基于DSP的光伏LED照明驱动控制系统

1、基于DSP的光伏LED照明驱动控制系统    摘 要：结合光伏电池输出电压变动范围大、输出功率不稳定的特点，设计了一种基于TMS320F2812的LED（Light Emitting Diode）照明驱动控制系统，该控制系统根据负载和电源的变化自适性切换驱动电路，调节LED负载电流，提高其适应性和调节范围。实验结果证明获得了更大的负载电流调节范围和调光范围，实现了光伏LED的恒流驱动。关键词：光伏电池；LED照明；驱动控制；稳定电流中图分类号：TM615 文献标识码：A文章编号：1672-1098(2012)02-0022-04收稿日期：2012-03-

2、06基金项目：国家级大学生创新性实验计划资助项目(101035918)作者简介：祝青(1991-)，男，安徽淮南人，在读学士，研究方向为电气工程及其自动化。Photovoltaic LEDs Lighting Drive Control System Based on TMS320F2812ZHU Qing, WANG Xiao-chen, JIANG Wei, CUI Rong-xiang, ZHOU Yu(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei Anhui

3、230000, China)Abstract:Considering broad range of photovoltaic battery output voltage and instability of the output power, a kind of LED (Light Emitting Diode) lighting-driving control system based on TMS320F2812 was designed, the control system according to changes in load and supply self-adaptivel

4、y switch driving circuits, adjusting LED load current, to improve their adaptability and adjustment range. Experimental results show that a greater load current adjustment range and dimming range are obtained, and photovoltaic constant current LED driver is realyzed.Key words: photovoltaic battery;

5、LEDs lighting; driving control; constant current随着太阳能的开发利用，在整个照明领域，以白炽灯和荧光灯为主力军的角色已经发生改变，备受人们关注的光伏LED(Light Emitting Diode)灯已经开始进入市场。作为一种新型的绿色照明光源，正在以独特的优势取代传统的电光源。采用LED照明主要有以下几个特点：LED灯的发光效率高，是荧光灯的2倍，白炽灯的10倍；LED灯的供电电压为低压直流，而太阳能组件输出电压和蓄电池的储能电压都是低压直流，省去了交直流转换的逆变器，节约了设备成本；寿命长，LED灯的理论寿命可长达10万小时1；LED是典型的

6、电流型器件，对工作电流的大小和稳定性要求较高，电流的波动会影响LED的发光效率和色彩，而电流超过额定值将损害LED，降低其使用寿命与可靠性2。常用的LED驱动有降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck-Boost)三种，而常用的驱动控制器只能适用于其中一种，因此研制一种具有普适性的驱动控制系统具有很好的应用前景。1 照明控制系统的组成LED光源对电流和电压的稳定有着相当高的要求，电压过高会使LED变色甚至损坏。LED驱动电路的主要任务是输出稳定的负载电流，其作用是将太阳能电池板输入的不稳定电压，通过DCDC-1变换器输出稳定的负载电流，保证LED灯的正常亮度和使用寿命。一般

7、的LED驱动电路虽然能基本满足需要，但只能用于特定的电源或特定的电压环境，这种驱动电路受环境因素影响太大。为提高LED照明驱动系统的的适应性和灵活性。本文设计了基于TMS320F2812的DSP芯片为控制核心的光伏LED照明驱动控制系统(见图1)，它能根据环境的变化实时监控和调节驱动器输出的负载电流。由于TI公司的TMS320F2812系列的DSP芯片拥有强大的控制功能和高速的处理速度，在控制领域有较好的表现，因此选用它作为控制系统的核心。LED照明系统的能量来源是太阳能电池板，白天有光照时产生电能并储存在蓄电池中，在光照强度过低时关闭太阳能电源，以蓄电池的储能作为驱动电源点亮LED照明负载。

8、控制系统以TMS320F2812为核心，分别由太阳能电池板、充电控制器(DCDC-1)、蓄电池，驱动控制器(DCDC-2)，电压电流采样、DSP控制电路等组成。光伏照明系统工作时，太阳能电池板提供电能，蓄电池的电压为直流12V LED照明系统的能量来源是一块太阳能电池板，白天有光照时产生电能并储存在蓄电池中，同时也为LDE供电，在光照强度过低时关闭太阳能电源，使用蓄电池作为电源继续工作。为控制芯片 摘 要：结合光伏电池输出电压变动范围大、输出功率不稳定的特点，设计了一种基于TMS320F2812的LED（Light Emitting Diode）照明驱动控制系统，该控制系统根据负载和电源的变化

9、自适性切换驱动电路，调节LED负载电流，提高其适应性和调节范围。实验结果证明获得了更大的负载电流调节范围和调光范围，实现了光伏LED的恒流驱动。关键词：光伏电池；LED照明；驱动控制；稳定电流中图分类号：TM615 文献标识码：A文章编号：1672-1098(2012)02-0022-04收稿日期：2012-03-06基金项目：国家级大学生创新性实验计划资助项目(101035918)作者简介：祝青(1991-)，男，安徽淮南人，在读学士，研究方向为电气工程及其自动化。Photovoltaic LEDs Lighting Drive Control System Based on TMS320F

10、2812ZHU Qing, WANG Xiao-chen, JIANG Wei, CUI Rong-xiang, ZHOU Yu(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230000, China)Abstract:Considering broad range of photovoltaic battery output voltage and instability of the output power, a kind of LED (Ligh

11、t Emitting Diode) lighting-driving control system based on TMS320F2812 was designed, the control system according to changes in load and supply self-adaptively switch driving circuits, adjusting LED load current, to improve their adaptability and adjustment range. Experimental results show that a gr

12、eater load current adjustment range and dimming range are obtained, and photovoltaic constant current LED driver is realyzed.Key words: photovoltaic battery; LEDs lighting; driving control; constant current随着太阳能的开发利用，在整个照明领域，以白炽灯和荧光灯为主力军的角色已经发生改变，备受人们关注的光伏LED(Light Emitting Diode)灯已经开始进入市场。作为一种新型的绿色

13、照明光源，正在以独特的优势取代传统的电光源。采用LED照明主要有以下几个特点：LED灯的发光效率高，是荧光灯的2倍，白炽灯的10倍；LED灯的供电电压为低压直流，而太阳能组件输出电压和蓄电池的储能电压都是低压直流，省去了交直流转换的逆变器，节约了设备成本；寿命长，LED灯的理论寿命可长达10万小时1；LED是典型的电流型器件，对工作电流的大小和稳定性要求较高，电流的波动会影响LED的发光效率和色彩，而电流超过额定值将损害LED，降低其使用寿命与可靠性2。常用的LED驱动有降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck-Boost)三种，而常用的驱动控制器只能适用于其中一种，因此研

14、制一种具有普适性的驱动控制系统具有很好的应用前景。1 照明控制系统的组成LED光源对电流和电压的稳定有着相当高的要求，电压过高会使LED变色甚至损坏。LED驱动电路的主要任务是输出稳定的负载电流，其作用是将太阳能电池板输入的不稳定电压，通过DCDC-1变换器输出稳定的负载电流，保证LED灯的正常亮度和使用寿命。一般的LED驱动电路虽然能基本满足需要，但只能用于特定的电源或特定的电压环境，这种驱动电路受环境因素影响太大。为提高LED照明驱动系统的的适应性和灵活性。本文设计了基于TMS320F2812的DSP芯片为控制核心的光伏LED照明驱动控制系统(见图1)，它能根据环境的变化实时监控和调节驱动

15、器输出的负载电流。由于TI公司的TMS320F2812系列的DSP芯片拥有强大的控制功能和高速的处理速度，在控制领域有较好的表现，因此选用它作为控制系统的核心。LED照明系统的能量来源是太阳能电池板，白天有光照时产生电能并储存在蓄电池中，在光照强度过低时关闭太阳能电源，以蓄电池的储能作为驱动电源点亮LED照明负载。控制系统以TMS320F2812为核心，分别由太阳能电池板、充电控制器(DCDC-1)、蓄电池，驱动控制器(DCDC-2)，电压电流采样、DSP控制电路等组成。光伏照明系统工作时，太阳能电池板提供电能，蓄电池的电压为直流12V LED照明系统的能量来源是一块太阳能电池板，白天有光照时

16、产生电能并储存在蓄电池中，同时也为LDE供电，在光照强度过低时关闭太阳能电源，使用蓄电池作为电源继续工作。为控制芯片 各个驱动电路提供电源，而采样部分将电路中各部分的电压电流数据实时传递给DSP，DSP通过输入的采样数据判断系统工作是否正常，并根据数据对输出电路进行控制，从而为LED负载提供稳定而持续的电流。2 驱动控制器的设计2.1 驱动控制电路驱动控制电路（见图2）是直接与照明负载连接的部分，起驱动LED负载、稳定负载电流和调光的作用。通过对其储能电感L、续流二极管VD、及滤波电容C位置的改变，可实现升压或降压的功能，这些驱动电路又称为直流斩波电路。图2 常见的LED驱动电路在实验中发现，

17、当直流斩波器的负载是LED时，调整PWM信号占空比的大小对输出电压的影响不大，而对电流的影响很大。以Buck电路为例，电感选用1 mH，电容100 F，负载使用一个普通1.2 W的LED灯管，输入5 V稳压电源，PWM信号频率设置为20 kHz，当PWM信号占空比从0.1至0.7变化时，LED两端电压总在2.7 V左右，变化很小，而电流却在50 mA到250 mA之间大幅变化，LED的亮度也有变化但变化范围较小。因此可以设计一个两级串联的斩波电路，第一个斩波器起粗调作用，调节范围较大，根据电源和负载的实际情况决定是Buck还是Boost；第二个斩波器起细调作用，可以使照明亮度保持稳定。另外，B

18、uck电路只能起降压作用，在调节范围上又有很大的局限性，所以还可以将第二级斩波器设计为双斩波器切换的形式，根据负载的不同和电源的不同灵活切换工作电路，中间用DSP控制电子开关实现切换(见图3)。第一级斩波器以Buck型为例，第二级的两个不同的斩波器通过DSP的GPIO口控制两个电子开关同步切换。图3 串联可切换斩波电路作为输出部分另外一个重要组成部分就是开关管的驱动，开关管选用高速MOSFET，以IRF540n型场效应管为例，实测开启电压是8 V，而DSP输出的PWM信号高电平只有3 V，这就需要在DSP与场效应管之间添加转换电路，放大PWM信号使之能驱动MOSFET。另外，为了防止MOSFE

19、T的高电压串回到DSP回路而使之烧毁，必须在DSP与驱动电路的之间加入光电耦合器4N25进行电气隔离，驱动芯片选择MOSFET专用的IR2125芯片(见图4)。图4 MOSFET基本驱动电路图4中C1的作用是自举电容，用于抬高VB的电压，使驱动芯片能正常输出被放大的PWM波。RS为MOS管的电流采样电阻，电流采样电压由CS与VS两端输入，其电压差要求小于0.5 V，故RS的阻值一般在1 以内。2.2 DSP控制DSP控制集中了对系统的综合监测和控制。DSP控制分为几个模块，分别是AD模块，EV事件管理器模块，GPIO输入输出模块和CPU控制模块。电压电流信号通过AD转换成DSP可识别的数字信号

20、再加以处理， 系统共需要6路采样信号进行AD转换， 分别是太阳能电池输出电压和电流， 蓄电池端电压和电流， LED负载电压和电流。AD采样工作方式选择级联模式下的顺序采样，只需开启ADCINA0至ADCINA5共六个AD端口， 用定时器T1启动AD转换， 采样周期设置为1 ms，即采样频率是1 kHz。每次采样得到的数据先存储起来，采样十次后将这十次的采样值取平均值，根据这个平均值判断系统的工作状态，并对输出PWM波形的占空比进行调整，因此系统的调整频率是100 Hz。AD模块输入信号的最大电压是3 V，因此要严格控制输入电压的大小。EV事件管理器用来输出PWM驱动脉冲，系统共需要4路PWM波

21、形，分别用来驱动4个功率MOS管的导通和关断。4路PWM脉冲分别用T1PWMT4PWM产生，PWM占空比由AD模块反馈回的负载电流大小决定。由于AD采样的触发方式是用T1定时器的上溢信号触发，所以EV事件管理器也是控制AD采样的重要组成部分。GPIO是DSP的通用输入输出端口，它可以根据采样数据的大小输出高电平或低电平，来控制主电路中的电子开关，从而达到切换工作状态或保护电路的作用。系统为了得到更大的调光范围，采取boost电路和buck电路相互切换的形式。即当buck电路的调压能力达到极限时，CPU根据这一情况通过GPIO输出高低电平把输出电路切换成boost工作状态以增大调压范围。当DSP

22、开始工作时，所有数据的初始设定都要使通过LED的负载电流为0，即驱动电路切换成两个Buck电路串联，PWM占空比设为0，目的是有效地保护LED不被开启电路时的涌浪电流损坏。然后，DSP根据AD模块传回的负载电压电流数据不断增大PWM占空比的值直到输出电流值达到预设值。负载电流控制采 用滞环比较器，设定一个电流最大值和一个最小值，当输出电流超过最大值或低于最小值时才对PWM占空比的值进行调整，使输出电流稳定在设定范围内。当Buck电路的调节能力达到极限时，也就是说Buck电路已经无法有效地增大电流以满足负载的变化时，DSP将通过GPIO端口及时将驱动电路切换成Buck和Boost电路串联的形式，以获得更大的调压范围。3 实验结果分析驱动电路正常工作时，DSP产生的PWM信号通过光电耦合器传送到驱动芯片IR2125，信号经过放大后用来驱动场效应管的开通和关断