谭家杰，谭家腾，杜社会

（1.衡阳师范学院 物理与电子信息科学系，湖南 衡阳 421002；2.衡阳衡仪电气有限公司，湖南 衡阳 421008）

0 引 言

大功率LED作为第四代照明光源具有寿命长、体积小、节能、环保等特点，是全球公认新一代环保科技型光源。根据LED的伏安特性，现在LED照明的主要驱动方式采用恒流驱动。为了更好发挥LED照明节能的优势，驱动器中加入调光功能是大势所趋［1］。另外，调光能降低LED功耗，减少发热从而延长LED的使用寿命［2］。目前LED的调光方式主要有：模拟调光、PWM（Pulse Width Modulation，PWM）调光、可控硅调光［3－7］。脉冲宽度调制（PWM）调光就是使用开关电路以足够高的频率工作，改变设置PWM周期和占空比以达到输出光的改变。模拟调光称线性调光，它是利用直流电压信号使LED驱动器输出电流连续地变化，从而实现对LED的线性调光。优点为电路简单，缺点为调光范围窄，功率损耗大［8］。数字调光会引入潜在的电磁干扰，为了降低可听到噪声和辐射，高端照明系统的调光频率一般要求数兆赫兹，较高的调光频率将减少驱动的调光范围［1］。可控硅调光是利用现有的日光灯可控硅调光器技术，通过改变可控硅的导通角，调节输出功率来实现调光。但是缺点更严重：会使LED产生100Hz频闪；负载过热，其会严重降低驱动器效率降低及功率因数劣化［5］。

本研究设计一种可进行PWM调光的LED恒流驱动控制系统，对驱动器的各个组成部分进行了详细分析，并且进行了实验验证。用MSP430G2452单片机作为控制器，用分立元件完成电流控制LED调光。系统具有功率因数高、调光无闪烁、调光输出稳定的优点。

1 LED调光机理

1.1 LED的伏安特性

大功率LED属于低电压、大电流器件，研究LED的驱动电路，必需先研究其伏安特性。以LUMILEDS公司LUXEON K2型为例，其伏安特性如图1所示。由图中电压与电流关系可知，LED驱动电压为3.44伏时，对应正向工作电流为350mA。驱动电压变为3.5V，工作电流为500 mA；当电压为3.6V，工作电流为700mmA。由此可知，电压增加0.1V，通过LED的电流增加近200mA。相对于1 W 350mA的大功率LED，其相对变化率达到电压变化2 A／V，即LED的电流增加安培级。也就是说电压变化微小变化，会使电流变化很大。如果采用恒压源，对电源的要求很苛刻。如果电压源输出电压存在误差，流过LED的电流增加很大，使LED的温度升高，会导致器件的使用寿命减少，输出光衰变大。所以，大多数的驱动采用恒流源。大功率LED发光强度随正向工作电流近似成线性比例关系。当工作电流超过额定大小时，其相对发光强度增大最终趋于饱和。正向工作电流的提高会导致器件温度升高，从而导致LED发光强度和寿命的下降，这也是大功率LED必须采用恒流驱动的重要原因之一［9］。

图1 大功率LED的伏安特性

1.2 调光方法

大功率LED照明，人们都希望能够调节其亮度以适合不同环境的照明。LED发射的光子数与流过PN结的电流成正比，也就是LED的亮度与正向流过它的电流成正比，因此可以调节正向流过的电流来调节输出光［10］。若能控制单位时间内流过LED电流的平均值的大小就能够实现控制LED的照度以达到调光的目的［11］。PWM调光主要是用开关LED改变正向电流导通时间，来达到调整LED的亮度目的。通过LED的平均电流与PWM波形的占空比成正比，其大小可由式（1）决定［9］。

IPWM为通过LED的平均电流，D为PWM信号的占空比，ILED为LED的额定电流。由于改变流经LED的电流可以改变照射面的照度，而PWM信号的占空比可以由0%变化为100%，采用PWM方法调光很容易实现多级调光。PWM控制LED照明具有调节范围宽，颜色性好，克服色偏现象；能提供更大的调节范围，并无闪烁现象［8］。

调光实现方案利用MSP430G2452产生PWM信号，PWM信号控制增强型NMOS管，控制系统的开关。将LED电流反馈至控制回路，以达到恒流目的。

2 调光系统设计

2.1 控制模块

图2 调光系统模块

LED调光系统由单片机调光模块、LED驱动模块、LED灯具、OLED显示模块、手动调节模块组成，设计的调光系统模块如图1所示。

单片机调光模块采用德州仪器的MSP430G2452低功耗单片机作为主控制器，其作用是产生PWM信号。驱动控制器则是将PWM信号转化为开关状态以达到开关LED的目的，这里由分立元件组成。

照明灯具是由3个台湾晶元公司35mil的1W白光LED串联组成，其电流参数为350mA，且系统输入电压为12伏。

显示模块采用0.96英寸OLED，它属于串行接口，通过单片机P2.2－P2.5I／O口相连接，用于显示PWM信号的占空比。分别采用轻触按钮P1.0、P1.1口，产生下降沿中断，从而调节占空比，一个为增加占空比，另一个则减少占空比。制作的调光系统实物如图3所示。

图3 LED调光系统实物

系统调光分20级，按照增加、减少方向调节，步进为5%。系统的时钟尽量高，以保证在调光过程中LED无闪烁现象。制作出的调光控制器实物见图3。

2.2 驱动模块

LED驱动模块是系统的关键部件，采用低端采样控制通过LED的电流，其实质就是采样LED的电流误差反馈控制。即对RSNS两端电压进行采样VRSNS，当采样电压经集成运放A2同相放大后得到Vf，并与固定电压进行比较来控制电流I0恒定，其工作原理如图4所示。

假设流过LED的电流为I0，从采样小电阻RSNS两端电压，A2端同相输入的电压为：

得到A2的反馈电压其大小如式（3）。

将反馈电压Vf与VRef比较，通过开关MOS管控制驱动电路的电流。当Vf＜VRef，MOS管N1导通，维持LED灯导通；反之，N1关闭。当MOS管N1导通，通过LED电流则由 MOS管N2控制。计算出R1、R2、R3、RSNS和固定VRef便可实现PWM调光，其中RSNS为小于1欧姆，且其决定了系统的控制精度，可用1%的小电阻。

图4 LED驱动模块

2.3 软件模块

软件设计思路需考虑系统运行特点，调光系统运行时，当感觉LED输出不适，便手动调节输出光大小，因此调节占空比大小的优先级最高，可考虑用外部中断方式，用中断处理函数及时修正占空比值；显示模块应及时显示占空比的状态，可以将其写成一个模块文件单独作为一个文件以便代码重用，可以将显示函数放在while（1）里面持续显示。PWM信号选择的端口很有技巧，MSP430G2452很有特色，它可以产生PWM信号且无需CPU的参与，可以节约系统资源。选择TIMER＿A，确定PWM信号输出端口为P1.2。软件模块主要有：系统初始化、LED调光、OLED输出。

初始化应该完成四个步骤设置：

（1）设置IO口。OLED端口设置，将P2.2－P2.5设置成输出模式；PWM（P1.2）端口设置为输出；调光按钮设置成输入，选择第二功能并设置上升沿中断模式。

（2）为了减少控制器的尺寸，选择内部基础时钟DCO作为系统主频；选择系统时钟作为定时器TIMER＿A的时钟且不分频。

（3）将TIMER＿A清零，选择定时器为增加模式；将PWM模式设为复位／置位；TACCR0＝999；TACCR1＝499。

（4）对OLED进行初始化，开中断总开关。

LED调光在外部中断服务程序中完成，其部分代码如下：

3 实验结果

3.1 占空比与电流关系

采用UT33D数字万用表和UTD2102CEL示波器对系统的占空比与电流关系进行了测量。测量时，将数字表通过杜邦线串接入电路，改变不同的占空比，测量对应电流值，按照增、减方向分别测三次取平均值。将测量的数据用matlab软件绘图得到图5。其结果表明：占空比与LED电流成良好的线性关系。

图5 占空比与输出电流关系

3.2 占空比与照度关系

用TES1330A照度计分别对LED灯具在不同占空比的情况下测量照度，同样按照占空比增、减方向分别测量三次，得到如图6所示结果。LED灯具输出的最大照度为1677Lux，最小值为0.05Lux。图6结果表明占空比与照度近似成线性关系。

图6 占空比与输出照度关系

4 结 论

系统的电路结构简单，成本低，设计方便。电路的效率高；PWM调节范围很宽，调制线性更好。按照此方法设计的系统能充分发挥LED的节能优势。缺点是电路缺乏过热保护模块。因此，下一步的改进着重于自适应照明方面。系统利用单片机技术和电源技术相结合，将LED驱动的电流通过电阻反馈，达到了预先期望。该调光技术能提高照明系统的性能，既照明领域的节能、环保具有一定意义，也具有一定实用性。

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