非线性LED负载的DC-DC恒流源设计

谢仕宏, 郝鹏飞, 陈景文, 李秦君

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安　710021)



非线性LED负载的DC-DC恒流源设计

谢仕宏, 郝鹏飞, 陈景文, 李秦君

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：基于斩波技术原理，采用Buck降压变换方案，设计一种强非线性负载的恒流电源.系统由Buck主电路，辅助电源电路，输出电流信号采集电路和控制电路四部分组成.整个系统由一路交流电源经降压后供电.辅助电源采用宽范围输入的LM2576芯片和三个WRB1215芯片组成；控制电路控制器采用增强型51芯片STC15W4K56S4；电流信号采集电路由0.2欧姆功率电阻取样，经TL082两级运放后以电压信号输入到单片机.针对LED的非线性特性，采用参数自调整PID进行恒流控制.经实际测试，系统输入交流电压可在32～40 V范围内变化，输出电流可在150～350 mA步进调整，稳态电流误差小于1%，最大动态偏差小于10%.

关键词：Buck电路； 非线性负载； LED； 恒流源； 参数自调整PID

0引言

发光二极管( LED)因发光效率高、使用寿命长、体积小等诸多优点在照明领域使用越来越广泛.但是LED灯是一种强非线性元件，在导通状态下，一个1 W的LED灯两端电压约3 V左右，而电流可以从几毫安到几百毫安范围内变化，而且受温度影响严重，其伏安特性呈现一种强非线性[1].对LED恒流源的设计有学者提出了针对负载的滑模变结构的控制方法[2-4]，也有学者提出了针对Buck电路本身的非线性分析、建模的控制方法[5-10].这些方法在实际使用中都具有算法复杂、不易普及的特点.本系统提出一种简易的参数自调整PID控制方法，实现LED灯串联负载的恒流输出，输出电流能在150 mA到350 mA范围内步进可调，同时具有承受输入电压变化范围大、输出电流稳态误差小、动态最大偏差小的特点，具体软硬件设计如下.

1系统硬件电路设计

1.1主电路设计

系统输入为32 V到40 V范围内可变的交流电压，经桥式不可控整流和滤波后，输出直流电压大约在38 V到48 V范围内(根据滤波电容不同，输出电压会略有不同).而十个LED负载额定状态下端电压在30 V左右，因此需要采用降压电路，这里采用Buck降压DC-DC变换电路,如图1所示.为了最大限度降低电压纹波，整流侧滤波电容选择2 200μF/100 V电解电容.开关器件选择为CSD19535，CSD19535持续漏极电流可达150 A ，漏源电压可达100 V，可确保开关器件的安全.续流二极管选择正向导通压降低、具有快速恢复性能的肖特基二极管MRB20100.Buck降压电路主电感的选择，在坚持电感电流连续以及最小电感条件下[11,12]，综合多种电感选择方法[13,14]，最终选择如下公式[15,16]：

(1)

式(1)中：Ud为整流侧直流平均电压;T为PWM控制周期;D为占空比;Ioc为临界连续电流.

单片机系统输出的PWM波频率为50 kHz，对应控制周期为20μS.LED导通状态下两端电压变化不大，十个LED灯两端电压约30 V左右，输入直流电压在38～48 V范围内变化时，所需占空比在0.625～0.789范围内变化.临界连续电流可取最小负载电流150 mA.以最小占空比计算输入电压在38～48 V时主电路电感在594～750μH范围内.考虑留有一定余量并结合实际测试，最终选择Buck主电路储能电感为880μH.

输出滤波电容选择可依据公式2计算[6].

(2)

式(2)中：Ud为整流侧直流平均电压;T为PWM控制周期;L为Buck主电路电感;ΔU为输出纹波电压.

根据公式1确定的电感L值为880μH，以及纹波电压ΔU=1 V可计算出输出滤波电容大小.结合实际测试，为使得输出纹波电压较小，输出滤波电容尽可能取大一些，本系统取2 200μF /100 V电解电容.

图1　DC-DC主电路及驱动电路

开关器件CSD19535驱动电路选择A3120光隔驱动，A3120是一个常用的MOS管光电隔离驱动芯片，输出15 V电压由辅助电源单独的一个WRB1215提供，以此解决驱动地与电源地的地电势不同.同时单片机以低电平输出有效PWM波，降低单片机端口负载.为保护开关元件CSD19535，在其栅源极并联有15 V的稳压二极管，稳压二极管及R3、R6、D5一起可提高MOS管的关断速度.

1.2信号采集电路

因LED灯工作电流较小(低于350 mA)，使得常用的电流检测元件(如霍尔电流传感器TBC05SY等)难以有效的测量，为此本系统设计使用0.2欧姆的功率电阻进行电流检测，功率电阻输出的电压经过50倍的两级放大后，以电压信号输入到单片机.LED灯工作电流在150 mA至350 mA，经0.2欧姆电阻取样后，电压为0.03～0.07 V，再经过50倍的电压放大，送入到单片机的模拟电压为1.5～3.5 V，满足单片机A/D转换通道输入电压0～5 V的要求.电压信号放大电路如图2所示.

图2　信号放大处理电路

需要注意的是，因LED负载在电压较小时不导通，而在电压达到一定数值时突然开启导通，系统将产生较大的冲击电压，实际使用时常常造成放大器饱和输出甚至损坏元器件，为此可在放大器输入端加一个15 V稳压二极管.电压信号输入到控制系统后，还需要一个输入信号调理电路.调理电路以电压跟随形式，增大输入阻抗，同时对输入信号进行滤波处理.经调理后的模拟电压信号，最终输入到单片机的模拟量输入通道.

1.3控制电路

目前DC-DC变换器的开关频率都在30 kHz

以上，普通的51单片机难以输出如此高频率的PWM波，而更高级别的控制器又显得大材小用，故此本系统采用增强型51单片机STC15W4K56S4[17]，该芯片主频30 MHz，有8路10位高速的AD转换输入通道，6路15位专门的高精度PWM(带死区控制)波输出通道，2路捕获比较PWM(CCP)波输出通道(利用它的高速脉冲输出功能可实现11～16位PWM波)，以及众多的I/O端口，同时该芯片完全继承了51单片机的编程方法，完全满足本系统的使用要求.

1.4辅助电源电路

辅助电源是本系统的关键之一，因本系统只有一路交流输入，输入交流电源电压在32～40 V大范围内变化，Buck电路开关器件的驱动地又与电源地不同，故此需要一个单独的15 V驱动电源.由此选择辅助电源电路为一个宽范围输入的DC-DC芯片LM2576和3个普通的DC-DC芯片WRB1215组成，如图3和图4所示.

图3　AC-DC变换电路

图3为辅助电源的AC-DC变换电路，图4为辅助电源的DC-DC变换电路.辅助电源首先由二极管半波整流并滤波后输入到LM2576，LM2576输出经LC滤波后输出15 V直流电源.经过两个WRB1215的DC-DC变换后，输出与输入电压隔离的正负15 V直流电源，为控制器和放大电路供电，该路电源的地可称之为MCU_GND，即电源地.LM2576输出15 V电源经过一个WRB1215后输出隔离的15 V电源为CSD19535供电，该路电源地可称之为MOS_GND，即MOS管的驱动地.驱动地与电源地不同，严禁两者共地，否则MOS管不能正常工作，甚至损坏器件.

图4　DC-DC变换电路

2软件设计

2.1主程序流程及参数设置

LED灯DC-DC变换恒流源控制系统的主要任务是通过控制开关器件CSD19535的通断，即输出占空比D，来调节输出电压Uo的大小，从而控制输出电流Io.主程序流程图如图5所示.

图5　主程序流程图

单片机上电后，首先对端口进行配置，STC15系列单片机通用端口可以配置为四种工作模式：准双向口(弱上拉)、强推挽(强上拉)、仅为输入(高阻)、开漏.上电复位后为准双向口模式.本系统设置为准双向口模式.PWM初始化设置主要完成每个通道PWM的死区大小、初始电平、第一个翻转电平时刻、第二个翻转电平时刻以及PWM周期的设置，并可根据需要将两个单通道PWM输出设置为互补输出.本系统PWM输出采用单通道低电平有效输出，通道选择为PWM2，对应端口P3.7.初始电平设置为高电平，死区大小为12个时钟周期(这个对互补输出时防止上下两个桥臂同时导通特别重要)，第一个翻转时刻为16个时钟周期，第二个翻转时刻定义为全局变量t，对其初始化为100个时钟周期，以后由PID输出调整t的大小，即可完成对输出电压的调整.PWM周期设置为600个时钟周期，STC15W4系列单片机主频为30 MHz，600个时钟周期为20μs，对应PWM波输出频率为50 kHz.为了获得更好的显示效果，调整液晶显示周期约2 s，PID控制周期0.85 s.

2.2非线性LED的PID控制方法

经过实际测试，LED灯在导通电流为150～350 mA时，负载电压变化幅度只有2.6 V，如此小范围强非线性区域，给PID控制带来了困难.为此本系统采用参数自调整PID控制，参数自调整PID控制简单实用，编程方便，容易理解，具体控制流程图如图6所示.

图6　PID控制子程序流程图

PID参数调整基本原则是：首先手动整定出在150 mA、250 mA及350 mA这三个工作点上PID控制参数，然后以250 mA工作点参数作为PID控制器的初始化参数，依据实时偏差对PID参数做局部小范围线性修正.根据手动整定的各工作点PID参数如表1所示.

表1　手动整定PID参数

3实验测试

根据上述设计方案，对非线性LED负载的DC-DC恒流源进行设计、调试，并进行物理测试，设计测试方案为：第一步，在150～350 mA范围内观测系统恒流效果；第二步，从150～350 mA以50 mA大小进行阶跃变化时观测动态最大偏差电流.经过测试，数据如表2和表3所示.

表2所测数据显示，在120～350 mA范围内，系统显示稳态误差在±1%以内，用万用表实测稳态误差在±1.7%以内.表3所测数据显示，在150～350 mA以50 mA步距进行阶跃变化时，最大动态超调量为10.5%，在350～150 mA以-50 mA步距进行阶跃变化时，最大动态超调量为10.7%.经过测量，动态调节过程持续约两到三个PID控制周期，大约1.7～2.5 s.

表2　DC-DC恒流源稳态性能测试数据

表3　DC-DC恒流源动态性能测试数据

4结论

宽范围输入电压(32～40 V)、小信号检测及非线性负载特性是本系统设计的难点。实际使用中发现，非线性LED负载的开关冲击对小信号检测放大电路产生了较大的影响，负载电流的非线性给常规PID控制带来了困难，负载电流在较大范围波动时对电流采样电路也会产生破坏性影响.本文通过选择合适的DC-DC芯片、合理的电流采样放大电路以及参数自调整PID控制方法能较好的解决上述问题.经过反复实验依然存在一个问题，在电流波动范围较大以及长时间测试时，采样电阻的阻值会减小很多(既不是过载断路，也不是短路，更换采样电阻电路恢复正常)，对采样电阻正常工作产生严重影响，具体原因有待进一步分析研究.

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【责任编辑：蒋亚儒】

Design of DC-DC constant current source used for nonlinear LED load

XIE Shi-hong, HAO Peng-fei, CHEN Jing-wen, LI qin-jun

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:One constant current source used for strong nonlinear load was designed;it′s based on the Buck Chopper.The system mainly consists of four parts:buck circuit,auxiliary power circuit,output current sampling and amplifying circuit and control circuit.LM2575 and WRB1215 chip are used in auxiliary power circuit.LM2575 chip′s input voltage can change in large range.Control circuit was designed using STC15W4K56S4 chip.Current source is sampling by 0.2 ohm resistance and then it is amplified by two stage amplifier circuit.One parameter self-adjust PID control algorithm is used in control circuit.Testing results shows:input voltage′s change range is form 32 volts to 40 volts;output current can be adjusted from 150 mA to 350 mA,constant error is under one percent,the largest dynamic error is under ten percent.

Key words:Buck circuit； nonlinear load； LED； constant current source； parameter self-adjust PID

中图分类号：TM923

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2016)02-0160-05

作者简介:谢仕宏(1977-)，男，河南光山人，讲师，研究方向：电力电子技术与电力传动控制

基金项目：国家自然科学基金项目(51577110)

收稿日期:2016-02-02