幅度降低而達不到正常發(fā)光亮度所需的工作電流，在此情況下如果仍舊施加大電流，很容易使白光LED老化。

1.3LED光學特性

光源的光通量是指單位時間內(nèi)通過4π立體角的可見光能量。白光LED電流與光通量的關系如圖1所示，隨著電流的增加，LED的光通量非線性增加，并逐漸趨于飽和。其原因主要是因為隨著電流及時間的增大，大功率LED內(nèi)部溫度上升，發(fā)生在P/N結(jié)結(jié)區(qū)的載流子復合幾率下降，造成LED發(fā)光效率降低。

2 系統(tǒng)方案選擇與比較

2.1系統(tǒng)結(jié)構框圖

系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖2所示。

2.2核心控制器的選擇

控制器采用目前比較通用的STC系列單片機STC89C52，一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的高性能8位微處理器。該器件采用高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，STC的STC89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

2.3時鐘功能模塊的選擇

方案1采用DS1302時鐘芯片。此芯片體積小、引腳少，操作起來非常方便。缺點是使用時需要外接備份電池和外部晶振，硬件線路較復雜，成本較高。

方案2采用DS12C887時鐘芯片。此芯片，體積相對較大，內(nèi)部集成有可充電鋰電池，同時還集成32.768kHz的標準晶振，可有效地保持時間的連續(xù)性，使用起來非常方便，但價格昂貴。

方案3利用單片機（晶振11.0592M）的定時器設計時鐘。時間顯示在1602液晶上，用獨立鍵盤調(diào)節(jié)時鐘的時、分、秒，并且可以設置定時。成本低，不需要在啟用其他的芯片和外圍電路，但程序較為復雜。

考慮到性價比的問題和電路優(yōu)化問題，所以選用方案3。

2.4恒流源模塊選擇

方案1采用單片機產(chǎn)生PWM信號，輸出到達林頓管，經(jīng)濾波器消除紋波，實現(xiàn)恒流源功能。采用PWM脈沖方式來實現(xiàn)的恒流源可簡化硬件電路，易于控制和調(diào)節(jié)，但是該方案精度難以保證，要適應本設計對精度的要求在技術上難度較高，且該方案很難適應電流調(diào)節(jié)范圍大的應用需求，受紋波和穩(wěn)定性等因素的限制，難以實現(xiàn)。

方案2由運算V/I轉(zhuǎn)換電路構成恒流電路。運算放大器構成的恒流電路擺脫了晶體管恒流電路受限于工藝參數(shù)的缺點。該方案可實現(xiàn)0~5V/0~500mA的V/I轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換精度較高。若輸入端由單片機配合數(shù)字電位器控制，還可很方便實現(xiàn)數(shù)控恒流源。

方案3通過專門的恒流/恒壓芯片LT1769和簡單的控制線路來實現(xiàn)壓控電流源方案。這種恒壓芯片具有集成度高，使用起來控制系統(tǒng)的軟硬件都變得相對簡單的優(yōu)點。但缺點是方案實現(xiàn)不夠靈活；由于該芯片精度不高，設備性能被局限在這種專用芯片性能指標所允許的范圍內(nèi)。所以這種設計一般只適合于精度要求不高，但集成度和便攜性要求高的場合，事實證明，這不是做理想的數(shù)控電流源實現(xiàn)方案。

鑒于論證與比較，最終選擇方案2。

2.5D/A轉(zhuǎn)換器選擇

對于D/A轉(zhuǎn)換器，筆者使用非常普遍的8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，其轉(zhuǎn)換時間為1μs，工作電壓為+5V~+15V，基準電壓為±10V，與微處理器接口完全兼容，具有價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。其D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構成。

3 硬件電路設計

3.1系統(tǒng)電源電路

如圖3所示，該電源利用正壓集成穩(wěn)壓器LM7812和負壓集成穩(wěn)壓器LM7912提供對稱的正/負12V穩(wěn)壓輸出，供給運放使用，而后再通過LM7805穩(wěn)壓成5V輸出，供給單片機使用。

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