非線性LED負(fù)載的DC-DC恒流源設(shè)計(jì)

謝仕宏, 郝鵬飛, 陳景文, 李秦君

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

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非線性LED負(fù)載的DC-DC恒流源設(shè)計(jì)

謝仕宏, 郝鵬飛, 陳景文, 李秦君

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：基于斬波技術(shù)原理，采用Buck降壓變換方案，設(shè)計(jì)一種強(qiáng)非線性負(fù)載的恒流電源.系統(tǒng)由Buck主電路，輔助電源電路，輸出電流信號(hào)采集電路和控制電路四部分組成.整個(gè)系統(tǒng)由一路交流電源經(jīng)降壓后供電.輔助電源采用寬范圍輸入的LM2576芯片和三個(gè)WRB1215芯片組成；控制電路控制器采用增強(qiáng)型51芯片STC15W4K56S4；電流信號(hào)采集電路由0.2歐姆功率電阻取樣，經(jīng)TL082兩級(jí)運(yùn)放后以電壓信號(hào)輸入到單片機(jī).針對(duì)LED的非線性特性，采用參數(shù)自調(diào)整PID進(jìn)行恒流控制.經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)輸入交流電壓可在32～40 V范圍內(nèi)變化，輸出電流可在150～350 mA步進(jìn)調(diào)整，穩(wěn)態(tài)電流誤差小于1%，最大動(dòng)態(tài)偏差小于10%.

關(guān)鍵詞：Buck電路； 非線性負(fù)載； LED； 恒流源； 參數(shù)自調(diào)整PID

0引言

發(fā)光二極管( LED)因發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)在照明領(lǐng)域使用越來(lái)越廣泛.但是LED燈是一種強(qiáng)非線性元件，在導(dǎo)通狀態(tài)下，一個(gè)1 W的LED燈兩端電壓約3 V左右，而電流可以從幾毫安到幾百毫安范圍內(nèi)變化，而且受溫度影響嚴(yán)重，其伏安特性呈現(xiàn)一種強(qiáng)非線性[1].對(duì)LED恒流源的設(shè)計(jì)有學(xué)者提出了針對(duì)負(fù)載的滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法[2-4]，也有學(xué)者提出了針對(duì)Buck電路本身的非線性分析、建模的控制方法[5-10].這些方法在實(shí)際使用中都具有算法復(fù)雜、不易普及的特點(diǎn).本系統(tǒng)提出一種簡(jiǎn)易的參數(shù)自調(diào)整PID控制方法，實(shí)現(xiàn)LED燈串聯(lián)負(fù)載的恒流輸出，輸出電流能在150 mA到350 mA范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，同時(shí)具有承受輸入電壓變化范圍大、輸出電流穩(wěn)態(tài)誤差小、動(dòng)態(tài)最大偏差小的特點(diǎn)，具體軟硬件設(shè)計(jì)如下.

1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸入為32 V到40 V范圍內(nèi)可變的交流電壓，經(jīng)橋式不可控整流和濾波后，輸出直流電壓大約在38 V到48 V范圍內(nèi)(根據(jù)濾波電容不同，輸出電壓會(huì)略有不同).而十個(gè)LED負(fù)載額定狀態(tài)下端電壓在30 V左右，因此需要采用降壓電路，這里采用Buck降壓DC-DC變換電路,如圖1所示.為了最大限度降低電壓紋波，整流側(cè)濾波電容選擇2 200μF/100 V電解電容.開(kāi)關(guān)器件選擇為CSD19535，CSD19535持續(xù)漏極電流可達(dá)150 A ，漏源電壓可達(dá)100 V，可確保開(kāi)關(guān)器件的安全.續(xù)流二極管選擇正向?qū)▔航档汀⒕哂锌焖倩謴?fù)性能的肖特基二極管MRB20100.Buck降壓電路主電感的選擇，在堅(jiān)持電感電流連續(xù)以及最小電感條件下[11,12]，綜合多種電感選擇方法[13,14]，最終選擇如下公式[15,16]：

(1)

式(1)中：Ud為整流側(cè)直流平均電壓;T為PWM控制周期;D為占空比;Ioc為臨界連續(xù)電流.

單片機(jī)系統(tǒng)輸出的PWM波頻率為50 kHz，對(duì)應(yīng)控制周期為20μS.LED導(dǎo)通狀態(tài)下兩端電壓變化不大，十個(gè)LED燈兩端電壓約30 V左右，輸入直流電壓在38～48 V范圍內(nèi)變化時(shí)，所需占空比在0.625～0.789范圍內(nèi)變化.臨界連續(xù)電流可取最小負(fù)載電流150 mA.以最小占空比計(jì)算輸入電壓在38～48 V時(shí)主電路電感在594～750μH范圍內(nèi).考慮留有一定余量并結(jié)合實(shí)際測(cè)試，最終選擇Buck主電路儲(chǔ)能電感為880μH.

輸出濾波電容選擇可依據(jù)公式2計(jì)算[6].

(2)

式(2)中：Ud為整流側(cè)直流平均電壓;T為PWM控制周期;L為Buck主電路電感;ΔU為輸出紋波電壓.

根據(jù)公式1確定的電感L值為880μH，以及紋波電壓ΔU=1 V可計(jì)算出輸出濾波電容大小.結(jié)合實(shí)際測(cè)試，為使得輸出紋波電壓較小，輸出濾波電容盡可能取大一些，本系統(tǒng)取2 200μF /100 V電解電容.

圖1　DC-DC主電路及驅(qū)動(dòng)電路

開(kāi)關(guān)器件CSD19535驅(qū)動(dòng)電路選擇A3120光隔驅(qū)動(dòng)，A3120是一個(gè)常用的MOS管光電隔離驅(qū)動(dòng)芯片，輸出15 V電壓由輔助電源單獨(dú)的一個(gè)WRB1215提供，以此解決驅(qū)動(dòng)地與電源地的地電勢(shì)不同.同時(shí)單片機(jī)以低電平輸出有效PWM波，降低單片機(jī)端口負(fù)載.為保護(hù)開(kāi)關(guān)元件CSD19535，在其柵源極并聯(lián)有15 V的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓二極管及R3、R6、D5一起可提高M(jìn)OS管的關(guān)斷速度.

1.2信號(hào)采集電路

因LED燈工作電流較小(低于350 mA)，使得常用的電流檢測(cè)元件(如霍爾電流傳感器TBC05SY等)難以有效的測(cè)量，為此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用0.2歐姆的功率電阻進(jìn)行電流檢測(cè)，功率電阻輸出的電壓經(jīng)過(guò)50倍的兩級(jí)放大后，以電壓信號(hào)輸入到單片機(jī).LED燈工作電流在150 mA至350 mA，經(jīng)0.2歐姆電阻取樣后，電壓為0.03～0.07 V，再經(jīng)過(guò)50倍的電壓放大，送入到單片機(jī)的模擬電壓為1.5～3.5 V，滿(mǎn)足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換通道輸入電壓0～5 V的要求.電壓信號(hào)放大電路如圖2所示.

圖2　信號(hào)放大處理電路

需要注意的是，因LED負(fù)載在電壓較小時(shí)不導(dǎo)通，而在電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)突然開(kāi)啟導(dǎo)通，系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的沖擊電壓，實(shí)際使用時(shí)常常造成放大器飽和輸出甚至損壞元器件，為此可在放大器輸入端加一個(gè)15 V穩(wěn)壓二極管.電壓信號(hào)輸入到控制系統(tǒng)后，還需要一個(gè)輸入信號(hào)調(diào)理電路.調(diào)理電路以電壓跟隨形式，增大輸入阻抗，同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理.經(jīng)調(diào)理后的模擬電壓信號(hào)，最終輸入到單片機(jī)的模擬量輸入通道.

1.3控制電路

目前DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率都在30 kHz

以上，普通的51單片機(jī)難以輸出如此高頻率的PWM波，而更高級(jí)別的控制器又顯得大材小用，故此本系統(tǒng)采用增強(qiáng)型51單片機(jī)STC15W4K56S4[17]，該芯片主頻30 MHz，有8路10位高速的AD轉(zhuǎn)換輸入通道，6路15位專(zhuān)門(mén)的高精度PWM(帶死區(qū)控制)波輸出通道，2路捕獲比較PWM(CCP)波輸出通道(利用它的高速脈沖輸出功能可實(shí)現(xiàn)11～16位PWM波)，以及眾多的I/O端口，同時(shí)該芯片完全繼承了51單片機(jī)的編程方法，完全滿(mǎn)足本系統(tǒng)的使用要求.

1.4輔助電源電路

輔助電源是本系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，因本系統(tǒng)只有一路交流輸入，輸入交流電源電壓在32～40 V大范圍內(nèi)變化，Buck電路開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)地又與電源地不同，故此需要一個(gè)單獨(dú)的15 V驅(qū)動(dòng)電源.由此選擇輔助電源電路為一個(gè)寬范圍輸入的DC-DC芯片LM2576和3個(gè)普通的DC-DC芯片WRB1215組成，如圖3和圖4所示.

圖3　AC-DC變換電路

圖3為輔助電源的AC-DC變換電路，圖4為輔助電源的DC-DC變換電路.輔助電源首先由二極管半波整流并濾波后輸入到LM2576，LM2576輸出經(jīng)LC濾波后輸出15 V直流電源.經(jīng)過(guò)兩個(gè)WRB1215的DC-DC變換后，輸出與輸入電壓隔離的正負(fù)15 V直流電源，為控制器和放大電路供電，該路電源的地可稱(chēng)之為MCU_GND，即電源地.LM2576輸出15 V電源經(jīng)過(guò)一個(gè)WRB1215后輸出隔離的15 V電源為CSD19535供電，該路電源地可稱(chēng)之為MOS_GND，即MOS管的驅(qū)動(dòng)地.驅(qū)動(dòng)地與電源地不同，嚴(yán)禁兩者共地，否則MOS管不能正常工作，甚至損壞器件.

圖4　DC-DC變換電路

2軟件設(shè)計(jì)

2.1主程序流程及參數(shù)設(shè)置

LED燈DC-DC變換恒流源控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件CSD19535的通斷，即輸出占空比D，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓Uo的大小，從而控制輸出電流Io.主程序流程圖如圖5所示.

圖5　主程序流程圖

單片機(jī)上電后，首先對(duì)端口進(jìn)行配置，STC15系列單片機(jī)通用端口可以配置為四種工作模式：準(zhǔn)雙向口(弱上拉)、強(qiáng)推挽(強(qiáng)上拉)、僅為輸入(高阻)、開(kāi)漏.上電復(fù)位后為準(zhǔn)雙向口模式.本系統(tǒng)設(shè)置為準(zhǔn)雙向口模式.PWM初始化設(shè)置主要完成每個(gè)通道PWM的死區(qū)大小、初始電平、第一個(gè)翻轉(zhuǎn)電平時(shí)刻、第二個(gè)翻轉(zhuǎn)電平時(shí)刻以及PWM周期的設(shè)置，并可根據(jù)需要將兩個(gè)單通道PWM輸出設(shè)置為互補(bǔ)輸出.本系統(tǒng)PWM輸出采用單通道低電平有效輸出，通道選擇為PWM2，對(duì)應(yīng)端口P3.7.初始電平設(shè)置為高電平，死區(qū)大小為12個(gè)時(shí)鐘周期(這個(gè)對(duì)互補(bǔ)輸出時(shí)防止上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通特別重要)，第一個(gè)翻轉(zhuǎn)時(shí)刻為16個(gè)時(shí)鐘周期，第二個(gè)翻轉(zhuǎn)時(shí)刻定義為全局變量t，對(duì)其初始化為100個(gè)時(shí)鐘周期，以后由PID輸出調(diào)整t的大小，即可完成對(duì)輸出電壓的調(diào)整.PWM周期設(shè)置為600個(gè)時(shí)鐘周期，STC15W4系列單片機(jī)主頻為30 MHz，600個(gè)時(shí)鐘周期為20μs，對(duì)應(yīng)PWM波輸出頻率為50 kHz.為了獲得更好的顯示效果，調(diào)整液晶顯示周期約2 s，PID控制周期0.85 s.

2.2非線性LED的PID控制方法

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，LED燈在導(dǎo)通電流為150～350 mA時(shí)，負(fù)載電壓變化幅度只有2.6 V，如此小范圍強(qiáng)非線性區(qū)域，給PID控制帶來(lái)了困難.為此本系統(tǒng)采用參數(shù)自調(diào)整PID控制，參數(shù)自調(diào)整PID控制簡(jiǎn)單實(shí)用，編程方便，容易理解，具體控制流程圖如圖6所示.

圖6　PID控制子程序流程圖

PID參數(shù)調(diào)整基本原則是：首先手動(dòng)整定出在150 mA、250 mA及350 mA這三個(gè)工作點(diǎn)上PID控制參數(shù)，然后以250 mA工作點(diǎn)參數(shù)作為PID控制器的初始化參數(shù)，依據(jù)實(shí)時(shí)偏差對(duì)PID參數(shù)做局部小范圍線性修正.根據(jù)手動(dòng)整定的各工作點(diǎn)PID參數(shù)如表1所示.

表1　手動(dòng)整定PID參數(shù)

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，對(duì)非線性LED負(fù)載的DC-DC恒流源進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，并進(jìn)行物理測(cè)試，設(shè)計(jì)測(cè)試方案為：第一步，在150～350 mA范圍內(nèi)觀測(cè)系統(tǒng)恒流效果；第二步，從150～350 mA以50 mA大小進(jìn)行階躍變化時(shí)觀測(cè)動(dòng)態(tài)最大偏差電流.經(jīng)過(guò)測(cè)試，數(shù)據(jù)如表2和表3所示.

表2所測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在120～350 mA范圍內(nèi)，系統(tǒng)顯示穩(wěn)態(tài)誤差在±1%以?xún)?nèi)，用萬(wàn)用表實(shí)測(cè)穩(wěn)態(tài)誤差在±1.7%以?xún)?nèi).表3所測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在150～350 mA以50 mA步距進(jìn)行階躍變化時(shí)，最大動(dòng)態(tài)超調(diào)量為10.5%，在350～150 mA以-50 mA步距進(jìn)行階躍變化時(shí)，最大動(dòng)態(tài)超調(diào)量為10.7%.經(jīng)過(guò)測(cè)量，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程持續(xù)約兩到三個(gè)PID控制周期，大約1.7～2.5 s.

表2　DC-DC恒流源穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表3　DC-DC恒流源動(dòng)態(tài)性能測(cè)試數(shù)據(jù)

4結(jié)論

寬范圍輸入電壓(32～40 V)、小信號(hào)檢測(cè)及非線性負(fù)載特性是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，非線性LED負(fù)載的開(kāi)關(guān)沖擊對(duì)小信號(hào)檢測(cè)放大電路產(chǎn)生了較大的影響，負(fù)載電流的非線性給常規(guī)PID控制帶來(lái)了困難，負(fù)載電流在較大范圍波動(dòng)時(shí)對(duì)電流采樣電路也會(huì)產(chǎn)生破壞性影響.本文通過(guò)選擇合適的DC-DC芯片、合理的電流采樣放大電路以及參數(shù)自調(diào)整PID控制方法能較好的解決上述問(wèn)題.經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)依然存在一個(gè)問(wèn)題，在電流波動(dòng)范圍較大以及長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，采樣電阻的阻值會(huì)減小很多(既不是過(guò)載斷路，也不是短路，更換采樣電阻電路恢復(fù)正常)，對(duì)采樣電阻正常工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響，具體原因有待進(jìn)一步分析研究.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-5811(2016)02-0160-05

作者簡(jiǎn)介:謝仕宏(1977-)，男，河南光山人，講師，研究方向：電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng)控制

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577110)

收稿日期:2016-02-02