大功率LED的中心議題：

• 大功率LED工作特性
• 係統方案設計
• 係統軟件設計
• 數據處理與結果分析

• 用數字控製技術代替模擬電路控製
• 對恒流驅動電流進行高精度控製
• 對LED亮度進行自動調節控製

摘要：在綠色照明領域，既要體現節能
，又要具備較高的光效，大功率LED驅動設計顯得越來越重要。針對大功率LED的特性
，研究設計了適用於不同參數指標的白光LED的驅動與控製係統。該係統以單片機C8051F040為核心
，結合外圍電路，用數字控製技術代替模擬電路控製
，對大功率LED的恒流驅動電流進行高精度控製
，以及對LED亮度進行自動調節控製，實現了多種大功率LED智能化照明。

關鍵詞：大功率LED；恒流驅動

；C8051F040；智能化照明

引言

隨著LED技術的不斷發展，推動了白光LED的問世
，照明產業開始了綠色照明時代。由於LED能耗少
、熱輻射低
、發光效率高，是一種節能、環保、經濟
、安全的新型照明器件，因此
，加快技術研究並提高其發光效率成為當今首要問題。大功率LED要成為照明業的主體，其中安全
、高效的驅動研究是推廣應用大功率LED的關鍵。

1 大功率LED工作特性

LED是一種新型半導體固態冷光源
，它是一種能夠將電能轉化為可見光的光電器件。一般來說，大功率LED的功率至少在1 w以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W；被稱為“綠色光源”的LED，正朝著大電流(300 mA～1．4 A)
、高效率(60～120 lm／W)
、亮度可調的方向發展。

(1)伏安特性
大功率LED是低電壓
、大電流的驅動器件
，當LED電壓變化很小時，電流變化很大。當正向電壓超過某個閾值
，即通常所說的導通電壓之後
，可近似認為，IF與VF成正比，如圖1所示。


(2)光特性
 根據LED的發光原理，LED的發光亮度基本隨LED的電流正向變化。控製大功率LED的發光亮度，實質是控製它的輸出光通量。

(3)溫 度
LED正向電流的大小也是隨溫度變化而變化的。環境溫度一旦超過某一值，白光LED的容許正向電流會大幅度降低。在此情況下，如果仍舊施加大電流，很容易造成白光LED老化。圖2是LED的溫度與正向電流關係曲線。

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2 係統方案設計

光(guang)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)與(yu)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)有(you)很(hen)大(da)的(de)關(guan)係(xi)，瞬(shun)態(tai)的(de)電(dian)流(liu)或(huo)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)等(deng)許(xu)多(duo)因(yin)素(su)都(dou)很(hen)容(rong)易(yi)對(dui)其(qi)造(zao)成(cheng)損(sun)壞(huai)。驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)的(de)性(xing)能(neng)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)整(zheng)個(ge)光(guang)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)
、穩定性等性能。大功率LED所需的驅動電源為直流的低電壓
，所以傳統上用以驅動燈泡(鎢絲)
、日光燈、節能燈、鈉燈等光源的電源並不適合直接驅動大功率LED。根據以上大功率IED特性
，VF的微小變化會引起較大的IF變化；電流過強會引起LED光的衰減，電流過弱會影響LED的發光強度；溫度升高時LED的勢壘電勢降低
，電流會越來越大。因此采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，並且影響LED的可靠性
、壽命和光衰，故超高亮LED通常適宜采用恒流源驅動。另外，要提高發光的效率，設計具有完善、可靠的保護功能的LED驅動係統
，具備自動控製與檢測的智能型LED驅qu動dong成cheng為wei技ji術shu發fa展zhan的de必bi要yao途tu徑jing。本ben文wen采cai用yong硬ying件jian電dian路lu設she計ji和he軟ruan件jian程cheng序xu設she計ji相xiang結jie合he的de方fang法fa，以yi單dan片pian機ji為wei核he心xin
，通tong過guo負fu反fan饋kui調tiao整zheng輸shu出chu電dian流liu以yi達da到dao穩wen定ding的de目mu的de，從cong而er完wan成cheng亮liang度du可ke調tiao的de適shi合he於yu多duo種zhong大da功gong率lvLED的智能驅動係統，使係統的性能得到很大的改善和提高，有效地解決了光源輸出穩定性和可靠性的問題。係統原理框圖如圖3所示。


2．1 可控恒流源

 圖4是係統中用到的恒流源電路。該電路屬於電流串聯負反饋的拓撲結構
，由集成運放和MOS管構成。為了實現可調恒流源控製，在運算放大器的同相輸人端引入由D／A輸出的可調電壓信號Vin，使其成為受控恒流源。在反向輸入端連接采樣電阻R。恒流源的輸出電流直接取決於D／A的輸出電壓和采樣電阻R1的比值，用公式表示為：Is=Vin／R。


集成運放了LM358內部包括2個獨立的、高增益的、內部頻率補償的運算放大器，具有高增益、失調電壓影響小、3～30 V的寬電源電壓範圍，且可用作電壓跟隨器。運放配合MOSFET RF830通過反饋跟隨輸入電壓Vin，功率MOSFET的基極與運放的輸出級相連
，用來增加驅動電流。當LM358的同相端輸入電壓恒定時
，由於負反饋的存在
，保證了LM358輸出電壓恒定
，從而使流經LED負載的電流為恒定電流。本設計是在0～30 V電源供電的條件下，調節電流源的輸入電壓Vin從O～2．4 V變化
，控製恒流源電路得到O～2．4 A的電流輸出
，由此可計算采樣電阻的阻值應該為lΩQ來保證所需的恒流數值。

采樣電阻的選擇會直接影響恒流源的穩定度。當輸出電流達到一定程度時，R必然會發熱引起自身阻值的變化，這是影響恒流源輸出電流值精度的一個關鍵因素。同時，A／D轉換通過采樣R上的電壓值為單片機進行閉環控製提供數據，因本設計最大輸出電流為2．4 A，所以R的功率應足夠大。為此，采用了溫度係數比較小的康銅材料製作的阻值為1 Ω、功率為10 W的電阻。此外
，MOSFET是電壓控製型器件，穩態時其柵極所需控製電流IG幾乎為O，不會影響輸出電流UD的精度，從而保證了恒流源的輸出電流精度。對於電路中MOSFET管也應選取大功率管以滿足電流的要求，本係統采用漏極電流達4．5 A、耗散功率為74 W的N溝道增強型MOSFET管RF830。

2．2 自動控製單元

上shang述shu可ke控kong恒heng流liu源yuan的de設she計ji已yi滿man足zu了le電dian源yuan的de穩wen定ding輸shu出chu的de要yao求qiu，但dan電dian源yuan的de穩wen定ding隻zhi是shi光guang源yuan穩wen定ding的de必bi要yao條tiao件jian。因yin為wei在zai電dian源yuan穩wen定ding的de情qing況kuang下xia，光guang源yuan輸shu出chu電dian流liu仍reng會hui在zai長chang時shi間jian工gong作zuo中zhong出chu現xian波bo動dong。係xi統tong中zhong自zi動dong控kong製zhi模mo塊kuai主zhu要yao由you鍵jian盤pan、LED數字顯示
、具有A／D和D／A控製等功能的單片機(C8051F040)係統組成。其中4個按鍵(S1～S4)控製實現2個功能，2個選擇鍵，2個加減鍵。當LED光源改變，LED的電參數跟隨改變，所要求的恒流值也改變，通過選擇按鍵1設定當前LED的所需電流值

；當固定LED光源，控製其達到恒流丁作情況時，通過S2可方便設定LED發光亮度。係統電路設計原理如圖5所示。


此(ci)部(bu)分(fen)的(de)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)是(shi)按(an)給(gei)定(ding)電(dian)流(liu)值(zhi)，提(ti)供(gong)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)所(suo)需(xu)的(de)精(jing)密(mi)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)。首(shou)先(xian)采(cai)用(yong)鍵(jian)盤(pan)輸(shu)入(ru)方(fang)式(shi)設(she)置(zhi)給(gei)定(ding)電(dian)流(liu)值(zhi)。根(gen)據(ju)單(dan)片(pian)機(ji)寫(xie)入(ru)的(de)數(shu)據(ju)經(jing)過(guo)其(qi)內(nei)置(zhi)的(de)12位D／A轉換輸出直流電壓提供給恒流源的輸入電壓Vin使其得到一個穩定的恒流輸出，再通過12位A／D采樣將LED輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)流(liu)數(shu)據(ju)送(song)入(ru)單(dan)片(pian)機(ji)，通(tong)過(guo)單(dan)片(pian)機(ji)處(chu)理(li)計(ji)算(suan)出(chu)控(kong)製(zhi)電(dian)壓(ya)
，根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)的(de)電(dian)流(liu)與(yu)設(she)定(ding)電(dian)流(liu)的(de)比(bi)較(jiao)，向(xiang)單(dan)片(pian)機(ji)寫(xie)入(ru)新(xin)的(de)數(shu)據(ju)，從(cong)而(er)更(geng)新(xin)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)，再(zai)反(fan)饋(kui)回(hui)可(ke)控(kong)恒(heng)流(liu)源(yuan)電(dian)路(lu)，實(shi)現(xian)對(dui)恒(heng)流(liu)源(yuan)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)的(de)精(jing)確(que)調(tiao)節(jie)，最(zui)後(hou)由(you)數(shu)碼(ma)管(guan)分(fen)別(bie)顯(xian)示(shi)設(she)定(ding)電(dian)流(liu)與(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)的(de)數(shu)值(zhi)。

C8051F040作為控製係統的核心，其內置12位A／D、D／A轉換，以及內置的2．4V基準電壓，更加方便係統電路的設計。根據基準電壓，A／D輸出電流與D／A輸入的電壓範圍一一對應
，用12位A／D轉換所得電流精度可以達到O．6 mA，滿足設計要求。
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3 係統軟件設計

軟件程序的設計主要包括初始化管理模塊、按鍵管理模塊
、數據處理模塊和顯示模塊
，所有模塊都用單片機C51語言編寫。根據硬件電路，整個單片機軟件部分主程序流程如圖6所示。


在閉環比較運算中，通過比較實際值與設定值的差值逼近標準值。如果實際值大於設定值
，則將原來D／A的入口數值減去這個差值再送去D／A轉換
；如果實際值小於設定值，則把原來D／A的入口數值加上這個差值再送去轉換。循環比較，使實際值和設定值相一致後通過數碼管把穩定的實際值顯示出來。

係統的性能指標主要由兩大關係所決定：設定值與A／D采樣顯示值的關係
；內nei部bu測ce量liang值zhi與yu實shi際ji測ce量liang值zhi的de關guan係xi。後hou者zhe是shi由you於yu取qu樣yang電dian阻zu與yu負fu載zai電dian阻zu和he晶jing體ti管guan的de放fang大da倍bei數shu受shou溫wen度du的de影ying響xiang和he測ce量liang儀yi表biao的de誤wu差cha所suo造zao成cheng的de。為wei了le減jian少shao這zhe種zhong誤wu差cha
，一yi定ding要yao選xuan用yong溫wen度du係xi數shu低di的de電dian阻zu作zuo采cai樣yang電dian阻zu；而A／D與D／A轉換過程的誤差可以通過多次實驗得出一定的比例關係，將所得的誤差加入係統程序中。

4 數據處理與結果分析

數據測試是反映係統性能的重要指標。本測試選用1 W、2 W、10 W的LED，依次加9 V、1 2 V
、15 V的電源電壓，通過按鍵設定所選功率LED對應的輸出電流值(1 W—O．35 mA
，2 W—0．70 mA，lO W一1 A)，分別檢測對應D／A轉換輸出電壓

、電流源自身檢測到實際輸出電流值以及通過外部電流表測量的電流值和數碼管的2個數據顯示值。其次針對2 W的LED單獨進行電流調節，以10 mA的步進遞增遞減，觀察其發光亮度的變化。相關數據如表1、表2所列。


從以上測試結果可以看出，該係統實現了由單片機C8051F040控製的精密恒流源
，保證了大功率LED的交效穩定工作
，對於不同功率LED輸出電流滿足誤差精度在±3 mA範圍內的要求。另外，在進行亮度調節時可以看出，電流值小時，輸出電流更接近給定電流；電dian流liu值zhi較jiao大da時shi
，由you於yu係xi統tong散san熱re性xing能neng不bu夠gou優you良liang導dao致zhi恒heng流liu源yuan電dian源yuan性xing能neng下xia降jiang，引yin起qi誤wu差cha增zeng大da。誤wu差cha存cun在zai的de原yuan因yin主zhu要yao是shi采cai樣yang電dian阻zu製zhi作zuo誤wu差cha

，同tong時shi係xi統tong工gong作zuo時shi采cai樣yang電dian阻zu發fa熱re，阻zu值zhi變bian化hua也ye會hui引yin起qi誤wu差cha。但dan總zong的de看kan來lai，該gai係xi統tong具ju有you較jiao高gao的de穩wen定ding性xing和he精jing度du。

結語

本係統通過單片機控製，有效地提高了光源輸出的電流穩定性。實現了數字化光源驅動的智能控製，對大功率LED照zhao明ming的de發fa展zhan具ju有you很hen大da的de意yi義yi。在zai數shu據ju測ce試shi和he調tiao試shi方fang麵mian，由you於yu儀yi表biao存cun在zai誤wu差cha和he電dian路lu器qi件jian因yin工gong作zuo時shi間jian過guo長chang溫wen度du升sheng高gao而er產chan生sheng的de誤wu差cha，使shi得de測ce量liang數shu據ju不bu是shi很hen精jing確que，通tong過guo軟ruan件jian設she計ji盡jin可ke能neng減jian少shao誤wu差cha的de存cun在zai，從cong而er使shi輸shu出chu電dian流liu的de誤wu差cha範fan圍wei減jian小xiao到dao±2 mA
，大大提高了係統的精度。