用于大功率LED测试的脉冲式程控电源设计

□吕健滔

一、大功率LED测试问题的提出

节能环保是目前人类社会发展的重要课题之一，而大功率LED由于具有较高的发光效率，有望在照明等领域全面取代传统光源。我国在大功率LED的生产行业一直占据着较大的份额，并且有逐年上升的发展趋势。大功率LED的生产环节主要包括芯片制作和封装两个重要的方面，而封装环节的后段环节，则需要对LED灯珠进行全面的测试，包括电学性能、光色参数以及热学性能三个主要部分[1～3]。第一，电性能测试尤为重要，它将决定着LED灯珠的基本工作特性。在电性能的测试中，一般需要大功率的恒流电源为LED供电，并要求恒流源有较好的可重复性和稳定性。第二，由于大功率LED测试一般是在自动化产线上完成，测试速度也是一个与经济效益密切相关的参数，因此要求电源有较快地达到稳定电流输出的爬升速度。第三，由于传统的脉冲电源在工作过程中都不可避免地会出现电流过冲现象，并在测试过程中损坏待测LED灯珠。所以，程控电源还应该具备防过冲功能[4～6]。综上所述，目前对大功率LED测试用恒流源的要求，主要包括恒流上升速度快、防止电流过冲、稳定性高等方面。针对上述要求，本文提出一种全新的电源设计思路以及相应的控制算法，并利用嵌入式控制单元及相应的外围电路实现。新的电源设计方案有望解决目前大功率LED在生产过程中的测试难题，进一步提高生产效率和测试的准确性。

二、总体设计方案

本电路主要用于LED封装生产线的电性能测试环节，需要上位机对电源的工作状态和参数进行控制，同时也需要将测试结果反馈到上位机。因此，电源需要具备可与上位机通讯的接口模块。电参数测量主要通过相关的传感器完成，其中包括电压、电流、光强探头等，系统必须对传感器的工作进行控制，并对传感器所输出的信号进行采集与处理。本系统将电参数测量功能电路集成在一个电路模块中，并通过特定的总线接口与中央控制单元进行连接。最终，本电路的核心功能是提供一个可编程的恒流输出，其控制方式拟采用数字形式。然而，最终的功率输出模块是模拟量控制形式，因此在功率输出模块和中央控制器之间，还必须添加一个D/A转换模块。为了使整个电路的控制更加方便，系统采取中央控制的基本架构，所有单元模块都将与中央控制器连接，并采取独立的通道进行通讯。系统的总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体框架图

三、电路模块设计

本电源可分解成以下五个单元模块：中央处理单元模块、通讯接口模块、D/A转换模块、功率输出模块、电参数测量模块。

(一)中央处理单元模块。中央处理单元部分是整个程控电源的核心，主要负责控制输出的电压和电流值，调用电参数测量模块对LED进行检测并处理数据以及与上位机进行通讯。常用的中央处理单元以MCU、ARM、CPLD或FPGA等芯片作为主体，并配以相应的外围电路。通过地址总线和数据总线控制A/D或D/A模块工作，以实现模拟信号和数字信号之间的转换，同时还将所测得的电信号转换成数据形式，并通过数据通道以特定格式发送给上位机。由于本方案对中央控制单元的数据处理能力要求不高，而要求有较强的逻辑控制能力，拟使用Altera公司的EPM570T100C5N芯片作为中央处理器，该芯片属于CPLD类型，具有运算速度快、抗干扰能力强、无需外部存储芯片、使用简单等优点。值得注意的是，中央控制单元模块还将配备一个时钟电路，用以保证CPLD工作时序的稳定性和准确性。

(二)通讯接口模块。目前常用的通讯接口模块包括RS232、RS485和USB三种方式。其中RS232的通讯协议相对比较简单，但是其传输速度较慢，而且只适合点对点的通讯方式。RS485是一种比较理想的通讯方式，并支持多机通信(主从模式)，而且可用于干扰较大的工作环境。然而，RS485接口协议比较复杂，而且传输速度不高。作为一种新型的通讯接口模式，USB具有更好的稳定性和更高的传输速度，并且在系统运行过程中支持热插拔。因此，本电路采用USB作为通讯接口模块，负责电源与其他仪器设备通讯。通讯内容主要包括两个方面，第一类是根据约定的通信协议进行命令的接收；第二类是将测量结果以数据包的形式发送给其他设备。USB通讯接口通过数据总线只与中央处理器连接，将保证了控制命令的唯一性和有序性。本系统拟选用赛普拉斯公司的USB芯片，如CY7C68003-20FN。

(三)D/A转换模块。D/A转换模块主要是将中央处理器的数字信号转换成模拟信号，通过放大电路进行处理后控制后端的功率管(通常是MOS管)进行功率输出。本设计中使用高速D/A芯片(AD5726)的输出电压为5V，虽然速率上可以满足需求，但输出电流未能达到驱动功率管的要求，因此需要使用放大电路对信号进行放大。因为考虑到电源的输出要在几十微秒内要爬升到所设定的参数，因此要选用一些高速率的信号放大芯片，本设计选用OPA445芯片，以满足带宽的要求。

(四)功率输出模块。功率输出模块是通过功率管配合外围电路，根据D/A芯片输出的模拟信号调节输出电压和电流。其电路如图2所示。其中电阻R123～R140为取样电阻，用于电参数测量模块的实时监测，并提供反馈信号。U10和U11将D/A芯片传输过来的电压信号进行放大，并控制功率管(Q5和Q6，分别选用2SA1941和2SA1225)达到设定的输出电压。U12和U13将D/A芯片传输过来的电流信号进行放大，并用于控制功率管(Q9和Q10，分别选用2SA1941、2SA1225)以限制电流输出和防止过冲，即起到恒流控制的作用。Q8为功率管，可选用2SK2010，用于控制输出的开关。

图2 功率输出模块原理图

(五)电参数测量模块。电参数测量模块是由A/D转换芯片和基准电压芯片组成，在中央处理单元的控制下将实时监测到的电流、电压模拟信号转换成数字信号，并传送到处理器的寄存单元。A/D芯片也要求是高速率芯片，能满足在几个微秒时间内可采集到信号点。本设计选用TI公司的ADS54J66高速A/D芯片，此芯片是14位分辨率，最大时钟速率可达500MSPS，输入带宽达900MHz。电参数测量模块结构框架如图3所示。

图3 电参数测量模块结构示意图

四、程序设计

本电路的程序设计分为两个层面，一个是电路整体的控制程序框架，另一个是功率输出算法。

(一)整体程序控制流程。主控程序在初始化后处于待命状态，等待着上位机通过USB通道传输过来的命令与参数。当电路进入测量状态时，主程序调用功率输出单元控制模块，使电路产生相应的电流输出，并随之调用电参数测量模块对LED进行测量。当测量结束后，通过USB通道将测量数据传输回上位机。上位机根据测量结果，可控制生产线上的另一套系统对LED灯珠进行分选。

图4 功率输出算法程序框图

(二)功率输出算法。功率输出算法是本电路的设计核心，可控制相应的硬件单元工作，并实现恒流输出快速达到稳态，防止过冲损伤LED等功能。功率输出算法流程图如图4所示，整个工作流程主要分为以下四个步骤。第一，首先对被测灯珠进行预测量，即使用设定值(设置值电压1%和2%、电流的1%)对被测量物体进行加压，测量出它的电流值和电压，根据测量值计算出被测量物体在不同电流电压下的电阻值。根据这些电阻就可以判断出被测量物体是属于电阻性质还是二极管性质(电阻基本不变就是纯电阻性质)，同时还可以计算出在所设定的电压和电流下会是恒流状态或者稳压状态以及稳定后的电参数值的区间范围。第二，根据所判断出的被测量物体是二极管还是纯电阻，分别采用电流加载(以恒流源方式对被测量物加载)和电压加载(以稳压源方式对被测量物加载)方式。第三，整个功率输出过程采取保护式加载方式，即在设置值的某个比例值(例如60%)下快速(加载时间小于1ms)加载电源，快速测量电参数并判断设置值会不会损坏被测量物体。第四，在确认不损坏被测量物体情况下，采用大电流或者大电压值加载到测量物体上，再根据实时的电参数进行不断调整，使其达到所设定的参数。

采用该算法可以打破传统的不断以较小的电压和电流分辨率一点点增加的方式，节约电压上升的时间，提高了测试速度。另外，在满载加压前采取保护式的加载模式，防止满载加压所产生的过冲损坏器件。

五、结语

本文所设计的用于大功率LED测试的脉冲式程控电源，采用了全新的设计思路，解决了原来测试电源稳态爬升速度慢，容易产生过冲电流等问题。电路采用中央控制单元的设计思路，利用快速的CPLD处理芯片对整个系统进行集中控制，包括控制USB模块与上位机间指令和数据的交换，控制D/A模块输出功率输出电路所需的模拟控制量以及控制电参数测量模块对LED参数进行实时测量。由于采取了中央控制的设计模式，整个电路系统不存在同步调整或者模块间的冲突问题，系统软件设计思路简单。另外，本文所提出的一种新的功率输出算法，可实现生产线上的智能化测量，并利用保护加载方式有效防止了过冲电流对LED的损坏。而且，电流电压设置算法可保证系统的稳态爬升时间只需要几十微秒，有效提高了测量的效率。综上所述，本电路可有效提高LED生产过程中测试环节的效率，同时也可以减小由于过冲损坏带来的经济损失。