LED電氣特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

王 琪

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710032）

LED電氣特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

王 琪

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710032）

隨著環(huán)境與能源問(wèn)題的日益突出，LED燈因其具有能耗低、壽命長(zhǎng)、高亮度、低熱量、材料環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，逐漸引起了社會(huì)的關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。在研究和分析LED電氣特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由LED驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)檢測(cè)電路組成的LED電氣特性測(cè)試儀，可對(duì)LED恒流驅(qū)動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的電流、電壓、溫度等參數(shù)的采樣與顯示。驅(qū)動(dòng)電路采用單級(jí)反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以SA7527為核心設(shè)計(jì)PWM開(kāi)關(guān)電源電路，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，具有較高的功率因數(shù)，同時(shí)具有恒流限壓的特點(diǎn)，效率可達(dá)88%以上。檢測(cè)電路以ATmega16單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈電流、電壓、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及顯示。實(shí)踐表明，該測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED電氣特性的測(cè)試與監(jiān)控，具有較好的研究與應(yīng)用前景。

電氣特性；反激式；功率因數(shù)；檢測(cè)

1 引 言

LED燈具依靠其功耗低、壽命長(zhǎng)、亮度高以及綠色環(huán)保的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)日光燈、白熾燈等能耗高、壽命短、污染環(huán)境的缺點(diǎn)，成為了研究熱點(diǎn)，逐漸在照明市場(chǎng)普及。大功率LED照明產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)已經(jīng)成為具有廣泛應(yīng)用前景的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。我國(guó)綠色照明工程的組織實(shí)施，也極大地促進(jìn)了LED照明技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，使得大功率LED照明技術(shù)在照明領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，其潛在的市場(chǎng)使大功率LED照明技術(shù)顯示出了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?。但是LED在發(fā)光過(guò)程中，仍有部分能量轉(zhuǎn)化為了熱能。因此大功率LED的散熱能力成為影響其光電性能和壽命的關(guān)鍵因素之一［1］。另外，目前市場(chǎng)上有一些LED驅(qū)動(dòng)電源質(zhì)量低劣，導(dǎo)致LED整體電路效率很低、發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重降低了整個(gè)照明系統(tǒng)的效率和可靠性。只有在解決好制造技術(shù)與驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)這兩大問(wèn)題之下，LED產(chǎn)品才能更加快速的發(fā)展。

LED電氣特性測(cè)試儀是在分析LED電壓、電流和PN節(jié)溫度三種主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的恒流限壓測(cè)試設(shè)備，該測(cè)試儀可對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，使得LED獲得穩(wěn)定的輸出。同時(shí)單片機(jī)檢測(cè)電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便LED驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下以最佳方式控制LED電流的大小。

2 LED電氣特性分析

由于LED本質(zhì)上就是能發(fā)光的二極管，所以其電氣特性類似于普通二極管，只不過(guò)開(kāi)啟電壓和導(dǎo)通壓降要更大，一般在3V左右，其電氣特性主要就是伏安特性。LED伏-安特性是流過(guò)芯片PN結(jié)的電流隨加到PN結(jié)兩端上的電壓變化的特性，是表征LED芯片PN結(jié)性能的主要參數(shù)。完整的LED伏安特性包含正向特性和反向特性兩方面，同時(shí)與普通二極管一樣，LED也具有單向?qū)щ娦院头蔷€性特性，即外加正偏壓表現(xiàn)為低電阻，反之為高電阻［2］，如圖1所示。

圖1 LED伏-安特性Fig.1 LED volt ampere characteristic

當(dāng)正向電壓小于某一值時(shí)，電流極小，LED不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)一定值后，正向電流隨電壓增大而迅速增加，從而使LED發(fā)光。所以高功率LED理想狀態(tài)下的正向V-I特性曲線如圖2所示。

圖2 LED理想狀態(tài)伏安特性Fig.2 LED volt ampere characteristic on the ideal state

LEDV-I特性的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中，V0是LED的閾值電壓，Rs為伏安曲線的斜率，IF為正向電流，T為環(huán)境溫度，ΔVF/ΔT是LED正向電壓溫度系數(shù)，典型值為-2V/℃。

從LED的伏安曲線及數(shù)學(xué)模型看，LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起LED電流的很大變化，并且環(huán)境溫度、LED老化、使用時(shí)間等因素也將影響LED的電氣性能。LED的光輸出量直接與LED的電流相關(guān)，故LED驅(qū)動(dòng)電源在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下必須精確控制高功率LED驅(qū)動(dòng)電流大小，否則，LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化，不能輸出穩(wěn)定的光強(qiáng)，嚴(yán)重影響其使用壽命。

3 LED電氣特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)

LED電氣特性測(cè)試儀是針對(duì)LED的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的恒流限壓控制電子電路，利用集成電路技術(shù)將LED的輸入電流控制在最佳電流值，使得LED能獲得穩(wěn)定的電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。同時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便LED驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓、環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)LED工作。硬件電路分為L(zhǎng)ED恒流驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)檢測(cè)電路兩部分，其原理圖如圖3所示。

3.1 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路主要由抗浪涌保護(hù)、EMI濾波、全橋整流、反激式變換器、PWM LED驅(qū)動(dòng)控制器、閉環(huán)反饋電路組成。AC輸入電壓為全范圍交流市電輸入端，EMI濾波器用來(lái)阻擋驅(qū)動(dòng)電路工作中產(chǎn)生的電磁干擾經(jīng)電源線干擾電網(wǎng)，同時(shí)阻止電網(wǎng)的電磁干擾經(jīng)電源線進(jìn)入后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。輸入的交流市電經(jīng)過(guò)前端EMI濾波器后經(jīng)整流橋整流進(jìn)入臨界導(dǎo)通模式的高功率因數(shù)單級(jí)反激變換器［3］，將市電降到安全電壓以內(nèi)，完成功率因數(shù)校正的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了高低壓電氣隔離。控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)電流的恒定和電壓限制，從而給LED提供恒定的電流和安全的電壓。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖3 LED電氣特性測(cè)試儀原理框圖Fig.3 Principle diagram of LED electrical characteristics tester

圖4 單級(jí)反激式驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.4 Single-stage flyback drive circuit

交流市電入口接有熔絲F1和抗浪涌的壓敏電阻Z1，熔絲起到線路輸入電流過(guò)流保護(hù)的作用，壓敏電阻Z1用來(lái)抑制來(lái)自電網(wǎng)的瞬時(shí)高電壓，保護(hù)輸入線路的安全。L1，C3，C9是共模濾波器，D1，D3，D4，D7是全橋整流電路，C4是電容濾波器。為了減少波動(dòng)，由R5，C2，D5組成吸收漏感的RCD電路，為了防止功率管Q2在關(guān)斷過(guò)程中承受大反壓，箝位電路的二極管一般選擇快速恢復(fù)二極管。輸出濾波電容C5、C6、C7、C8并聯(lián)減少了電壓紋波。采用反激式拓?fù)涞尿?qū)動(dòng)電路具有寬電壓輸入、恒流/限壓特性、成本低、控制精度高、調(diào)試簡(jiǎn)單等特點(diǎn)［4］。

3.2 單片機(jī)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)檢測(cè)電路主要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采樣大功率LED燈的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)，并且將電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示器上，供現(xiàn)場(chǎng)直觀讀取，以便隨時(shí)做出調(diào)整。電路由單片機(jī)主電路、檢測(cè)電路（包括電壓檢測(cè)，電流檢測(cè)，溫度檢測(cè)）、顯示電路、串口通訊電路、系統(tǒng)供電電路五部分組成。其中單片機(jī)主電路以ATmega16為核心，輔以時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和鉗位保護(hù)電路組成，如圖5所示。

圖6是LED電流放大電路，LED電流流過(guò)采樣電阻后信號(hào)是幾十毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，通過(guò)該電路放大，送至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換單元。溫度和電壓信號(hào)比較強(qiáng)，可通過(guò)分壓電路預(yù)處理成合適的電壓值供單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換單元。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)AD單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)利用這些數(shù)字量實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、顯示等功能。

圖5 單片機(jī)電路Fig.5 Single chip circuit

圖6 LED電流放大電路Fig.6 LED current amplify circuit

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件由兩部分組成，其一是以ATmega16單片機(jī)為主控芯片的下位機(jī)程序［5］，通過(guò)串口對(duì)LED燈的電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣、濾波，輸出給MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后送入PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，主要包括系統(tǒng)初始化程序、A＼D轉(zhuǎn)化程序、數(shù)字濾波程序以及串口發(fā)送程序。其二是上位機(jī)程序，實(shí)時(shí)顯示輸出的電流、電壓、溫度信號(hào)，并在坐標(biāo)系中描點(diǎn)顯示。系統(tǒng)主流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

以SA7527為驅(qū)動(dòng)電源的LED電氣特性測(cè)試儀，其驅(qū)動(dòng)電源基于PWM型高頻開(kāi)關(guān)電源恒壓/恒流控制器設(shè)計(jì)，采用電壓，電流雙控制環(huán)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在正常情況下，工作在恒流狀態(tài)時(shí)，電流環(huán)起作用，驅(qū)動(dòng)LED恒流工作，當(dāng)LED燈出現(xiàn)斷線、開(kāi)路等故障時(shí)，電路進(jìn)行限壓控制，電壓環(huán)起作用，以免高壓損壞電路或者是LED燈，從而提高控制器可靠性和穩(wěn)壓性。該電路具有寬輸入電壓（85-265VAC）、高功率因數(shù)（大于0.95），高轉(zhuǎn)化效率（大于88%）。單片機(jī)檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED燈的電壓、電路和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，。該測(cè)試儀是比較實(shí)用的LED電氣特性測(cè)試和研究工具，可對(duì)LED的研制提供可靠的數(shù)據(jù)參考，具有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow chart of themain program

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Chen Zhong-ping.C Language？Classic Example of Program Design for ATmega16［M］.Beijing：Electronics Industrial Publishing House，2013.

Design and Im plementation of LED Electrical Characteristics Tester

Wang Qi
（School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

As the issues of energy and environment have been focused on increasingly，the LED lamp，with the advantages of low energy consumption，long life，high brightness，low quantity of heat，environmental protection material，gradually arouses the concern and becomes the research hot spot.Based on the study and analysis of the electrical characteristics of LED，a LED electrical characteristics tester composed by LED driving circuit and SCM（Single Chip Microcomputer）detection circuit is designed，which can drive the LED with the constant current to sample and display the parameters of LED lamp，such as current，voltage and temperature.In the driving circuit，a single-stage flyback topology is used and the PWM switching power supply circuit is designed with SA7527 as the core to realize power factor correction and simplify the circuit structure，which has the advantages of high power factor，limiting voltage with constant current and high efficiency（upto 88%）.The detection circuit，using ATmega16 MCU as the core，can monitor and display the LED parameters of the current，voltage and temperature at real time.The practice shows that this tester can test and monitor the LED electrical characteristics and has good prospects for research and application.

Electrical characteristics；Flyback；Power factor；Detection

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.022

TP216

B

1002-2279（2015）03-0082-04

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（14JK1339）

王琪（1979-），女，山東省淄博市人，碩士，講師，主研方向：嵌入式、電力電子技術(shù)研究。

2014-12-05