高精度可调光DC-DC 恒流源的设计

付贤松 李圆圆 孔旭东 王 婷 郭娜娜 张娇娜

（1.天津工业大学电气工程与自动化学院 天津 300387 2.天津工业大学电子与信息工程学院 天津 300387 3.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室 天津 300387）

1 引言

在科技不断发展、全球污染加剧的背景下，LED以其无污染、寿命长且光效高等优点，在目前及未来照明领域都扮演非常重要的角色[1]。如今市场上大部分采用恒压控制加限流电阻或基于专用 LED驱动芯片的恒流驱动器，一般只具有单一的或有限的几档电流值，通用性和可靠性不强，稳定性及精度差，并且当负载改变时，驱动器未能及时作出反应，无法输出恒定电流，这将严重影响LED 的寿命，所以研究LED 恒流驱动器已成为该领域的焦点[2]。

目前恒流源已朝着数字化方向发展，从开关电源的发展来看，模拟电源芯片一直是开关电源的主流设计方案，由于数控电源起步晚，基于算法的数字控制技术的电源研究更是少之又少[3]。通过实验与研究发现，基于算法的数控恒流源与基于模拟芯片设计的驱动器相比，无论是从体积、成本还是性能参数考虑，都具有巨大的潜力，因此，在全球经济发展的环境下，研究高效节能的智能化恒流源驱动电源具有重要的现实意义。

为突显设计理念（节能、高稳定度、智能无闪烁可调、恒流），充分发挥微处理器MSP430G2553的智能控制特点，本文把电源的智能化与LED 相结合，设计了一款基于 PID 算法的高精度智能可调DC-DC 恒流源。本文对其主要部分进行了详细介绍，最后做出样机进行结果验证。

2 DC-DC 数控恒流源的设计指标及整体电路框图

2.1 设计指标

DC-DC 数控恒流源的输入直流电压为0～50V；功率1～48W 可调；恒流输出可调范围0～2.4A；恒流源精度小于1%；效率大于90%；软启动电路解决冲击电流；安卓手机APP 和键盘实现智能无闪烁调光。

2.2 DC-DC 数控恒流源电路框图

DC-DC 数控恒流电路由控制核心 MSP430-G2553 单片机、BUCK 拓扑结构、霍尔电流传感器、键盘输入模块、LCD 显示模块、调光模块、软启动电路和过流保护组成。图1为DC-DC 恒流源框架图。

图1 DC-DC 恒流源框架图Fig.1 The framework of DC-DC constant-current source

给系统加载一定直流电压后，单片机MSP430-G2553 对其引脚进行模式设置，并初始化PWM 模块、定时器模块，LCD 显示模块和键盘模块，然后外部键盘设置程序运行的目标电流值，通过串行通信接口到达单片机，经其内部定时器中断运行数字PID 算法，不断地调整输出PWM 占空比，最终达到恒流输出值，并显示在LCD 显示屏上，在该过程中，霍尔电流传感器将反馈信息传给单片机，如果该反馈信息经内部程序计算得到的电流值大于3A，则单片机立刻关断LED 驱动器部分，实现过流保护[3-6]。

3 系统设计

3.1 微处理器MSP430G2553 的介绍

微处理器作为恒流源控制核心，直接决定恒流源电流、电压在各个环节的变化与转换状态[5]。本系统设计需要数模（A/D）转换器、I/O 接口及串行通信接口等，而MSP430G2553 单片机是TI 公司推出的混合信号微控制器，具有内置的16 位的定时器、多达24 个支持触摸感测的I/O 引脚、一个通用型的模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信能力和一个10 位模数（A/D）、数模（D/A）转换器。MSP430G2553 功能框图如图2 所示。

图2 MSP430G2553 功能框图Fig.2 The block diagram of MPS430G2553’s function

故MSP430G2553 能完全能满足恒流源系统实时性、扩展性、高精度及多任务性等要求，并且具有高的性价比和超低功耗的优势。

3.2 数控算法

本文采用数字PID 控制算法，PID 控制是根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制，通过参数整定来确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小[6]。PID 控制器是常见的反馈回路部件，这个控制器把收集的数据与参考值进行比较，然后差别计算得新的输入值。和其他控制运算不同，PID 控制器可以根据历史数据和差别出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确及稳定。

本系统数字PID 算法放在定时器中断里执行，保证定时输出不被其他程序干扰。由于系统微处理器的时钟为1MHz 和外部驱动电路响应时间为7μs，设计PWM 的频率周期为8.3ms，定时器中断时间为15ms，也就是1s 可执行大约66 次数字PID 算法，故微处理器有足够时间调整好电流参数。图3为数字PID 算法流程图。

单片机开始执行PID 算法，此时内部设定有系统初始值，然后外部的键盘模块通过串行通信接口向单片机发出设置目标电流值的指令，单片机控制程序开始运行，运用数字PID 算法比较检测值与目标值，如果反馈值与设定的目标电流值不匹配，则继续执行数值PID 算法来调整输出PWM 脉冲占空比，直到输出目标恒流值为止，同时，在该过程中，如果检测到的电流值大于3A 或是存在冲击电流，则与单片机I/O 接口相连的保护电路和软启动电路将起作用。

图3 数字PID 算法流程图Fig.3 The flow chart of digital PID algorithm

3.3 反馈电路设计

该系统用霍尔电流传感器代替常用的反馈检测电阻，图4为该系统反馈电路原理图。

图4 反馈电路原理图Fig.4 The principle diagram of the feedback circuit

该恒流源的反馈电路采用具有较高稳定度和精度的ACS712 芯片，原边电流会从芯片内部流过，而芯片内部的内置路径内阻的阻值为1.2mΩ，所以当大电流流经它时所产生的功耗很小，且该原边电流与副边电路没有接触，当电流流过时会产生一个磁场，ACS712 根据磁场感应出一个线性的电压信号，经内部放大、滤波与斩波，输出一个电压信号。该反馈电路的优点是结构简单，测量直流电流的精度和线性度较高。

3.4 降压型拓扑结构及电感电流连续导通模式

本系统电路拓扑是根据迟滞转换器改进而来的，图5为迟滞转换器改进后的拓扑结构。迟滞转换器具有快速启动、低成本和高稳定度的优势，它的关键特点是自振荡，其频率将随输入电压、LED电流和驱动LED 数量的变化而变化，而且经常运行在连续模式下，这就意味着：①迟滞转换器无限续流，严重增加功耗，且无法关断；②MOS 管的驱动源占空比与频率不断改变，使检测电阻出现阻抗不匹配问题，流经检测电阻和LED 的电流不一致，影响电路的电流精度；③当负载发生改变时，恒流电路不能正常工作[6]。

图5 迟滞转换器改进后的拓扑结构Fig.5 The topological structure of the improved hysteresis converter

结合迟滞转换器的优缺点，本系统对其进行改良，去除芯片，增加一个MOS 管和一个肖特基二极管，在采用PID 算法控制输出PWM 占空比和霍尔电流传感器的情况下，提高驱动器的精度及实时处理性。

3.5 线性可调光设计

本系统线性调光设计通过安卓客户端 APP 和单片机MSP430G2553 通信，来改变输出电流实现线性数字调光。该恒流源具有人机交互界面，安卓手机界面上有四个按键：开灯、关灯、变量、变暗。安卓客户端和单片机通过蓝牙连接后，手机界面上的开关键可通过单片机程序控制恒流源的关断，界面上的变亮、变暗键发出命令，单片机通过DIP 算法调整PWM 输出改变占空比，使输出电流在目标电流值的基础上增加或减小40%，从而调节输出电流，实现手机无线通信调光控制[7]。与传统的PWM调占空比的方式相比，具有线性度高，效果好，可靠性高等特点。图6为安卓程序界面。

图6 安卓程序界面Fig.6 The interface of Android APP

3.6 软启动电路设计

电源系统开机通常具有冲击电流和无法完全关闭电源的情况，因此本系统采用继电器电路和1Ω的功率电阻构成软启动电路。继电器由微处理器控制，当单片机I/O为低电平时，继电器的开关状态构不成导通回路；当单片机I/O为高电平时，继电器改变工作状态构成导通回路，对开机冲击电流和无法关断电路有很好的控制。

4 系统参数确定与样机测试结果

4.1 BUCK 拓扑电路中电感量的选择

已知额定工作电压45V，此时的占空比为：

根据MOS 管手册和单片机程序，得开关频率：

从而MOS 管的导通时间为：

这里纹波系数r 取0.3，那么电感的电感量为：

由于用到PID 算法，需要留一定裕量，故电感量取10mH[8-10]。

4.2 整个系统样机连接图

各模块具有各自特定的功能，将其组装后得到如图7 所示的样机连接图。

图7 样机连接图Fig.7 The prototype connection diagram

4.3 系统测试结果

（1）直流输入电压与输出电流的关系

在键盘上设定1 400mA 的目标电流值，通过改变输入电压来观察输出电流的情况。图8为直流输入电压与输出电流的关系图。

图8 直流输入电压与输出电流的关系图Fig.8 The relationship between the DC input voltage and output current

从上图观察可得，当目标电流一定时，输出电流几乎不随输入电压的变化而变化，故该系统可以达到恒流的目的，输出稳定度高。

（2）输出电流与目标电流值的对比

给该DC-DC 恒流源加载一定输入电压，在键盘上设置目标电流值，经微处理器控制后，将恒流源最终的输出电流值显示在LCD 显示屏上。表1是输出电流与目标电流的对比。

表1 输出电流与目标电流的对比Tab.1 The comparison of the output current and the target current

观察表1 数据可得，设置的目标电流值与输出电流值相差无几，恒流源精度小于0.57%，所以本系统可通过键盘实现高精度调光功能。

（3）安卓手机APP 智能调光

安卓手机界面有四个按键：开、关、变亮、变暗，通过按键控制恒流源的工作状态，在恒流源45V输入电压，1 000mA 初始目标电流值的情况下，利用安卓手机智能调光的结果见表2。

表2 手机智能调光结果Tab.2 The result of Mobile phone intelligent dimming

将表2 的数据与初始目标电流值进行对比可以发现，通过安卓手机可以实现40%的变亮、变暗操作，能很好的控制DC-DC 恒流源的开关状态，且调光过程无闪烁。

（4）恒流源输出电流与负载的关系

给DC-DC 恒流源输入端加载恒定的45V 电压，设置目标电流值为1 000mA，观察输出电流随负载的变化情况。图9为输出电流与负载的关系曲线。

图9 输出电流与负载的关系曲线Fig.9 The relationship between the output current and the load

观察上图曲线可知，当输入电压与目标电流值恒定时，系统输出电流变化甚小，因此，该系统可在1～48W 范围内输出电流稳定，变负载恒流稳定性小于0.5%。

（5）48W 负载时恒流源的效率

将48W 负载接入该恒流源系统，加载42V 的直流电压，并在键盘上设置1 300mA 目标恒流值，用4 个万用表分别对其输入电压、电流，输出电压、电流进行测量，测量结果如图10 所示。

图10 恒流源输入输出参数Fig.10 The input and output parameters of constant-current source

观察上图数据可明显看出输入输出参数变化不大，也就是说该电路损耗小，根据电源效率等于输出功率与输入功率比值可得，该恒流源系统效率为92%。

5 结论

通过了解市场照明的需求，结合MSP430G2553设计了一种基于PID 算法可智能调光的DC-DC 恒流源系统，并制作样机进行验证。试验结果表明：在输入直流电压为0～50V 的情况下效率高达92%；通过手机终端或键盘可实现1～48W 的智能无闪烁调光；恒流源可在0～2.4A 范围内恒流输出，同时精度小于0.57%，且稳定度高。在科技化、信息化且智能化的今天，智能控制型的高效可调驱动将逐渐成为主流趋势。

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