基于MATLAB的線性電流調(diào)節(jié)的LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)與仿真

王俊杰

（云南省電子信息高級技工學(xué)校，云南昆明，650225）

0 引言

LED是一種節(jié)能型的發(fā)光二極管器件，具有亮度大、耗能低等優(yōu)點(diǎn)，在日常生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用，如小型臺燈、智慧路燈等[1-3]。由于日常使用的電壓源并非一直是恒定電壓，在使用過程中會出現(xiàn)一定的電壓振蕩或波動，如在深夜使用LED燈照明時(shí)，其供電電源電壓高于白天時(shí)的電壓，此時(shí)燈光會顯得較亮。若電壓存在振蕩時(shí)，即LED兩端電壓產(chǎn)生不規(guī)則變化，此時(shí)LED會表現(xiàn)出屏閃現(xiàn)象，電壓值振蕩變化的電壓源會嚴(yán)重影響LED的使用壽命，因此需設(shè)計(jì)某種電路，可有效改善電壓變化的影響，且能夠保證LED的功率或通過電流是線性變化的，提高安全性和LED使用壽命。由于LED燈具有節(jié)約能源的明顯優(yōu)勢，目前關(guān)于LED功率控制和屏閃規(guī)避的研究越來越多[4～6]。SUN F[7]等論述了LED燈光強(qiáng)變化的主要原因是輸入交流電源、LED芯片驅(qū)動電路的諧波發(fā)射和控制方式。不同類型LED燈的光強(qiáng)變化不同，LED燈的光強(qiáng)變化識別是故障診斷、老化評估和防偽識別的基礎(chǔ)，因此文中基于具有統(tǒng)計(jì)特性的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種LED燈具光強(qiáng)變化的識別算法，并將其應(yīng)用于LED燈具的識別，通過提取LED燈光強(qiáng)變化的統(tǒng)計(jì)特征，如偏度、峰度和變異系數(shù)，以LED燈的統(tǒng)計(jì)特性為輸入節(jié)點(diǎn)，以LED燈的類型參數(shù)為輸出節(jié)點(diǎn)，建立了LED燈識別的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文中提出的識別算法能夠有效地識別LED燈的類型及光強(qiáng)變化情況。王子權(quán)[8]等基于STM32單片機(jī)，采用PWM脈寬調(diào)制功率控制原理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種低功率LED燈光調(diào)節(jié)裝置，文中詳細(xì)論述的了PWM功率控制原理，及控制算法在STM32中的實(shí)現(xiàn)，通過開發(fā)板實(shí)驗(yàn)，得出PWM波形占空比與LED兩端電壓變化情況，為節(jié)能型LED燈亮度控制提供了參考。YAWALE P R[9]等認(rèn)為傳統(tǒng)光源在光輸出和色點(diǎn)一致的情況下是可再現(xiàn)的，而LED不提供輸出電平穩(wěn)定性，其流明輸出隨溫度和使用年限而變化。改變LED光輸出的過程稱為調(diào)光，LED可以通過兩種不同的方式進(jìn)行調(diào)光，一種是通過改變稱為線性調(diào)光的正向電流，另一種是通過改變稱為PWM技術(shù)的脈沖寬度。通常，通過LED的電流由可變電阻器控制，文中論述了正向電流變化對功率為1W的紅光、綠光、藍(lán)光和暖白光LED光譜特性的影響，為LED功率控制和屏閃規(guī)避提供了參考。

本文設(shè)計(jì)了一種LED線性電流調(diào)節(jié)驅(qū)動器，可在電壓源變化的情況下，實(shí)現(xiàn)LED燈的電流線性調(diào)節(jié)，降低電壓波動對LED的影響?；贛ATLAB Simulink仿真環(huán)境搭建了驅(qū)動器的仿真模型，仿真電路包括分段線性電壓源實(shí)現(xiàn)電壓的線性調(diào)節(jié)、二極管、PNP型三極管、NPN型三極管和電阻組。在電路中串聯(lián)兩個(gè)LED負(fù)載，得出LED負(fù)載的電壓、電流和功率變化曲線，達(dá)到了良好的線性控制效果。

1 驅(qū)動器仿真電路設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動器整體電路

如圖 1所示，設(shè)計(jì)的驅(qū)動器電路包括一個(gè)分段線性電源V Src；兩個(gè)單向?qū)ǘO管D1和D2，并進(jìn)行串聯(lián)；四個(gè)電阻元件R1～R4；一個(gè)PNP型三極管，電路集電極連接至R2的低電位端，基極二極管D2輸出端，發(fā)射極連接至電阻R3；一個(gè)NPN型三極管，電路集電極連接至LED2低電位端，基極連接至電阻R3的低電位端，發(fā)射極連接至地端；連個(gè)LED燈LED1和LED2，并進(jìn)行串聯(lián)。圖中的函數(shù)f(x)=0表明低電位的電壓值為理想的0V。

圖1 驅(qū)動器仿真電路

其中分段線性電源V Src為電源線性變化模塊，如將電源的電壓值在0-1s時(shí)間內(nèi)從0V沿直線上升至10V，可知電壓上升的斜率為10；兩個(gè)單向?qū)ǘO管D1和D2連接在分段線性電源的正極和PNP型三極管的基極，二極管D1和D2的導(dǎo)通方向指向三極管的基極；下拉電阻R1用于對電路進(jìn)行限流，一般選擇較大阻值的電阻；電阻R2與PNP三極管及LED連接，與LED及PNP三極管共同作用，穩(wěn)定電路；PNP型三極管的發(fā)射極電壓達(dá)到一定值后，PNP型三極管導(dǎo)通，經(jīng)過電阻R3后傳遞至NPN型三極管基極，當(dāng)NPN型三極管達(dá)到導(dǎo)通電壓后，NPN型三極管導(dǎo)通，從而可使LED驅(qū)動電路導(dǎo)通，LED開啟；電阻R3用于對PNP型三極管發(fā)出的電壓進(jìn)行降壓；電阻R4與R3共通過作用，用于對PNP型三極管發(fā)出的電流進(jìn)行限流；定義f(x)=0，用于指示分段線性電源的低電平為理想的0V；在分段線性電源的兩端建立一個(gè)電壓表，用于測量電源電壓值隨時(shí)間的變化趨勢；在兩個(gè)LED電路間建立一個(gè)電流表，用于測量經(jīng)過兩LED間的電流值隨時(shí)間的變化趨勢；在LED1和LED2上均建立一個(gè)光功率表，用于測量LED1和LED2的功率值隨時(shí)間的變化趨勢，從而可觀測電路的調(diào)節(jié)電壓、LED的電流變化趨勢等。

根據(jù)圖 1所示的設(shè)計(jì)電路，可知LED通過限流電阻R2控制，考慮LED及三極管的物理特性，設(shè)U為分段線性電源；Ucb為NPN型三極管集電極與基極間電壓；Ube為NPN型三極管基極與發(fā)射極間電壓；RLED1為LED1的電阻；RLED2為LED2的電阻；RNPN為NPN型三極管電阻，可得LED上流過的等效電流表達(dá)式為：

1.2 分段線性驅(qū)動電源

在MATLAB中分段線性電壓源塊表示使用時(shí)間值向量和相應(yīng)電壓值向量在查找表形式中指定的電壓源。電壓源必須至少指定四個(gè)時(shí)間當(dāng)前值對，采用線性插值方法實(shí)現(xiàn)與時(shí)間對應(yīng)的電壓值，且其輸出電壓與通過電源的電流無關(guān)。設(shè)置分段線性驅(qū)動電源從0s至5s時(shí)間內(nèi)由0V線性上升至30V，得到其電壓隨時(shí)間的插值變化關(guān)系如圖 2所示，可知電壓在0s至5s時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較理想的由0V線性上升至30V的變化，可滿足本文對電壓線性逐漸變化的需要。

圖2 驅(qū)動器仿真電路

1.3 三極管模型

三極管是電子電路中常用的元器件，其中NPN型三極管基極b通高電壓時(shí)，三極管被導(dǎo)通，此時(shí)三極管將發(fā)揮電流放大或開關(guān)作用，當(dāng)基極b通低電壓時(shí)，三極管將停止工作，PNP型三極管的集電極通高電壓而基極通低電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，當(dāng)基極通高電壓時(shí)，三極管截止。在MATLAB中使用Ebers-Moll的方程來表示PNP和NPN型雙極晶體管。Ebers-Moll方程基于兩個(gè)指數(shù)二極管加上兩個(gè)電流控制電流源。模塊中可設(shè)置基極b、集電極c和發(fā)射極e電阻、發(fā)射極e和基極b、集電極c電容、集電極c電流和基極b電流?；贓bers-Moll方程的集電極和基極電流表達(dá)式為：

式中，Is為LED飽和電流；Vbe為基極發(fā)射極電壓；Vbc為基極集電極電壓；βR，βF為理想的最大電流增益；Va為正向早期電壓；q為電子上基本電荷（1.602176e-19C）；k為玻爾茲曼常數(shù)（1.3806503 e-23J/k）；Tm為晶體管溫度。

1.4 LED模型

LED燈具有節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于照明、顯示等領(lǐng)域，其物理材料組成包括含鎵(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等化合物，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因此又具有壽命長、體積小等優(yōu)勢。在MATLAB中將發(fā)光二極管表示為與電流傳感器串聯(lián)的指數(shù)二極管，信號端口W處的光功率等于流過二極管的電流與單位電流參數(shù)值的光功率的乘積。指數(shù)二極管模型提供了二極管電流I和二極管電壓V之間的關(guān)系為：

式中N為排放系數(shù)；Is為飽和電流；T為LED溫度。

2 基于MATLAB Simulink的仿真分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在MATLAB Simulink中建立如圖 1所示的仿真模型，設(shè)置分段線性驅(qū)動電源從0s至5s時(shí)間內(nèi)由0V線性上升至30V；導(dǎo)通二極管D1和D2的阻值均為0.01Ω；電阻R1為16kΩ；電阻R2為1.7Ω；電阻R3為1.1kΩ；電阻R4為85Ω；PNP型和NPN型三極管正向電流傳輸比為200，輸出導(dǎo)納為5e-5/Ω，集電極-發(fā)射極電壓-5V，基極-發(fā)射極電壓-0.55V，在基極-發(fā)射極電壓-0.55V時(shí)的基極電流為-0.5A，集電極電阻0.01Ω，零偏壓基極電阻為1Ω；LED1和LED2的單位電流的光功率為0.4W/A，飽和電流為5e-7A，排放系數(shù)為10，電阻值為0.5Ω，電阻溫度為25℃，接面電容20pF。

2.2 仿真結(jié)果分析

得到驅(qū)動器輸出電壓如圖 3所示，可知分段線性電源電壓從0V至30V呈插值型直線變化，這與其仿真參數(shù)設(shè)置相對應(yīng)。驅(qū)動器的輸出電壓在0s～0.5s時(shí)間內(nèi)基本穩(wěn)定在0V，無明顯的上升趨勢，這與三極管電路未導(dǎo)通有關(guān)，符合實(shí)際情況。在0.5s～2s時(shí)間范圍內(nèi)，驅(qū)動器電壓先呈現(xiàn)出平滑的加速運(yùn)動，在1s時(shí)刻左右時(shí)變化速度達(dá)到最大值，在1s～2s時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動器電壓呈現(xiàn)出速度逐漸減小的平滑變化，在2s時(shí)刻左右時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)電壓，穩(wěn)態(tài)電壓約7.14V，此時(shí)分段線性電源電壓約為11.87V，且隨著分段線性電源電壓的繼續(xù)增大，驅(qū)動器電壓并未發(fā)生改變，說明在分段線性電壓達(dá)到11.87V左右時(shí)，驅(qū)動器電路電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，LED燈開啟，且驅(qū)動器電壓并未隨分段線性電源電壓變化而產(chǎn)生較明顯的變化，達(dá)到了較小的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)效果。

圖3 驅(qū)動器輸出電壓曲線

得到LED導(dǎo)通電流與驅(qū)動電路效能隨電壓的變化曲線如圖 4所示，可知LED電流在0s～1s時(shí)間內(nèi)基本穩(wěn)定在0A，無明顯的上升趨勢，這與三極管電路未導(dǎo)通和LED未達(dá)到導(dǎo)通調(diào)節(jié)有關(guān)，符合實(shí)際情況。在1s～2s時(shí)間范圍內(nèi)，LED電流呈現(xiàn)出明顯平滑的加速運(yùn)動，在1.5s時(shí)刻左右時(shí)變化速度達(dá)到最大值，在1.5s～2s時(shí)間內(nèi)，LED電流呈現(xiàn)出速度逐漸減小的平滑變化，在1.75s時(shí)刻左右時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流，穩(wěn)態(tài)電流約0.28A，LED電流從0A到0.28A的變化曲線基本為一條直線，呈現(xiàn)出較明顯的線性變化。隨著分段線性電源電壓的繼續(xù)增大，LED電流呈現(xiàn)出非常小幅值的繼續(xù)增大，最大電流為0.35A，且由0.28A到0.35A間的變化曲線基本為一條直線，呈現(xiàn)出較明顯的線性變化趨勢，實(shí)現(xiàn)了LED電流的線性調(diào)節(jié)。

圖4 LED電流變化曲線

LED效能在0s～1s時(shí)間內(nèi)基本穩(wěn)定在0%，無明顯的上升趨勢，這與三極管電路未導(dǎo)通和LED未達(dá)到導(dǎo)通調(diào)節(jié)有關(guān)，符合實(shí)際情況。在1s～2s時(shí)間范圍內(nèi)，LED效能呈現(xiàn)出明顯平滑的加速運(yùn)動，在1.5s時(shí)刻左右時(shí)變化速度達(dá)到最大值，在1.5s～2s時(shí)間內(nèi)，LED效能呈現(xiàn)出速度逐漸減小的平滑變化，LED效能從68%到24%的變化曲線基本為一條反比曲線。隨著分段線性電源電壓的繼續(xù)增大，LED效能逐漸較少，表明過度地增大驅(qū)動電路的電壓其實(shí)并不能提高效能，而只能提高電路的驅(qū)動功率，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇在電路的最大效能處工作，不僅能獲得最大的工作效能，又能節(jié)約電力能源。

3 結(jié)束語

本文基于MATLAB Simulink仿真環(huán)境設(shè)計(jì)了一種線性電流調(diào)節(jié)的LED驅(qū)動器電路。論述了驅(qū)動器電路的基本組成和基本理論，使用分段線性電壓源模擬了電壓的線性變化，利用三極管的導(dǎo)通特性實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動器的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，得到了驅(qū)動器的電壓變化曲線和LED燈的效能與電流變化曲線，結(jié)果表明驅(qū)動器能夠很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能，實(shí)現(xiàn)了LED燈的電流線性調(diào)節(jié)，為線性電流調(diào)節(jié)LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)與仿真提供了參考，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇在電路的最大效能處工作，以獲得效率與能源的最佳平衡。同時(shí)，通過設(shè)置文中電路的元器件參數(shù)可獲得不同的線性調(diào)節(jié)效果。