LED可控恒流源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。LED是一個(gè)非線性器件，當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，只要LED上的電壓發(fā)生微小變化，就會(huì)使電流過(guò)大導(dǎo)致LED器件發(fā)熱損壞。LED的工作特性對(duì)其供電電源質(zhì)量的依賴程度很大，因此實(shí)現(xiàn)一個(gè)高質(zhì)量的供電電源對(duì)提高LED的照明質(zhì)量、電能利用率、延長(zhǎng)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(dòng)電路設(shè)計(jì)，恒流源驅(qū)動(dòng)是最佳的LED驅(qū)動(dòng)方式，采用恒流源驅(qū)動(dòng)，LED上流過(guò)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(jìn)型恒流源，另一種是開(kāi)關(guān)電源式恒流源。線性電源改進(jìn)型恒流源的線性損耗大，適用范圍??；開(kāi)關(guān)電源式恒流源的可靠性較差，適應(yīng)范圍小，而且成本高。因此，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能可靠的數(shù)控恒流源就得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)小功率LED在現(xiàn)有照明系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)方式存在的一些不足，設(shè)計(jì)了一種高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出了一種相應(yīng)的新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1 LED特性

1.1LED伏安特性

LED伏安特性的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中，V是LED啟動(dòng)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(duì)于大多數(shù)LED而言，它的典型值為-2V/℃。從LED的數(shù)學(xué)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?xì)小變動(dòng)將引起LED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(dāng)環(huán)境溫度一旦超過(guò)50℃，白光LED的容許正向電流會(huì)幅度降低而達(dá)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(xué)特性

光源的光通量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)4π立體角的可見(jiàn)光能量。白光LED電流與光通量的關(guān)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?yàn)殡S著電流及時(shí)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(fù)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(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)STC89C52，一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案。

2.3時(shí)鐘功能模塊的選擇

方案1采用DS1302時(shí)鐘芯片。此芯片體積小、引腳少，操作起來(lái)非常方便。缺點(diǎn)是使用時(shí)需要外接備份電池和外部晶振，硬件線路較復(fù)雜，成本較高。

方案2采用DS12C887時(shí)鐘芯片。此芯片，體積相對(duì)較大，內(nèi)部集成有可充電鋰電池，同時(shí)還集成32.768kHz的標(biāo)準(zhǔn)晶振，可有效地保持時(shí)間的連續(xù)性，使用起來(lái)非常方便，但價(jià)格昂貴。

方案3利用單片機(jī)（晶振11.0592M）的定時(shí)器設(shè)計(jì)時(shí)鐘。時(shí)間顯示在1602液晶上，用獨(dú)立鍵盤(pán)調(diào)節(jié)時(shí)鐘的時(shí)、分、秒，并且可以設(shè)置定時(shí)。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(fù)雜。

考慮到性價(jià)比的問(wèn)題和電路優(yōu)化問(wèn)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(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)，輸出到達(dá)林頓管，經(jīng)濾波器消除紋波，實(shí)現(xiàn)恒流源功能。采用PWM脈沖方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的恒流源可簡(jiǎn)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(yīng)本設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求在技術(shù)上難度較高，且該方案很難適應(yīng)電流調(diào)節(jié)范圍大的應(yīng)用需求，受紋波和穩(wěn)定性等因素的限制，難以實(shí)現(xiàn)。

方案2由運(yùn)算V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成恒流電路。運(yùn)算放大器構(gòu)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(diǎn)。該方案可實(shí)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(jī)配合數(shù)字電位器控制，還可很方便實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流源。

方案3通過(guò)專門(mén)的恒流/恒壓芯片LT1769和簡(jiǎn)單的控制線路來(lái)實(shí)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(lái)控制系統(tǒng)的軟硬件都變得相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是方案實(shí)現(xiàn)不夠靈活；由于該芯片精度不高，設(shè)備性能被局限在這種專用芯片性能指標(biāo)所允許的范圍內(nèi)。所以這種設(shè)計(jì)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(chǎng)合，事實(shí)證明，這不是做理想的數(shù)控電流源實(shí)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(duì)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(shí)間為1μs，工作電壓為+5V~+15V，基準(zhǔn)電壓為±10V，與微處理器接口完全兼容，具有價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)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(gòu)成。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

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(fù)壓集成穩(wěn)壓器LM7912提供對(duì)稱的正/負(fù)12V穩(wěn)壓輸出，供給運(yùn)放使用，而后再通過(guò)LM7805穩(wěn)壓成5V輸出，供給單片機(jī)使用。

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