恒流大功率LED智能调光系统

1、2014年TI杯湖北省电子设计竞赛设计报告参赛题目：恒流大功率LED智能调光系统（C题）基于TI公司TPS40210恒流源驱动调光系统设计摘要本系统主要以TI公司的MSP430G2553单片机为控制核心，采用升压开关电源TPS40210DGQR芯片作为LED驱动，搭建了一个智能调光的LED实验装置。该系统由环境光检测电路、触摸按键电路、LCD显示电路、PWM控制补偿电路、LED驱动电路、直流电源产生等模块组成。该装置实现了用触摸方式设定手动和自动模式来控制LED灯的强、中、弱三级调光，以及可根据光线强度自动开启和关闭并显示档位和光强。关键词：MSP430G2553 TPS40210DGQR 智

2、能调光 PWM 目 录基于TI公司TPS40210恒流源驱动调光系统设计2一、引言4二、可调LED台灯总体设计方案42.1驱动电路方案论证42.2电流控制电路方案论证5三、理论分析与计算63.1LED驱动电路的选择与计算论证63.2PWM控制补偿信号计算83.3环境光强测试计算9四、电路设计94.1直流稳压电路94.2环境光强测试电路104.3触摸按键输入电路104.4LED驱动电路11五、程序设计11六、系统测试与误差分析12七、总结与展望14八、附录158.1直流稳压电源工作原理分析：158.2参考文献：17 恒流大功率LED智能调光系统黄冈师范学院一、 引言在普通照明中，如果引入调光技术

3、，可以更大地发挥LED照明的节能优势，调光的需求分为三类：一是功能型调节光线的需要，如进门的玄关、会议室等；二是家居生活中舒适性和生活格调的体现，灯光的明暗搭配既可以根据环境的需要进行调节，也可以起到烘托氛围的作用；三是环保节能的需要，同时也是能源之星提出的最新的需求。驱使调光技术成为LED驱动技术未来发展方向的主要原因是节能。节能是LED最突出的优点之一，也是政府发布政策推动该技术应用的重要依据。二、 可调LED台灯总体设计方案系统框图如下图。该电路先通过光敏电阻测得光强经MSP430G2553进行AD转化测得环境光强，MSP430G2553 IO口产生固定震荡频率来检测IO口所接的触摸按键

4、的电容大小，并转化为频率的大小，由单片机来判断IO的输入电平，从而得到按键信息为手动模式（黑暗、柔和、强光）或自动模式，同时，MSP430G2553根据这两路输入信号从而产生PWM去控制补偿信号来调节TPS40210芯片产生的恒流源大小，进而改变LED的光的强度，同时由LCD12864去显示光强和档位。0122.1 驱动电路方案论证大功率LED灯有很多优点，而LED驱动电路对LED非常重要，LED驱动和调光是目前研究的热点、针对目前LED驱动电路的不足，设计了一种新颖的 LED驱动电路。方案一电荷泵电路也是一种DC-DC变换电路。电荷泵电路相对来说体积较小，采用的元件较少，成本较低，但其所用的

5、开关元件相对较多，输入电压一定的情况下，输出电压变化的范围比较小，输出电压大都为输入电压的1/3-3倍，且电路功率较小，效率会随输出电压与输入电压的关系变化。方案二线性控制电路是把工作在线性区域的半导体功率器件看作动态电阻，通过对其控制级控制来实现恒流驱动。线性控制电路的缺点在于效率比较低，但其对输入电压和负载的变化有较快的响应，电路相对较简单，直接控制LED的电流，易于实现对电流的较高精度的控制。方案三开关电源电路是一种依靠改变开关管导通与关断的时间比来改变输出电压大小的DC/DC变换电路。从电路上看，和电荷泵电路相比它包含磁性元件，即电感或高频变压器。开关电源分为输入输出无隔离即“直通”型

6、和输入输出隔离型两种类型的DC/DC变换器。“直通”型DC/DC变换器的典型电路有Buck型Boost型、Buck-Boost式和Cuk型等几种类型。本设计的正是boost开关电源电路相对来说可实现大范围的电压输出，且输出电压连续可调，输出功率大，因此适用范围更广，特别在中大功率场合下是首选。对以上三种方案进行比较，方案一在连接多个LED时必须并联驱动，为防止支路电流分布不均，必须采用镇流电阻，这会使得系统效率大为降低。方案二效率小，而方案三结构简单且输出的功率大，故选择方案三。既达到题目要求，又切实可行。2.2 电流控制电路方案论证方案一DA就是把数字信号转换成模拟信号,我们信号的怎么样的控

7、制信号，由单片机输出我们存储的数据，经过外部的DA去做转化为模拟信号，从而去控制补偿信号通路的通断，从而去控制电流的大小,缺点是DA我们需要去外接。方案二脉冲宽度调制又称PWM调制（PWM技术），脉冲载波的脉冲持续时间（脉宽）随调制波的样值而变的脉冲调制方式，简称脉宽调制。也就是面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。如果把各输入波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频略有差异。面积等效原理是PWM控制技术的理论基础。这样我们就可以产生我们所需要的控制信号去控制补偿信号通路的通断，从而去控制电流的大小。并且我们可以用单片机内部丰富的PWM 资源

8、去产生简单便宜。对以上两种方案进行比较，方案一成本较高，方案二便宜简单，直接用PWM产生不同的占空比去控制补偿信号通路的通断时间，从而去控制电流的大小，使设计大为简化。故选择方案二。达到题目要求，切实可行。三、 理论分析与计算33.1 LED驱动电路的选择与计算论证此次采用的方案设计核心就在LED驱动电路的选择和设计之上，按照题目要求台灯功率不小于1W，这里我们选用10只大功率强光1W/350mA的LED串联作为负载。这就要求LED驱动电路有足够大的恒流输出以及采用单片机输出PWM智能调光来满足设计要求。经查阅大量资料和设计参考，最终我们找到合适的驱动芯片TPS40210来完成LED驱动电路的

9、设计。TPS40210是TI公司提供一款宽输入（4.5V至52V）、异步提高控制器。它适用于拓扑需要接地的N沟道FET包括boost（升压）、flyback（反激式DC-DC）、SEPIC（单端初级电感转换器）、LED Driver（LED驱动）的应用。芯片功能包括可编程软启动，过流保护的情况下的自动重启，可编程振荡频率。电流模式下提供改善系统瞬态响应和控制简化回路补偿。TPS40210主要应用于LED、工业控制、电源管理。这里我们参考datasheet上的Design Example进行设计参数调整，设计原理图如下：设计参数：输入电压Vin=12V(8V<Vin<14V)、最大输

10、入功率Pin=20W ; 负载采用10只压降为2.4VLED串联，为了避免LED长时间超负荷工作，确定输出电流为Iout=250mA(最大值2A)；输出电压Vout=24V(在12V到50V可变)。1.确定开关频率,结合特征曲线这里选取, 。2.确定电感参数：占空比估算 ： 峰间最大脉冲电流限制在30%:电感大小 ：最小饱和电流：这里使用自己的绕的电感去15到20uH，饱和电流大概为6.5A3.整流二极管的选择：低正向导通肖特基二极管作为整流二极管，以减少功耗和提高效这里80%降额使用，在二极管上的最小击穿电压为：为了保险起见选择最大反向击穿电压为100V，最大整流电流为2A的B2100肖特基

11、二极管。4.输入、输出电容的选择：输出电容的选择必须满足输出纹波和瞬态响应的要求。实际电容大小在理论计算上有所调整 取一个2.2uF和4.7uF对地并联，输入电容 则是取两个10uF.5. 过流保护和电流检测：这里取15mohm , 取100pF6.开关MOS管的选择：考虑到实验室耗材有限，直接选用已有的CSD195535kcs N沟道MOS管7.误差放大器补偿电路参数：这里取100pF， 取3.3nF。8.输出电流采样电阻：3.2 PWM控制补偿信号计算在软件实现电流的控制采用了脉宽调制技术（PWM），单片机输出一个频率不变的方波，利用调制它的脉宽来补偿信号通断的速度，其输出电流就是平均值。

12、上，为了使通断速度的控制不受其他影响，方波的产生采用定时器A来实现，其增计数模式能自动输出PWM，而不需利用中断维持PWM输出，不会因为其他程序的延时而改变输出频率。我们通过单片机进行周期信号控制，对控制MOS管通断进行设定，我们程序对补偿电路进行控制，实现对电流的调节。如上图，右图MOS管的通时间对应的左图的t1 ，此时补偿电路被短路。而对应MOS管关的是t2 ，此时补偿电路信号可以流入芯片中进行电流调节。从而控制电流的大小，进而控制LED的亮度。见公式一公式一：控制信号进芯片的平均值为I，I=t1 ×it1+t2=t1 ×iT=Di (式中D为占空比，D= t/T)3.

13、3 环境光强测试计算如右图测得的R3的电压为Uo，VCC是3.3V，因为随着光强的增强，光敏电阻的阻值会变小。我们定义的“强光”测得光敏电阻的阻值是180欧左右；“弱光”测得的阻值达到了1M以上；“柔和”时就处在180欧至1M之间。我们通过测量Uo来检测得出对应的光强等级的范围。如强光范围时对应的最小Uo值Uo=(VCC*2.2K)/(2.2K+3.9K+180)1.156V弱光范围时对应的最大Uo值，Uo=(VCC*2.2K)/(2.2K+3.9K+1M)0.0021V所以柔和的范围Uo值， 0.0021V <Uo<1.156V然后通过单片机去采样得到Uo，对应的值去判断环境的光

14、强。四、 电路设计44.1 直流稳压电路电路框图如上；最后我们得到的+5V去给12864LCD，TPS40221芯片，MSP430G2553单片机，以及boost升压电路供电。一个直流稳压电路就可以给全部的器件通过5V的直流电。4.2 环境光强测试电路如上图2.2通过MSP430G2553端口通过的3.3V供电，并且通过R2来和光敏电阻串联起来，一起看做等效光敏电阻，以免当光强过于强时。光敏电阻太小，使得电流过大。会倒灌让单片机里会使单片机有可能烧坏。我们通过测R3就可以得到光强等级对应的R3所分得的分压范围。然后通过AD 采样得到电压值，进行单片机判断处理，具体计算见2.2环境光强测试计算。

15、4.3 触摸按键输入电路最终，电容触摸的问题归结为对电容的测量上来。电容测量的方法大致有两种，测充电时间和测振荡频率。MSP430G2553单片机的IO内部集成了电容振荡功能，完全不需要增加外部元件，所以我们采用振荡测频法。用Timer_A测量电容振荡频率的基本方法如下：1. 将电容振荡信号作为Timer_A的CLK信号输入TA的主定时器。2. 启动IO口的振荡功能。3. 使用WDT定时器产生定时中断。4. 在定时中断子函数里，完成计数器读取，清零重新开始，判断按键等操作。于是我们就可以简单的外接两块铜箔到P2.0和P2.3去输入外接的按键信号。其中P2.0是自动模式此时系统控制LED会随着外

16、界环境光强的变化和变化。而P2.3控制的是手动模式，随着按下的次数会使得LED发出来的光强是黑暗，柔和，强光。4.4 LED驱动电路五、 程序设计概括来看全部的程序由单片机三大资源构成；定时器A1：采用定时器AI的CCR2通道的比较捕获寄存器中的比较模式来产生PWM，由P2.2输出到电路补偿电路来控制它的通断；模数ADC ：采用ADC的CH4通道P1.4来采集由外界环境光强电路采集到的U。电压。进而让单片机处理得到对应的光强等级。在自动模式下根据光照强度来改变PWM来使得总的光强基本保持恒定，并且通过LCD去显示光强强度；看门狗 ：我们这里利用看门狗的定时模式来产生一个节拍，去定时的检测触摸按

17、键对应的IO口P2.0和P2.3的电容所对应的频率并且进行判断和分析触摸按键的按下的模式，在手动的模式下我们按下的P2.3次数对应的光照强度来让单片机的定时器A1产生对应的PWM去控制补偿电路。，并且通过LCD去显示模式。六、 系统测试与误差分析6.1.测试波形结果：测试仪器采用的是RIGOL DS1120CA 100MHz 2GSa/s CH1通道测试GDRV端口电压 CH1通道测试GDRV端口电压 CH2通道测试COMP端口电压 CH2通道测试FB端口电压 CH1通道测试GDRV端口电压 CH1通道测试GDRV端口电压 CH2通道测试BP端口电压 CH2通道测试输出端口电压（有5V的纹波）

18、 CH1通道测试GDRV端口电压 CH1通道测试GDRV端口电压CH2通道测试PWM控制端电压（柔和） CH2通道测试PWM控制端电压（黑暗）CH1通道测试GDRV端口电压CH2通道测试PWM控制端电压（强光）6.2.测试电压结果：测试仪器采用的是RIGOL DM3065 100MHz 2GSa/s输入电压：12.06485V （误差率=5.404%）输出电压：25.07301V （误差率=4.471%）光敏电阻MSP430G2553采样电压Uo：柔和1.481474V黑暗1.56166V强光2.026713V6.3.测试及调试分析：对于系统核心LED驱动电路，调试过程中存在很多问题，一些关键

19、参数很难达到，如：R3=15m欧，电感L=14uH大饱和电流要求。在实验室条件有限的情况下，R3直接用近似导线连接，（电感则是自己找漆包线和磁芯绕的）而过流保护的关键值又取决于R3，测试过程中从示波器波形可以观测推测出IC大部分时间被保护，LED负载以一定的频率闪烁，由波形分析得出由于MOS管的开关工作导致高次谐波干扰经R3取样电阻输入到ISNS脚电压值高于保护参考电压150mV,致使IC自动保护。为了解决这个问题，我们将ISNS脚对地加了3到4个104瓷片滤除高频干扰。使得ISNS输入电压在正常范围内，这样IC正常工作了，负载LED亮度高并且光线稳定，初步达到恒流输出效果。用示波器探头测试F

20、B，和COMP脚时，只要探头一勾上测试点，稳定的LED亮度有明显的变亮。经过仔细的排查发现datasheet上的与参考参数都为100pF,而理论计算得到的=3.7nF,于是试探性的将COMP脚与地之间并上一个102的瓷片电容。此问题便得到解决。由于某些关键参数和手工制作PCB版的误差性，在负载LED点亮后，如上图测试波形所示，MOS管在工作时对整个驱动电路带来很明显的干扰，此干扰没有明显影响LED亮度和整个系统的正常工作就没有去花精力去除干扰。最终LED的功率也在设计要求之内，从测试LED亮度来看，如果LED按照额定电流（350mA）工作的话亮度太亮，MOS高负荷工作发热厉害，为了不让强光损伤

21、人眼和保证电路的寿命，我们将最大恒流输出设定在250mA光照强度能满足要求。对于单片机PWMdimming输入端的MOS管有所改动。由于MOS栅极的驱动电流和电压都远高于单片机的输出端3.3V，如果想驱动MOS就还需要再做一个小的驱动电路，考虑到系统的简单可行性。我们直接将一个NPN的三极管将其替换掉，这样单片机就可以直接进行驱动了，在满足要求的情况下即节约成本又省去麻烦。LED驱动电路的未完善的一些问题及思考：整体调试时暴露出一些不足之处，用信号发生器去模拟单片机PWM控制输入，对信号的占空比进行调整时，虽然LED亮度发现改变，但在某些占空比值之下，LED亮度不稳定有些闪烁并非完美的连续可控

22、亮度调节。相对比另外一块驱动电路又可以大范围连续稳定调光，问题可能在手工做板的偶然误差性导致的。在单片机的算法中，我们按要求设定了三档亮度对应的PWM，智能调光范围较窄，如果想加大调光范围还需根据测试稳定的控制占空比在程序设定更多的控制参数，才能更好的满足调光系统的连续稳定要求。毕竟我们只是做了理论的验证，很多不足的地方需要去完善。七、 总结与展望本系统实现了题目基本部分以及发挥部分的要求，经过测试，系统大部分符合要求。由恒流源驱动，并且由msp430G2553单片机来产生PWM来控制，控制方式为手动和自动模式，手动模式包括黑暗，柔和以及强光三种档位。由lanuchpad2固有的IO口的震荡功能来测量IO口所接的触摸按键的电容大小转化为频率的大小。让单片机来判断IO的输入电平，从而得到我们按键输入的信息（黑暗，柔和以及强光），对应的让单片机去产生对应的PWM波去控制驱动模块TPS40210来改变恒流源的大小，来改变LED的光的强度，已达到我们的光度要求。在自动模式时，由光敏电阻来测量外界的光强，让单片机去判断，以改变PWM去控制LED的强度，让总的光强基本保持不变。本系统的设计通过实际的制作得到了验证，达到了预测的目标。该设计具有很好的实用价值。八、 附录56788.1 直流稳压电源工作原理分析：8.1.1 原理图8.1.2 过程分析通过P1座子，我们可以用示波器测出变