LED灯照明变压器驱动

LED 照明用恒流电源变换器

摘要：本系统利用自行设计的模拟电路实现了恒流限压的功能。同时运用Atmel 单片机完成各项控制。用键盘操作，通过单片机控制液晶12864显示屏显示输出电流。隔离型电源变换器具有功率因数校正、高效率和具有交流侧开机冲击电流和EMI 抑制功能。该系统还具有光控功能。本设计始终贯穿节能、实用的思想。 关键词：功率因数 电流源 效率

1 设计任务：

1.1 负载条件下，电源变换器为直流恒流输出特性，且输出电流I O 可在150mA ～350mA 范围内可调；

1.2 电压调整率S u ≤1%：负载为10个LED ，调整U 1，使U 2在32V 40V 范围内变化时，I O

变化不超过±1%；

1.3 负载调整率S L ≤1%：U 2=36V，负载由5个LED 增加至10个，I O 变化不超过±1%；

1.4 效率η≥70%：U 2=36V、负载为10个LED 、I O =300mA，电源变换器效率η≥70%； 1.5 具有输出过压保护功能，动作电压为U O =（36将U O 稳定在（36

±0. 2

）V 。

1.6 使变换器具有恒流限压特性：U O 小于36V 时为恒流输出；U O 达到36V 后为恒压输出，

±0. 2

）V ；待U O 降至36V 以下则恢复恒流输出；

1.7 在电源变换器交流输入侧加入功率因数校正电路，使其功率因数不低于0.95； 1.8 LED亮度可随环境光线增强而自动降低：暗环境，负载为10个LED 、I O =300mA条件下，环境变亮后I O 减小至不大于200mA 以下；

1.9 具有输出电流的步进调整和测量、显示功能：步进值10mA ，测量精度优于2%； 1.10 具有交流侧开机冲击电流和EMI 抑制功能； 2、方案论证：

2.1 本系统的设计思路：

通过工频电源变压器将220V 交流电压转化为36V 交流电压，然后再将36V 交流电压通过开关电源转化为直流电供给其他电路。恒流限压电路（直流恒流在150mA ～350mA 范围内可调，负载电压小于36V 时为恒流供电，达到36V 时恒压输出）的输出恒定电流受运放正向输入端电压控制，该电压分别采自于DAC7625数模转换器与光控电路（二者由单刀双掷开关控制）。两个独立按键分别实现步进值为10mA 的增加与减退，且能循环加循环减。键盘的命令单片机接收后，经过C 程序处理，使液晶显示屏12864精确显示出当前输出电流，同时单片机还将处理后的指令送给DAC7625，DAC7625将其接收单片机送来的数字量转化为所需要的模拟量（电压），该电压被用来控制恒流限压电路输出电流的大小。当光控电路工作时，外界环境越亮，LED 灯越暗，外界环境越暗，LED 灯越亮（暗环境时输出电流300mA ，环境变亮后输出电

流减小到200mA 以下）。总体框图如下：

图1 总体框图

2.2 恒流限压电路的选择：

2.2.1方案一：

本电路cb 端为负载端，其输出恒定电流I 等于a 端输入电压除以复合管E 级电阻10Ω，

O

具有恒流作用。右边运放LM358的反向输入端输入3.6V 电压为基准电压，当I 等于360mA

O

时，右边运放LM358正向输入端采样电压为3.6V ，此时运放LM358输出端为高电压，9014导通，继电器工作，此时负载由恒流电路转换为36V 稳压电路。但是，当负载一接通fg 端（36V 稳压端），cb 端断路，右边运放LM358正向输入端电压为0，此时其输出端没有电压，故继电器处三极管9014不导通，继电器会再次回到不吸合状态，即负载接入恒流电路，如此反复，十分的不稳定。电路图如下：

007

图2 方案一图

2.2.2方案二：

本电路恒流部分同方案一，只是右边比较器LM358的采样电压与基准电压与方案一有所不同。其正向输入端接收基准电压2V ，当cb 端负载电压达到36V ，则比较器LM358正向输入端电压降低到2V ，此时其输出端有电压，三极管导通，继电器吸合，即转化到36V 稳压电路。

但是负载转换到恒压电路后，恒流电路不再起作用，即无法从恒压电路转换到恒流电路。电路图如下：

图3 方案二图 2.2.3方案三：

本电路的恒流部分同以上两种方案相同，恒压部分则是利用三极管饱和特性设计而成：隔离转换器输出恒定电压，复合管U 随着负载端电压的增加而减小。当负载端电压小于36V

ce

时U 大于饱和压降，复合管处于放大状态，电路具有恒流作用；当负载端电压达到36V 时，

ce

复合管U

ce

刚好达到饱和电压且不会再小于这一数值，复合管不再具有放大作用，故本电路

不再具有恒流作用，限定负载电压最高为36V 。

+42V

h g

图4 方案三图

基于以上比较，我们选择方案三，此方案可达到满意结果。

2.3 单片机的选择： 2.3.1方案一：

我们采用STC89C51单片机，其能精确的控制DAC7625使其输出所需电压。但是，显示屏频繁刷屏。

2.3.2方案二：

采用Atmel89C52单片机，其既能精确的控制DAC7625使其输出所需电压，又能使显示屏稳定显示当前电流。 故我们选择方案二。

2.4 DA芯片的选择： 2.4.1方案一：

我们采用DAC0832数模转换器，其精确度为但是其需要 5V 电源，并且电路较为复杂。 2.4.2方案二：

采用DAC7625数模转换器，其精确度为

14096

1256

，该精确度刚好能满足本设计的基本要求，

，该精确度远远高于本设计的基本要求，并

且只需正5V 电源，同时电路较为简单。

综上所述我们选择方案二。

2.5 键盘的选择： 2.5.1方案一：

我们选择3×4矩阵键盘，其能直接对单片机输入我们所需要的电流，但其所需要单片机七个接口，过多。

2.5.2方案二：

采用两个独立按键，且都能循环（150mA ～key 键能控制步进10mA ，key 能控制步减10mA ，

1

2

350mA ），只需单片机两个接口。

通过以上比较，我们选择方案二。 3 电路与程序设计：

3.1 电源变换器主回路与器件选择： 3.1.1电源变换器主回路：

u F

图5 电源变换器图

本电源变换器为隔离型电源变换器，能将36V 交流电转换为30V ～45V 直流电稳压输出。

3.1.2器件选择：

3.2.1控制电路：

图6 控制系统图

3.2.2控制程序：

图7 程序流程图

3.3 保护电路设计：

3.3.1在开关电源中，加有保险管。

3.3.2在与负载直接相接的恒流电路中的U 达到36V 后，将自动切换成恒压源供电（本

O

系统所用）或自动切断，已达到保护目的。

3.4 功率因数校正电路设计：

在整流滤波之前加入了高频滤波网路L , R , C , 使高频脉冲电流受到一定的阻碍。该网

O

1

O

络还阻碍了脉冲电流流入电网，可校正功率因数。

3.5 自动调光电路设计，开机冲击电流和EMI 抑制电路设计 3.5.1自动调光电路设计

利用光敏电阻感光特性，并通过设定暗与亮的条件来算出光敏电阻在各自条件下的阻值，并且将滑动变阻器调成与之相匹配的电阻，使U 刚好能够满足输出电流在暗环境下为300mA ，

a

亮环境下达到200mA 以下。如图所示：

图8 光控电路图

3.5.2开机冲击电流

i 冲击 0. 45A

3.5.3 EMI抑制电路设计:

由于开关电源的工作电流是高频脉冲电流，流入电网会对其它电子设备产生干扰，为了尽量清除这种影响，在整流滤波之前加入了高频滤波网路L , R , C , 使高频脉冲电流受到一

O

1

O

定的阻碍。 4 理论分析与计算

4.1 恒流控制方法与参数计算：

4.1.1恒流控制方法：采用LM358与9014和2SC2073组成的复合管搭建成一个模拟电路，将输出端电流采样送给LM358反向输入端，形成一个电流负反馈电路，使电流能恒定输出。 4.1.2参数计算：

I

O

=

I

a

O

=

为负载端输出电流，U 为LM358同向输入端电压，R e 为电流反馈电

a

R

e

阻。

4.2 隔离型电源变换器的设计与计算： 4.2.1隔离型电源变换器的设计：

隔离型电源变换器由开关稳压电源和电流源电路组成：

开关稳压电源采用变压器正反馈脉冲振荡电路产生了32kHZ 的脉冲信号，推动了大功率MOS 场效应三极管Q 将脉冲电流加到了高频变压器B 的初级线圈上，经开关变压器将脉冲电

1

1

压耦合到次级绕组, 并实现了隔离。

变压器次级绕组上的脉冲电压经二极管D ，C , L , C 15整流滤波产生了供负载使用的直

5

142

流电压U （30-50连续可调）。

O

为了达到稳压的目的：将U 经R , R 17, U

O

16

R 1

采样之后，经场效应三极管U 和光耦器件U

2

i

控制场效应开关管，调节输出信号的振幅，尽而改变了开关三极管U 1的工作电流和输出电压

U 的量值，实现了自动稳压的功能。

O

此外，该网络由于阻碍了脉冲电流流入电网，可使整个电流的功率因数有一定提高。 4.2.2计算

4.2.2.1变压器变化：

⎫

Uo =

U

O

⎛ t ON ⎪ 得：⎛⎫

n

n

=D t ON ⎪

⎝T -

t ⎪ON ⎭

U

O

⎝T -

t ⎪ON ⎭

本电源 u 2=36V

，倍压整流滤波后，u D

=70V

, 电源输出直流电压U

O

=36V

得：n

=7036

⨯0. 6=1. 16

4.2.2.2初级线圈电流：

U

负载平均电流取300mA ，则O

=36V

P

O

=36V ⨯300mA =11W

设开关电源效率为：90% 则输入功率P 0

11

1

=

η

=

0. 9

=12W

初级线圈平均电流：

I

=

1

O

1

U

=

D ηmax

U

=

12W 0. 28A

D

43

=max

初级线圈电流峰值：I

T

1

1P

=

2t

=2⨯0. 28⨯0. 8=0. 45A

ON

4.2.2.3初级绕组匝数：N 1

初级绕组电感：

-5

L

U D max

1

=

I

=

70⨯1. 5⨯1P

0. 45

=2. 33m H

t

ON

的计算：开关电源脉冲振荡频率

f =32KHZ

T

=

1 f

t

ON

=

12

T

磁芯变压器选择：

根据输出功率的大小（约20W ），选最大磁通量约为2000gs ，截面积为77mm 2

的E1 磁芯。

6

N

1

1P

⨯ 其中S —磁芯截面积（771

=

S

B

mm 2

） B m

—最大磁通密度（取0.2T ）

m

代入式子：3

N

=

2. 33⨯-⨯0. 45⨯6

匝。

1

77⨯0. 2

=68

4.2.2.4次级匝数N 2

:

根据变比关系：N

N

1

2

=

n

=

681. 16

=58

匝4.2.2.5反馈绕组计算：

根据振荡电路的需要，反馈绕组分两组，且电压约在6V 左右，因此

N

1

3

=

U 3

N U =

6⨯68D

70

=6

匝。

max

25·

4.3 提高效率的方法：

4.3.1复合管的发射极与地之间的电阻小并且电流一定，由P

=iR

可知，提高了效率；

4.3.2 复合管的集电极与发射极之间的工作电压可大可小，我们将其控制在最小工作电压下，又由于电流一定，由P

4.4 滤波参数计算：

R

L

=IU

可知，提高了效率；

T

C ≥(3～52

C

≥470μF

5 测试方案与测试结果： 5.1 恒流限压电路的测试： 5.1.1恒流部分测试：

测试条件：40.42V 直流稳压电源 12V直流稳压电源 可输出1.5V ～3.6V 直流电压的稳压直流电源 两个高精度万用表 测试结果及其完整性：

不可能输出理论值电压，运放与复合管以及电阻搭建的恒流源电路也不能完全按照理论计算执行。综上所述，测试误差还算正常。 5.1.2 限压部分测试：

测试条件：万用表一块 线性滑动变阻器一个 36V输出变压器一部 测试结果及其完整性： U o

max

=35. 94V

测试结果分析：这一数据在题目要求范围之内，不是36V ，是因为有误差。 5.2 LED灯的测试：

测试条件：能输出2V ～5V 可调直流电压源 万用表两块 测试结果及其完整性：

二极管串联不能达到36V 电压，所以，在测试限压36V 时，负载需用线性滑动变阻器。 6 创新点：

6.1.电流能够步进10mA 循环增加，且能够步减10mA 循环减少。 6.2.开关电源，能够同步输出三种大小电压：37.666V 、15V 、11V 。 7 心得体会：

通过这次比赛，制作LED 照明用恒流电源变换器的整个过程，让我们接触到很多实际的应用器件，也充分的运用了在课堂上学的知识，并掌握了单片机的较复杂的程序设计以及数模、模数转换等基本器件的使用，这使我们的动手制作能力和对C 语言的运用程度在原来的基础上，有了突破性的进步。从理论到实际操作，从发现问题到独立解决问题都是我们迅速的成长。从建立方案到选取材料，从动手制作到实验测试，从失败到成功，不仅是自己的努力，也离不开指导教师的悉心教会，同时更离不开一起奋斗的战友。这短暂的日子却使我们尝尽了喜怒哀乐，经过研究取得些许成果，有取得小进步时的欢悦，有思考问题的愁眉苦脸，有失败时的沮丧无奈，更有时想过放弃，但是想想曾经付出的心血，咬咬牙继续坚持下去了。我们懂得了做事要细心谨慎，有条不紊，懂得了理论与实际情况相结合，只有做到这些，成功才会靠近你。在比赛中，我们小队的团结合作、分工协作，队友与队友之间取长补短，互相照料、互相理解完全的体现出来，彼此之间的配合也十分的融洽，这些也是我们完成制作的最好根据。在这短暂的日子里，不仅历练了我们的内心，同时让我们要有不怕吃苦，勇于攀登科技高峰的精神；不仅锻炼培养了我们的沟通能力，同时在学习能力上使我们有了很大的提高，更要做到将所学的理论知识恰当的运用到实际生活中去。最后，十分感谢组织本次大赛的所有成员，给我们提供这么一个提升能力的竞技平台。

参考文献：

[1]孙肖子. 模拟电子电路及技术基础(第二版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008. [2]余孟尝主编. 数字电子技术基础简明教程（第三版）. 北京：高等教育出版社2006.7 [3]杨素行主编. 模拟电子技术基础简明教程（第三版）. 北京：高等教育出版社2006.5

11

+42V

h h

g

12

u F

13

附录三：程序清单: #include #include #include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit key=P1^0; sbit key1=P1^1; sbit cs=P1^2; sbit lcden=P1^3; sbit rw=P1^4; sbit rs1=P1^5; sbit rw1=P1^6 ; sbit e1=P1^7;

uint i;

uchar table[]={"电流: mA "};

uchar code table1[]={" 大庆师范学院"};

uchar code table2[]={"08级电子信息工程"};

uchar code table3[]={" 坚持就是胜利"};

uchar str[6];

void delayms1(uint z) {

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); }

void delayms(uint z) {

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--) for(y=10;y>0;y--); }

void write_cmd(uchar cmd) {

rs1=0; rw1=0; e1=0; P0=cmd;

delayms1(5); e1=1;

delayms1(5); e1=0;

delayms1(5); }

void write_data(uchar dat) {

rs1=1; rw1=0; e1=0; P0=dat;

delayms1(5); e1=1;

delayms1(5); e1=0;

delayms1(5); }

void lcd_init() {

write_cmd(0x30); delayms1(5); write_cmd(0x0c); delayms(5);

write_cmd(0x01); delayms1(5); }

void yejing(uint x) {

lcd_init(); str[0]=':';

str[1]=x/100+'0';

str[2]=(x%100)/10+'0'; str[3]=x%10+'0'; str[4]='m'; str[5]='A';

write_cmd(0x90); for(i=0;i

write_data(table1[i]); delayms1(10); }

write_cmd(0x88);

14

for(i=0;i

write_data(table2[i]); delayms1(10); }

write_cmd(0x98); for(i=0;i

write_data(table3[i]); delayms1(10); }

write_cmd(0x80);

for(i=0;i

write_data(table[i]); }

write_cmd(0x82); for(i=0;i

write_data(str[i]); delayms1(10); }

}

void DA7625(shu) {

cs=1;

lcden=1; rw=1;

_nop_(); rw=0; lcden=0; _nop_(); cs=0; _nop_();

_nop_(); P2=shu&0xff; _nop_();

P3=(shu>>8)&0x0f; _nop_(); cs=1; _nop_(); lcden=1;

delayms(5); rw=1; }

void main() {

uint shu=702;uint num=150; DA7625(shu);yejing(num) ; while(1) {

if(key==0) {

delayms(110); if(key==0) {

while(!key); num+=10;

if(num==360) num=150; switch(num) {

case 150: shu=703;break;

case 160: shu=753;break; case 170: shu=797;break; case 180: shu=845;break; case 190: shu=891;break; case 200: shu=937;break; case 210: shu=983;break; case 220: shu=1023;break; case 230: shu=1070;break; case 240: shu=1119;break; case 250: shu=1165;break; case 260: shu=1212;break; case 270: shu=1258;break; case 280: shu=1302;break; case 290: shu=1349;break; case 300: shu=1396;break; case 310: shu=1441;break;

15

case 320: shu=1486;break; DA7625(shu);yejing(num) ; case 330: shu=1529;break; case 340: shu=1573;break; } case 350: shu=1620;break; } }

}

} DA7625(shu);yejing(num) ;

} }

if(key1==0) {

delayms(110); if(key1==0) {

while(!key1); num-=10;

if(num==140) num=350; switch(num) {

case 150: shu=703;break;

case 160: shu=753;break; case 170: shu=797;break; case 180: shu=845;break; case 190: shu=891;break; case 200: shu=937;break; case 210: shu=983;break; case 220: shu=1023;break; case 230: shu=1070;break; case 240: shu=1119;break; case 250: shu=1165;break; case 260: shu=1212;break; case 270: shu=1258;break; case 280: shu=1302;break; case 290: shu=1349;break; case 300: shu=1396;break; case 310: shu=1441;break; case 320: shu=1486;break; case 330: shu=1529;break; case 340: shu=1573;break; case 350: shu=1620;break; }

16