智能LED照明驱动系统设计

1 引言

近年来，半导体光源正以新型固体光源的角色逐步进入照明领域。按固体发光物理学原理，LED发光效率能接近100%，具有工作电压低、耗电量小、响应时间短、发光效率高、抗冲击、使用寿命长、光色纯、性能稳定可靠及成本低等优点。随着LED价格的不断降低，发光亮度的不断提高，半导体光源在照明领域中展现了广泛的应用前景。LED的伏安特性与普通二极管的伏安特性相同，正向电压的较小波动就会导致正向电流的急剧变化。LED正向电流的大小会随环境温度变化而改变，环境达到一定温度，LED容许正向电流会急剧降低;在此情况下，如果仍旧通过大电流，容易造成LED老化，缩短使用寿命，因此LED在应用过程中需要一个有恒温、恒流控制的，具有可靠保护功能的LED驱动系统。本文介绍了一种智能LED驱动系统的设计方法。

2 LED模型

LED是低压驱动的PN结光电半导体器件，其电压与电流的关系可用式(1)表示。

q———电子电荷。

LED正向电压超过阈值电压之后，LED的正向电流随正向电压的增加迅速增大，电压很小的波动，会引起电流较大变化。

LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，在正向电压小于某一值时，电流极小，不发光，当正向电压超过某一值后，正向电流随着正向电压的增加而迅速增加，LED的伏安特性模型可用式(2)表示。

LED简化模型反映了LED的伏安特性，用于分析电路驱动电流对LED电气特性的影响，以验证分析与设计的正确性。

3 系统设计

LED驱动系统的性能直接影响光源系统的工作寿命和工作稳定性。本驱动系统主要由开关电源、恒流驱动电路、单片机恒流控制三大部分组成，系统原理框图如图2所示。

本系统采用硬件电路设计和软件程序设计相结合的方法，以单片机控制为核心，通过负反馈调整输出电流，从而完成亮度可调，是适合于多种LED灯具的智能驱动控制系统，使LED的性能得到改善和提高，解决了LED光源输出稳定性和可靠性问题。

3.1开关电源

LED照明只能采用直流供电，在AC220V供电情况下，首先要解决AC/DC转换问题。开关电源有转换效率高、小型轻量、输入范围宽、使用灵活节能等优点。开关电源一般用半导体功率器件做开关，将一种电源形态转换成另一种形态，在转换时自动控制稳定输出，具有多种保护电路。

开关电源的结构组成如图3所示，220V交流电经过低通滤波与桥式整流，得到一个未稳压的直流电压，此直流电压进行有源功率因数校正，提高电源功率因数。直流电压再经过逆变器成为符合要求的高频方波脉冲电压，整流滤波后变成直流电压输出。输出电压经分压、采样后，通过比较电路与基准电压进行比较、误差放大，通过脉宽调制达实现脉冲宽度可调，脉冲宽度调制(PWM)是开关功率变换器中最常采用的方式。

3.2恒流驱动电路

恒流源在一定的电压和温度变化下，产生电流变化接近于零，具有恒定电流值和很高的动态输出电阻。一般，恒流驱动电路用电子管、晶体管、恒流器件、集成电路、集成稳压器和其他元器件组成。为了适合LED灯具的应用，恒流源不仅要有较高稳定度和电流输出准确度，而且恒流驱动电路输出电流设计为可调输出。为了保证输出电流的精度，本设计采用单片机系统D/A转换输出电压，调节恒流源输出电流，原理图如图4所示。

此恒流驱动电路属于电流串联负反馈的拓扑结构，其中LED为负载，R6为采样电阻。在本设计中，为了实现可调恒流源控制，在运算放大器的同相输入端引入由单片机系统D/A输出的可调电压信号Vs，使其成为受控恒流源，也就是基准电压。在反向输入端连接采样电阻R6。运算放大器工作在深度负反馈状态，它配合功率MOS管通过反馈跟随输入基准电压Vs，功率MOS管与运算放大器的基极相连，用来增加驱动电流。当运算放大器的同相端输入电压恒定时，由于负反馈的存在，保证了输出电压的恒定，从而使流经LED负载的电流为恒定电流。恒流源的输出电流直接取决于D/A的输出电压和采样电阻R6的比值。由于反馈环节中使用了运算放大器，反馈环路的环路增益加大，反馈深度加大，恒流驱动电路的输出阻抗很大，满足使用要求。

输出电流与输入控制电压VS直接关系，运放失调与VS对输出电流有同样的影响，因而输出电流的稳定性，取决于受控电压VS的稳定性及运放的失调漂移，选择高稳定度的基准电压源作为控制电压，并选用低漂移运算放大器，是提高本电路输出电流稳定性的重要途径。电路中采用的集成运算放大器LM358，LM358内部包括有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的运算放大器，具有高增益、失调电压影响小的优点。

3.3单片机恒流控制

为了得到稳定的驱动电流，提高LED的光稳定性。本系统通过改变恒流源的外围电压，利用电压的变化，来控制输出电流的大小。本系统控制部分由单片机系统为核心，结合按钮输入和LED数字显示，由A/D采样电压通过闭环反馈与输入电压相比较，进行相应调整，最后由D/A转换输出的模拟电压，作为恒流源的基准输入电压。

3.3.1单片机硬件系统

单片机系统主要有AT89C51、ADC0809、DAC0800、数码管、按钮等部分组成，单片机系统原理图如图5所示。