DC-DC LED驱动电路设计论文36246.doc

毕 业 论 文（设 计）中文题目： dc-dc led驱动电路设计 英文题目: the dc-dc driver cricuit design of led 52中文摘要摘 要 随着大功率led在灯光装饰和照明中的普遍使用，大功率led驱动电路设计显得越来越重要。在led迅速发展的今天，led驱动电路也随之快速跟进，多种驱动方式并存，不同的设计方案在完善。在led照明领域，没有好的驱动器的匹配，led照明的优势将无法体现。大功率led是电流型器件，严格的控制流过led的电流是恒定的及其重要，而且还要实现可以对led调光，满足各种需求。 本论文对led的驱动方式进行了深入探讨，并基于集成电路pt4115设计了一个低成本、高效率、发光可调的恒流驱动电路，用以实现大功率led的驱动。对驱动电路原理进行分析后，动手制作了实物电路，并用示波器观察了电路输出波形。实验结果表明所设计的驱动电路能保证led的稳定高效率发光，在工程上有广泛地应用前景。【关键词】：大功率led、开关电源、pwm、恒流驱动、pt4115、stc89c52英文摘要the dc-dc driver cricuit design of led author： zhou biaoping major：electronic information engineeringteacher：cao jianzhong title：professor(electronic science deparment of huizhou university，guangdong，huizhou，516007)abstractwith the widespread use of high-power led in the lighting and decoration ,the driver circuit design of high-power led is becoming increasingly important. today at the rapid development of led, led drive circuit also will fast track, multi-drive circuit modes exist,and different designs options is in improving. in the area of led lighting, if there is no good driver circuit using, the advantages of led will not be reflected. high-power led is current-mode devices, strict control of constant current flowing through the led is important, but also the led dimming can be achieved to meet the various needs.the dissertation discusses in depth the driving led mode, and based on ic pt4115 i design a lowcost,high efficiency, longer life,dimmable and constant current drive circuit to drive high-power led. then to analysis the driving circuit, i made the physical circuit and watched the circuit output with an oscilloscope waveform. the experimental results show that the design of the drive circuit can guarantee the stability of high-efficiency light-emitting led, and i think that the driver circuit will be widespread used in engineering applications.【key words】: high-power led;switching power supply;pwm;constant current driver circuit;pt4115;stc89c52目 录中文摘要i英文摘要ii第一章 绪 论11.1 白光led发展的背景和意义11.2 白光led的发展简介21.3 课题介绍与研究意义4第二章 用到相关知识52.1 led发光原理52.2 白光led的伏安特性52.3 白光led的连接方式72.3.1 串联驱动82.3.2 并联驱动82.3.3 混联驱动82.4 led驱动现状研究82.4.1 电阻限流电路82.4.2 线性控制电路92.4.3 电荷泵升压电路102.4.4 开关变换电路112.5 脉宽调制型（pwm）开关电源原理122.5.1 电压控制模式132.5.2 电流控制模式162.6 stc89c52单片机简介182.6.1 stc89c52单片机主要性能参数182.6.2 stc89c52单片机最小系统的设计192.6.3 单片机时钟电路202.6.4 单片机复位电路202.7 pwm调光技术21第三章 设计总思路233.1 设计思想233.2 设计总框图23第四章 硬件电路设计244.1 led恒流驱动电路设计244.1.1 芯片比较选取244.1.2 pt4115芯片了解254.1.3 设计电路284.2 pwm调光电路设计304.3 单片机供电电路324.3.1 开关电源优点324.3.2 lm2576芯片334.3.3 电路设计34第五章 结果分析355.1 实物355.2 效率测定36第六章 总 结36参考文献38致 谢39附件1 全部电路原理图40附件2 pwm调光程序40附件3 外文翻译45原文45译文49第一章 绪 论 在电光源发展的一百多年来，光源照明电器己经经历了三个重要的发展阶段，这三个阶段的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯。现在人们普遍认为照明led是第四代光源。1.1 白光led发展的背景和意义白炽灯时代即将和我们告别了。整个20世纪，爱迪生发明的白炽灯经受住了时间的考验，成为标准的通用照明工具。但新的照明技术尤其是发光二极管必将最终代替白炽灯和荧光灯。当整个世界都在因为日益上升的能源成本而节省能源预算时，白炽灯照明技术显然站在了错误的一边。一个白炽灯消耗的能源中有97被浪费。荧光灯虽然稍好一些，但仍然浪费了85的能量。而且，这两种灯的平均使用寿命都只有大约5000个小时。另外，荧光灯还使用了有毒的汞，发出的光更是颜色粗糙。这两种技术都无法和白光led相比它不仅使用寿命是前者的10倍，也不使用有毒物质，而且几乎能发出任何颜色的光。更重要的是，它的光转换效率绝不亚于荧光灯。因此，在通用照明应用领域，向led技术的过渡将大大降低能源消耗。尽管白光led是当今的大规模照明的一个理想方案，但若要把驱动led的电子设备普及到每一个灯泡中，设计者还面临着不小的挑战。主要问题是目前led驱动电路的性能还没有实现高效率转换，其中关键的技术问题是驱动电子系统的电子能量转换效率由于离散范围极大、参数难于控制，其高低和稳定性就成了整个led实用技术与产品参数的重中之重。其次，空间的限制要求led驱动器必须小巧且高效。接触过led的人都知道：由于led正向伏安特性非常陡即正向动态电阻非常小，要给led供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将led烧毁的程度。为了稳住led的工作电流，保证led能正常可靠地工作，各种各样的led驱动电路就应运而生。 白光led的高效节能、绿色环保优点使得各个国家和地区投入了大量财力人力资源启动自己的半导体照明计划，如表1-1所示11-12：表1-1 各国半导体照明计划国家/地区立项时间项目名称项目预期目标预计效益日本1998年21世纪光计划到2006年，50%的照明光源被白光led取代可减少1-2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗欧洲2000年彩虹计划通过欧共体的补助金推广led的应用应用半导体照明实现：高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光美国2000年国家半导体照明计划到2010，年55%的荧光灯和白炽灯被白光led取代每年节约350亿美元电费，减少7.55亿吨二氧化碳排放量，形成500亿美元的大产业中国2003年国家半导体照明工程2006-2020年，投资50-100亿元发展半导体照明技术，形成自主知识产权，led达到150-2001m/w，15元/klm将建立半导体照明产业，全面进入通用照明市场，占有30% 50%的市场份额，实现节电30%以上，年照明节电1000亿千瓦时以上1.2 白光led的发展简介1962年，在美国通用电器公司工作的博士holon yak用化合物半导体材料磷砷化镓(gaasp)研制出第一批发光二极管3。早期的led只能发红、绿等单色光，且功率小，效率低，只适合于装饰灯、指示灯等应用场合。1996年，日亚公司首先采用ingan蓝光芯片加yag（钇铝石榴石）黄色荧光粉的方法制成白光led，此后白色led得到迅速发展，人们通过各种办法获得了白光led，开启了led迈入照明市场的序幕。表1-2列出了目前产生白光led的主要方法。从理论和技术的发展分析，白光led的光效可以达到283lm/w。但是早期的白光led发光效率低，低于白炽灯和荧光灯的发光效率（白炽灯的发光效率为161m/w，40w荧光灯的发光效率601m/w， 60w荧光灯的发光效率为100lm/w )。此后由于材料、封装等技术进步，目前商业led的发光效率水平已超过150lm/w，实验室最新成果达到208lm/w。表1-2 产生白光的led的主要方案芯片数激光源发光材料发光原理1蓝色ledingan/荧光粉ingan的蓝光与荧光粉的黄光混合成白光蓝色ledingan/荧光粉ingan的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光紫外ledingan/荧光粉ingan的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光2蓝色ledingangap将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色led黄绿led3蓝色ledinganaiingap将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色led绿色led红色led3个以上多种色光ledinganaiingapgapn将遍布可见光区的多种色光芯片封装在一起构成白光led随着技术进步、亮度提升，高亮度白光led正一步步进军潜力庞大无比的灯光照明市场。据统计，当前全球照明市场的年均成长率约为5.5 % ，2000年市场规模达45亿美元。若以每年白光led发光效率平均成长60%的速度开发下去，要达到大型化、低价化、使用寿命长的照明用光源并非不可能。目前lumileds、日亚化工、丰田合成、住友电工等业者都已有较为成熟的照明产品问世，只是价格与常规灯泡相比仍有很大的差距。预计未来，led灯具对全球照明工业将造成巨大的冲击。正因为此，各界都对白光led寄以厚望，led也享有“绿色照明光源”之称。111.3 课题介绍与研究意义 随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是19%,我国也达到12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。led 作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源。基于白光led 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点，代表着照明技术的未来，并符合当前政府提出的建设资源节约型和环境友好型社会的要求。可以预见不久的将来，led 必然会进入普通照明领域取代现有的照明光源。目前，市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的灯普遍存在着低效率、高能耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害；而且部分台灯产品功能单一，缺少亮度调节，无法适应现代家庭生活的实际需求。为解决当前问题，本文设计了以at89c52 单片机为核心的白光led 灯系统，采用pt4115 大功率led 恒流驱动方案，可实现对led 台灯的pwm 调光控制，在实现高效节能的同时，为家庭使用提供了极大的便捷。第二章 用到相关知识2.1 led发光原理发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料pn结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。pn结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称led。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从led阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。2.2 白光led的伏安特性led驱动电路就是能为led的正常工作提供所需的电压和电流的电路。要了解led驱动电路的工作特性，就必须先了解led的电学特性。图2-1 不同白光led的电流电压特性之间的差异性图2-1所示的是不同白光led之间，甚至是从同一产品批次中随机挑选的led之间的正向电流电压特性的差异。图中横坐标为通过不同led的正向电流，纵坐标为对应的外加正向电压。可以看出，在恒定电压的驱动下，不同led上流经的正向电流大小不同，由于led的发光亮度主要受其驱动电流的影响，从而导致发出的白光亮度不同，如图中虚线所示。而且，led正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起led电流的很大变化，从而导致出射光光强的变化。再如下图2-2 (a) 所示，为美国lumileds lighting公司一种超高亮led白光led (hpwa-xh00)在常温 (25) 下，光通量与其正向电流if的关系曲线。从该图中可以看出，led的发光亮度与正向平均电流大小基本上成正比关系，因此可以通过控制led的正向电流if来控制其发光亮度。图2-2(b)给出了该大功率led在常温下(25)的i-v曲线，从图中可以看出通过控制其正向电压vf就可以控制其正向电流if，从而控制其发光亮度。在正向电压值小于某一值(阈值)时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，从而使led发光。但如果采用恒压源驱动，vf的微小变化就会引起if的较大变化，从而会引起led发光亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保证led亮度的一致性，并且影响led的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮led通常采用恒流源驱动。(b)图2-2 hpwa-xh00在常温下的光通量与if曲线以及i-v曲线关系2.3 白光led的连接方式白光led的连接方式有串联、并联、混联三种，如图2-3所示。下文分析了各种连接方式的优缺点以及其各自的应用场合。 图2-3 白光led的连接方式2.3.1 串联驱动 串联驱动保证流过每个led的电流相等，而led的发光亮度和其导通电流呈正比关系，所以采用此种驱动方式可以使led发光亮度均匀，适合对发光亮度的匹配性要求高的场合。串联驱动的不足是其需要较高的驱动电压，所以需要升压电路将电源电压抬升或者直接的高电源电压，而高的电源电压往往要求芯片采用耐高压工艺制造，如bcd工艺。另外，如果一个led断开，则整个led串就熄灭。当采用恒定电压驱动时，如果某个led短路，则余下的led的正向压降会增加，致使电流增大，可能会烧毁led灯和电路。当然，采用恒定电流驱动时不会存在上述问题。2.3.2 并联驱动并联驱动的优点是只需要低的电源电压就可以驱动多个led，其要求驱动电路能提供大的驱动电流。由前述知led正向导通压降存在一定差异，所以并联驱动的最大不足是流过每个led的电流不相等，致使led的亮度不匹配。当并联led采用恒流驱动的方式时，如果某个led灯断开，则会使余下led流过的驱动电流增大，导致可能损坏所有的led 。2.3.3 混联驱动 当要驱动的led数量很多时，若采用串联驱动，则会要求很高的电源电压;若采用并联驱动，则会要求很大的负载驱动电流，所以就出现了混联驱动。混联驱动是串/并联两种方式的综合，适合于驱动大量led的场合。当然，以上分类并没有绝对的优劣之分，还要看实际的应用场合。例如对于作为手持设备背光用的led驱动电路，要求驱动电路的结构简单，封装较小，以实现小型化，而驱动方式上，多采用并联驱动。对于照明用白光led的驱动电路，要求有较大的驱动电流，较好的光匹配度，因此多采用串连驱动。2.4 led驱动现状研究led恒流驱动常用方法有电阻限流、线性控制调节、电荷泵升压、开关变换器控制等。下面对现有的各种控制方法进行简要的介绍。2.4.1 电阻限流电路这类应用的原理图如图2-4所示，电阻限流电路控制方式是根据led的i-v曲线来确定预期正向电流所需要的电压，过一个串联电阻来控制led的电流。一般根据led参数和发光强度，可以得到led的直流电流，从而可知led两端的电压，限流电阻值： （2-1）式中：vin为电路的输入电压；if为ied的正向电流；vf为led在正向电流为if时的压降；vd为防反二极管的压降(可选)。图2-4 电阻限流电路这个应用方案简单易行，只需要一个限流电阻就可以控制led的光强，但存在不少的缺点:输入电压的微小变化都会导致led电流的变化，从而影响光通量输出；限流电阻上会消耗大量的功率而使得整个系统效率不高；当这种调光方式在对白光led灯进行亮度调节时，会使led发出的白光颜色发生偏移，不利于把这种控制方式用于日常照明系统，所以这种方式多用在对光色要求不高的情况。2.4.2 线性控制电路 与电阻限流法相比，线性控制法在精度上有了很大的提高。其基本的原理是:线性控制是把工作于线性区的功率管等效为一个动态电阻，通过负反馈系统调节功率管的阻值大小使得流过led的电流维持在一个恒定的值。但是由于功率管工作在线性区，消耗了较多的功率，系统的效率不高。线性调节器可以分为并联型和串联型两种。图2-5 并联型线性控制器和串联型线性控制器 并联型线性调节器又称为分流调节器。它采用功率管与led并联，分流掉负载的一部分电流。与电阻限流电路相似，分流调节器也同样需要串联一个限流电阻rload，如图2-5(a)所示。当输入电压增大时，流过led上的电流增加，反馈电压增大使得功率管q1的动态电阻减小，流过q1的电流将会增大，这样就增大了限流电阻rload上的压降，从而使得led上的电流和电压保持恒定。分流调节器同样由于串入了限流电阻，系统的效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒流输出。串联型调节器是采用功率管与led串联，当输入电压增大时，使功率管的动态电阻增大，从而使得功率管上的压降增大，以保持led上的电压(电流)恒定，如图2-5(b）所示。这种控制方式与并联型线性调节器相比，由于少了串联的线性电阻，使得系统的效率较高。但是由于功率三极管或mosfet管都有一个饱和导通电压，因此输入的最小电压必需大于功率管的饱和电压与负载电压之和，使得整个电路的电压调节范围受限。2.4.3 电荷泵升压电路电荷泵升压电路（图2-6）又称为开关电容升压控制器。它利用分立电容将电能从输入端传送到输出端，整个电路不需要任何的电感。电荷泵变换器设计比较简单，只需根据元件规格来挑选适合的电容。但它的主要缺点是只能提供有限的输出电压范围，大多数充电泵电路的输出电压增益为输入电压的1，3/2，或2倍。若要驱动多个led时，必须采用并联驱动方式。此时为了防止并联支路上电流分配不均，每条并联支路上必须使用镇流电阻，这样会消耗大量的功率，整个系统的效率就会降低。图2-6 电荷泵升压电路2.4.4 开关变换电路开关电源电路通过调节开关功率管的通断比可以调节输出电压的大小，理论上将功率管的损耗降低为0v。开关电源作为能量变换中效率最高的一种方式，特别适用于大功率led的亮度控制。与传统的电压型buck, boost, buck-boost变换器不同的是大功率led的驱动电路的反馈量是流过led的电流信号而不是输出电压信号，如图2-7，以此来满足led的恒流驱动要求。采用buck拓扑可以实现低于输入电源电压的输出。这是一种定周期、定时刻导通的控制方式，通过控制led的峰值电流来调节led的亮度，整个控制电路结构比较简单。采用boost可以实现高于输入电源电压的输出幅值。与电荷泵电路不同的是boost理论上的升压增益可以无穷大，所以在连接多个led方式时可以采用串联方式，保证了每个led的发光亮度都相同，并且限流电阻也只需要一个，有效的提高了整个系统的效率，可以说是所有驱动电路中效率最高的。不过与电荷泵升压电路相比，需要电感元件，增加了系统的成本和体积。与传统的buck-boost变换器相比，用于大功率led驱动的buck-boost型变换器电路是将开关管移至输入电压的负端，从而使得开关管的驱动更加简单。通过控制led的峰值电流及其导通占空比，来调节led的平均电流，以达到led亮度调节的目的。图2-7 buck、boost、buck-boost型大功率led驱动电路2.5 脉宽调制型（pwm）开关电源原理脉冲宽度调制方式（pwm），其开关频率恒定，通过调节导通脉冲的宽度来改变占空比，从而实现对能量向负载传递的控制，称之为“定频调宽”。本节将介绍降压型脉宽调制型（pwm）开关电源dc/dc变换器buck拓扑的基本结构，buck结构的变换原理和控制方式。开关电源dc/dc变换器从控制模式上可以分为两类，电压控制模式（voltage control mode）和电流控制模式（current control mode）。下面分别介绍电压控制模式和电流控制模式的原理和特点。2.5.1 电压控制模式取代线性变换器的开关型变换器早在20世纪60年代就开始应用。它将快速通断的晶体管置于输入和输出之间，通过调节占空比来控制输出直流电压的平均值。降压型的电压模式开关电源buck变换器的原理图如图2-8所示。其中开关器件q1与直流输入电压vdc直接相连。在每个周期t内，q1导通时间为ton。在q1导通时，v1点电压为vdc（设q1导通时两端的电压降为零）。q1关断时v1点的电压迅速下降为0v(假设续流二极管d1的两端的电压降也为零)，则v1点的电压波形为矩形波，如图2-12所示，ton时的电压为vdc，其余时间电压为零，则v1点一个周期内的平均电压直流值为vdc*ton/t。lc滤波器接在v1和vo之间它使输出点vo成为幅值等于v dc*ton/t的无尖锋无纹波的直流电压。图2-8电压模式开关电源buck拓扑的原理图其逻辑关系是，当vdc上升时，则vo上升，误差放大器输出电压vea下降，锯齿波高于vea的时间提前，也就是q1导通时间ton缩短，使得vo =v dc *ton/t保持不变；同理，如果vdc下降，则q1导通时间ton延长，最终的结果也保证vo不变。由此可以总结出，无论输入电压vdc如何波动，电压控制系统都会改变q1的导通时间ton，使得最终的输出电压维持在vo =vref(1+r2/r1)。下面就详细的分析一下整个电路的工作过程和波形变化，假设输出为vo。图2-9 buck变换器连续工作模式下各节点波形 在每个周期开始时，电感l上的初始电流为i1，q1由控制信号驱动后导通，二极管反偏截止，加在l上的电压的大小为vdc-vo，由于电感两端的电压恒定，所以流过电感的电流线性上升到i2，其斜率为。当控制信号使q1关断时，由于电感的电流不能突变，所以电感两端电压极性迅速颠倒，二极管导通续流，这种电压极性颠倒的现象称为电感反冲。如果没有接二极管d1，则v1点的电位会变得很负以保持电感l上的电流方向不变，这会让q1两端的电压差过大而损坏开关，接上二极管后，实际v1点的电压被箝位于比地低一个二极管导通压降。电感两端的电压极性反转后，电感中的电流线性下降，其斜率为。q1关断结束后，电感上的电流降低到i1。当q1再次导通时，d1的电流减少，q1上的电流迅速增加并取代了二极管的d1正向电流直到d1上的电流为零，d1再次反偏，v1恢复到vdc，电感的电流开始重复前一个周期的变化过程。在整个周期内，电感的电流会有i2-i1的上下波动，输出电流io的大小就是。虽然io会根据负载的变化而变化，但是整个电感电流上升和下降的斜率却和负载无关。以上讨论的buck变换器的工作过程是基于稳定工作时电感上的电流在下降的过程中没有下降到0，也就是i10，我们称这种模式为连续工作模式，如图2-9中所示。如果电感上的电流在下降的过程中下降至零，也就是在电感上的储能被完全释放，我们称这种工作模式为不连续模式，如图2-10所示。图2-10 不连续工作模式下的电流波形图不连续工作模式输出电压和输入电压的关系推导如下。在一个周期t内，当q1开启时，电流从0开始增加，则直到q1关断时电感电流为，q1关断期间toff，假设经过tr时间（也就是二极管d1导通得时间）后电感中的能量完全释放供给负载，为保证l的电流在q1下次导通之前已经下降到0，则。因电感电流上升和下降的绝对值相等，则，化简得。从控制理论的角度分析，电压模式控制在整个控制电路中只有一个反馈环路，是一种单环控制系统。电压控制型变换器是一个二阶系统，它有两个状态变量：输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件稳定系统，只有对控制电路进行精心的设计和计算后，在满足一定的条件下，闭环系统方能稳定的动作，开关电源的电流流经电感，对电压信号有90度的相位延迟。因此，仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号时产生振荡，从而损坏功率器件。电压控制模式的优点是：（1）单环反馈的设计和分析比较容易进行；（2）锯齿波振幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余度；（3）低阻抗功率输出，对多输出电源具有较好的交互调节特性。电压控制模式的缺点是：（1）动态响应速度较慢；（2）输出滤波对控制环增加了两个极点，这就需要一个零点补偿；（3）由于环路增益随输入电压而变化，使得补偿变得更加复杂化。2.5.2 电流控制模式针对电压控制模式的缺点，最近十几年发展起来了电流控制模式技术。电流控制模式可以分为峰值电流模式控制（pcm: peak current mode）和平均电流模式控制（acm: average current mode），acm是在pcm的基础上发展起来的，通常情况下电流控制模式所说的就是峰值电流控制模式。电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关电源变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和90度相位滞后，从而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统是最优控制系统，可以实现最小的动态响应的误差平方积分指标。因此，在pwm中取输出电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制是符合最优控制规律的。图2-11为pwm峰值电流控制模式的原理框图。与电压控制模式不同的是，电流控制模式的pwm电压比较器的输入由电压控制模式中的锯齿波信号换成了对电感电流采样值转换成的电压vs，比较器的另一端仍然是输出电压采样值与参考基准的误差放大值。每个周期开始时，时钟信号控制将开关开启，流过开关和电感的电流增大，当电流增大到vs超过vea时，触发器r端置高电位，开关被关断。如果vdc增大，则开关导通时vs上升速度加快，vs超过vea所需要的时间缩短，于是ton被缩短；反之vdc减小，则vs超过vea让pwm控制信号翻转所需时间更长，增加了ton维持对负载提供的能量大小。由此可总结出，无论输入电压vdc如何波动，电流控制模式同样也能通过改变开关的导通时间ton（也就是改变了占空比），使得最终的输出电压维持在vo =vref(1+r2 /r1)。从图3-4上观察可以发现，与电压模式控制单一闭环相比，电流控制模式是双闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，由电压外环控制电流内环，即内环电流在每个开关周期内上升，直到达到电压外环设定的误差电压阈值，电流内环是瞬时快速地对每个周期的脉冲电流采样，检测输出电感的电流动态变化，电压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压控制模式大得多的带宽，无论是理论分析还是电路测试，都证明电流型控制比电压型控制有许多优点，归纳起来主要有以下几点。图2-11 pwm峰值电流型控制原理框图(1) 对输入电压变化的响应快。这可直观的从电路的工作原理中分析出来：电源输入电压的变化，必然会引起周期初始电流上升的斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则变慢，但是只要电流脉冲幅值达到预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。而在电压控制模式电路中，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，一直要等到输出电压发生一定的变化后才会调节脉冲宽度。一般电压控制模式要510个周期才能响应输入电压的变化。(2) 过流保护和可并联性。在电流控制型dc/dc变换器中，由于内环采用了直接的电感电流峰值限制，可以及时准确地检测功率开关管和电感上的瞬态电流，自然形成了对每个周期内峰值电流脉冲检测电路。只要给定或者限制参考电流，就可以准确地限制流过功率开关管和电感中的最大电流，也可以有效地克服输入电压浪涌产生很大地尖峰电流从而损坏功率开关管等这类故障诱因。同时，在设计开关电源时不必给开关管的最大电流限制和电感最大储能留有较大的余度，在保证可靠工作的前提下，尽可能的降低了成本。由于电流控制模式特有的电流限制能力，当多台开关电源并联运行时，每台电源都有独立的电流负反馈，并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路，使各个电流反馈系统有相同的电流参考值，这样就可以有多台开关电源之间并联均流，这在当今电源规格要求繁多，电子设备整机可靠性要求提高的形式下，为模块化电源系统和电源冗余结构设计提供了捷径。(3) 回路稳定性好，负载响应快。电流型控制可以看作是一个受输出电压控制的电流源，而电流源的大小就反映了电源输出电压的大小，这是因为电感中电流的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。在本章的前面部分已经比较详细的介绍了buck电路的两种控制方式以及特点，因为电流控制模式具有良好的控制特性，所以电流模式控制led的驱动方式是较为理想的选择。但是电流控制模式并不是完美无缺的，依旧存在两个比较大的缺点：平均电流非恒定及电流扰动。2.6 stc89c52单片机简介stc89c52是低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(eprom)和256 bytes的随机数据存储器（ram），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器(cpu)和flash存储单元，功能强大stc89c52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。因此，在这里我选用stc89c52单片机来完成，它具有结构简单、编程方便、经济、易于连接等优点，特别是其内部定时器/计数器、中断系统资源丰富，有应用价值。12stc89c52单片机的主要性能特点有：1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051cpu2.工作电压：5.5v-3.4v2.6.1 stc89c52单片机主要性能参数3.工作频率范围：0-40mhz，相当于普通8051的0-80mhz。实际工作频率可达48mhz4.用户应用程序空间4k/8k/13k/16k/20k/32k/64k字节5.片上集成1280字节、512字节ram6.通用i/o(32/36个)，复位后为p1/p2p3/p4是准双向口/弱上拉（普通8051传统i/o 口），po口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为i/o口用时， 需加上拉电阻7.isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串 口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，8k程序3秒即可完成一片8.eeprom功能9.看门狗10.外部晶体20m以下时，可省外部复位电路11.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用12.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，power down模式可由外部中断低 电平触发中断方式唤醒13.通用异步串行口（uart），还可用定时器软件实现多个uart14.工作电压温度范围：0-75/-40- +85stc89c52单片机同时还具有加密性强，低功耗，高速，高可靠，强抗静电，强抗干扰等优点。stc89c52单片机的引脚封装如图212所示。图212 stc89c52单片机的引脚封装图2.6.2 stc89c52单片机最小系统的设计stc89c52单片机为40引脚双列直插芯片,有四个i/o口p0,p1,p2,p3, mcs-51单片机共有4个8位的i/o口（p0、p1、p2、p3），每一条i/o线都能独立地作输出或输入。单片机的最小系统如图2-13所示,18引脚和19引脚接时钟电路,xtal1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,xtal2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出。结合本设计的要求采用内部振荡方式，所选的晶振为12mhz。第9引脚为复位输入端,接上电容,电阻构成上电复位电路。图213 单片机最小系统2.6.3 单片机时钟电路 stc89c52单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在本设计中，采用内部振荡方式。电路见图214所示。 图214 时钟电路图单片机引脚xtal1和xtal2外接晶振12mhz，构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡，并产生振荡时钟脉冲。电容器c1、c2起稳定振荡频率，快速起振作用。2.6.4 单片机复位电路 本设计系统的复位电路见图215所示。图215复位电路图复位操作完成单片机内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。当stc89c52单片机的复位引脚rst出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位电路操作。需要注意的是，当复位端rst持续高电平的时间过长，单片机就会处于循环复位状态，这样，单片机就无法执行程序。因此，要求单片机复位后能够脱离复位状态。本系统的复位电路采用上电开关复位电路。上电后，由于电容充电，使rst持续一段时间。当单片机已经在运行时，按下复位键也能使rst持续一段时间的高电平，从而实现上电开关复位的功能。2.7 pwm调光技术了解pwm调光原理，先得了解一下占空比概念。占空比的解释可以归纳为如下几种：1）在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。例如：脉冲宽度1s，信号周期4s的脉冲序列占空比为0.25。2）在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。3）在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。其实归纳一下也就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比。脉宽调制(pwm)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及led照明等许多领域中。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和dsp已经在芯片上包含了pwm控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。简而言之，pwm是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。pwm信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)，要么完全无(off)。电压或电流源是以一种通(on)或断(off)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用pwm进行编码。下图2-19显示了三种不同的pwm信号。图2-16（a）是一个占空比为10%的pwm输出，即在信号周期中，10的时间通，其余90的时间断。图2-16（b）和图2-16（c）显示的分别是占空比为50%和90%的pwm输出。这三种pwm输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9v，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9v的模拟信号。 图2-16 三种不同的pwm信号下图2-17是一个可以使用pwm进行驱动的简单电路。图中使用9v电池来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms，灯泡在这段时间中将得到9v供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0v。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5v电池(9v的50%)上一样。这种情况下，占空比为50%，调制频率为10hz。 图2-17 简单pwm驱动电路大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5v电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他pwm应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1khz到200khz之间。 第三章 设计总思路3.1 设计思想led驱动电路除了要满足安全要求外，还应具备两个基本功能：一是尽可能保持恒流特性，又使其在电源电压发生的变动时，仍应能保持输出的电流在的范围内变动；二是应保持较低的自身功耗，这样才能使led的系统效率保持在较高水平。随着更新一代大功率led所需的驱动电流的增加，要更多的考虑到led本身和电流驱动电路的散热管理和功耗等问题。本着设计一款节能，成本低，高效，可调光，长寿，恒流led驱动电源的思想，使led更容易走进各家各户。3.2 设计总框图本设计根据led的电学特性采用恒流输出，输出电压随负载大小自动调节的适用广泛设计，设计中用适配器为led恒流控制芯片提供12v的直流电压。考虑到能对led灯的亮度进行调节，本设计采用了先进的pwm高光技术，用单片机stc89c52输出pwm调光信号接入到芯片自带的调光信号输入引脚。为了避免另外单独给单片机提供5v电源供电，本设计同时设计了一个单片机供电驱动电路，此电路可以同led驱动电路使用同一个适配器为其提供12v直流电压。本设计的总框图如下图3-1所示： 图3-1 总设计框图第四章 硬件电路设计 4.1 led恒流驱动电路设计此部分的设计相当重要，是本设计的关键，大体设计过程是先经过了芯片比较选取，芯片了解，设计电路几步。4.1.1 芯片比较选取 使用led的新型照明设计一般都比白炽灯设计昂贵，所以从长远来看，必须用更高效率的发光来极大地降低耗电成本。 为了确保最佳性能和长工作寿命，led需要一个有效的驱动电路。无论输入电压如何变化，led驱动器都要向led串提供恒定电流，以保持