动态光调节下的数字式LED驱动电源嵌入式设计

2017-05-17 20:34:34 现代电子技术2017年10期

蔡建军

摘 要: 由于动态光调节下的数字式LED驱动电源设计不完善,使动态光对LED的调节无法达到预期效果,而嵌入式系统则可有效提升LED驱动电源各项性能。为此,设计基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源。其中的A/D采集模块对动态光调节下的数字式LED数据进行采集、整流、滤波和A/D转换,得到A/D采样数据并传输到驱动电路。驱动电路采用嵌入式设计对A/D采样数据进行优化,进而实现对LED发光的合理控制和动态光对数字式LED的有效调节。C8051F021芯片是基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的“管理者”,其管理流程图于软件中给出。软件还对A/D采集模块的数据采集语言进行了设计。实验结果表明,所设计的数字式LED驱动电源驱动性能强、电源转换效率高。

关键词: 动态光调节; 数字式LED驱动电源; 嵌入式设计; C8051F021

中图分类号: TN86?34; TP303.3 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)10?0103?04

Abstract: The adjustment of LED controlled by dynamic light can′t achieve the expected effect due to the imperfect design of digital LED driving power supply adjusted by dynamic light, but the embedded system can improve the performances of LED driving power supply effectively. An embedded system based digital LED driving power supply controlled by dynamic light was designed. The A/D acquisition module performs the acquisition, rectification, filtering and A/D conversion of data of digital LED adjusted by dynamic light to get the A/D sampling data, and transfer it to the driving circuit. The embedded design is adopted in the driving circuit to optimize the A/D sampling data, so as to control the LED lighting reasonably and regulate the digital LED with dynamic light effectively. The C8051F021 chip is the "manager" of the embedded system based digital LED driving power supply under dynamic light control. Its management flow chart is given in the third part of this paper. The data acquisition language of A/D acquisition module was design also in the third part. The experimental results show that the designed digital LED driving power supply has strong driving performance and high power conversion efficiency.

Keywords: dynamic light control; digital LED driving power supply; embedded design; C8051F021

0 引 言

现如今,数字式LED以其低耗、显示清晰、寿命长等优点,在家用电器的显示配件方面占据了主导地位。动态光调节是一种能够有效缩减数字式LED显示屏漏光现象、增强显示效果的方法,但由于动态光调节下的数字式LED驱动电源的设计不完善,使动态光对LED的调节无法达到预期效果,这已成为科研组织的研究难题[1?4]。嵌入式是一种以应用为核心、以电子信息技术为根基的计算机系统,其能够调控软硬件的灵活性,进而提升LED驱动电源的各项性能[5?6]。为此,利用嵌入式系统,设计动态光调节下的数字式LED驱动电源,增强数字式LED驱动电源的驱动性能和转换效率,实现动态光对数字式LED的调节效果。

科研组织对动态光调节下数字式LED驱动电源的设计成果均存在一些不足之处。如文献[7]提出的能耗密度分配模型方法。这种方法能够将动态光调节下数字式LED驱动电源的多余能耗合理分配出去,达到增强电源转换效率的目的;但这种方法过于受限于电源传送功率配对,故其驱动性能较低。文献[8]提出基于阻抗模型构建动态光调节下数字式LED驱动电源的方法,阻抗模型能够较为合理实现电源驱动的高性能;但这种方法的耗能较大,电源转换效率不高。

从以上动态光调节下数字式LED驱动电源的设计成果中可看出,我国科研组织对基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的设计迫在眉睫。

1 数字式LED驱动电源嵌入式设计

1.1 LED驱动电源整体设计

基于嵌入式系统的動态光调节下数字式LED驱动电源的工作原理如图1所示。

由图1可知,在基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的设计中,A/D采集模块对数字式LED数据进行整流、滤波、A/D采样,其对数字式LED驱动电源有着过渡作用,是数字式LED驱动电源的基础组成部分。驱动电路是实现数字式LED驱动电源对动态光调节控制的基础,高性能的驱动电路能够给予数字式LED驱动电源较高的驱动性能。控制芯片是数字式LED驱动电源的控制核心,其管理着整个数字式LED驱动电源的工作流程。

1.2 A/D采集模块设计

在A/D采集模块中,整流是将采集到的动态光调节下的数字式LED的交流电近似转化为直流电的过程;滤波是将近似直流电中的交流波形去除,最终输出标准直流电的过程。图2是滤波器电路图。

滤波是排除电力干扰的一项重要手段,其能够避免电源损伤、使电路元件维持在正常状态下工作。由图2可知,A/D采集模块选用低通滤波器为动态光调节下的数字式LED进行滤波,其能够进行50 Hz电力信号的滤波,对高频干扰的衰减效果较强。所设计的低通滤波器拥有2个输入、输出端口,并配备1个电源接地端。C,C1代表差模滤波电容,C2,C3代表共模滤波电容,L1,L2代表电感,T代表共模电感。如果出现干扰信号,电感则会高速增长,阻止干扰信号通过,进而实现对动态光调节下数字式LED的滤波。整流滤波之后,A/D采集模块将对其获取到的数据进行A/D采样,图3是A/D采样电路图。

由图3可知,A/D采集模块主要由对比器、寄存器和A/D转换器组成,其最重要的组成元件是A/D转换器。A/D采集模块将其最初采集到的动态光调节下的数字式LED数据,利用对比器提高数据分辨率,并暂存在寄存器中。用户可对寄存器处理流程进行编程,A/D转换器会对寄存器中的数据进行依次调用,进行模/数转换。

模/数转换的方式采用高速形式,以增强基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的驱动性能和电源转换效率。A/D转换器的输出结果会经由对比器与最初采集数据进行比较,如果对比器的对比结果是负数,A/D采集模块将把寄存器状态调至高效位;反之,则调至低效位。

寄存器的效位状态会对A/D采集模块的效率产生影响,通过不断调整寄存器效位状态,能够提高数字式LED驱动电源的工作效率。最后,A/D采集模块利用控制与定时逻辑原理,将其获取到的A/D采样数据输出到驱动电路。

1.3 驱动电路嵌入式设计

受限于我国的科技能力,数字式LED的单颗发光物质功率过低,在实际应用中,只有将多颗发光物质连接起来使用才能够实现LED的肉眼可视发光,连接方式主要采用串联和并联的混合连接。为此,必须通过特定的驱动电路才能够令动态光调节下的数字式LED完成正常显示功能,所设计驱动电路采用嵌入式。

反激式转换器是一种拥有简单拓扑结构的电源开关,其能够为驱动电路提供较高水平的电压升降和多路输出。为此,基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的设计中,将反激式转换器纳入到驱动电路,并利用隔离式转换器维持数字式LED的正常发光。图4为驱动电路电路图。

由图4可知,所设计的驱动电路有着成本低、效率高的特点,能够实现对LED发光的合理控制。驱动电路能够容纳的输入电压范围是[170 V,280 V],LED发光物质的连接方式是15颗串联、5颗并联,电流、电压和功率的极大输出值分别为350 mA,DC 60 V和20 W。A/D采集模块会将其获取到A/D采样数据输入到驱动电路,驱动电路的输出接收元件是单片机。基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源为驱动电路的连接设计成嵌入式连接,驱动电路对数字式LED发光的控制并非只有简单的开启和关闭,而是能够合理调节数字式LED的发光亮度,以提高其使用寿命、增强动态光对数字化LED的调节效果。

1.4 控制芯片設计

控制芯片是基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的“管理者”,故在控制芯片的选择上应绝对符合数字式LED驱动电源的设计初衷,这就要求所选择的控制芯片应具有高集成度和处理效率。因此,选择某公司出产的C8051F021芯片作为数字式LED驱动电源的控制芯片,此芯片的性能较高且能够独立进行高效的控制工作。

C8051F021芯片是一种拥有CIP?51 内核的芯片,是对8051系列芯片的优化成果。CIP?51 内核拥有高兼容性和流水线结构,能够通过803x/805x编码器对其进行开发。CIP?51 内核配备了5个16位定时器、2个通用异步收发传输器、1个256 B随机存取存储器以及1个特殊功能的寄存器,可实现对控制指令的完美操作。

C8051F021芯片的内部组成并不简单,这为其自身功能的完善提供了较为有利的元件支持。C8051F021芯片内置看门狗计时器、电源监听监控设备、视频存储设备以及时钟振荡器,其中的视频存储设备可对基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源进行再编码和更新。但由于经再编码后的数据容易丢失,故在使用此功能前必须对数字式LED驱动电源的数据类型进行检测。

2 数字式LED驱动电源嵌入式软件设计

2.1 C8051F021芯片管理流程设计

基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的软件部分为C8051F021芯片的管理流程进行了设计,如图5所示。

图5中,C8051F021芯片所需进行的初始化包括看门狗计时器参数重置、接口输出配置以及编程单元参数设定,软件也会同时对A/D转换器进行初始化。如果控制信号不存在,用户则可手动切换控制模式,否则将默认为自动调光模式;如果控制信号存在,初始化后的C8051F021芯片将会自动接收控制信号,并进行LED发光控制模式的设定。在C8051F021芯片进行管理工作的过程中,用户如果需要切换控制模式,应在设定控制模式后选择切换模式,否则只能选择在基于嵌入式系统的动态光调节下和数字式LED驱动电源未工作的情况下进行切换。这样设计有助于维持数字式LED驱动电源的工作连贯性,提高驱动性能。

2.2 数据采集语言设计

3 实验验证

3.1 驱动性能验证

对本文设计的基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的驱动性能的验证,可通过验证其驱动效率和数字式LED输出特性实现。驱动效率是影响数字式LED光效的最主要原因,通过数字式LED输出特性数据则能够看出数字式LED电源驱动设计的成功与否。

实验对6种不同规格的数字式LED进行驱动,先利用万用表对本文数字式LED驱动电源驱动中整流滤波后的电压进行了测量,随后将C8051F021芯片的输出信号频率调至30 kHz,并利用特定电源为C8051F021芯片供电。实验室的温度恒定在20 ℃,湿度控制较为严格,此时的驱动效率曲线如图6所示,数字式LED输出特性如表1所示。

由图6、表1可知,本文所设计的数字式LED驱动电源的驱动效率维持在89%左右,而市面上的数字式LED驱动电源的驱动效率一般为80%;在数字式LED输出特性统计表中,实际输出的电流和电壓均在正常范围内波动,且电流变化对电压输出的影响不大。当电流小于300 mA时,数字式LED驱动电源会停止对数字式LED进行驱动。以上结果能够证明,基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的驱动性能较强。

3.2 电源转换效率验证

对本文设计的基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的电源转换效率进行验证,其结果如图7所示。

由图7可知,本文所设计的数字式LED驱动电源的电源转换效率范围在[80%,88%]之间,且波动较为稳定,未产生尖峰脉冲现象,可见其对数字式LED功率的矫正水平较高,能够实现动态光对数字式LED的有效调节,验证了基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的电源转换效率较高。

4 结 论

本文设计基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源。其中的A/D采集模块对动态光调节下的数字式LED数据进行采集、整流、滤波和A/D转换,得到A/D采样数据并传输到驱动电路。驱动电路采用嵌入式设计对A/D采样数据进行优化,进而实现对LED发光的合理控制和动态光对数字式LED的有效调节。C8051F021芯片是基于嵌入式系统的动态光调节下数字式LED驱动电源的“管理者”,其管理流程图于软件中给出。软件还对A/D采集模块的数据采集语言进行了设计。实验结果表明,所设计的数字式LED驱动电源驱动性能强、电源转换效率高。

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