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LED可控恒流源驱动系统设计方案[1]

2012-5-31　　来源：21IC 　　有3825人阅读

　　LED作为第三代照明光源，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高、寿命长等优点。LED是一个非线性器件，当LED导通时，只要LED上的电压发生微小变化，就会使电流过大导致LED器件发热损坏。LED的工作特性对其供电电源质量的依赖程度很大，因此实现一个高质量的供电电源对提高LED的照明质量、电能利用率、延长LED的使用寿命有着重要的意义。供电电源的稳定性主要取决于LED驱动电路设计，恒流源驱动是最佳的LED驱动方式，采用恒流源驱动，LED上流过的电流将不受电压、环境温度变化，以及LED参数离散性的影响，从而能保持电流恒定，充分发挥LED的各种优良特性。目前广泛采用的恒流源有两种形式：一种是线性电源改进型恒流源，另一种是开关电源式恒流源。线性电源改进型恒流源的线性损耗大，适用范围小;开关电源式恒流源的可靠性较差，适应范围小，而且成本高。因此，经济实用、性能可靠的数控恒流源就得到了广泛的应用。本文针对小功率LED在现有照明系统中驱动方式存在的一些不足，设计了一种高效的驱动系统，提出了一种相应的新型驱动系统。

　　1 LED特性

　　1.1LED伏安特性

　　LED伏安特性的数学模型可以表示为：

　　式中，V是LED启动电压;RS表示伏安曲线斜率;IF表示LED正向电流;T表示环境温度;△VF/△T是LED正向电压的温度系数，对于大多数LED而言，它的典型值为-2V/℃。从LED的数学模型看，在一定的环境温度条件下LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化。

　　1.2LED温度特性

　　LED正向电流的大小是随温度变化而变化的，白光LED的工作电流一般在200mA左右，当环境温度一旦超过50℃，白光LED的容许正向电流会幅度降低而达不到正常发光亮度所需的工作电流，在此情况下如果仍旧施加大电流，很容易使白光LED老化。

　　1.3LED光学特性

　　光源的光通量是指单位时间内通过4π立体角的可见光能量。白光LED电流与光通量的关系如图1所示，随着电流的增加，LED的光通量非线性增加，并逐渐趋于饱和。其原因主要是因为随着电流及时间的增大，大功率LED内部温度上升，发生在P/N结结区的载流子复合几率下降，造成LED发光效率降低。

　　图1LED光通量与电流关系图

　　2 系统方案选择与比较

　　2.1系统结构框图

　　系统结构框图如图2所示。

　　图2LED可控恒流源驱动系统结构框图

　　2.2核心控制器的选择

　　控制器采用目前比较通用的STC系列单片机STC89C52，一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的高性能8位微处理器。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC的STC89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

　　2.3时钟功能模块的选择

　　方案1采用DS1302时钟芯片。此芯片体积小、引脚少，操作起来非常方便。缺点是使用时需要外接备份电池和外部晶振，硬件线路较复杂，成本较高。

　　方案2采用DS12C887时钟芯片。此芯片，体积相对较大，内部集成有可充电锂电池，同时还集成32.768kHz的标准晶振，可有效地保持时间的连续性，使用起来非常方便，但价格昂贵。

　　方案3利用单片机(晶振11.0592M)的定时器设计时钟。时间显示在1602液晶上，用独立键盘调节时钟的时、分、秒，并且可以设置定时。成本低，不需要在启用其他的芯片和外围电路，但程序较为复杂。

　　考虑到性价比的问题和电路优化问题，所以选用方案3。

　　2.4恒流源模块选择

　　方案1采用单片机产生PWM信号，输出到达林顿管，经滤波器消除纹波，实现恒流源功能。采用PWM脉冲方式来实现的恒流源可简化硬件电路，易于控制和调节，但是该方案精度难以保证，要适应本设计对精度的要求在技术上难度较高，且该方案很难适应电流调节范围大的应用需求，受纹波和稳定性等因素的限制，难以实现。

　　方案2由运算V/I转换电路构成恒流电路。运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的缺点。该方案可实现0~5V/0~500mA的V/I转换，且转换精度较高。若输入端由单片机配合数字电位器控制，还可很方便实现数控恒流源。

　　方案3通过专门的恒流/恒压芯片LT1769和简单的控制线路来实现压控电流源方案。这种恒压芯片具有集成度高，使用起来控制系统的软硬件都变得相对简单的优点。但缺点是方案实现不够灵活;由于该芯片精度不高，设备性能被局限在这种专用芯片性能指标所允许的范围内。所以这种设计一般只适合于精度要求不高，但集成度和便携性要求高的场合，事实证明，这不是做理想的数控电流源实现方案。

　　鉴于论证与比较，最终选择方案2。

　　2.5D/A转换器选择

　　对于D/A转换器，笔者使用非常普遍的8位D/A转换器DAC0832，其转换时间为1μs，工作电压为+5V~+15V，基准电压为±10V，与微处理器接口完全兼容，具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。其D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

　　3 硬件电路设计

　　3.1系统电源电路

　　如图3所示，该电源利用正压集成稳压器LM7812和负压集成稳压器LM7912提供对称的正/负12V稳压输出，供给运放使用，而后再通过LM7805稳压成5V输出，供给单片机使用。

　　图3系统电源电路图

　　3.2LED驱动电路

　　图4所示的电路可以很方便地实现电压/电流的转换。运放U1A构成比较器，U1C构成电压跟随器，起负反馈作用。输入信号Vi与反馈信号Vf比较，在比较器U1A的输出端可得输出电压V1，V1控制运放U1B的输出电压V2，从而改变三极管Q1的输出电流IL，而输出IL又影响反馈电压Vf，到达跟踪输入电压Vi的目的。输出电流IL的计算式为IL=Vf/R13，因负反馈使Vi=Vf，故而IL=Vi/R13.若R13取值为10Ω，则可实现0~5V/0~500mA的V/I转换;若所选择器件的性能参数稳定，运放UA1，UA2的放大倍数足够大，则其转换精度较高。V13的电压由单片机配合D/A输出控制，可很方便实现数字恒流源输出。