LED电气特性测试仪设计与实现❋

王 琪

（西安工业大学电子信息工程学院，西安710032）

LED电气特性测试仪设计与实现❋

王 琪

（西安工业大学电子信息工程学院，西安710032）

随着环境与能源问题的日益突出，LED灯因其具有能耗低、寿命长、高亮度、低热量、材料环保的优点，逐渐引起了社会的关注，成为研究的热点。在研究和分析LED电气特性的基础上，设计了一种由LED驱动电路和单片机检测电路组成的LED电气特性测试仪，可对LED恒流驱动，同时实现对LED灯的电流、电压、温度等参数的采样与显示。驱动电路采用单级反激式拓扑结构，以SA7527为核心设计PWM开关电源电路，实现了功率因数校正，简化了电路结构，具有较高的功率因数，同时具有恒流限压的特点，效率可达88%以上。检测电路以ATmega16单片机为核心，实现对LED灯电流、电压、温度等参数的实时监测及显示。实践表明，该测试仪可以实现对LED电气特性的测试与监控，具有较好的研究与应用前景。

电气特性；反激式；功率因数；检测

1 引 言

LED灯具依靠其功耗低、寿命长、亮度高以及绿色环保的特点，克服了传统日光灯、白炽灯等能耗高、寿命短、污染环境的缺点，成为了研究热点，逐渐在照明市场普及。大功率LED照明产品的开发、研制、生产已经成为具有广泛应用前景的朝阳产业。我国绿色照明工程的组织实施，也极大地促进了LED照明技术的创新和发展，使得大功率LED照明技术在照明领域得以广泛应用，其潜在的市场使大功率LED照明技术显示出了强大的发展潜力。但是LED在发光过程中，仍有部分能量转化为了热能。因此大功率LED的散热能力成为影响其光电性能和寿命的关键因素之一［1］。另外，目前市场上有一些LED驱动电源质量低劣，导致LED整体电路效率很低、发热严重，严重降低了整个照明系统的效率和可靠性。只有在解决好制造技术与驱动电路技术这两大问题之下，LED产品才能更加快速的发展。

LED电气特性测试仪是在分析LED电压、电流和PN节温度三种主要参数的基础上，开发的恒流限压测试设备，该测试仪可对LED进行恒流驱动，使得LED获得稳定的输出。同时单片机检测电路能实现对LED灯的实时监测，以便LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下以最佳方式控制LED电流的大小。

2 LED电气特性分析

由于LED本质上就是能发光的二极管，所以其电气特性类似于普通二极管，只不过开启电压和导通压降要更大，一般在3V左右，其电气特性主要就是伏安特性。LED伏-安特性是流过芯片PN结的电流随加到PN结两端上的电压变化的特性，是表征LED芯片PN结性能的主要参数。完整的LED伏安特性包含正向特性和反向特性两方面，同时与普通二极管一样，LED也具有单向导电性和非线性特性，即外加正偏压表现为低电阻，反之为高电阻［2］，如图1所示。

图1 LED伏-安特性Fig.1 LED volt ampere characteristic

当正向电压小于某一值时，电流极小，LED不发光。当电压超过一定值后，正向电流随电压增大而迅速增加，从而使LED发光。所以高功率LED理想状态下的正向V-I特性曲线如图2所示。

图2 LED理想状态伏安特性Fig.2 LED volt ampere characteristic on the ideal state

LEDV-I特性的数学模型可表示为：

式中，V0是LED的阈值电压，Rs为伏安曲线的斜率，IF为正向电流，T为环境温度，ΔVF/ΔT是LED正向电压温度系数，典型值为-2V/℃。

从LED的伏安曲线及数学模型看，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，并且环境温度、LED老化、使用时间等因素也将影响LED的电气性能。LED的光输出量直接与LED的电流相关，故LED驱动电源在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下必须精确控制高功率LED驱动电流大小，否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，不能输出稳定的光强，严重影响其使用寿命。

3 LED电气特性测试仪设计

LED电气特性测试仪是针对LED的特点开发的恒流限压控制电子电路，利用集成电路技术将LED的输入电流控制在最佳电流值，使得LED能获得稳定的电流，并产生最高的输出光通量。同时，单片机检测电路能实现对LED灯的实时监测，以便LED驱动电路在输入电压、环境温度等因素发生变动的情况下稳定驱动LED工作。硬件电路分为LED恒流驱动电路和单片机检测电路两部分，其原理图如图3所示。

3.1 LED驱动电路设计

驱动电路主要由抗浪涌保护、EMI滤波、全桥整流、反激式变换器、PWM LED驱动控制器、闭环反馈电路组成。AC输入电压为全范围交流市电输入端，EMI滤波器用来阻挡驱动电路工作中产生的电磁干扰经电源线干扰电网，同时阻止电网的电磁干扰经电源线进入后级驱动电路。输入的交流市电经过前端EMI滤波器后经整流桥整流进入临界导通模式的高功率因数单级反激变换器［3］，将市电降到安全电压以内，完成功率因数校正的同时也实现了高低压电气隔离。控制环路实现电流的恒定和电压限制，从而给LED提供恒定的电流和安全的电压。驱动电路如图4所示。

图3 LED电气特性测试仪原理框图Fig.3 Principle diagram of LED electrical characteristics tester

图4 单级反激式驱动电路图Fig.4 Single-stage flyback drive circuit

交流市电入口接有熔丝F1和抗浪涌的压敏电阻Z1，熔丝起到线路输入电流过流保护的作用，压敏电阻Z1用来抑制来自电网的瞬时高电压，保护输入线路的安全。L1，C3，C9是共模滤波器，D1，D3，D4，D7是全桥整流电路，C4是电容滤波器。为了减少波动，由R5，C2，D5组成吸收漏感的RCD电路，为了防止功率管Q2在关断过程中承受大反压，箝位电路的二极管一般选择快速恢复二极管。输出滤波电容C5、C6、C7、C8并联减少了电压纹波。采用反激式拓扑的驱动电路具有宽电压输入、恒流/限压特性、成本低、控制精度高、调试简单等特点［4］。

3.2 单片机检测电路设计

单片机检测电路主要通过传感器实时采样大功率LED灯的电压、电流和温度数据，并且将电压、电流和温度数据实时显示在LCD显示器上，供现场直观读取，以便随时做出调整。电路由单片机主电路、检测电路（包括电压检测，电流检测，温度检测）、显示电路、串口通讯电路、系统供电电路五部分组成。其中单片机主电路以ATmega16为核心，辅以时钟电路、复位电路和钳位保护电路组成，如图5所示。

图6是LED电流放大电路，LED电流流过采样电阻后信号是几十毫伏级的微弱信号，通过该电路放大，送至单片机的AD转换单元。温度和电压信号比较强，可通过分压电路预处理成合适的电压值供单片机AD转换单元。这些信号经过AD单元转换成数字量，单片机利用这些数字量实现监控、显示等功能。

图5 单片机电路Fig.5 Single chip circuit

图6 LED电流放大电路Fig.6 LED current amplify circuit

3.3 软件设计

软件由两部分组成，其一是以ATmega16单片机为主控芯片的下位机程序［5］，通过串口对LED灯的电流、电压、温度等参数进行采样、滤波，输出给MAX232芯片进行电平转换，然后送入PC机进行存储、显示，主要包括系统初始化程序、A＼D转化程序、数字滤波程序以及串口发送程序。其二是上位机程序，实时显示输出的电流、电压、温度信号，并在坐标系中描点显示。系统主流程图如图7所示。

4 结束语

以SA7527为驱动电源的LED电气特性测试仪，其驱动电源基于PWM型高频开关电源恒压/恒流控制器设计，采用电压，电流双控制环并联结构，在正常情况下，工作在恒流状态时，电流环起作用，驱动LED恒流工作，当LED灯出现断线、开路等故障时，电路进行限压控制，电压环起作用，以免高压损坏电路或者是LED灯，从而提高控制器可靠性和稳压性。该电路具有宽输入电压（85-265VAC）、高功率因数（大于0.95），高转化效率（大于88%）。单片机检测电路实现了对LED灯的电压、电路和温度的实时监测，。该测试仪是比较实用的LED电气特性测试和研究工具，可对LED的研制提供可靠的数据参考，具有很好的实用价值和应用前景。

图7 主程序流程图Fig.7 Flow chart of themain program

［1］ Abraham IPressman，Keith Billings，Taylor Morey.开关电源设计［M］.北京：电子工业出版社，2010.

Abraham I Pressman，Keith Billings，Taylor Morey.Switching Power Supply Design［M］.Beijing：Electronics Industrial Publishing House，2010.

［2］ 陈传虞，刘明，陈家桢.LED驱动芯片工作原理与电路设计［M］.北京：人民邮电出版社，2011.

Chen Chuan-yu，Liu Ming，Chen Jia-zhen.Working Principle and Circuit Design of LED Driving Chip［M］.Beijing：Ports and Telecom Press，2011.

［3］ 龙兴明，周静.基于SA7527的LED照明驱动电源的研制［J］.电子器件，2007，30（3）：904-907.

Long Xing-ming，Zhou Jing.Development of LED Lighting Driver Based SA7527［J］.Electron Devices，2007，30（3）：904-907.

［4］ 董海鹰，李晓青，李坦.单端反激式开关电源反馈回路的补偿控制［J］.电源技术，2013，37（4）：624-627.

Dong Hai-ying，Li Xiao-qing，Li Tan.Compensating Circuit Design of Feedback Loop of Single Flyback Switch Mood Power Supply［J］.Power Sources，2013，37（4）：624-627.

［5］ 陈忠平.ATmega16单片机C语言程序设计经典实例［M］.北京：电子工业出版社，2013.

Chen Zhong-ping.C Language？Classic Example of Program Design for ATmega16［M］.Beijing：Electronics Industrial Publishing House，2013.

Design and Im plementation of LED Electrical Characteristics Tester

Wang Qi
（School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

As the issues of energy and environment have been focused on increasingly，the LED lamp，with the advantages of low energy consumption，long life，high brightness，low quantity of heat，environmental protection material，gradually arouses the concern and becomes the research hot spot.Based on the study and analysis of the electrical characteristics of LED，a LED electrical characteristics tester composed by LED driving circuit and SCM（Single Chip Microcomputer）detection circuit is designed，which can drive the LED with the constant current to sample and display the parameters of LED lamp，such as current，voltage and temperature.In the driving circuit，a single-stage flyback topology is used and the PWM switching power supply circuit is designed with SA7527 as the core to realize power factor correction and simplify the circuit structure，which has the advantages of high power factor，limiting voltage with constant current and high efficiency（upto 88%）.The detection circuit，using ATmega16 MCU as the core，can monitor and display the LED parameters of the current，voltage and temperature at real time.The practice shows that this tester can test and monitor the LED electrical characteristics and has good prospects for research and application.

Electrical characteristics；Flyback；Power factor；Detection

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.022

TP216

B

1002-2279（2015）03-0082-04

陕西省教育厅专项科研计划项目（14JK1339）

王琪（1979-），女，山东省淄博市人，硕士，讲师，主研方向：嵌入式、电力电子技术研究。

2014-12-05