數(shù)字式LED驅(qū)動電源嵌入式設(shè)計研究

丁 犇

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

引言

如今，數(shù)字式LED以壽命長、低消耗等優(yōu)勢，在家用電器中占據(jù)了重要的地位。數(shù)字式LED采用動態(tài)光進行調(diào)節(jié)，能夠更好地增強屏幕顯示效果。但是，在動態(tài)光調(diào)節(jié)之下，數(shù)字式LED驅(qū)動電源設(shè)計還存在一些問題，對電源的調(diào)節(jié)無法達到預(yù)期理想的效果。嵌入式系統(tǒng)，以穩(wěn)定性著稱，能夠有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件的靈活性，進一步提高數(shù)字式LED驅(qū)動電源的功能。因此，采用嵌入式系統(tǒng)來設(shè)計數(shù)字式LED驅(qū)動電源，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的調(diào)節(jié)效果和效率。

1 LED的概述

1.1 LED結(jié)構(gòu)

LED是一種固體態(tài)的半導(dǎo)體，能夠直接將電能轉(zhuǎn)化成為光能，LED的核心是一個半導(dǎo)體晶體，晶體的一端附著在支架上，一端連接了電源的正極，一端連接了電源的負(fù)極，整個半導(dǎo)體晶體被絕緣體材料封裝了起來[1]。LED的結(jié)構(gòu)主要是由電極、結(jié)晶片和光學(xué)系統(tǒng)所組成的。結(jié)晶片主要包括兩個部分，一部分是N型半導(dǎo)體，在這里面占據(jù)主導(dǎo)的是電子，另一部分是P型半導(dǎo)體，在這里面占據(jù)主導(dǎo)的是空穴。在電壓的作用下，LED開始工作，電能會從N型半導(dǎo)體區(qū)域注入P型半導(dǎo)體區(qū)域，但多數(shù)載電流和非平衡少數(shù)電流復(fù)合后，就會將電能轉(zhuǎn)化成為光能。

1.2 LED特性

LED結(jié)構(gòu)性能的主要參數(shù)是I-V特性，LED的I-V特性具有單向?qū)щ娦院头蔷€性的特點。當(dāng)LED的單向?qū)щ娦韵蛘嫫珘簳r，LED則會表現(xiàn)為低電阻的狀態(tài)，反之向反面偏壓時，LED則會表現(xiàn)為高電阻的狀態(tài)。但LED的正向電壓小于整體的閾值時，則LED的通電電流會更小，在此狀態(tài)下LED不提供照明。但是，當(dāng)電壓超過整體閾值后，LED的電流會隨著電壓的增大而逐漸增大，LED會越來越亮。當(dāng)LED正常發(fā)光時，電壓會有一個小幅度的波動，波動過程中會引起電流的變化，長時間的電流波動會導(dǎo)致LED處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，會影響到LED的使用壽命。但是，LED的I-V特性并不是固定的，會隨著LED溫度的變化而發(fā)生變化，溫度變化的同時，供電電流也會隨之發(fā)生變化，也會影響到LED的使用壽命。

1.3 LED照明特點

1）使用壽命長。LED燈使用壽命大約為10 000～50 000 h，是普通白熾燈的數(shù)倍，使用LED燈，能夠最大程度地減少更換燈具的頻率，減少更換成本。

2）發(fā)光效率高。LED是固態(tài)光源，在實際的發(fā)光過程中會將電能轉(zhuǎn)化成為光能，要知道LED照明燈的發(fā)光效率達到了50～2 00l m/W，而且耗電量更低[2]。

3）易調(diào)光控制。LED驅(qū)動電源可以采用可控硅調(diào)光、模擬調(diào)光以及脈寬調(diào)光等，能夠充分利用LED調(diào)光的特點，在不同的光照強度下選擇合適的光照，進一步降低LED燈的能耗。

4）綠色環(huán)保。LED燈不含鉛、氙和汞等有害元素，在使用過程中不會對環(huán)境造成污染。

2 數(shù)字式LED驅(qū)動電源嵌入式硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

在嵌入式系統(tǒng)下的LED驅(qū)動電源設(shè)計，如下頁圖1所示。在整體設(shè)計中，數(shù)字式LED主要是用A/D采集模塊來對相關(guān)數(shù)據(jù)進行整流、濾波以及采樣，對數(shù)字式LED驅(qū)動電源具有有效的過濾作用，這也是數(shù)字式LED驅(qū)動電源的重要組成結(jié)構(gòu)[3]。驅(qū)動電路是實現(xiàn)數(shù)字式LED驅(qū)動電源調(diào)節(jié)控制的基礎(chǔ)，高性能的LED通過電源設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)較高驅(qū)動性能的設(shè)計。人體感應(yīng)模塊能夠更好地提高LED燈對光的敏感性，實現(xiàn)智能調(diào)光功能。

圖1 LED驅(qū)動電源設(shè)計

2.2 A/D采集模塊設(shè)計

在數(shù)字式LED驅(qū)動電源設(shè)計中的A/D采集模塊中，濾波主要是去除直流電流中的交流波，從而有效輸出直流電的過程，整流主要是在數(shù)字式LED交流電中采集調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，從而將交流電轉(zhuǎn)化成為直流電的過程。濾波與整流相比較，濾波可以說是作為一種排除電力干擾的手段，能夠有效避免電源損傷，讓LED電路元件能夠維持正常的工作狀態(tài)[4]。在A/D采集模塊中，選擇濾波器能夠更好地調(diào)節(jié)LED濾波，對高頻干擾的衰減效果會更加強烈。在數(shù)字式LED驅(qū)動電源低通濾波器中，擁有輸入端口、輸出端口以及電源端，當(dāng)出現(xiàn)干擾信號后，能夠有效阻止干擾信號通過。A/D采集模塊利用定時邏輯原理和控制原理，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)全部傳輸?shù)津?qū)動電路中。

2.3 驅(qū)動電路嵌入式設(shè)計

傳統(tǒng)的數(shù)字式LED驅(qū)動電源在作業(yè)過程中的功率較低，但是在實際應(yīng)用過程中，只有將所有的物質(zhì)都連接起來才能夠?qū)崿F(xiàn)LED驅(qū)動電源的設(shè)計。因此,必須要通過特定的驅(qū)動電路，才能夠在動態(tài)光調(diào)節(jié)下顯示正常的數(shù)字式LED的功能，數(shù)字式LED驅(qū)動電源的嵌入式驅(qū)動電路如圖2所示。由驅(qū)動電路可以知道，所設(shè)計出來的驅(qū)動電路具有效率高、成本低的特點，能夠有效控制LED發(fā)光性能，驅(qū)動電路能夠容納150～250 V的輸入電壓，并且發(fā)光物質(zhì)連接主要是以串聯(lián)和并聯(lián)的方式，A/D采集模塊會將數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動電路。基于嵌入式的系統(tǒng)下數(shù)字式LED驅(qū)動電源可以實現(xiàn)嵌入式連接，驅(qū)動電路控制LED只有簡單的關(guān)閉和開啟，能夠?qū)崿F(xiàn)對LED發(fā)光亮度的有效調(diào)節(jié)，更進一步增強LED光的調(diào)節(jié)效果。

圖2 驅(qū)動電路

2.4 人體感應(yīng)模塊設(shè)計

為了提高數(shù)字式LED驅(qū)動電源調(diào)光系統(tǒng)的智能性，在嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計了人體感應(yīng)模塊，通過在一定范圍內(nèi)感應(yīng)信號情況，從而達到LED燈自動開啟和關(guān)閉的作用。人體感應(yīng)模塊設(shè)計接入電池后，可以設(shè)置光敏控制，光電池的另外一個作用是在感應(yīng)光照強度，也能夠自動調(diào)節(jié)燈光亮度，從而實現(xiàn)自動調(diào)光功能[5]。人體感應(yīng)模塊的電路主要功能器件包括了紅外線傳感器、光敏原件等。在人體感應(yīng)模塊中紅外線傳感器是一種集成電路信號處理器，配備了紅外線傳感器和外接原件，是一種可以與多種傳感器匹配的信號處理器，能夠有效抑制干擾，實現(xiàn)有效調(diào)節(jié)。

3 數(shù)字式LED驅(qū)動電源嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)功能

在嵌入式數(shù)字式LED驅(qū)動電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計完成后，系統(tǒng)的主要功能將由軟件來實現(xiàn)，因此，軟件的設(shè)計將直接決定系統(tǒng)的有效性。在硬件設(shè)計部分，嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計中搭建了LED驅(qū)動電路，而要實現(xiàn)調(diào)光功能，則需要根據(jù)光線強度來調(diào)節(jié)LED燈的亮度，從信號入手實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)。系統(tǒng)軟件必須要具備以下功能：自動采集光照數(shù)據(jù)功能；接收無線遙控信號功能[6]；自動感應(yīng)人體信號功能；采集光照和處理人體信號的功能；數(shù)據(jù)刷新功能，主要用于系統(tǒng)顯示屏的顯示；判斷決策功能，主要用于接收遙控執(zhí)行信號。

3.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)下的數(shù)字式LED驅(qū)動電源軟件設(shè)計主要是由C語言來進行開發(fā)的，C語言具有靈活性、功能強、轉(zhuǎn)化率高和容易簡便等優(yōu)勢。因此，在軟件設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，在數(shù)字式LED驅(qū)動電源設(shè)計中，C語言開發(fā)的程序清晰，并且應(yīng)用效果強大且良好，更有利于系統(tǒng)后期進行功能擴展，系統(tǒng)的軟件設(shè)計開發(fā)主要采用了仿真器等器件實施全面的設(shè)計操作。

3.3 光照數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

在數(shù)字式LED驅(qū)動電源嵌入式設(shè)計系統(tǒng)中，光照數(shù)據(jù)采集模塊主要是用于處理光照數(shù)據(jù)，光照信號在經(jīng)過合理轉(zhuǎn)換后形成電壓值[7]。光照數(shù)據(jù)采集模塊主要通過不同的通道，將數(shù)據(jù)從單端輸入轉(zhuǎn)變?yōu)殡p端輸入，并通過轉(zhuǎn)換通道，全面地放大模擬量和速度的倍數(shù)，從而實現(xiàn)對模擬量的有效驅(qū)動，在保持轉(zhuǎn)換完成后，還需要設(shè)定數(shù)字式信號，完成數(shù)據(jù)信號采集。

3.4 無線遙控模塊設(shè)計

無線遙控主要用于數(shù)字式LED驅(qū)動電源設(shè)計系統(tǒng)模式的調(diào)光調(diào)節(jié)，用戶能夠根據(jù)自身的需求來合理調(diào)節(jié)LED燈光的亮度。在無線遙控模塊中，通過單片機進行通信，無線遙控主要分為接受和發(fā)送兩個部分，無線模塊的主器件主要用于發(fā)送數(shù)據(jù)，無線模塊的從器件主要用于接收數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，才能夠?qū)?shù)據(jù)實現(xiàn)整合傳輸，在主器件和從器件傳輸數(shù)據(jù)時，能夠同時實現(xiàn)傳輸中斷，在無線遙控模塊中，自動調(diào)光模塊的光感應(yīng)必須要進行手動調(diào)節(jié)，然后采取正確的信號實施功能調(diào)整。

4 系統(tǒng)測試

4.1 LED驅(qū)動模塊測試

數(shù)字式LED驅(qū)動電源的嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件都完成設(shè)計后，就需要對系統(tǒng)進行全面的測試，對于LED驅(qū)動模塊的設(shè)計，可以通過測試驅(qū)動效率和輸出特性來判斷。通過對不同規(guī)格的LED燈進行驅(qū)動，利用數(shù)字式LED驅(qū)動電源中的濾波將電壓進行有效的調(diào)整和測量，然后將輸出信號頻率進行調(diào)整，由此可測試數(shù)字式LED驅(qū)動電源的驅(qū)動性。以上測試結(jié)果可以證明，嵌入式的數(shù)字式LED驅(qū)動電源在調(diào)控下的驅(qū)動性能較強。

4.2 電池和人體感應(yīng)模塊測試

電池和人體感應(yīng)模塊在數(shù)字式LED驅(qū)動電源嵌入式系統(tǒng)中屬于自動調(diào)光模式，當(dāng)切換到人體感應(yīng)模式時，模塊中心能夠自動感應(yīng)到紅外線信號，并將信號進一步傳輸給單片機，通過軟件設(shè)計后，檢測到了光感應(yīng)中的紅外線信號，當(dāng)信號離開人體后，感應(yīng)模塊將不會感應(yīng)到紅外線信號，會進一步將輸出電流拉低。經(jīng)過反復(fù)測試，電池和人體感應(yīng)模塊的靈敏感可以根據(jù)信號依次做出反應(yīng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)智能調(diào)光功能，從而實現(xiàn)調(diào)光模式的設(shè)計。