一款高效率的寬直流輸入LED驅(qū)動(dòng)器

何惠龍 石建國(guó) 黃龍威

摘 要：目前LED主要應(yīng)用在室內(nèi)照明、市政亮化工程照明等場(chǎng)所，對(duì)一些比較特殊的場(chǎng)合，如戶(hù)外應(yīng)急照明、汽車(chē)照明、海洋捕撈、夜航燈照明等較為少見(jiàn)。為此本文采用ST公司的STM8單片機(jī)和Linear公司的LT3791驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)了一款高可靠性、高效率、適合較寬直流輸入電壓范圍的大功率LED驅(qū)動(dòng)電源，并實(shí)現(xiàn)了過(guò)溫保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、自適應(yīng)調(diào)光等功能。

關(guān)鍵詞：LT3791； BUCK-BOOST； STM8S003F3

中圖分類(lèi)號(hào)：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前LED戶(hù)外照明除了用于道路照明和景觀照明外，還用于野外露營(yíng)照明、野外機(jī)動(dòng)照明、應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的應(yīng)急照明等。相對(duì)于道路照明，野外機(jī)動(dòng)照明的工作環(huán)境更為苛刻，且均以低壓電池供電為主、適配器供電為輔的方式工作。在此情況下，如何提供穩(wěn)定、高效的恒流驅(qū)動(dòng)器，給電路設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

由于單個(gè)鉛酸電池工作電壓在11.8V—12.6V之間、磷酸鐵鋰電池單節(jié)電壓在2.6V—3.6V之間、鋰電池單節(jié)電壓在3.4V—4.2V之間。一般情況下鋰電池、磷酸鐵鋰電池以串并的方式工作。若按3串計(jì)算，磷酸鐵鋰電池組電壓在7.8V—10.8V之間，鋰電池組電壓在10.2V—12.6V之間；若按4串計(jì)算磷酸鐵鋰電池組電壓在10.4V—14.4V之間，鋰電池組電壓在13.6V—16.8V之間。目前已安裝的以鉛酸電池為主的LED照明電源不適合電池設(shè)備維護(hù)后的工作環(huán)境，只能對(duì)供電電路進(jìn)行更改，維護(hù)成本非常高。

本文設(shè)計(jì)一款直流寬電壓輸入的LED驅(qū)動(dòng)器，采用性?xún)r(jià)比較高的微控制器、恒流驅(qū)動(dòng)器，利用溫度傳感器、光敏傳感器和PWM調(diào)光等實(shí)現(xiàn)高可靠性的照明，具有成本低、效率高，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足一般照明、特殊照明等應(yīng)用需求。

1總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了STM8S003F3微控制器、LT3791驅(qū)動(dòng)控制器、溫度傳感器、光敏傳感器等，實(shí)現(xiàn)了高效率的LED電源。功能框圖如圖1所示。

微控制器作為本設(shè)計(jì)的重要部件，為保證LED電源的可靠工作，要求微控制器需滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)要求，其次還要有一路硬件PWM，四路AD轉(zhuǎn)換，為減小系統(tǒng)功耗和硬件成本，微控制器須有內(nèi)部的低頻時(shí)鐘。結(jié)合硬件的通用性、可靠性、性?xún)r(jià)比等因素，綜合考慮，采用STM8S003F3作為本設(shè)計(jì)的控制器。具有8KBytes的Flash，128Bytes的內(nèi)部EEPROM，兩個(gè)16位的定時(shí)器，一個(gè)8位的定時(shí)器，高達(dá)五路的AD轉(zhuǎn)換。

LED開(kāi)關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)器有BUCK、BOOST等類(lèi)型結(jié)構(gòu)，對(duì)于BUCK型電路，輸入電壓低于LED壓降時(shí)將無(wú)法工作；對(duì)于BOOST電路，輸入電壓高于LED壓降時(shí)將可能導(dǎo)致LED損毀。故本設(shè)計(jì)采用了BUCK-BOOST電路結(jié)構(gòu)的LT3791驅(qū)動(dòng)器，其可使輸入電壓VIN高于、低于或等于輸出電壓VOUT，其效率可高達(dá)98%，輸入電壓4.5V-60V，輸出電壓0-60V，LED電流精度±5%，可使用PWM調(diào)光。

2硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)具體電如圖2所示。使用STM8S003F3內(nèi)部16MHz高速振蕩器，分頻因子為8，即工作頻率為2MHz，由LT3791產(chǎn)生的3.3V輔助電源供電。微控制器的PD2為模擬信號(hào)輸入引腳，實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入電壓，當(dāng)輸入電壓異常時(shí)，控制器的PC3引腳會(huì)置底，使得L3791恒流轉(zhuǎn)換器進(jìn)入待機(jī)模式。同時(shí)PB4、PD3檢測(cè)LED燈具的溫度和照度，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)通過(guò)PC6輸出PWM調(diào)節(jié)LED的亮度或者關(guān)斷LT3791恒流轉(zhuǎn)換器。為了方便檢測(cè)LED的開(kāi)路或短路，微控制器的PC5和PB5引腳分別接與LT3791的OPENLED和SHORTLED相接。

當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)小于輸出電壓時(shí)LT3791工作在升壓模式，開(kāi)關(guān)管Q1始終導(dǎo)通，Q3始終關(guān)閉，每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)先導(dǎo)通Q4給電感L3儲(chǔ)能，然后關(guān)閉Q4，打開(kāi)Q2釋放L3的能量到C13濾波電容，最后輸出給LED。當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)大于輸出電壓時(shí)LT3791工作在降壓模式，開(kāi)關(guān)管Q2始終導(dǎo)通，Q4始終關(guān)閉，Q1和Q3互補(bǔ)導(dǎo)通，使L3的能量到C13濾波電容，最后輸出給LED。當(dāng)輸入電壓約等于輸出電壓時(shí)LT3791工作在升降壓模式，開(kāi)關(guān)組合（Q1、Q3）和（Q2、Q4）按照先后時(shí)序?qū)ɑ蜿P(guān)斷。

3軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。上電/復(fù)位并執(zhí)行初始化操作后，進(jìn)入實(shí)時(shí)檢測(cè)模式，檢測(cè)系統(tǒng)供電電壓，如果供電存在異常，且異常電壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)便自動(dòng)關(guān)閉電源輸出，直到電壓恢復(fù)正常。

當(dāng)監(jiān)測(cè)到輸入電壓異常后須將異常行為記錄在內(nèi)部EEPROM中，記錄格式如表1所示。

LED溫度保護(hù)的軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)每隔1秒鐘采集一次LED燈具的溫度，判斷是否在合適的工作范圍內(nèi)，如果溫度過(guò)高系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)LED亮度，使得LED的溫升降低，直到溫度達(dá)到平衡。

自適應(yīng)PWM調(diào)光軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)根據(jù)采集到光敏電阻的AD值自動(dòng)計(jì)算需要輸出的脈寬以調(diào)節(jié)LED的亮度。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)了輸入6.0～60V電壓下能正常驅(qū)動(dòng)33.5V1A的LED燈串（10串LED）。實(shí)際測(cè)試12V輸入電壓下，效率高達(dá)96%，實(shí)現(xiàn)了輸入過(guò)壓保護(hù)、輸入過(guò)流保護(hù)、輸出短路保護(hù)、輸出開(kāi)路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等功能，并在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了環(huán)境的自適應(yīng)調(diào)光，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。與采用Flyback、BUCK、BOOST的電路結(jié)構(gòu)相比，效率更高、適應(yīng)輸入電壓范圍更寬。相信在比較特殊的LED照明領(lǐng)域會(huì)有較普及的應(yīng)用。

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