大功率LED智能化照明控制系统设计

摘要：在绿色照明领域，既要体现节能，又要具备较高的光效，大功率LED驱动设计显得越来越重要。针对大功率LED的特性，研究设计了适用于不同参数指标的白光LED的驱动与控制系统。该系统以单片机C8051F040为核心，结合外围电路，用数字控制技术代替模拟电路控制，对大功率LED的恒流驱动电流进行高精度控制，以及对LED亮度进行自动调节控制，实现了多种大功率LED智能化照明。
关键词：大功率LED；恒流驱动；C8051F040；智能化照明

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1W、3W、5W、8W和10W；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)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。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IED特性，VF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人端引入由D／A输出的可调电压信号Vin，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：Is=Vin／R。

    集成运放了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Vin，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Vin从O～2．4 V变化，控制恒流源电路得到O～2．4 A的电流输出，由此可计算采样电阻的阻值应该为lΩQ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O，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。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，控制其达到恒流丁作情况时，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Vin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。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O．6 mA，满足设计要求。

3 系统软件设计
    软件程序的设计主要包括初始化管理模块、按键管理模块、数据处理模块和显示模块，所有模块都用单片机C51语言编写。根据硬件电路，整个单片机软件部分主程序流程如图6所示。

    在闭环比较运算中，通过比较实际值与设定值的差值逼近标准值。如果实际值大于设定值，则将原来D／A的入口数值减去这个差值再送去D／A转换；如果实际值小于设定值，则把原来D／A的入口数值加上这个差值再送去转换。循环比较，使实际值和设定值相一致后通过数码管把稳定的实际值显示出来。
    系统的性能指标主要由两大关系所决定：设定值与A／D采样显示值的关系；内部测量值与实际测量值的关系。后者是由于取样电阻与负载电阻和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的。为了减少这种误差，一定要选用温度系数低的电阻作采样电阻；而A／D与D／A转换过程的误差可以通过多次实验得出一定的比例关系，将所得的误差加入系统程序中。

4 数据处理与结果分析
    数据测试是反映系统性能的重要指标。本测试选用1 W、2 W、10 W的LED，依次加9 V、1 2 V、15 V的电源电压，通过按键设定所选功率LED对应的输出电流值(1 W—O．35 mA，2 W—0．70 mA，lO W一1 A)，分别检测对应D／A转换输出电压、电流源自身检测到实际输出电流值以及通过外部电流表测量的电流值和数码管的2个数据显示值。其次针对2 W的LED单独进行电流调节，以10 mA的步进递增递减，观察其发光亮度的变化。相关数据如表1、表2所列。

    从以上测试结果可以看出，该系统实现了由单片机C8051F040控制的精密恒流源，保证了大功率LED的交效稳定工作，对于不同功率LED输出电流满足误差精度在±3 mA范围内的要求。另外，在进行亮度调节时可以看出，电流值小时，输出电流更接近给定电流；电流值较大时，由于系统散热性能不够优良导致恒流源电源性能下降，引起误差增大。误差存在的原因主要是采样电阻制作误差，同时系统工作时采样电阻发热，阻值变化也会引起误差。但总的看来，该系统具有较高的稳定性和精度。

结语
    本系统通过单片机控制，有效地提高了光源输出的电流稳定性。实现了数字化光源驱动的智能控制，对大功率LED照明的发展具有很大的意义。在数据测试和调试方面，由于仪表存在误差和电路器件因工作时间过长温度升高而产生的误差，使得测量数据不是很精确，通过软件设计尽可能减少误差的存在，从而使输出电流的误差范围减小到±2 mA，大大提高了系统的精度。