基于LED調光控制的驅動電路設計

朱方洲

(安徽經濟管理學院信息技術中心，安徽 合肥 230059)

隨著全球能源的日益枯竭和交通事故的頻發(fā)，對道路照明光源提出了更高的要求［1，2］。選擇合適的道路照明光源，是目前照明領域的研究熱點［2，3］。LED照明是21世紀最具有廣闊發(fā)展前景的綠色照明產業(yè)［4］。伴隨著LED照明在成本和性能方面的不斷完善，全球普遍采LED照明是未來發(fā)展的趨勢［5，6］。

LED的驅動是采用電流驅動的方式，綜述近幾年國內外對 LED 驅動器的技術研究［7，8，9］主要集中在以下幾個方面:一是驅動LED電流精度的研究，此方法輸出電流的平均值不能保持恒定;二是高效率的研究，要求LED能夠達到高效率的輸出;三是節(jié)能技術的研究，采用變暗控制來調節(jié)LED的亮度級別節(jié)省能量，適用于反饋控制的調光LED驅動;四是采用高亮度、大功率LED驅動器。伴隨著LED技術的不斷發(fā)展，高亮度大功率LED的產生和成本的降低，LED應用領域的發(fā)展是新的研究重點，但是它的干擾和不穩(wěn)定特性給LED控制的設計帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

文章根據LED照明的基本特性，采用集成驅動并聯(lián)三基色LED驅動芯片為研究對象，著重從驅動電流的穩(wěn)定度、效率和節(jié)能方面開展研究工作，并進行了仿真和實驗驗證。結果證明，該驅動芯片具有更高的性能價值，能取得更好的驅動效果。

1 LED照明光源的基本特性

對于基于道路照明的LED光源調光研究主要集中在亮度和光源的光色，HSV模型就是根據人眼對顏色的視覺反應轉換成的，因該模型符合人眼的視覺特性，所以可用來表征亮度的色度模型，在該模型中，H表示色度，S表示飽和度，V表示亮度，代表RGB彩色模型中R、G、B灰度的平均值，因此，可以通過改變HSV色度模型中的亮度值來達到調光的效果，同時在調光過程中不會影響道路照明光源的色度。HSV色度模型如圖1所示。

圖1 HSV顏色模型

由圖1可看出，HSV顏色模型中從上至下是由白變成黑，色飽和度是通過徑向表示的，同時由內向外逐步變高，也就是顏色逐漸單一化，色度的變化是通過整個圓周來表示，這樣就形成一個色環(huán)，同時這六個標準色在空間上分別相隔60o，HSV與RGB之間各部分的量值轉換關系如下式(1)所示:

亮度調節(jié)過程如圖1所示:

(1)色度模型轉換:將配色模型的三刺激值RGB作為輸入，根據式 (1)得到HSV，再轉化計算得到HIS的值，并將S的值做歸一化處理。

(2)亮度獨立調節(jié):調節(jié)V的大小，保持H分量不變，依據H、S、V三個分量重新構造成在HSV顏色空間的圖像，再把它變換到RGB的顏色空間。

LED光源是由R、G、B三基色構成的，然后通過配色的比例不同，人眼能看到不同顏色的光。徐華美［10］等通過對人眼的視覺特點研究，表明作為夜間道路照明的LED光源可采用LED白綠光，能達到高清晰度又節(jié)能的目的，能有效降低交通事故的發(fā)生率。文章根據此光源的配色原理，設計了符合LED白綠光的驅動電路。

2 驅動LED白綠光照明電路的硬件設計

2.1 電路結構框圖

LED驅動電路的設計分以下幾個部分:AC/DC轉換、變壓器、控制芯片、DC/DC轉換和LED光源。

圖2 電路結構框圖

2.2 電路原理圖

輸入的供電系統(tǒng)是220V的交流電，經過AC/DC整流濾波電路，再接入到電源隔離變壓器，此處單片機的開關電源芯片系統(tǒng)設計采用的PSD302/301，變壓器的二級輸出電壓經過輸出整流濾波電路，其中D7和Q1是起斷路保護作用的。

PSD302/301是和電源的隔離變壓器以及C5形成開關電源工作部分，電源隔離變壓器的二級輸出通過C6起整流作用，C6和L3起濾波作用，向負載提供直流電壓。恒流開關電源是輸出電流取樣值，經過電流負反饋電路，來穩(wěn)定輸出電流。同時流經負載的電流由R5、R6完成電流的負反饋，最后經過光耦PC817作用來調整PSD302/301的功率輸出，以達到恒流輸出的目的。

圖3 電路原理圖

3 驅動LED白綠光照明電路的軟件設計

3.1 驅動電路穩(wěn)定性算法設計

為了使驅動電路快速達到穩(wěn)定，本電路系統(tǒng)軟件利用的是增量分段式比例積分微分控制器，分段式是指比例積分微分控制器在不同的區(qū)間要設置差異的參數，控制器差分方程為:

式 (2)中，kp表示比例參數，kd表示微分參數，ki表示積分參數，e(k)為時刻k的偏差，e(k－1)表示k－1時刻的偏差，e(k－2)表示在k－2時刻的偏差。u(k)代表在k時刻的輸出結果，u(k－1)代表在k－1時刻的輸出結果。kp，kd，ki三個值分別設定為kp=2.0～4.0，kd=0～30，ki=0～0.06。根據算法設計，該系統(tǒng)采用的是分段式比例積分微分，也就是說當e(k)較大時，kp和kd兩個參數都在起作用，而當e(k)小到某個一定的范圍內時，kp，kd和ki三個參數又會共同起作用，這樣可以使系統(tǒng)快速穩(wěn)定的達到某個穩(wěn)態(tài)值。在控制算法的后面增加了一個輸出緩沖器，通過它能夠改變輸出的步長，它一方面可能夠控制速度的變化，另一方面還可通過輸出的緩沖來影響比例積分微分，使該系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定。

3.2 驅動電路關鍵部分軟件設計

信號控制部分是電路驅動系統(tǒng)核心功能之一，信號控制軟件采用中斷處理與查詢兩種方式進行編寫，主程序功能包含報警、查詢、A/D狀態(tài)的轉換和DC/DC轉換;同時中斷處理過程細分為三個部分進行，首先是通過傳感器來采集信號，但由于采集信號會受很多干擾的影響，所以需利用均值法來消除干擾;其次是依據脈沖調寬信號形成機制，該部分的中斷程序的任務是完成必要的計算以及產生控制所需的數據;最后是中斷程序處理源自控制模塊發(fā)出的報警信號并采取應對措施。

驅動電路軟件部分的設計所產生的脈寬調制信號的波形，是雙脈寬調制信號是通過正弦波為載波頻率來構成的，在具體的編程過程中，首先是要對參數初始化，從而來啟動波形發(fā)生器，但由于測控系統(tǒng)部分存在一些干擾，會使其頻譜加寬，并帶有一定的隨機性。如果采用硬件方法來抗干擾，只能抑制其中某一部分的干擾，但仍有一部分的干擾會入侵系統(tǒng)，這時就必須使用軟件技術來抗干擾，通過軟件抗干擾技術能夠使系統(tǒng)恢復正常的運行，或者說是當輸入的信號受干擾后能夠去偽求真。由于疊加在該輸入信號上的噪聲干擾，也會產生較大的測量誤差。噪聲具有隨機性的特點，可通過數字濾波技術來加以去除，并計算出它的真值。本系統(tǒng)的軟件抗干擾措施采用了均值、一階滯后濾波兩種方法。驅動電路系統(tǒng)軟件具體流程如圖4所示。

圖4 驅動電路軟件流程圖

4 實驗結果分析

為了驗證驅動電路的穩(wěn)定性和可靠性，實驗選用了額定負載時不同輸入電壓下，其準諧振工作和PWM在KHz工作時的LED輸出效率如表1所示:

表1 在額定負載時不同輸入電壓下LED光源輸出效率數據

將表1數據繪制曲線如圖5所示:

圖5 LED光源輸出效率曲線

由圖5可知，雖然輸出的功率不大，但是文中設計的驅動電路相對普通的驅動電路，其穩(wěn)定性和可靠性更好。對LED光源的驅動具有良好的效果。

5 結束語

文章首先對道路照明的LED光源的基本特性進行了分析，然后設計了一種LED光源的驅動電路，最后通過對硬件和軟件的綜合驗證。實驗表明，該驅動電路適合道路照明LED光源的特性，能夠提高夜間道路照明的清晰度，減少交通事故的發(fā)生。

［1］陳文成，林燕丹，邵紅，等.道路照明光源選擇依據的探討［J］.復旦學報(自然科學版).2003，42(6):97－99

［2］Yuyang Chun，Yingkui Hu，Zhonglin Chen.Study on road lighting energy saving based on mesopic theory［J］.China Illuminating Engineering Journal，2008，19(4):44 －47

［3］Reyes MA，Gallagher S，Sammarco J.Evaluation of Visual Performance When Using Incandescent，Fluorescent，and LED Machine Lights in mesopic Conditions［C］.IEEE Industry Applications Society Annual Meeting(IAS)，2009，(8):1－7

［4］大谷義彥，夏晨.LED照明現狀與未來展望［J］.中國照明電器，2007，(6):35 －37

［5］谷鵬飛.提升白光LED發(fā)光效率的研究［D］.天津大學碩士學位論文，2009

［6］劉海元，周廣郁.淺談LED光源及其在我市景觀照明中的應用［J］.燈與照明，2005，30(2):16－18

［7］柏德葳.全球 LED產業(yè)發(fā)展動態(tài)［J］.產業(yè)觀察，2007，(8):102 －105

［8］Fusheng Li，Dahua Chen，Jiesong Xian，Yuming Chen，et al.LED’s:a Promising Energy－Saving Light Source for Road Lighting［C］.Power and Energy Engineering Conference，2009，(10):1 －3

［9］Yang Yong，Chuanzhen Zhu，Wang Lei，et al.Study on the Mesopic Vision Theory Used in Road Tunnel Lighting Measurement［J］.Measuring Technology and Mechatronic Automation，2011，3(7):565 －567

［10］徐華美，徐曉冰，王建平，等.基于道路照明中間視覺的LED路燈配光模型研究［D］.合肥工業(yè)大學碩士學位論文，2012