基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)研究

袁孟，陳彥霖，梁青云

（廣東文理職業(yè)學(xué)院，廣東湛江，524400）

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)絕大部分地區(qū)的用電方式為照明用電，而LED是高效能的照明設(shè)備產(chǎn)品，長(zhǎng)期以來(lái)其設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作都是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)我國(guó)專(zhuān)家學(xué)者在研究LED的過(guò)程中認(rèn)為，LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)將對(duì)延長(zhǎng)LED照明燈壽命和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能起著關(guān)鍵性作用，因此，突破LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)瓶頸將會(huì)使LED照明產(chǎn)業(yè)迎來(lái)全新的發(fā)展機(jī)遇。在此條件下，本文對(duì)基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和分析，具備重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 LED驅(qū)動(dòng)分析

在LED半導(dǎo)體的制作過(guò)程中，LED驅(qū)動(dòng)方式主要包括串聯(lián)連接和并聯(lián)連接兩大類(lèi)，其中串聯(lián)連接能夠使每一個(gè)LED產(chǎn)品具備相同的功能，保證實(shí)際流過(guò)的電流相同，從而確保LED燈管的亮度較為均勻，但是它的缺點(diǎn)是：①所需要的電壓較高，需要升壓芯片；②如果一只LED斷路，會(huì)不影響其他LED的正常工作；③如果一只LED短路，如果是恒壓驅(qū)動(dòng)，則余下的LED分配到的電壓會(huì)變大，進(jìn)而可能導(dǎo)致LED損壞；如果使用恒流驅(qū)動(dòng)，則不會(huì)影響整個(gè)LED電路的正常工作。并聯(lián)連接方式能夠使LED燈管的實(shí)際電壓值較低，但同樣它的缺點(diǎn)是：①由于每只LED 的正向壓降不一樣，導(dǎo)致每只LED 的亮度不同，除非進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。②如果一只LED短路，則整個(gè)電路會(huì)短路，其余LED都不能正常工作。③如果一只LED斷路，如果使用恒流驅(qū)動(dòng)，則分配到余下的LED的電流會(huì)變大，進(jìn)而可能導(dǎo)致LED損壞；如果是恒壓驅(qū)動(dòng)，則不會(huì)影響整個(gè)LED電路的正常工作?？偠灾?，不論采用串聯(lián)連接方式還是并聯(lián)連接方式，在驅(qū)動(dòng)電流處于正常值的狀態(tài)下，任意LED燈管自身出現(xiàn)故障都將使其子電路處于斷路狀態(tài)，但并不影響其它LED正常點(diǎn)亮。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器損害導(dǎo)致LED中的大電流沖擊燒毀產(chǎn)品時(shí)，LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的引線處于開(kāi)路狀態(tài)，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)器處于損壞結(jié)構(gòu)，不管何種聯(lián)系方式，均不能讓LED燈管正常點(diǎn)亮。總而言之，在使用LED燈管的過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先選用串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，由于LED燈管工作的特性有所不同，LED驅(qū)動(dòng)器可分為交流驅(qū)動(dòng)器和直流驅(qū)動(dòng)器兩大類(lèi)別，表1即為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器分類(lèi)示意表。

表1 LED驅(qū)動(dòng)器分類(lèi)示意表

2 LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

本文將以C51系列的單片機(jī)作為其控制中心，對(duì)該單片機(jī)LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，圖1即為系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)圖。

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)圖

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源控制電路設(shè)計(jì)主要包括整流濾波模塊設(shè)計(jì)、數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣電路設(shè)計(jì)和功率因素校正模塊設(shè)計(jì)三大部分內(nèi)容。通過(guò)以上內(nèi)容控制電路需要實(shí)現(xiàn)以下五種功能：（1）控制正能量傳遞，無(wú)偏磁現(xiàn)象；（2）隔離輸入和輸出；（3）穩(wěn)定輸出電壓；（4）過(guò)載保護(hù)功能；（5）啟動(dòng)時(shí)，限制脈沖寬度使其緩慢上升。其中，整流濾波模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依托二極管理論知識(shí)，濾波模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠用于LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)中的濾波整流，其四位數(shù)碼管顯示電路如圖2所示，4×4矩陣鍵盤(pán)電路如圖3所示。

圖2 四位數(shù)碼管顯示電路圖

圖3 4×4矩陣鍵盤(pán)電路圖

就功率因素校正模塊設(shè)計(jì)而言，該模塊主要是校正C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中的功率因素，防止整個(gè)電源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到諧波干擾，設(shè)計(jì)時(shí)采用電流型控制器的功率因素校正芯片，其設(shè)計(jì)原理如圖4所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)原理圖

對(duì)于PWM占空比D1的計(jì)算，輸入電壓為12.5V，輸出電壓為24V。因此，可根據(jù)方程式（1）計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率的占空比D1：

為了得到電感器的平均電流ILA，令輸出的電流為1A，

根據(jù)方程式（4）計(jì)算電感器的平均電流為（單位為A）：

當(dāng)設(shè)計(jì)電路在CCM模式下運(yùn)行變流器時(shí)，感應(yīng)線圈中的電流變化不得大于感應(yīng)線圈平均流量的百分之五十。設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)算感應(yīng)線圈中百分之四十的最大電流變化（單位：a）：

因此，可計(jì)算出電感器的峰值電流（單位為A）：

由已知 XL6006 的開(kāi)關(guān)頻率fs是180 kHz，則由方程式（3）計(jì)算轉(zhuǎn)換器的電感值（單位為μH）：

根據(jù)以上的電感的計(jì)算后分析得出的結(jié)果，本文中電路使用的是47μH，5A的電感器。

開(kāi)關(guān)型功率變換器的電路形狀直接取決于工作狀態(tài)。通常，它根據(jù)實(shí)際使用需要和不同的性能決定應(yīng)采用何種形式。這種形式的差異也直接導(dǎo)致需要引入不同的上游變壓器。

圖5 數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(1)如果比較輸出，則使用全橋>推挽式>半橋式>正向式>反激式；(2)如果我們比較開(kāi)關(guān)的數(shù)量，全橋是最多的；(3)以E133變壓器為例，在工作頻率為50kHz、溫升為500° C的條件下，全波到全波、橋式到全波、橋到橋的效率分別為0.99062、0.99205、0.9933336。

鑒于以上特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，半橋變換器應(yīng)用最為廣泛，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)元件少，使用功率范圍廣，因此最終采用半橋變換器作為主變換器。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源的軟件設(shè)計(jì)，主要包括LED驅(qū)動(dòng)電源軟件部分相關(guān)程序的編寫(xiě)，本文利用C語(yǔ)言在編譯平臺(tái)上進(jìn)行程序編寫(xiě)，進(jìn)一步通過(guò)編譯后寫(xiě)入單片機(jī)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電源在C51單片機(jī)上的軟件優(yōu)化過(guò)程，圖6即為該LED驅(qū)動(dòng)電源軟件設(shè)計(jì)流程示意圖。由圖可知，開(kāi)始時(shí)首先對(duì)定時(shí)器等的初始化進(jìn)行設(shè)計(jì)，在LED驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，進(jìn)一步通過(guò)周期數(shù)值控制將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，輸出與數(shù)字信號(hào)相符的電壓保護(hù)值和電流保護(hù)值，并將其與預(yù)設(shè)大小值相比，根據(jù)輸入值和預(yù)設(shè)大小值的對(duì)比，判斷PWM機(jī)動(dòng)性和整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，再進(jìn)一步通過(guò)C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓值與預(yù)定值的對(duì)比分析，以增大或減小PWM脈沖信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源的循環(huán)調(diào)節(jié)，從而使整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 LED驅(qū)動(dòng)電源軟件設(shè)計(jì)流程示意圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的合理性，依托上文的控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型設(shè)計(jì)與軟件建構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，制作簡(jiǎn)易的涵蓋電路基本架構(gòu)圖和元器件的操作系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室控制變量的前提下對(duì)電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行量化分析。其中，LED電路連接采用串聯(lián)連接方式，接通電源后將其放置于某一大型散熱元器件上，測(cè)試時(shí)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康恼{(diào)節(jié)設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的輸出電壓值和輸入電壓值，利用測(cè)試設(shè)備測(cè)得不同結(jié)構(gòu)中輸入電壓的大小，計(jì)算電路結(jié)構(gòu)在輸入和輸出之間的能量轉(zhuǎn)變，計(jì)算兩者之間的轉(zhuǎn)化效率，最后用表格記錄任意次的測(cè)量結(jié)果，表2即為電源轉(zhuǎn)換效率結(jié)果示意。

由表2可知，當(dāng)設(shè)計(jì)電路的輸入電壓控制在11V左右時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源的真實(shí)轉(zhuǎn)換效率為87%；當(dāng)輸入電壓值增加1V達(dá)到12V左右時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)化效率為89%；再一次增加至13V時(shí)，電源的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率為90%左右；增加至14V時(shí)，電源的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值91%。由此可知，本文所設(shè)計(jì)的基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源具備良好的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步將該數(shù)值和開(kāi)關(guān)的升壓比進(jìn)行擬合，分析擬合曲線可知，升壓比和電源轉(zhuǎn)換效率成反比關(guān)系，當(dāng)升壓比大致為1.4左右時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為92%左右，當(dāng)升壓比增加至1.5左右時(shí)，轉(zhuǎn)換效率降低至91%左右，當(dāng)升壓比增加至2時(shí)，轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步降低到87%左右。由此可知，在基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，要想使其驅(qū)動(dòng)電源得到較高的轉(zhuǎn)化效率，必須控制升壓比參數(shù)在2以內(nèi)。

表2 電源轉(zhuǎn)換效率結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)和研究，在對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基于單片機(jī)整體框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)其控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件程序編譯設(shè)計(jì)，同時(shí)亦應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備器件的選擇，通過(guò)謹(jǐn)慎思考和計(jì)算，保證設(shè)計(jì)出的基于C51單片機(jī)的LED驅(qū)動(dòng)電源架構(gòu)符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，從而使LED參數(shù)性能得到大幅度提升。