三色LED灯恒流驱动电路设计

邬丽娜， 邓建平

(苏州职业大学 电子信息工程系， 江苏 苏州 215104)



三色LED灯恒流驱动电路设计

邬丽娜， 邓建平

(苏州职业大学 电子信息工程系， 江苏 苏州 215104)

设计和制作了一套三色LED灯的恒流驱动电路。采用恒流源驱动方式, LED 上流过的电流将不受电压和环境温度变化, 以及LED 参数离散性的影响，从而能充分发挥LED 的各种优良特性。主要通过数控直流恒流源实现对4只三色LED灯的控制，每只LED灯的单色流经额定电流为100 mA，并具有调色温和过流保护功能。还采用AT89S52单片机、AD、DA模块实现电压采样，1602液晶可显示LED中某单色支路的当前电流值，并加入声控模块来实现LED变色效果。

LED; 恒流源; 色温; 声控模块; 1602液晶

0 引 言

具有环保、节能、高效优点的LED灯在照明方面有了越来越广泛的应用，并有取代传统光源的趋势。目前小功率LED照明产品中广泛采用两种驱动电路形式：恒流驱动和稳压驱动[1]。而采用恒流源驱动, LED 上流过的电流将不受电压和环境温度变化, 以及LED 参数离散性的影响，从而能充分发挥LED 的各种优良特性。因此研究简单、廉价的驱动电路具有重要意义[2]。本文重点介绍一种基于数控直流恒流源控制的三色LED驱动电路实例。

1 系统的构成

设计要求：针对4只红、绿、蓝三色LED灯来进行驱动电路设计，每只LED单色为1 W，单色上允许流经额定电流均为100 mA，误差控制在±5 mA，可设置LED灯的色温。电路还具有当LED单色流过电流超过150 mA时自动关闭电源过流保护功能，以及考虑声控模块来控制LED变色功能。系统框图见图1。

设计初期考虑控制色温，PWM支路比较多，单片机PWM信号驱动能力较弱，需外接驱动电路，成本难以控制。最终采用在LED单色回路中加入恒流源来驱动的方案， 4只LED灯的同一色并联后统一接入恒流源中[3]。该系统主要由主控电路、电源、D/A和恒流源、A/D和1602液晶模块、色温设置模块、声控模块、过流保护模块组成。整个系统结构简单，综合应用了模拟电子技术、电力电子技术、开关电源和单片机信号处理等技术[4]。

图1 系统框图

2 系统具体设计

2.1 电源和控制器电路

本设计中，主控电路即为一个52系列单片机的最小系统，单片机选择了Atmel公司的AT89C52。本设计中还采用了HKS05003电源模块，该模块能够为AT89C52提供5 V，3 A的持续负载电流。这种宽电压输入、大电流输出的特性，以及满载无需外接散热器，是7805所远远不及的。该电源模块效率非常高，内置电感、肖特基、灌封胶密封，广泛用于LED，车载MP3、MP4等领域[5]。HKS05003电源模块接线图如图2所示。

图2 HKS05003电源模块

2.2 基于TLC5615的D/A和恒流源模块

恒流源产生恒定电流是本设计系统的最主要部分。实验过程中选择好D/A转换器位数和类型，将影响到恒流源的精度和工作时间。综合考虑采用TLC5615，它是一个串行10 bit DAC芯片，它以10 bit开关电容逐次逼近的方法实现D/A转换[6]。DA和恒流源模块仿真调试电路图如图3所示。由AT89C52输出给TLC5615数字信号后，配合DCSCLK脚上时序脉冲，完成TLC5615给后续恒流源LM358运放DAOUT1信号。

由运算放大器LM358组成的恒流源是利用了运算放大器的两个基本特性：虚短路和虚路。其中R12为采样电阻，采用康铜丝绕制而成。运算放大器U5是一个电压跟随器，该电路加了扩流部分[7]。采用MOS管2N6660作为运算放大器的括流器件。输入阻抗高，基本没有分流，因此电流全部流入负载R12。若U5的输入电压为Uin，根据叠加原理，流经R12的电流完全由输入控制电压Uin决定，I=Uin/R12。

图3 DA和恒流源模块

由于U5的输入端不取电流，电流完全由输入控制电压Uin决定，实现了压控直流电流源的功能。图3中，当LM358的2、3引脚输入为电压源所示1 V时，串联在R12回路中电流源显示0.1 A，满足了I=Uin/R12的关系。经多组仿真调试结果分析：0～150 mA时，该恒流源特性效果很好，误差控制在±5 mA内。

2.3 AD和1602显示电路

本设计在实物调试方面还考虑对R12电阻上AD1端口上电压进行ADC0804采样后经单片机处理后1602液晶上显示电流值的功能。ADC0804是一种低价位的8 bit逐次比较式A/D转换器。在此采用直接连接的方式与处理器连接，从而构成廉价的测控系统[8]。1602液晶显示，有占用端口少驱动电流小，显示功能较全面的优点。当LED某一色的R12所在电流为50 mA时可看到此时1602液晶显示也为50 mA。

2.4 色温设置模块和过流保护模块

色温设置模块考虑采用3按键BLUE、GREEN、RED结合软件编程来完成3颜色所在电路电流值的可调。每按1次键对应颜色所在电路的电流就增加10 mA，因为有过流保护所以颜色所在电路的电流达到峰值150 mA后就软件设置复位为0。所以可实现通过改变电流值来改变对应颜色的深浅度，完成色温控制效果[9]。

过流保护采用了图3恒流源模块中的Q6和继电器RTE24005F，并通过软件编程实现对AD采样得到的电流值与150 mA相比较。一旦当前电流大于150 mA，图3中单片机guan端口送出低电平Q6导通，继电器动作恒流源出现断路，从而达到过流保护功能[10]。

2.5 声控模块

声控模块的作用是采集人的声音，将采集到的信号可先送入LM358运放放大，然后单片机处理后控制TLC5615的输出[11]。声音采集电路和具体采样到的声音波形如图4所示。

图4 声音变送器波形图

3 实验结果

除了仿真，在实验阶段我们还对实物进行了测试，看电路是否达到恒流效果。采取对实物上的红色支路所在LM358的2脚输入端电压值和该支路R12电阻上电压测试得到如表1所示数据。

表1 LM358输入端电压和R12上电流比较

从表1的数据中可以看出，本方案的恒流设计是符合要求的，误差控制在±5 mA内，当送给LED灯的电流值超过150 mA时，系统也会自动关闭恒流源来保护LED。系统能耗主要是电阻及LCD液晶显示，从表格数据看出电阻的功耗较低，所以系统的功耗较小。

本次设计实物如图5所示，对LED控制效果比较明显。在主程序运行初期设置每隔10 s LED灯3种颜色所在电流值依次变化，出现了7种颜色的效果：深蓝色、深绿色、深红色、白色以及3种花色。上述7种颜色变化循环出现3次后进入色温控制阶段，灯初始为白色，此时通过BLUE、GREEN、RED三键以每按一次10 mA的步进来改变相应电流。软件设置上述三按键控制5 min后进入声控色温阶段，灯初始仍为白色，在此声控信号以控制红光支路为主，LED上颜色随声音越响红色越明显的规律变化[12]。再次通过软件设置上述5 min声控色温阶段后，进入主程序再次循环执行过程。

图5 实物图

在实验过程中还发现系统在经过长时间运行后会出现不稳定以及明显光衰现象。所以查阅资料分析后，考虑系统还应加入对LED温度的监测和控制部分来进行完善[13]。因为LED的稳定性很容易受自身散热和环境温度影响。当LED工作温度超过其承载温度，将会使LED发光效率快速降低，产生明显光衰，甚至会对LED造成永久性破坏[14]。这也是后期电路应该改进的地方。

4 结 语

经过实验验证，此系统达到了很好的节能和多种颜色进行照明或装饰的效果。该系统结构简单，实用性强。实际使用过程中可考虑去除AD和1602液晶显示，来增加多个按键给操作者，如色温开始键、声控开始键、停止键等[15]。还可进一步开发设计作为新型灯具或广场装饰照明灯的驱动控制电路。

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Design of Constant Current Drive Circuit for Three-color LED Lights

WULi-na，DENGJian-ping

(School of Electronic and Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

This paper presents a kind of LED driving circuit which outputs the constant current source to supply power for three-color LED lights. Driven by constant current source, the current on the LED will not be affected by changes of voltage and ambient temperature, and the discreteness of LED parameters. The design can make full use of all kinds of the good qualities of the LED. The current of each monochrome LED is 100 mA. The driving circuit also has functions of color adjustment and over current protection. This design adopts MCU, AD and DA modules to achieve voltage sampling, adopts 1602 liquid crystal to display the current of LED one branch, and uses sound control module to control the LED color. The experiment proves this method can basically complete the design intention, and provides valuable experience for the development of new LED lamps.

LED; constant-current source; adjustable color; sound control module; 1602 liquid crystal

2015-04-21

邬丽娜(1976-)，女，江苏苏州人，硕士，讲师，研究方向：单片机和嵌入式系统。

Tel.：13915513401；E-mail:wln@jssvc.edu.cn

TP 29

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1006-7167(2015)11-0074-03