基于LED调光控制的驱动电路设计

朱方洲

(安徽经济管理学院信息技术中心，安徽 合肥 230059)

随着全球能源的日益枯竭和交通事故的频发，对道路照明光源提出了更高的要求［1，2］。选择合适的道路照明光源，是目前照明领域的研究热点［2，3］。LED照明是21世纪最具有广阔发展前景的绿色照明产业［4］。伴随着LED照明在成本和性能方面的不断完善，全球普遍采LED照明是未来发展的趋势［5，6］。

LED的驱动是采用电流驱动的方式，综述近几年国内外对 LED 驱动器的技术研究［7，8，9］主要集中在以下几个方面:一是驱动LED电流精度的研究，此方法输出电流的平均值不能保持恒定;二是高效率的研究，要求LED能够达到高效率的输出;三是节能技术的研究，采用变暗控制来调节LED的亮度级别节省能量，适用于反馈控制的调光LED驱动;四是采用高亮度、大功率LED驱动器。伴随着LED技术的不断发展，高亮度大功率LED的产生和成本的降低，LED应用领域的发展是新的研究重点，但是它的干扰和不稳定特性给LED控制的设计带来了严峻的挑战。

文章根据LED照明的基本特性，采用集成驱动并联三基色LED驱动芯片为研究对象，着重从驱动电流的稳定度、效率和节能方面开展研究工作，并进行了仿真和实验验证。结果证明，该驱动芯片具有更高的性能价值，能取得更好的驱动效果。

1 LED照明光源的基本特性

对于基于道路照明的LED光源调光研究主要集中在亮度和光源的光色，HSV模型就是根据人眼对颜色的视觉反应转换成的，因该模型符合人眼的视觉特性，所以可用来表征亮度的色度模型，在该模型中，H表示色度，S表示饱和度，V表示亮度，代表RGB彩色模型中R、G、B灰度的平均值，因此，可以通过改变HSV色度模型中的亮度值来达到调光的效果，同时在调光过程中不会影响道路照明光源的色度。HSV色度模型如图1所示。

图1 HSV颜色模型

由图1可看出，HSV颜色模型中从上至下是由白变成黑，色饱和度是通过径向表示的，同时由内向外逐步变高，也就是颜色逐渐单一化，色度的变化是通过整个圆周来表示，这样就形成一个色环，同时这六个标准色在空间上分别相隔60o，HSV与RGB之间各部分的量值转换关系如下式(1)所示:

亮度调节过程如图1所示:

(1)色度模型转换:将配色模型的三刺激值RGB作为输入，根据式 (1)得到HSV，再转化计算得到HIS的值，并将S的值做归一化处理。

(2)亮度独立调节:调节V的大小，保持H分量不变，依据H、S、V三个分量重新构造成在HSV颜色空间的图像，再把它变换到RGB的颜色空间。

LED光源是由R、G、B三基色构成的，然后通过配色的比例不同，人眼能看到不同颜色的光。徐华美［10］等通过对人眼的视觉特点研究，表明作为夜间道路照明的LED光源可采用LED白绿光，能达到高清晰度又节能的目的，能有效降低交通事故的发生率。文章根据此光源的配色原理，设计了符合LED白绿光的驱动电路。

2 驱动LED白绿光照明电路的硬件设计

2.1 电路结构框图

LED驱动电路的设计分以下几个部分:AC/DC转换、变压器、控制芯片、DC/DC转换和LED光源。

图2 电路结构框图

2.2 电路原理图

输入的供电系统是220V的交流电，经过AC/DC整流滤波电路，再接入到电源隔离变压器，此处单片机的开关电源芯片系统设计采用的PSD302/301，变压器的二级输出电压经过输出整流滤波电路，其中D7和Q1是起断路保护作用的。

PSD302/301是和电源的隔离变压器以及C5形成开关电源工作部分，电源隔离变压器的二级输出通过C6起整流作用，C6和L3起滤波作用，向负载提供直流电压。恒流开关电源是输出电流取样值，经过电流负反馈电路，来稳定输出电流。同时流经负载的电流由R5、R6完成电流的负反馈，最后经过光耦PC817作用来调整PSD302/301的功率输出，以达到恒流输出的目的。

图3 电路原理图

3 驱动LED白绿光照明电路的软件设计

3.1 驱动电路稳定性算法设计

为了使驱动电路快速达到稳定，本电路系统软件利用的是增量分段式比例积分微分控制器，分段式是指比例积分微分控制器在不同的区间要设置差异的参数，控制器差分方程为:

式 (2)中，kp表示比例参数，kd表示微分参数，ki表示积分参数，e(k)为时刻k的偏差，e(k－1)表示k－1时刻的偏差，e(k－2)表示在k－2时刻的偏差。u(k)代表在k时刻的输出结果，u(k－1)代表在k－1时刻的输出结果。kp，kd，ki三个值分别设定为kp=2.0～4.0，kd=0～30，ki=0～0.06。根据算法设计，该系统采用的是分段式比例积分微分，也就是说当e(k)较大时，kp和kd两个参数都在起作用，而当e(k)小到某个一定的范围内时，kp，kd和ki三个参数又会共同起作用，这样可以使系统快速稳定的达到某个稳态值。在控制算法的后面增加了一个输出缓冲器，通过它能够改变输出的步长，它一方面可能够控制速度的变化，另一方面还可通过输出的缓冲来影响比例积分微分，使该系统快速达到稳定。

3.2 驱动电路关键部分软件设计

信号控制部分是电路驱动系统核心功能之一，信号控制软件采用中断处理与查询两种方式进行编写，主程序功能包含报警、查询、A/D状态的转换和DC/DC转换;同时中断处理过程细分为三个部分进行，首先是通过传感器来采集信号，但由于采集信号会受很多干扰的影响，所以需利用均值法来消除干扰;其次是依据脉冲调宽信号形成机制，该部分的中断程序的任务是完成必要的计算以及产生控制所需的数据;最后是中断程序处理源自控制模块发出的报警信号并采取应对措施。

驱动电路软件部分的设计所产生的脉宽调制信号的波形，是双脉宽调制信号是通过正弦波为载波频率来构成的，在具体的编程过程中，首先是要对参数初始化，从而来启动波形发生器，但由于测控系统部分存在一些干扰，会使其频谱加宽，并带有一定的随机性。如果采用硬件方法来抗干扰，只能抑制其中某一部分的干扰，但仍有一部分的干扰会入侵系统，这时就必须使用软件技术来抗干扰，通过软件抗干扰技术能够使系统恢复正常的运行，或者说是当输入的信号受干扰后能够去伪求真。由于叠加在该输入信号上的噪声干扰，也会产生较大的测量误差。噪声具有随机性的特点，可通过数字滤波技术来加以去除，并计算出它的真值。本系统的软件抗干扰措施采用了均值、一阶滞后滤波两种方法。驱动电路系统软件具体流程如图4所示。

图4 驱动电路软件流程图

4 实验结果分析

为了验证驱动电路的稳定性和可靠性，实验选用了额定负载时不同输入电压下，其准谐振工作和PWM在KHz工作时的LED输出效率如表1所示:

表1 在额定负载时不同输入电压下LED光源输出效率数据

将表1数据绘制曲线如图5所示:

图5 LED光源输出效率曲线

由图5可知，虽然输出的功率不大，但是文中设计的驱动电路相对普通的驱动电路，其稳定性和可靠性更好。对LED光源的驱动具有良好的效果。

5 结束语

文章首先对道路照明的LED光源的基本特性进行了分析，然后设计了一种LED光源的驱动电路，最后通过对硬件和软件的综合验证。实验表明，该驱动电路适合道路照明LED光源的特性，能够提高夜间道路照明的清晰度，减少交通事故的发生。

［1］陈文成，林燕丹，邵红，等.道路照明光源选择依据的探讨［J］.复旦学报(自然科学版).2003，42(6):97－99

［2］Yuyang Chun，Yingkui Hu，Zhonglin Chen.Study on road lighting energy saving based on mesopic theory［J］.China Illuminating Engineering Journal，2008，19(4):44 －47

［3］Reyes MA，Gallagher S，Sammarco J.Evaluation of Visual Performance When Using Incandescent，Fluorescent，and LED Machine Lights in mesopic Conditions［C］.IEEE Industry Applications Society Annual Meeting(IAS)，2009，(8):1－7

［4］大谷义彦，夏晨.LED照明现状与未来展望［J］.中国照明电器，2007，(6):35 －37

［5］谷鹏飞.提升白光LED发光效率的研究［D］.天津大学硕士学位论文，2009

［6］刘海元，周广郁.浅谈LED光源及其在我市景观照明中的应用［J］.灯与照明，2005，30(2):16－18

［7］柏德葳.全球 LED产业发展动态［J］.产业观察，2007，(8):102 －105

［8］Fusheng Li，Dahua Chen，Jiesong Xian，Yuming Chen，et al.LED’s:a Promising Energy－Saving Light Source for Road Lighting［C］.Power and Energy Engineering Conference，2009，(10):1 －3

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［10］徐华美，徐晓冰，王建平，等.基于道路照明中间视觉的LED路灯配光模型研究［D］.合肥工业大学硕士学位论文，2012