李偉偉

貴州大學(xué)明德學(xué)院 貴州貴陽(yáng) 550025

人類的照明最初依賴于火，后來(lái)出現(xiàn)了白熾燈，成為改變世界的重大發(fā)明。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，人們又發(fā)明了熒光燈，使照明系統(tǒng)的電能消耗更低。隨著地球資源的日益匱乏，人們更加注重節(jié)能減排和綠色生產(chǎn)，其中照明領(lǐng)域作為電能消耗的重要領(lǐng)域，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。當(dāng)前LED光源已得到了極為廣泛的應(yīng)用，其耗電量主要取決于驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)照明用電約占總能源消耗的十分之一。因此，對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行優(yōu)化研究對(duì)于節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要研究了智能數(shù)字LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)及應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題，希望可以為相關(guān)領(lǐng)域提供參考。

1 LED原理及應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 LED工作原理

LED的總體結(jié)構(gòu)由一個(gè)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組合而成，是一個(gè)典型的PN結(jié)。在PN結(jié)界面處，由于兩邊載流子濃度的差異會(huì)產(chǎn)生相互擴(kuò)散，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，N區(qū)的電子則流向P區(qū)。擴(kuò)散到一定程度時(shí)雙方達(dá)到平衡，形成一個(gè)電場(chǎng)方向由N指向P的空間電荷區(qū)，如果加上正向電流即可使PN結(jié)導(dǎo)通，反之則截止，因此PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。這是LED的核心工作原理。

由上述分析可以看出，PN結(jié)是LED實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，因而只要改變PN結(jié)兩端的電壓就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的控制，并且很小的電壓調(diào)節(jié)都會(huì)引起正向電流的明顯變化，這就是當(dāng)前LED電源設(shè)計(jì)以恒流源為主的主要原因[1]。

LED在原理上比傳統(tǒng)光源更加節(jié)能，但其驅(qū)動(dòng)電路則要復(fù)雜得多，只有性能優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)電源才能充分發(fā)揮LED照明的優(yōu)勢(shì)[2]。近年來(lái)，大規(guī)模集成電路迅速發(fā)展，LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)也有很大的進(jìn)步，恒流驅(qū)動(dòng)已逐步取代恒壓驅(qū)動(dòng)，使LED電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高[3]。

1.2 LED應(yīng)用特點(diǎn)

到目前為止，LED光源已成為全球最主要的照明光源，由于其具有比傳統(tǒng)光源更加優(yōu)秀的性能，因而在全球范圍內(nèi)迅速得到推廣應(yīng)用。首先，LED具有較主的發(fā)光效率，比傳統(tǒng)的白熾燈高十倍以上，與此同時(shí)，對(duì)于同樣的照明條件，LED的功耗卻僅是白熾燈的萬(wàn)分之一，是熒光燈的二分之一，可見(jiàn)其節(jié)能效果十分突出；其次，LED還具有壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕的特點(diǎn)，使其適用于眾多環(huán)境惡劣的場(chǎng)合；最后，LED的低輻射、發(fā)熱少、電壓低、工作電流小、安全可靠等優(yōu)異性能也成為其廣泛應(yīng)用的重要原因。

2 開(kāi)關(guān)電源常見(jiàn)控制方式

從目前的發(fā)展現(xiàn)狀看來(lái)，開(kāi)關(guān)電源的控制方式可以分為多種類型。根據(jù)控制的驅(qū)動(dòng)時(shí)依賴的物理量可以分為恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)兩種類型，根據(jù)電源的頻率特性可以分為開(kāi)關(guān)電源和非開(kāi)關(guān)電源兩種，根據(jù)電源的原副邊結(jié)構(gòu)形式又可以分為隔離型和非隔離型兩類。其中，哪個(gè)恒壓驅(qū)動(dòng)的隔離型開(kāi)關(guān)電源是目前LED電源控制系統(tǒng)的主流技術(shù)。

最典型的LED驅(qū)動(dòng)電源有開(kāi)關(guān)電源和非開(kāi)關(guān)電源兩種類型，由于非開(kāi)關(guān)電源的功耗較高，但轉(zhuǎn)換效率較低，因而已逐步被市場(chǎng)淘汰，目前已基本被形狀電源所取代。開(kāi)關(guān)電源按照其結(jié)構(gòu)形式又可以進(jìn)一步分為隔離型和非隔離型兩種，其中前者的隔離主要是指通過(guò)變壓器和電容等器件實(shí)現(xiàn)電氣信號(hào)的物理隔離，這使電源器件具有更高的安全性；而后者則是原邊與副邊共地，這給電源的安全帶來(lái)了巨大的隱患。因此本文將采用技術(shù)成熟、安全性高的隔離式開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)。

在開(kāi)關(guān)電源中，根據(jù)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通截止時(shí)間的控制方式又進(jìn)一步分為PWM調(diào)制、PFM調(diào)制和復(fù)合型調(diào)制三種類型。其中PWM調(diào)制的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)周期保持不變，只改變開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和截止時(shí)間，具有低噪聲、高效率、可連續(xù)工作于導(dǎo)電模式等優(yōu)點(diǎn)；PFM則是在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間保持不變的前提下，只改變開(kāi)關(guān)的周期，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、靜態(tài)功耗低，但濾波環(huán)節(jié)較復(fù)雜且成本較高。因而低成本、控制靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的PWM是目前應(yīng)用較廣泛的LED電源控制方式。

3 LED驅(qū)動(dòng)電源硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)電源的功能和結(jié)構(gòu)，將其分為主電路和控制電路兩部分進(jìn)行介紹，其中主電路由濾波電路、功率因素校正電路、反激式電路等部分組成，控制電路則由控制器和電量檢測(cè)單元組成。首先對(duì)220V交流市電進(jìn)行濾波、整流等預(yù)處理成為電壓合適的直流電來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行周期性采樣并作為PWM波占空比的調(diào)節(jié)依據(jù)，根據(jù)當(dāng)前電流與參考電源的差值對(duì)PWM占空比進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、安全的驅(qū)動(dòng)目的。

3.2 主電路設(shè)計(jì)

主電路設(shè)計(jì)包括濾波電路、功率因素校正電路、反激式電路、鉗位電路和場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)等部分。濾波電路主要用于去除電路中的各種雜波成份，避免各種不必要的電磁干擾現(xiàn)象。由于開(kāi)關(guān)電源存在高速導(dǎo)通和截止的動(dòng)作，電流和電壓的高速變化會(huì)帶來(lái)許多高頻分量的干擾信號(hào)，這不但會(huì)影響照明系統(tǒng)本身的穩(wěn)定工作，也會(huì)對(duì)外部電網(wǎng)帶來(lái)不利的影響。通過(guò)在濾波電路中引入電容器件和差模扼流圈，可以使電磁干擾得到有效的抑制。功率的校正采用了有源PFC模式，選用UC3854芯片通過(guò)平均電流控制實(shí)現(xiàn)功率因素的校正。反激式電路采用單端反射結(jié)構(gòu)，以功率變壓器為核心完成電源電能的儲(chǔ)存和傳輸，考慮到驅(qū)動(dòng)電源在工作時(shí)發(fā)熱量較大，需要在高溫環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定工作，因此采用具有一溫度變化相反的負(fù)損耗特性的鐵氧體磁芯材料。為了防止磁芯炮和氣隙造成尖峰電壓意外擊穿MOSFET管，本文設(shè)計(jì)了鉗位保護(hù)電路，將漏感能量送回主電路中以保護(hù)MOSFET管，出于成本和電路效率的綜合考慮，采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)了RCD鉗位電路結(jié)構(gòu)，在起到保護(hù)作用的同時(shí)避免電路效率過(guò)度下降。MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路是主電路的核心組成部分，是影響驅(qū)動(dòng)電源總體性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開(kāi)關(guān)管需要在高頻下工作，以便響應(yīng)主主控制器的PWM信號(hào)控制，因而需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離和提高驅(qū)動(dòng)能力。為了提高安全性，選用TLP350實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)電路。

3.3 控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了STM32系列單片機(jī)STM32F103RBT6作為主控單元的控制器，該產(chǎn)品具有較高的性能和較低的功耗，內(nèi)部集成了先進(jìn)的Cortex.M3內(nèi)核，采用多總線通信，具有豐富的Flash、SRAM和通用I/O，具有很高的性價(jià)比。溫度采集模塊采用當(dāng)前廣泛用于各領(lǐng)域的DSl81320，該傳感器是全數(shù)字式溫度傳感器，具有高精度、測(cè)量范圍大、連接簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，只需要一條線路即可完成供電和數(shù)據(jù)傳輸。電流檢測(cè)選用霍爾傳感器ACS712，通過(guò)傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)的變化電路實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)。供電電源采用正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117，可以較好地完成過(guò)熱切斷和限流功能，防止工作溫度過(guò)高造成電路損壞。

4 LED驅(qū)動(dòng)電源軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)C語(yǔ)言為軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行功能模塊劃分，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再通過(guò)主程序進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，當(dāng)系統(tǒng)功能需求發(fā)生變化時(shí)，只需要修改相應(yīng)的子程序即可，而整體軟件結(jié)構(gòu)不受任何影響。對(duì)主控制器時(shí)鐘、引腳、寄存器初始化，然后輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)單端反激式變換器加載給LED，在輸出端進(jìn)行采樣并反饋給主控制器，根據(jù)PID控制算法對(duì)PWM的占空比進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如何不斷循環(huán)，完成軟件控制功能。

5 結(jié)語(yǔ)

LED電源的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演變，其技術(shù)已在不斷進(jìn)步，新的控制方式正在逐步替代舊的控制方式，并且新的控制方式也正在不斷的優(yōu)化之中。隨著國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出，LED作為當(dāng)前最主要的光源，如何通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的能源節(jié)約，是當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)人們研究的焦點(diǎn)之一。本文設(shè)計(jì)的LED智能數(shù)字LED驅(qū)動(dòng)電源可以廣泛應(yīng)用于交通工程、軍事照明、手機(jī)背光、信號(hào)指示等眾多領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。