高亮度LED闪光灯电源设计

2018-03-15骆旭坤

中原工学院学报 2018年1期

孙静，骆旭坤

(黎明职业大学机电工程学院, 福建泉州 362000)

LED由于具有环保、寿命长、光电效率高、抗震等众多优点，近年来已广泛应用于照明领域，如数码相机闪光灯、装饰照明等，高亮度白光LED在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有更广泛的应用前景。应用LED的关键技术之一是提供与其特性相适应的电源或驱动电路[1]，设计一种简单便携的LED电源至关重要。由LED的光学特性可知，微小的正向电压变化会引起很大的正向电流变化[2]，过大的电流很容易导致LED温度升高而损坏。因此，LED 电源需采用恒流驱动。本文设计一个LED闪光灯电源，采用低压直流输入，通过脉宽调制(PWM)调整采样电阻两端电压来控制电流，实现恒流输出。

1 系统总体设计方案

系统以单片机作为控制核心，包括电源电路、按键控制电路、AD采样电路、DA线性压控电路、显示电路、恒流源输出部分等。硬件系统的总体结构如图1所示。电源电路由升压电路和稳压电路两部分组成。系统由3～3.6 V的直流电源输入，通过升压电路升压，由稳压电路输出稳定的恒压源，供单片机和各电路使用。按键控制电路通过按键输入来设定相应的输出模式和峰值电流的档位，并由液晶显示器显示输出的状态及操作信息[3]。当输出电压超过规定值时，系统通过声光报警电路报警。

图1 硬件系统的总体结构

1.1 单片机控制模块

单片机控制模块主要包括单片机、显示电路、声光报警电路三部分。选用的STC公司新一代可编程、单时钟/机器周期的8051内核单片机IAP15W4K58S4[4]，具有低功耗、低价、高速、高可靠性、强抗干扰能力、自带8通道10位AD转换功能和6通道独立高精度PWM等特点。显示电路采用LCD1602液晶显示屏。当电压输出值高于设定值时，系统通过声光报警电路报警提示。

1.2 电源模块

本系统电源模块包括升压和稳压电路两部分。升压电路如图2所示。该电路采用XL6009升压型直流电源变换芯片。在图2中，DYZ1为电源输入。按键S10闭合时，Vin即为升压电路的DC输入电压。图2中引脚2是使能端(高电平有效)，引脚3输出的是方波信号。作为开关，当引脚3输出低电平时D10截止。电感L10作为储能元件储存电压。电容C11与电阻R10、R11组成一个回放电路，使输出电压下降。当引脚3输出高电平时，D10导通，电感L10向电容C11两端充电，输出电压升高[5]。R10、R11和XL6009内部电路组成电压放大器。由电阻R10、R11控制电压放大器的输出电压值，其输出电压值为Vout=1.25×(1+R10/R11)。为提高稳流电源的转换效率，系统中单片机和运放电路的供电电源并不直接提供，而通过升压电路转换后提供。本系统运放电路所需电压约为18 V，这里设置R10=3.9 kΩ，R11=300 Ω。

单片机系统需要的5 V电源，可通过升压电路升压，采用LM317稳压电路将电压稳定在5 V后为单片机供电。稳压电路如图3所示。LM317是输出电压可变的三端稳压集成电路，其输出电压为Vout1=1.25×(1+R14/R15)。因此，通过设置R14、R15的阻值，稳压电路可输出直流5 V电压，作为单片机的输入电源。

图2 升压电路图

图3 稳压电路图

1.3 DA线性压控恒流源输出模块

DA线性压控恒流输出模块主要由LM358运放电路和N沟道高压驱动电路两部分组成。LM358是双路双通道通用运放电路，其中一路接成同相比例放大器，另一路接成减法电路(见图4)。单片机引脚P25输出脉宽调制信号，该信号经过LM358的同相比例放大电路放大后由引脚1输出，这里记为Vin3。设置同相比例放大电路R40.15=30 kΩ，R40.16=10 kΩ,则电压放大倍数为4倍(1+R40.15/R40.16=4)。将放大电路输出的电压Vin3输入LM358的减法电路。减法电路的输出为VP。由LM358减法电路(也称减法器)可知，输出电压VP大于等于基准电压与输入电压之差，即VP≥15-Vin3。

图4 LM358运放电路图

单片机P25口输出的PWM控制信号经同相比例放大电路和减法电路，以输出电压VP对大功率MOS管75NF75进行高压驱动。其驱动电路如图5所示。75NF75是N沟道场效应管，当G极电压(即VP)在5～10 V时75NF75导通，在线性状态下工作。在采样电阻RW1两端施加一个固定电压来控制输出电流[6]。通过改变P25口输出信号可改变输出电流值。采样电阻RW1上流过的电流为I=(Vin2-Vout)/RW1。通过按键选择电流档位，控制单片机P25口输出的PWM信号，可以改变VP电压的大小。

图5 N沟道高压驱动电路图

1.4 采样模块

为实现采样电阻RW1的恒流输出，需要实时检测输出电流进行电流负反馈。因为采样电流I=(Vin2-Vout)/RW1，系统采样电压值通过闭环控制系统可调，所以通过改变单片机输出的PWM信号来改变采样负载上的电压，计算电流输出，可最终实现不同负载、不同电流档位的恒流输出。系统AD采样电路由减法电路和射随电路组成。图6所示为采用LM358减法器的电压减法电路。减法电路电压输出为：Vout2=Vin2-Vout。由上述分析可知，Vout2即为负载RW1上的电压值。将Vout2电压值采样传送到单片机P11口，Vin1电压值采样传送到单片机P10口(P11和P10为AD口)，可由单片机输出PWM控制信号。采样电路的LM358射随电路如图7所示。

图6 LM358电压减法电路图

图7 LM358射随电路图

2 系统软件设计

软件系统主要包括AD采样、按键扫描、显示报警、PWM设定等模块。其主程序流程如图8所示。

图8 系统主程序流程

3 系统测试

对系统输入3.3 V直流电压，通过按键选择50 mA、100 mA、150 mA、200 mA、300 mA、450 mA、600 mA的7个电流档位，采用不同负载进行测试。负载电压的理论值为理论电流值与负载电阻值的乘积。若改变单片机的PWM寄存器数值，则P25口输出不同占空比值。表1、表2和表3分别为PWM寄存器数值等于3 150、970和650时测得的负载电流和负载电压值。输出电流的相对误差=(理论电流值-实际输出电流)/理论电流值。

表1 PWM寄存器数值为3 150的测试结果

注：电路输入电压为3.3 V；负载电压理论值为2 V。

表2 PWM寄存器数值为970的测试结果

注：电路输入电压为3.3 V；负载电压理论值为9 V。

表3 PWM寄存器数值为650的测试结果

注:电路输入电压为3.3 V；负载电压理论值为10 V。

从测试结果可以看出，当电流理论值选择50 mA、100 mA、150 mA、200 mA恒流输出档位时，输出电流相对误差均不超过2%;当选择300 mA、450 mA、600 mA档位时，输出电流相对误差均小于5%。

这里，选择恒流输出为200 mA，负载电压理论值为10 V，计算系统的效率。当输入电压为3.3 V时，测得输入电流为660 mA，由功率计算公式P=UI可得，输入功率P1=3.3×0.66=2.17(W)。由表3可知，系统的输出功率P2=U2/R=9.49×9.49/50≈1.80(W)，则效率为P2/P1=83%，满足了系统设计要求。