高效节能LED驱动电路设计

高效节能LED驱动电路设计
刘杰
【摘要】采用NPN三极管8050构建的驱动电路和单片机STC89C52实现了高亮度白光LED控制系统.系统分为主控制单元和驱动单元两个部分,采用主从式传输控制方式,驱动单元控制电路实时采集所需的数据,并及时上传至主控制器,而主控制器则根据上传的实时数据,对驱动单元下达设定数据以及控制命令;通过单片机发送PWM脉冲控制高亮度白光LED开关以及自动调光和故障自诊断报警.该系统具有传输距离远、响应速度快、操作简便、性价比高、工作稳定、可靠性高等优点.【期刊名称】《重庆文理学院学报（社会科学版）》
【年(卷),期】2013(032)005
【总页数】6页(P47-52)
【关键词】驱动电路;PWM脉冲;主控制器;故障自诊断
【作者】刘杰
【作者单位】重庆文理学院总务处,重庆永川402160
【正文语种】中文
【中图分类】TM923.02
LED应用于LCD背光源的设计已相当成熟，目前正逐步朝大尺寸的LCD背光应用发展.现在中/小型的 LCD设计几乎全面转移改用LED提供背光设计.在家用、车用与一些取代传统照明的应用场合，LED需要的是高效照明、高功率输出的应用条
件，驱动电路的开发也必须考虑到如何让LED的发光效率表现更佳，甚至兼具更高的可靠性、更长的使用寿命.高功率节能LED需要考虑更稳定的供电驱动.目前，LED的应用已经深入一般人的生活，以前大量选用低功率的指示灯现在已经逐渐移转至更高功率、更高发光效率的照明与背光应用方面，LED正在逐步应用于日常照明，开始全面淘汰以往的照明装置.LED在提升发光效率的竞争方面，除了芯片和封装技术的改良外，很大一部分的成功要素，就是驱动电路的设计.只有提供稳定且高功率的电源供应，才能让LED的发光光型、光通量达到日常照明的基本要求.当今世界特别关注能源节约和绿色照明的开发与应用，LED技术的发展正是一项环保无污染的取代技术.
LED未来的发展前景大好.其原因如下:一是有现阶段全世界都在倡导绿色、环保、高效节能的大好形势;二是LED光源是最为安全、健康的“绿色光源”，环保效果十分明显;三是LED光源是直流、低压、无频闪和电磁干扰、无红外与紫外辐射、无荧光灯中的汞蒸气等污染物的优势;四是非常符合欧盟和我国未来灯具生产标准;五是通过节能降耗减少火力发电产生的CO2、SO2和粉尘的排放量，提高了节能降耗与减排和环境污染问题;六是LED照明的数字化照明应用和丰富的视觉效果可以调节人的生理和心理，营造气氛，带来健康舒适的生活和工作环境.因此，本项目所做的高效节能LED驱动电路的设计工作有很好的发展前景，研究具有现实意义［1］.
1 方案论证与选择
1.1 系统基本组成
根据题目要求，系统基本设计框图如图1所示.系统主要分为主控制器和驱动两个单元部分.主控制器单元由报警显示模块、单片机控制系统模块、按键模块组成;驱动单元由驱动电路模块、LED模块组成［2］.主控制器是整个系统的控制核心，主要完成对控制单元状态的收集、显示及判断，控制命令的下发;驱动单元是整个系
统的控制执行终端，主要完成对该单元所有状态的采集与上传，接收主控制器的控制指令并具体执行.其中，驱动电路设计、PWM调光设计、故障自诊断报警、系
统的控制方案以及主控制器与驱动单元的信息传输是本设计中的关键点［3］.
图1 系统基本框图
1.2 各模块方案论证与选择
1.2.1 系统控制方案的选择
方案1:整个系统采用集中控制方式.主控制单元是整个LED驱动控制系统的唯一决策和控制单元，其作用是整个系统的逻辑判断和控制命令下发，综合所有采集到的数据，进行逻辑分析、判断，形成相应的控制命令下发各单元电路执行;而驱动控
制电路仅仅是一个执行终端，接收各种控制命令并执行.优点:该方案控制集中，实
现较为方便，响应速度快［4］.
方案2:系统采用集中控制和就地控制相结合的方式.主控制单元可以集中对各个单
元电路进行控制，同时各个单元控制电路也可以根据所采集的状态进行综合判断，并做出相应的控制动作.优点:整个系统的控制方式灵活，两种方式互补，既减轻了
驱动控制电路的负荷，又使整个系统的控制容量做得很大.缺点:设计较为复杂，实
现比较困难，并需要采用两个控制器，提高了成本.
鉴于方案1的明显优点，综合比较，本系统采用方案1.
1.2.2 驱动方案的选择
方案1:利用集成运放LM358和MOS管IRF614制成恒流源电路来驱动白光LED，控制LED的开关以及自动调光功能［5］.优点:电源波动影响极小，电压从10～36 V变化，其恒流稳定性超过1/1000.其等效内阻高达70 MΩ以上，上端增加了功率限流电阻，防止电流过大而造成LED损坏;缺点:设计非常复杂，控制电压要求很高，并且由于电压过高后IRF614很容易被击穿.
方案2:利用集成模块MAX1553驱动LED，该模块只需2.7～5.5 V供电电压
［6］.优点:具有高效率、40 V升降压转换器;它能够以恒定电流驱动白光LED，也可由单片机提供PWM来进行调光，该模块的限流值为480 mA，可以驱动2～9
只白光LED;缺点:该芯片只有贴片封装，造成安装不变，而且价格昂贵，购买也不方便.
方案3:利用NPN三极管8050构建驱动电路直接驱动LED，该模块只需5 V供电电压.优点:故障检测便于实现，设计结构非常简单、具有高效率，便于驱动高效白
光LED，并且性价比高［7］.
鉴于方案3的优点，综合比较，本系统采用方案3.
2 硬件设计
2.1 系统硬件的基本组成
本系统由主控制电路和驱动控制电路两个模块组成，其结构框图如图2所示.主控
制电路由单片机控制单元、报警显示单元、键盘单元、通信单元组成;驱动控制电
路由控制单元、状态采集单元、通信单元组成.两个模块之间通过通信单元相互传
递信息，实现状态的上传和控制命令的下发［8］.
图2 系统硬件结构框图
2.2 系统原理电路及分析
本系统采用常规集成芯片和传统电路设计而成，所有单元电路都进行了精心选择，尽可能发挥系统的最佳性能［9］.系统所用的部分电路原理图如图3所示.
图3 高效节能LED控制系统原理图
2.2.1 系统微控制器MCU的选择
本系统的主控制器采用STC89C52单片机［10］，这种MCU具有1个232口和1个SPI通信口，程序也可以使用C语言来进行编写，购买很方便，成本为几元，既可控制成本，亦可有效地完成控制.
2.2.2 系统驱动电路
系统驱动电路如图4所示.利用NPN三极管8050搭建驱动电路直接驱动LED，在三极管的基极经一个电阻输入控制信号，发射极输出驱动LED的控制信号，集电
极输入5 V电压.利用这一个简单的电路就是实现对LED的驱动［11］.
2.2.3 系统调光功能
主控制系统能够实现对LED驱动电源功率的开环控制.利用PWM，改变驱动电路
基准电压，调整驱动电路电流，实现调光功能.同时，可以利用按键进行LED亮度的调节、LED开关状态的切换和3组LED的切换［12］.
2.2.4 系统故障自动检测
系统能够对驱动电路基准电压、LED回路电流以及LED状态进行反馈采集，并进
行综合判断，得出系统的工作状态［6］.当系统控制输出值与驱动电路基准电压值偏离时，回路未工作在正常状态，此时驱动电路电路故障;当系统控制灯亮并且蜂
鸣器发出报警，而反馈路灯状态为灭时，LED回路故障，此时，若驱动电路基准
电压为0，说明路灯开路;若驱动电路基准电压正常，则说明路灯短路.并且还可以
根据系统控制灯的指示，判定是哪一组LED发生了故障.系统实时查询上述各状态，形成故障自动检测体系.
图4 系统驱动电路原理图
3 软件设计
3.1 软件总体流程图
主控制器软件主要包括定时中断和响应按键以及输出PWM脉冲信号这3部分组成.软件流程如图5所示.定时中断部分产生一个时钟节拍，轮询驱动控制器的数据、刷新报警单元显示;响应按键部分则根据按键进入功能界面，完成哪一组LED选择设定，以及LED的开关状态切换，通过按键的输入信号进行PWM;利用中断产生PWM脉冲信号来驱动LED，并且可以改变定时/计数器的设定值来调整PWM的
脉冲宽度进行LED的亮度调节.系统不工作的间隙都是处于睡眠状态，有利于进一
步减小系统功耗.
图5 系统程序流程图
4 系统仿真
4.1 系统仿真
利用Proteus仿真软件进行系统的仿真，在Proteus进行原理图绘制［13］，把各个模块电路绘制在该软件中，仿真原理图如图6所示.
图6 系统仿真原理图
4.1.1 仿真步骤
①打开Proteus仿真软件，然后新建一个工程，并保存.
②在新建的工程中按前面系统原理图来进行绘制.
③绘制好原理图后双击单片机，找到所编写的程序，然后添加到单片机中.
④最后点击开始，然后进行仿真，可以观察仿真的结果.
4.1.2 仿真现象
①系统初始状态，3组LED全亮，亮度保持在设置初始值.
②当按下KEY1时，系统处于LED的开关状态，按一下KEY1，所有LED全部关闭，再按一下，又回到初始状态.
③当按下KEY3时，系统3组LED可以同时增大亮度，但是有一个上线阀值，达到这个阀值后，再按也不再增大亮度.
④当按下KEY4时，系统3组LED可以同时减小亮度，但是有一个下线阀值，达到这个阀值后，再按也不再减小亮度.
⑤当按下KEY2时，系统处于3组LED的选择状态.按一下选择第一组，此时只可以对第一组进行亮度的调节;当按下第二次KEY2时，类似地只能对第二组进行调节;当按下第四次时，全部回到原始工作状态，以此类似地可以对LED的各组状态进行调节.
⑥当短接驱动电路任意一个LED时，该组LED全部熄灭，控制系统的报警装置将发出指示，证明此时是短路故障.
⑦ 当取下驱动电路中那个跳冒时，该组LED全部熄灭，证明此时是开路故障.
5 系统测试
5.1 测试仪器
MY-05数字万用表一只，CA1713双路直流稳压电源一台，YB4365双踪示波器一台.
5.2 指标测试及结果
5.2.1 系统调光功能参数测试
测试方法:将一个三用表串入LED灯驱动电源回路测试电流，另一个三用表测试LED灯两端电压，计算实际功率.测试结果如表1所示.
在功率设定完成后，电路中的电流瞬间改变到表中的测试值，表明功率调节功能可以在瞬间完成;由表中可以看出，误差最大的是100﹪功率档，为1.44﹪;误差最小的是50﹪功率档，为0.02﹪，高精度满足了题目中的高效节能要求.
5.2.2 系统调光功能现象测试
调光功能现象测试方法:在进行调光功能现象测试时，按下KEY3时，系统3组LED可以同时增大亮度，但有一个上线阀值，达到这个阀值后再按也不会再增大亮度.当按下KEY4时，系统3组LED可以同时减小亮度，但有一个下线阀值，达到这个阀值后再按也不会再减小亮度.此状态可以证明系统可以进行正常的调光功能.
表1 调光功能测试结果功率设定/﹪ LED电压U/V LED电流I/mA LED功率/W 占最大功率百分数/﹪100 3.2 317 1.014 4 101.44﹪80 2.8 286 0.800 8 80.08﹪50 2.44 205 0.500 2 50.02﹪20 2.01 100 0.201 20.1﹪
5.2.3 系统开关切换和选组状态的测试
开关测试方法:在进行开关状态测试时，可以按下主控制电路的KEY1，观察所有白光LED的状态.
选组测试方法:在进行选组状态测试时，可以先按下主控制电路的KEY2，然后再按主控制电路的KEY3时，只有一组白光LED增大亮度，其余两组保持不变;再按KEY4时，只有一组白光LED减小亮度，其余两组保持不变;第4次按下KEY2时候回到初始状态，此时则可以证明选组可以正常进行.
5.2.4 系统故障测试
故障测试方法:在进行故障测试时，人为地使LED短路或开路，观察主控制器的显示及声音.结果表明，当故障发生时，主控制器能够及时发出声光报警信号，并可以根据控制系统中LED的指示情况知道是那组LED出现故障，同时，白光LED也同时会熄灭，证明有故障存在.
6 结语
本系统实现了高效节能LED驱动电路基本功能和扩展功能的全部内容，其性能指标均达到了高效节能LED驱动电路要求，部分指标优于高效节能LED驱动电路要求.由于时间、经验以及硬件资源的限制，个别指标还可以进一步完善.系统设计遵循了实用性、性价比的理念.系统具备驱动电路简单、高效、节能的特点.
［参考文献］
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