基于單片機的LED 驅動器設計

張全禹，孫培剛，盧振生，張煜麗，陳世杰

(綏化學院電氣工程學院，黑龍江綏化 152061)

引言

隨著中國經(jīng)濟快速發(fā)展，環(huán)境問題越來越嚴重。為了改善環(huán)境問題，實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展，國家各部門共同努力，推進實現(xiàn)碳達峰碳中和目標。2021 年9 月22 日，中共中央、國務院印發(fā)《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中指出，強化能源消費強度和總量雙控，大幅提升能源利用效率[1]?，F(xiàn)階段，我國大部分地區(qū)用電方式主要是照明用電。照明方式有傳統(tǒng)的白熾燈、節(jié)能型熒光燈和LED 照明三種[2]，其中LED 是高效節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，屬于綠色照明光源，各國專家學者特別重視節(jié)能產(chǎn)品的研究。近年來LED 產(chǎn)品得到了較大發(fā)展，但LED 驅動電源技術發(fā)展緩慢。LED 驅動電源性能直接決定著LED 燈的壽命和性能[3]，因此，如果能夠進一步優(yōu)化LED 驅動電源的拓撲，提高LED 的使用壽命，提升能源的利用率，將會大大推動LED 綠色照明產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。隨著開關電源技術的廣泛應用和大規(guī)模集成電路的進步，LED 驅動電源的尺寸更小，效率更高。目前，LED 照明用的驅動器大多數(shù)是不可編程IC，靈活性不高。本設計采用單片機代替不可編程IC 進行控制，實現(xiàn)不同使用場合下的多功能控制功能。

1 LED 及LED 驅動器分析

LED 是一種電流控制器件，它的工作電壓一般為DC 2-3 V，不能直接使用220 V 的交流市電。LED 驅動電源是將交流電轉換為直流電的電路裝置[4]，在實際使用中，依據(jù)需求轉成恒流直流電，也可以轉成恒壓直流電。LED 驅動方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種情況，各有優(yōu)缺點，驅動器分為交流驅動和直流驅動兩類，可見，應用環(huán)境不同和用途多樣的情況下，LED 必須有匹配的驅動器，才能正常工作[5]，在實際應用中主要從轉換效率、有效功率、恒流精度、電源壽命，電磁兼容性等技術參數(shù)設計LED 驅動器[6]。如果LED 驅動電源與LED 燈具不匹配，則LED 很容易出現(xiàn)故障，大大減少使用壽命?？偠灾琇ED 與LED 驅動器必須完全匹配，才能真正實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標。

2 開關電源工作原理

開關電源原理圖見圖1[7]。輸入端為電網(wǎng)電壓，也就是常說的220 V 市電，經(jīng)過整流濾波電路后作為開關電路的輸入電壓，電路根據(jù)基準參考量和采樣量之間的差值，控制脈沖的占空比，改變開關管的狀態(tài)，從而控制輸出。假設電網(wǎng)波動，輸入量增加，則輸出量也將隨之增加，反饋電路采樣放大后由脈沖調(diào)制電路控制脈沖的占空比實現(xiàn)對開關管的控制，從而控制輸出量減小，達到控制電壓或電流穩(wěn)定輸出。LED 開關電源大多數(shù)是開關電源電路和反饋電路組成。反饋電路從負載采樣后，對脈沖的占空比進行調(diào)整，實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓或電流。

圖1 開關電源原理

3 系統(tǒng)總體方案設計

本設計以BOOST 型升壓開關電路為研究對象，采用STC15 系列單片機為控制核心完成小功率LED驅動器的方案設計，其目的是改善傳統(tǒng)IC 不可編程，靈活性不高的問題，為提高LED 的性能和多場合控制提供解決方案。該系統(tǒng)主要由按鍵電路、單片機、功率因數(shù)校正及變換電路、液晶顯示電路、為單片機控制電路提供能量的電源電路，采樣及AD 轉換電路等組成，總體設計框圖見圖2。單片機定時采樣輸出量，通過采樣電路取樣，轉換后的數(shù)字信號送單片機分析和處理，經(jīng)單片機處理后改變PWM驅動信號占空比，從而控制開關管的導通和截止時間。在本設計中，使用者可以根據(jù)需要設置期望的輸出量，單片機對實際輸出量與期望輸出量進行比較計算，之后單片機產(chǎn)生改變占空比的PWM驅動信號，實現(xiàn)控制開關管輸出量的穩(wěn)定。

圖2 系統(tǒng)設計框圖

3.1 硬件電路設計方案

3.1.1 整流濾波電路

整流濾波電路（見圖3）是把工頻50 Hz 的220 V 交流電轉換為方向不變的直流電。該電路由1 個整流橋和1 個電解電容構成。整流橋的作用是將交流電轉換成脈動的直流電，電容的作用是將脈動的直流電變成相對平滑的直流電[8-9]。因為220 V 交流電經(jīng)整流濾波后的直流電壓達到300 V 左右，考慮安全系數(shù)不低于1.5 倍，因此，本設計選擇600 V/2 A 的整流橋和450 V /4.7 uF 的鋁電解電容。

圖3 整流濾波電路

3.1.2 功率因數(shù)校正及變換電路

為了減少輸入電流的諧波對交流電網(wǎng)的污染問題和提高輸入功率因數(shù)，本研究采用了有源功率因數(shù)校正電路（APFC）。PFC 電路通常分為兩級PFC 和單級PFC。兩級PFC 具有THD 小、功率因數(shù)高、輸入電壓范圍寬等優(yōu)點[10]，但帶來的問題是電路元件多、電路結構復雜、成本增加、體積也較大，不適合100 W 以下的功率應用場合。單級PFC 電路簡單、成本低，僅用到一個開關管及控制電路，適合小功率應用場合。經(jīng)過以上分析，本設計采用單級PFC。如圖4 所示，PFC校正及變換電路包括PFC 部分和DC-DC 變換器兩部分。其中PFC 部分為左側的BOOST 升壓變換器，從圖上看，由L、C1、D1、D2、VD1 等元件構成，前級整流濾波電路將220 V 市電轉換為紋波較小的高壓直流電，通過BOOST 型單級功率因數(shù)校正后，給高頻變壓器提供高壓能量；右側是反激式DC-DC 變換器，從圖上看，由T、D3、VD1、C2 等元件構成。高頻變壓器在開關管的控制下進行磁電能量的轉換，轉換后的直流低壓經(jīng)二極管D3 和電容C2 進行整流濾波，輸出比較穩(wěn)定的直流電[11]。

圖4 功率因數(shù)校正及變換電路

3.1.3 單片機最小系統(tǒng)

本研究采用STC15 系列單片機作為控制器，主要是用來產(chǎn)生PWM驅動信號；分析和計算采樣數(shù)據(jù)，在合理范圍內(nèi)控制PWM驅動信號的占空比，從而保證輸出值的穩(wěn)定；另外控制LCD1602 顯示電壓和電流。由于本次使用的是STC15F2K60S2 轉STC89C52 轉接板，因此最小系統(tǒng)參考STC89C52 單片機的最小系統(tǒng)結構連接[12]。STC15F2K60S2 單片機是1T 的，系統(tǒng)運行速度比傳統(tǒng)8051 快7～12 倍。單片機最小系統(tǒng)參考電路見圖5。

圖5 單片機最小系統(tǒng)

3.1.4 按鍵電路

本研究設計了3 個按鍵來完成對單片機的輸入指令，分別與單片機的P11、P12、P13 相連，主要完成設置輸出值的大小以及系統(tǒng)啟動及停止等功能，其中K1 鍵實現(xiàn)加數(shù)功能，K2 鍵實現(xiàn)啟動、停止功能，K3 鍵實現(xiàn)減數(shù)功能。其具體電路見圖6。

圖6 按鍵電路

3.1.5 液晶顯示電路

本設計采用LCD1602 液晶顯示屏實現(xiàn)顯示輸出電壓和電流。LCD1602 能夠顯示2 行，每行顯示16 個字符，滿足設計需求。該模塊有16 個引腳，其中1 和2腳為顯示屏的電源負極和正極；3 腳為屏幕對比度調(diào)整端，通過連接一個10 k 電位器實現(xiàn)調(diào)整；4 腳為命令/數(shù)據(jù)選擇端，與單片機的P22 腳相連；5 腳為讀/寫數(shù)據(jù)端，與單片機的P21 腳相連；6 腳為使能端，與單片機的P20 腳相連；7～14 腳為雙向數(shù)據(jù)端，與單片機的P00～P07 相連；15 和16 腳是背光的正極和負極。液晶顯示電路見圖7。

圖7 液晶顯示電路原理

3.1.6 采樣及模數(shù)轉換電路

為了穩(wěn)定輸出，需要對輸出進行采樣，并將變化量反饋到前級，系統(tǒng)采用PI 控制實現(xiàn)輸出穩(wěn)定，也就是通過反饋來控制PWM信號的占空比，從而保證輸出電壓或電流的穩(wěn)定。本設計采用了PCF8591 完成采樣及數(shù)據(jù)轉換，采樣及模數(shù)轉換電路見圖8，其中SCL和SDA 分別與單片機P23 和P24 相連。模擬輸入通道AIN0 對輸出電壓信號采樣，模擬輸入通道AIN1 對輸出電流信號進行采樣。這兩個信號分別模數(shù)轉化后送單片機進行分析和計算，之后對PWM驅動信號進行相應調(diào)整，繼而控制輸出穩(wěn)定。

圖8 采樣及模數(shù)轉換電路

3.1.7 電源轉換接口電路

本電源電路是給單片機控制電路部分供電，包括單片機、模數(shù)轉換器、液晶顯示器等。由于經(jīng)過高頻變壓器后經(jīng)整流濾波的電壓在22～24 V 左右，不能直接給單片機使用。本研究采用24 V 轉5 V DC-DC 電源模塊的輸出作為單片機控制電路的電源。該模塊尺寸小，輸入電壓為7～28 V，輸出電壓固定為5 V。電源轉換接口電路見圖9。

圖9 電源轉換接口電路

3.2 軟件設計方案

3.2.1 主程序設計

本設計利用單片機C 語言編寫程序，主程序流程見圖10。首先系統(tǒng)初始化，之后單片機產(chǎn)生PWM 驅動脈沖驅動開關功率管，經(jīng)直流變換輸出直流電壓，用戶通過按鍵輸入設定值，AD 采樣轉換為數(shù)字信號，與系統(tǒng)設定值比較，單片機分析和計算后，根據(jù)比較情況控制PWM脈寬增大或減小占空比，電源輸出保持穩(wěn)定，系統(tǒng)通過液晶顯示實際輸出值。

圖10 系統(tǒng)程序流程

3.2.2 按鍵子程序設計

本設計采用3 個獨立按鍵實現(xiàn)數(shù)據(jù)加、數(shù)據(jù)減和啟動/停止功能。系統(tǒng)定時掃描，當有按鍵按下后，執(zhí)行相應功能。按鍵子程序流程見圖11。

圖11 按鍵程序流程

3.2.3 AD 轉換子程序設計

本設計使用兩個模擬通道AIN0 和AIN1，分別對輸出的電壓以及電流進行進行采樣，模數(shù)轉換結束后，通過IIC 協(xié)議實現(xiàn)與單片機的通信。系統(tǒng)采樣開始時，首先選擇采樣通道，通道0 為輸出電壓采樣，通道1 為輸出電流采樣。AD 轉換程序流程見圖12。

圖12 AD 轉換程序流程

4 系統(tǒng)測試與分析

本設計選用VC890C+萬用表和1 組LED 燈珠完成了LED 點亮測試。本次測試的負載LED 燈珠為白色0.5 W，工作電壓為3.0～3.3 V。該組LED 燈珠為混聯(lián)方式，每2 個LED燈珠并聯(lián)，多個并聯(lián)LED 組再串聯(lián)。為防止測試中電壓過高燒壞LED，在電源負極串入一只510 歐姆的電阻。由于開關電源輸出的電壓最大為24 V，因此負載LED 的數(shù)量不能超過9 串。系統(tǒng)搭建好后，首先對電源輸出電壓進行調(diào)整，然后分別選擇2 并6 串、2 并8串和2 并9 串3 種情況進行測試，測試結果見表1。從表中數(shù)據(jù)分析可知，當LED 燈組兩端電壓為2.6 V 及以上，LED 能夠正常發(fā)光，而且電源電壓不變時，輸出電壓和電流也比較穩(wěn)定；隨著電壓的升高，電流也會隨之增大，LED 的亮度也會增加，在實際應用中電壓的變化很小，確保了輸出穩(wěn)定；如果使用2 并8 串和2并9 串的連接形式，那么可以去掉510 電阻，LED 燈組兩端的電壓會有升高，LED 的亮度也會增加。若更換其它功率LED 或其它顏色LED，仍需重新考慮LED 的連接方式。相同的連接方式，不同顏色LED 或不同功率LED，驅動LED 的最大數(shù)量不相同；不同的連接方式，驅動LED 的最大數(shù)量也不相同。

表1 系統(tǒng)測試結果

5 結論

本研究通過對LED 驅動電源的研究，進一步了解了數(shù)字控制技術在LED 驅動電源上的應用，利用單片機代替?zhèn)鹘y(tǒng)IC，將會使LED 的控制更加靈活方便。采用單級PFC 技術使輸入電流與輸入電壓基本同相，實現(xiàn)了功率因數(shù)的校正，改善了輸入電流的諧波對交流電網(wǎng)的污染問題。利用BOOST 變換器及反激式DC-DC 變換器完成了能量的傳輸、轉換和穩(wěn)定輸出，實現(xiàn)了AC 220 V-DC 24 V 的有效變換。系統(tǒng)測試表明，本設計實現(xiàn)了驅動LED 工作的基本功能，還有許多問題需要進一步研究?？傊?，只有正確設計PFC和DC-DC 變換器，選用合適的單片機，才能有效控制LED 驅動電源輸出穩(wěn)定。