数字式LED驱动电源嵌入式设计研究

丁 犇

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528137）

引言

如今，数字式LED以寿命长、低消耗等优势，在家用电器中占据了重要的地位。数字式LED采用动态光进行调节，能够更好地增强屏幕显示效果。但是，在动态光调节之下，数字式LED驱动电源设计还存在一些问题，对电源的调节无法达到预期理想的效果。嵌入式系统，以稳定性著称，能够有效调节系统硬件和系统软件的灵活性，进一步提高数字式LED驱动电源的功能。因此，采用嵌入式系统来设计数字式LED驱动电源，能够实现有效的调节效果和效率。

1 LED的概述

1.1 LED结构

LED是一种固体态的半导体，能够直接将电能转化成为光能，LED的核心是一个半导体晶体，晶体的一端附着在支架上，一端连接了电源的正极，一端连接了电源的负极，整个半导体晶体被绝缘体材料封装了起来[1]。LED的结构主要是由电极、结晶片和光学系统所组成的。结晶片主要包括两个部分，一部分是N型半导体，在这里面占据主导的是电子，另一部分是P型半导体，在这里面占据主导的是空穴。在电压的作用下，LED开始工作，电能会从N型半导体区域注入P型半导体区域，但多数载电流和非平衡少数电流复合后，就会将电能转化成为光能。

1.2 LED特性

LED结构性能的主要参数是I-V特性，LED的I-V特性具有单向导电性和非线性的特点。当LED的单向导电性向正面偏压时，LED则会表现为低电阻的状态，反之向反面偏压时，LED则会表现为高电阻的状态。但LED的正向电压小于整体的阈值时，则LED的通电电流会更小，在此状态下LED不提供照明。但是，当电压超过整体阈值后，LED的电流会随着电压的增大而逐渐增大，LED会越来越亮。当LED正常发光时，电压会有一个小幅度的波动，波动过程中会引起电流的变化，长时间的电流波动会导致LED处于不稳定工作状态，会影响到LED的使用寿命。但是，LED的I-V特性并不是固定的，会随着LED温度的变化而发生变化，温度变化的同时，供电电流也会随之发生变化，也会影响到LED的使用寿命。

1.3 LED照明特点

1）使用寿命长。LED灯使用寿命大约为10 000～50 000 h，是普通白炽灯的数倍，使用LED灯，能够最大程度地减少更换灯具的频率，减少更换成本。

2）发光效率高。LED是固态光源，在实际的发光过程中会将电能转化成为光能，要知道LED照明灯的发光效率达到了50～2 00l m/W，而且耗电量更低[2]。

3）易调光控制。LED驱动电源可以采用可控硅调光、模拟调光以及脉宽调光等，能够充分利用LED调光的特点，在不同的光照强度下选择合适的光照，进一步降低LED灯的能耗。

4）绿色环保。LED灯不含铅、氙和汞等有害元素，在使用过程中不会对环境造成污染。

2 数字式LED驱动电源嵌入式硬件结构设计

2.1 系统整体设计

在嵌入式系统下的LED驱动电源设计，如下页图1所示。在整体设计中，数字式LED主要是用A/D采集模块来对相关数据进行整流、滤波以及采样，对数字式LED驱动电源具有有效的过滤作用，这也是数字式LED驱动电源的重要组成结构[3]。驱动电路是实现数字式LED驱动电源调节控制的基础，高性能的LED通过电源设计能够实现较高驱动性能的设计。人体感应模块能够更好地提高LED灯对光的敏感性，实现智能调光功能。

图1 LED驱动电源设计

2.2 A/D采集模块设计

在数字式LED驱动电源设计中的A/D采集模块中，滤波主要是去除直流电流中的交流波，从而有效输出直流电的过程，整流主要是在数字式LED交流电中采集调节数据，从而将交流电转化成为直流电的过程。滤波与整流相比较，滤波可以说是作为一种排除电力干扰的手段，能够有效避免电源损伤，让LED电路元件能够维持正常的工作状态[4]。在A/D采集模块中，选择滤波器能够更好地调节LED滤波，对高频干扰的衰减效果会更加强烈。在数字式LED驱动电源低通滤波器中，拥有输入端口、输出端口以及电源端，当出现干扰信号后，能够有效阻止干扰信号通过。A/D采集模块利用定时逻辑原理和控制原理，能够将采集到的数据全部传输到驱动电路中。

2.3 驱动电路嵌入式设计

传统的数字式LED驱动电源在作业过程中的功率较低，但是在实际应用过程中，只有将所有的物质都连接起来才能够实现LED驱动电源的设计。因此,必须要通过特定的驱动电路，才能够在动态光调节下显示正常的数字式LED的功能，数字式LED驱动电源的嵌入式驱动电路如图2所示。由驱动电路可以知道，所设计出来的驱动电路具有效率高、成本低的特点，能够有效控制LED发光性能，驱动电路能够容纳150～250 V的输入电压，并且发光物质连接主要是以串联和并联的方式，A/D采集模块会将数据输入驱动电路。基于嵌入式的系统下数字式LED驱动电源可以实现嵌入式连接，驱动电路控制LED只有简单的关闭和开启，能够实现对LED发光亮度的有效调节，更进一步增强LED光的调节效果。

图2 驱动电路

2.4 人体感应模块设计

为了提高数字式LED驱动电源调光系统的智能性，在嵌入式系统中设计了人体感应模块，通过在一定范围内感应信号情况，从而达到LED灯自动开启和关闭的作用。人体感应模块设计接入电池后，可以设置光敏控制，光电池的另外一个作用是在感应光照强度，也能够自动调节灯光亮度，从而实现自动调光功能[5]。人体感应模块的电路主要功能器件包括了红外线传感器、光敏原件等。在人体感应模块中红外线传感器是一种集成电路信号处理器，配备了红外线传感器和外接原件，是一种可以与多种传感器匹配的信号处理器，能够有效抑制干扰，实现有效调节。

3 数字式LED驱动电源嵌入式系统软件设计

3.1 软件系统实现功能

在嵌入式数字式LED驱动电源系统的硬件设计完成后，系统的主要功能将由软件来实现，因此，软件的设计将直接决定系统的有效性。在硬件设计部分，嵌入式系统的硬件设计中搭建了LED驱动电路，而要实现调光功能，则需要根据光线强度来调节LED灯的亮度，从信号入手实现手动调节。系统软件必须要具备以下功能：自动采集光照数据功能；接收无线遥控信号功能[6]；自动感应人体信号功能；采集光照和处理人体信号的功能；数据刷新功能，主要用于系统显示屏的显示；判断决策功能，主要用于接收遥控执行信号。

3.2 软件系统开发环境

嵌入式系统下的数字式LED驱动电源软件设计主要是由C语言来进行开发的，C语言具有灵活性、功能强、转化率高和容易简便等优势。因此，在软件设计中得到了广泛的应用，在数字式LED驱动电源设计中，C语言开发的程序清晰，并且应用效果强大且良好，更有利于系统后期进行功能扩展，系统的软件设计开发主要采用了仿真器等器件实施全面的设计操作。

3.3 光照数据采集模块设计

在数字式LED驱动电源嵌入式设计系统中，光照数据采集模块主要是用于处理光照数据，光照信号在经过合理转换后形成电压值[7]。光照数据采集模块主要通过不同的通道，将数据从单端输入转变为双端输入，并通过转换通道，全面地放大模拟量和速度的倍数，从而实现对模拟量的有效驱动，在保持转换完成后，还需要设定数字式信号，完成数据信号采集。

3.4 无线遥控模块设计

无线遥控主要用于数字式LED驱动电源设计系统模式的调光调节，用户能够根据自身的需求来合理调节LED灯光的亮度。在无线遥控模块中，通过单片机进行通信，无线遥控主要分为接受和发送两个部分，无线模块的主器件主要用于发送数据，无线模块的从器件主要用于接收数据，在数据传输的过程中，才能够将数据实现整合传输，在主器件和从器件传输数据时，能够同时实现传输中断，在无线遥控模块中，自动调光模块的光感应必须要进行手动调节，然后采取正确的信号实施功能调整。

4 系统测试

4.1 LED驱动模块测试

数字式LED驱动电源的嵌入式系统的硬件、软件都完成设计后，就需要对系统进行全面的测试，对于LED驱动模块的设计，可以通过测试驱动效率和输出特性来判断。通过对不同规格的LED灯进行驱动，利用数字式LED驱动电源中的滤波将电压进行有效的调整和测量，然后将输出信号频率进行调整，由此可测试数字式LED驱动电源的驱动性。以上测试结果可以证明，嵌入式的数字式LED驱动电源在调控下的驱动性能较强。

4.2 电池和人体感应模块测试

电池和人体感应模块在数字式LED驱动电源嵌入式系统中属于自动调光模式，当切换到人体感应模式时，模块中心能够自动感应到红外线信号，并将信号进一步传输给单片机，通过软件设计后，检测到了光感应中的红外线信号，当信号离开人体后，感应模块将不会感应到红外线信号，会进一步将输出电流拉低。经过反复测试，电池和人体感应模块的灵敏感可以根据信号依次做出反应，且能够实现智能调光功能，从而实现调光模式的设计。